Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

ليست النباتات مجرد خضرة سلبية؛ بل هي مصانع كيميائية تصنع باستمرار مجموعة واسعة من المركبات لضمان بقائها ونموها ودفاعها عن نفسها. ومن بين أهم هذه المصانع مسار استقلابي يُعرف باسم "مسار الشيكيمات"، وهو طريق أساسي تستخدمه النباتات لبناء اللبنات الأساسية للأحماض الأمينية والعديد من المواد الكيميائية الواقية. وعند نقطة مفصلية في هذا المسار، يقع إنزيم فريد يقوم بمهمة مزدوجة: فهو يساعد في تكوين حمض الشيكيميك، وهو مقدمة للعديد من العناصر الأساسية للنبات، كما أنه يوجه العملية نحو صنع حمض الغاليك. وحمض الغاليك هو مركب فينولي قوي يوجد في العديد من الفواكه والأعشاب، ويشتهر بخصائصه المضادة للأكسدة ودوره كمقدمة مباشرة لحمض الإيلاجيك، وهو مركب مفيد آخر. إن فهم كيفية تحكم النباتات في هذا الإنزيم تحديداً هو المفتاح لفهم كيفية تنظيم إنتاج هذه المواد الكيميائية القيمة، والتي غالباً ما تحدد القيمة الغذائية والطبية للنبات.

لقد وجه الباحثون اهتمامهم إلى نبات Rubus chingii، وهو شجيرة متسلقة موطنها الصين، تحظى بتقدير كبير سواء كفاكهة أو كدواء تقليدي. تُستخدم الثمار غير الناضجة لهذا النبات لعلاج أمراض مختلفة، بينما تُؤكل الثمار الناضجة كنوع من الأطعڠات الفاخرة. يتميز هذا النبات بغناه بحمض الغاليك وحمض الإيلاجيك، لكن العلماء لم يفهموا تماماً كيف تتحكم جينات النبات في إنتاج هذه المركبات. ولحل هذا اللغز، أجرى فريق من العلماء من جامعة تشجيانغ للعلوم والتكنولوجيا دراسة شاملة لرسم خريطة للجينات المحددة المسؤولة عن الإنزيم الذي يسد الفجوة بين حمض الشيكيميك وحمض الغاليك. أرادوا معرفة عدد هذه الجينات التي يمتلكها النبات، وأماكن تواجدها، وبنيتها، ومتى يتم تفعيلها أو إيقافها خلال دورة حياة النبات.

بدأ الفريق بمسح كامل لجينوم نبات Rubus chingii للعثور على الجينات التي تشفر هذا الإنزيم المحدد. وقد حددوا أربعة جينات بالضبط، أطلقوا عليها الأسماء RcDHD/SDH1 إلى RcDHD/SDH4. وهذه الجينات ليست مبعثرة بشكل عشوائي؛ بل تتوزع بالتساوي عبر اثنين فقط من كروموسومات النبات. فحص الباحثون الخصائص الفيزيائية للبروتينات التي تنتجها هذه الجينات، ووجدوا أن البروتينات تختلف في الحجم، حيث يحتوي بعضها على أكثر من 1300 حمض أميني، بينما تكون أخرى أصغر حجماً. وبالرغم من هذه الاختلافات في الحجم، تشترك جميع البروتينات الأربعة في نواة هيكلية مشتركة تسمح لها بالعمل كإنزيمات. وتوقعت الدراسة أن تعمل هذه البروتينات بشكل أساسي داخل النواة والسيتوبلازم في خلايا النبات، وهما المكونان الرئيسيان حيث تجري الأنشطة الخلوية.

ولفهم كيفية تطور هذه الجينات، قارن العلماء هذه الجينات بجينات مماثلة موجودة في نباتات أخرى، بدءاً من الأرز والذرة وصولاً إلى فول الصويا والعنب. وكشف التحليل أن الجينات الأربعة في نبات Rubus chingii تنتمي إلى مجموعة عائلية محددة تشترك فيها مع النباتات عريضة الأوراق، أو ثنائيات الفلقة، مثل فول الصويا. ولم تتجمع هذه الجينات مع الجينات الموجودة في الأعشاب مثل الأرز أو الذرة، مما يشير إلى أن هذه المجموعة من الجينات قد اتبعت مساراً تطورياً متميزاً في النباتات عريضة الأوراق. كما نظر الباحثون في بنية الجينات نفسها، ولاحظوا أنها تحتوي على ما بين تسعة وأربعة عشر قطاعاً، تُعرف باسم "الإكسونات"، وهي الأجزاء من الجين التي تحمل التعليمات لبناء البروتين. ويشير هذا التباين الهيكلي إلى أنه على الرغم من كون الجينات مرتبطة، إلا أنها تباعدت بما يكفي لأداء أدوار مختلفة قليلاً.

تضمن جزء حاسم من التحقيق النظر في "المفاتيح" الموجودة بالقرب من هذه الجينات. هذه المفاتيح، المعروفة باسم العناصر المستجيبة لـ "cis"، هي تسلسلات من الحمض النووي (DNA) تخبر الجين متى يعمل. ووجد الباحثون أن مفاتيح هذه الجينات الأربعة حساسة للضوء، ودرجة الحرارة، وهرمونات نباتية متنوعة. وهذا يعني أن إنتاج الإنزيم يتأثر على الأرجح بالبيئة، مثل التغيرات في ضوء الشمس أو وجود حالة من الإجهاد. وتحديداً، يبدو أن الجينات تمتلك مفاتيح تستجيب لـ "ميثيل الجاسمونات"، وهو هرمون مرتبط بالدفاع، بالإضافة إلى "الأوكسين" و"حمض الأبسيسيك"، اللذين ينظمان النمو والاستجابة للإجهاد.

انتقل الفريق بعد ذلك من الحاسوب إلى الدفيئة (البيت الزجاجي) ليروا كيف تسلك هذه الجينات في نبات حي. قاموا بقياس نشاط الجينات في أجزاء مختلفة من النبات، بما في ذلك الجذور، والسيقان، والأوراق، والأزهار، والثمار في مراحل مختلفة من النضج. ووجدوا أن الجينات نشطة في كل مكان، لكن شدتها تختلف. كان أحد الجينات، وهو RcDHD/SDH4، نشطاً بشكل خاص في السيقان والأوراق، بينما أظهرت الجينات الأخرى نشاطاً أكثر اتساقاً في الجذور. وعندما تتبعوا الجينات أثناء تطور الثمرة، ظهر نمط واضح؛ فقد كانت الجينات أكثر نشاطاً عندما كانت الثمرة صغيرة وخضراء. ومع نمو الثمرة وتغير لونها، انخفض نشاط هذه الجينات بشكل كبير.

لم يكن هذا الانخفاض في نشاط الجينات عشوائياً؛ فقد تطابق تماماً مع مستويات المواد الكيميائية التي تساعد هذه الجينات في إنتاجها. قام الباحثون بقياس كمية حمض الغاليك وحمض الإيلاجيك في الثمرة عند كل مرحلة. ووجدوا أن هذه المركبات تتراكم بسرعة عندما تكون الثمرة صغيرة وخضراء، وتصل إلى ذروة مستوياتها قبل أن تتحول إلى اللون الأحمر. ومع نضج الثمرة وانخفاض نشاط الجينات، استقرت مستويات هذه المواد الكيميائية أو انخفضت. ويشير هذا الارتباط الوثيق إلى أن الجينات تكون في أقصى درجات أهميتها خلال المراحل المبكرة من نمو الثمار، حيث تقود إنتاج هذه المركبات الواقية عندما تكون الثمرة في أكثر حالاتها ضعفاً.

وللتأكد من أن هذه الجينات تستجيب بالفعل للإشارات الداخلية للنبات، عالج الباحثون الأوراق بهرمونات مختلفة. فعندما طبقوا "ميثيل الجاسمونات"، ارتفع نشاط الجينات بشكل مفاجئ، حيث زاد نشاط بعضها بأكثر من خمس مرات. وقد أكد هذا أن النبات يستخدم هذه الجينات كجزء من نظام دفاعه، حيث يرفع وتيرة الإنتاج عندما يستشعر خطراً. وبالمثل، استجابت الجينات لـ "الأوكسين" و"حمض الأبسيسيك"، وإن كان ذلك بطرق مختلفة، حيث أظهر أحد الجينات زيادة هائلة بلغت اثني وثلاثين ضعفاً في النشاط عند التعرض للأوكسين. وتشير هذه النتائج إلى أن النبات يمتلك نظاماً متطوراً لتنظيم هذه الجينات، حيث يرفع أو يخفض نشاطها بناءً على حاجته للنمو، أو الدفاع عن نفسه، أو إدارة الإجهاد.

تخلص الدراسة إلى أن الجينات الأربعة المحددة في نبات Rubus chingii هي المتحكمات الرئيسية في الإنزيم الذي يربط حمض الشيكيميك بحمض الغاليك. ويكون نشاطها في أعلى مستوياته في المراحل المبكرة من تطور الثمار وفي الأوراق، وهو ما يتماشى مع الفترات التي يحتاج فيها النبات لإنتاج مستويات عالية من حمض الغاليك وحمض الإيلاجيك. توفر هذه الأبحاث خريطة مفصلة لكيفية بنية هذه الجينات، وأماكن تواجدها، وكيفية استجابتها للبيئة. ويوفر فهم هذه الآلية الجينية للعلماء فرصة لتقدير كيفية إنتاج هذا النبات لمركباته الطبية، وقد يستخدمون هذا المعرفة يوماً ما لتحسين جودة الثمار أو تعزيز إنتاج هذه المواد الكيميائية القيمة للاستخدام البشري. ويضع هذا العمل حجر الأساس لدراسات مستقبلية يمكن أن تستكشف كيفية التلاعب بهذه الجينات لتعزيز الدفاعات الطبيعية للنبات أو زيادة إنتاج مركباته المفيدة.