Evolution of an unstable sex determination system in white Guinea yam (Dioscorea rotundata)

في عالم النبات، تُعد قواعد التكاثر مرنة بشكل مثير للدهشة. فبينما تمتلك العديد من الحيوانات أجناساً ثابتة تحددها كروموسومات لا تتغير أبداً، غالباً ما تُظهر النباتات المزهرة نهجاً أكثر مرونة. فبعض الأنواع تكون ذكرية أو أنثوية بشكل صارم، بينما يمكن لأنواع أخرى أن تنتج كلا النوعين من الأزهار على نفس الفرد، أو حتى تغير جنسها من سنة إلى أخرى. هذا التباين، المعروف بالتعبير الجنسي غير المستقر، يمثل لغزاً شائعاً للعلماء الذين يحاولون فهم كيف يقرر النبات نمو أزهار ذكرية أو أنثوية. وبالنسبة للمزارعين، يمثل هذا عدم القدرة على التنبؤ عقبة كبيرة؛ ففي المحاصيل التي تعد حيوية لإطعام العالم، يجعل عدم القدرة على التحكم في الجنس بشكل موثوق من الصعب استنباط أصناف جديدة ذات إنتاجية أفضل أو مقاومة للأمراض. وإذا لم يكن من الممكن إجبار النبات على التلقيح الذاتي لأن جنسه يستمر في التغير، فلن يتمكن المربون بسهولة من تثبيت الصفات المرغوبة.

لقد كشف فريق من الباحثين الآن عن الآلية الكامنة و trás وراء هذا عدم الاستقرار في "اليام غينيا الأبيض"، وهو محصول درني يعد غذاءً أساسياً للملايين في غرب ووسط أفريقيا. ومن خلال رسم الخريطة الجينية لهذا النبات بتفصيل غير مسبوق، اكتشفوا أن اليام يستخدم مفتاحاً جينياً محدداً يتضمن جزيئاً صغيراً يسمى "microRNA" (الحمض النووي الريبوزي الميكروي) لتحديد جنسه. وهذا المفتاح ليس مجرد زر بسيط للتشغيل أو الإيقاف، بل هو نظام يمكن التأثير عليه من خلال العوامل البيئية، مما يفسر لماذا قد يكون نفس النبات أنثى في عام ما وذكراً في العام التالي. ويكشف هذا الاكتشاف عن نظام تحديد جنس تطور حديثاً ويختلف عن تلك الموجودة في أنواع اليام الأخرى ذات الصلة، مما يوفر مساراً جديداً نحو استقرار هذا المحصول الحيوي من أجل الأمن الغذائي المستقبلي.

إن نبات اليام غينيا الأبيض، المعروف علمياً باسم (Dioscorea rotundata)، هو نبات ثنائي المسكن (dioecious)، مما يعني أن النباتات الفردية تكون عادةً إما ذكرية أو أنثوية. وهذا الفصل يخلق عقبة رئيسية أمام برامج التربية؛ فخلافاً للمحاصيل التي يمكنها التلقيح الذاتي، يتطلب اليام نباتاً ذكراً لتخصيب النبات الأنثوي لإنتاج البذور. هذه العملية بطيئة وغير فعالة، مما يجعل من الصعب إدخال تحسينات جينية جديدة. علاوة على ذلك، لاحظ الباحثون منذ فترة طويلة أن جنس هذه اليامات ليس مستقراً دائماً؛ فقد يظهر نبات تم تحديده كأنثى فجأة أزهاراً ذكرية، أو قد يحمل نبات واحد أزهاراً ذكرية وأنثوية على أغصان مختلفة، وهي حالة تسمى "أحادية المسكن" (monoecy). هذا التباين جعل من الصب الصعب التنبؤ بكيفية سلوك النبات من موسم نمو إلى آخر.

ولحل هذا الغموض، لجأ الباحثون إلى جينوم النبات، وهو المجموعة الكاملة من التعليمات الجينية المحمولة في خلاياه. وقد ركزوا على زوج محدد من الكروموسومات، المعروف بكروموسومات Z و W، وهي المسؤولة عن تحديد الجنس في هذا النوع. في هذا النظام، النباتات التي تمتلك اثنين من كروموسومات Z هي دائماً ذكرية، بينما النباتات التي تمتلك كروموسوم Z واحداً وكروموسوم W واحد يمكن أن تكون أنثوية، أو ذكرية، أو أحادية المسكن. قام الفريق بإنشاء خريطة عالية الدقة لهذه الكروموسومات من نبات يام واحد أظهر أزهاراً ذكرية وأنثوية معاً. سمح ذلك لهم بمقارنة نسختي الكروموسوم جنباً إلى جنب، بحثاً عن الاختلافات الجينية المحددة التي قد تحفز التحول بين الجنسين.

وكشفت تحقيقاتهم عن منطقة متميزة على كروموسوم W مفقودة من كروموسوم Z. هذه المنطقة، التي تمتد لحوالي 170,000 حرف من الشفرة الجينية، تحتوي على جين فريد ينتج "microRNA". والـ microRNAs هي جزيئات صغيرة تعمل كمنظمات، حيث ترتبط بالرسائل الجينية الأخرى وتعمل على إسكاتها. في حالة اليام غينيا الأبيض، يوجد هذا الـ microRNA المحدد، المسمى dro-miR432، فقط في النباتات التي تحمل كروموسوم W. ووجد الباحثون أن هذا الجزيء يستهدف جيناً يسمى PGL3، وهو المسؤول عن تطور حبوب اللقاح. عندما يكون الـ microRNA موجوداً، فإنه يثبط جين PGL3، مما يقلل فعلياً من إنتاج الأزهار الذكرية. وعندما يكون الـ microRNA غائباً أو أقل نشاطاً، يكون جين PGL3 حراً في العمل، مما يسمح بتطور الأزهار الذكرية.

تقدم الدراسة دليلاً قوياً على أن وجود هذا الـ microRNA هو المفتاح للتعبير الجنسي غير المستقر المشاهد في هذه اليامات. ففي النباتات التي يكون فيها الـ microRNA نشطاً بالكامل، يؤدي تثبيط الجين المسؤول عن التطور الذكري إلى ظهور أزهار أنثوية. ومع ذلك، ولأن النظام يعتمد على جزيء تنظيمي بدلاً من تغيير هيكلي دائم، فإن مستوى التثبيط يمكن أن يتفاوت. وقد لاحظ الباحثون أن كمية هذا الـ microRNA تتقلب، مما يفسر لماذا قد ينتج نبات واحد أزهاراً أنثوية في عام واحد وأزهاراً ذكرية في عام آخر. وقد أكدوا هذه الآلية عن طريق إدخال جين الـ microRNA في نبات مختلف، وهو نبات التبغ، وأظهروا أنه نجح في إسكات الجين المستهدف، تماماً كما يفعل في اليام.

يسلط هذا الاكتشاف الضوء أيضاً على التاريخ التطوري لليام. فقد قارن الباحثون الكروموسومات الجنسية لليام غينيا الأبيض مع نوعين آخرين من اليام: اليام البري واليام المائي. ووجدوا أن اليام غينيا الأبيض يستخدم مجموعة مختلفة تماماً من الجينات ونوعاً مختلفاً من ترتيب الكروموسومات لتحديد الجنس. وبينما تعتمد الأنواع الأخرى على مفاتيح جينية مختلفة، فقد طور اليام غينيا الأبيض هذا النظام القائم على الـ microRNA مؤخراً نسبياً. ويبدو أن المنطقة الجينية المسؤولة عن هذا النظام قد ورثتها النباتات من أسلافها البرية، التي تحمل أيضاً نفس التباين الجيني. وهذا يشير إلى أن عدم استقرار الجنس في اليام المزروع ليس عيباً، بل هو بقايا من أصوله البرية، حيث ربما كان التنوع ميزة في تلك البيئة.

تتجاوز تداعيات هذا الاكتشاف حدود العلوم الأساسية. فمن خلال تحديد المفتاح الجيني المحدد الذي يتحكم في الجنس، أصبح لدى المربين الآن أداة محتملة لتثبيت المحصول. فإذا تمكن العلماء من تعلم كيفية التحكم في نشاط هذا الـ microRNA، فيمكنهم إنشاء أصناف من اليام تنتج باستمرار نوعاً واحداً فقط من الأزهار، أو ربما نباتات تنتج أزهاراً ذكرية وأنثوية بشكل موثوق. وهذا سيسمح للمزارعين بالتلقيح الذاتي لمحاصيلهم، مما يسرع عملية التربية بشكل كبير ويمكّن من التطوير السريع لأصناف جديدة أكثر إنتاجية وصموداً. وبالنسبة لمحصول يغذي جزءاً كبيراً من سكان العالم، فإن فهم وإتقان هذا المفتاح الجيني يمكن أن يكون خطوة تحولية نحو ضمان الأمن الغذائي في السنوات القادمة.