Genome-wide identification and expression analysis of the Bcl-2-associated athanogene (BAG) gene family in barley (Hordeum vulgare L.) under drought and heat stresses

تعيش النباتات في عالم من التغير المستمر. فهي لا تستطيع التحرك للهروب من شمس حارقة أو مجرى نهر جاف، لذا يتعين عليها الصمود. وللبقاء على قيد الحياة، تعتمد على شبكة داخلية معقدة من البروتينات التي تعمل كحراس جزيئيين. وعندما تصبح البيئة قاسية، ينطلق هؤلاء الحراس للعمل، مما يساعد خلايا النبات على الحفاظ على شكلها، وإصلاح الأضرار، واستمرار العمليات الأساسية. وتلعب مجموعة محددة من هؤلاء الحراس، تُعرف باسم عائلة "BAG"، دوراً حاسماً في نظام الدفاع هذا. اكتُشفت هذه البروتينات في الأصل في الحيوانات، حيث تساعد في إدارة موت الخلايا، ووُجدت أيضاً في النباتات. وفي عالم النبات، تعمل هذه البروتينات كـ "مرافقات جزيئية" (co-chaperones)، وهو مصطلح يصف وظيفتها في مساعدة البروتينات الأخرى على الالتفاف بالشكل الصحيح والبقاء مستقرة، خاصة عندما تهدد الحرارة أو الجفاف بتفككها. إن فهم كيفية عمل هذه البروتينات في المحاصيل أمر حيوي للزراعة، حيث يواجه المزارعون أنماط طقس غير متوقعة بشكل متزايد يمكن أن تدمر الحصاد.

في دراسة حديثة، وجه الباحثون اهتمامهم إلى الشعير، وهو حبوب صلبة تعمل كمصدر غذاء حيوي ونموذج لفهم مرونة المحاصيل. وضع الفريق هدفاً يتمثل في رسم خريطة لعائلة جينات "BAG" بأكملها داخل جينوم الشعير ومراقبة كيفية سلوك هذه الجينات عندما يُدفع النبات إلى أقصى حدوده. بدأوا بمسح الشفرة الوراثية للشعير، بحثاً عن العلامات المحددة التي تُعرف عائلة "BAG". ومن خلال هذا البحث الرقمي، حددوا سبعة جينات متميزة، أسموها من HvBAG1 إلى HvBAG7. تتوزع هذه الجينات عبر ستة من كروموسومات النبات السبعة، حيث يحمل أحد الكروموسومات اثنين منها بينما لا يحمل الآخر أي جين. ثم فحص الباحثون البنية الفيزيائية للبروتينات التي تنتجها هذه الجينات، ووجدوا أنه بينما تختلف البروتينات في الحجم والتركيب الكيميائي، إلا أنها تشترك جميعاً في منطقة محفوظة وثابتة عند أحد أطرافها. هذه المنطقة المشتركة هي مفتاح وظيفتها، مما يسمح لها بالارتباط ببروتينات الصدمة الحرارية، التي تمثل فريق الإصلاح الأساسي للنبات.

تعمقت الدراسة في البحث حول مكان عمل هذه البروتينات داخل الخلية وكيفية بنائها. توقع الباحثون أن معظم هذه البروتينات تقطن في جسم الخلية الرئيسي، أي السيتوبلازم، أو في النواة، بينما يوجد البعض الآخر في البلاستيدات الخضراء، وهي الهياكل الخضراء حيث تحدث عملية التمثيل الضوئي. كما حللوا المخططات الجينية لمعرفة كيفية بناء الجينات، ملاحظين الاختلافات في عدد الوحدات البنائية، أو "الإكسونات"، التي تتكون منها كل جينة. فبعض الجينات بسيطة، تتكون من كتلة واحدة فقط، بينما البعض الآخر معقد، يتكون من أربع كتل تفصل بينها أقسام غير مشفرة. ومن خلال مقارنة جينات الشعير بتلك الموجودة في نباتات أخرى مثل الأرز، والذرة، وعشبة "أرابيدوبسيس" الصغيرة، وجد الفريق أن جينات الشعير تتجمع في ثلاث مجموعات تطورية رئيسية. ويشير هذا التجميع إلى أن هذه الجينات قد تطورت لتأخذ أدواراً مختلفة قليلاً، رغم اشتراكها في سلف مشترك.

ولفهم كيفية مساعدة هذه الجينات للنبات على البقاء، نظر الباحثون إلى مفاتيح التحكم الموجودة قبل كل جين مباشرة. هذه المفاتيح، المعروفة باسم مناطق "المُحفز" (promoter regions)، تحتوي على تسلسلات محددة تخبر الجين متى يعمل. ووجد الفريق أن جينات "BAG" في الشعير مجهزة بمجموعة واسعة من هذه المفاتب، والعديد منها يستجيب لإشارات الإجهاد مثل الجفاف والحرارة وهرمونات نباتية محددة. يشير هذا الإعداد إلى أن النبات يمتلك نظاماً متطوراً للكشف عن المشاكل وتنشيط بروتينات الدفاع لديه فوراً. كما فحص الباحثون كيفية سلوك هذه الجينات في أجزاء مختلفة من النبات، مثل الجذور والأوراق، وفي مراحل نمو مختلفة. ووجدوا أن الجينات لا تكون نشطة جميعها في نفس الوقت أو في نفس المكان؛ فبعضها يكون نشطاً للغاية في الجذور، بينما يتألق البعض الآخر في الأوراق، مما يشير إلى وجود تقسيم متخصص للعمل داخل النبات.

كان الجزء الأكثر إثارة في الدراسة هو وضع النباتات تحت ضغط واقعي. قام الباحثون بزراعة شتلات الشعير وإخضاعها لنوعين من المشاق: نقص المياه والحرارة الشديدة. راقبوا النباتات على مدار عدة أيام وساعات، وقاسوا كيف تغيرت مستويات جينات "BAG". أظهرت النتائج استجابة واضحة وسريعة؛ فعندما حُرمت النباتات من الماء، زاد التعبير عن جينات معينة بشكل كبير، لا سيما في الجذور، مما يشير إلى أن النبات كان يحاول تعزيز قدرته على إيجاد الماء. وبالمثل، عندما ارتفعت درجة الحرارة، استجابت الجينات بسرعة، حيث أظهر بعضها طفرة هائلة في النشاط خلال ساعات قلي القليلة فقط. كما قاس الباحثون مستويات "البرولين"، وهو مركب واقٍ يبنيه النبات لحماية نفسه من الإجهاد، ونشاط إنزيم "الكاتالاز"، وهو إنزيم ينظف النواتج الثانوية الضارة للإجهاد. وقد زاد كلا هذين التدبيرين الوقائيين مع استمرار الإجهاد، مما أكد أن النباتات كانت تشن دفاعاً شاملاً.

ترسم النتائج صورة لنظام عالي الاستجابة والقدرة على التكيف. كشفت الدراسة أنه بينما تعد جينات "BAG" في الشعير عائلة صغيرة نسبياً مقارنة ببعض المحاصيل الأخرى، إلا أنها متعددة الاستخدامات وضرورية. وهي لا تعمل كوحدة واحدة؛ بل يتولى أعضاء مختلفون من العائلة القيادة اعتماداً على ما إذا كان التهديد قادماً من التربة أو من الهواء، وما إذا كان النبات شتلة صغيرة أو ساقاً ناضجة. ويشير البحث إلى أن توقيت هذه الاستجابة لا يقل أهمية عن وجود الجينات نفسها. ويبدو أن القدرة على تشغيل آليات الدفاع هذه بسرعة هي عامل رئيسي في بقاء النبات على قيد الحياة. ومن خلال تحديد أي الجينات تستجيب لأي ضغوط وأين تعمل بالضبط، توفر الدراسة خريطة تفصيلية للجهود المستقبلية لتهجين أصناف من الشعير يمكنها تحمل تحديات المناخ المتغير. ويؤكد هذا العمل أن هؤلاء الحراس الجزيئيين ليسوا موجودين فحسب، بل هم منخرطون بنشاط في الصراع اليومي من أجل البقاء، مما يوفر أساساً لتحسين مرونة أحد أهم المحاصيل في العالم.