Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

في عالم الزراعة، اعتمد المزارعون لفترة طويلة على الرشات الكيميائية لمنع الأمراض من تدمير محاصيلهم. وأحد أكثر الأعداء استمراراً وضراوة هو كائن مجهري يسمى Phytophtora infestans، والذي يسبب اللفحة المتأخرة. يمكن لهذا الممرض أن يقضي على حصاد الطماطم والبطاطس بسرعة مرعبة. ولعقود من الزمن، كان الحل هو محاربة النار بالنار، باستخدام مبيدات الفطريات الاصطناعية أو المنتجات القائمة على النحاس. ومع ذلك، تماماً كما تتعلم البكتيريا البقاء على قيد الحياة في مواجهة المضادات الحيوية، تطور هذه الممرضات في النهاية لتكتسب مقاومة ضد المواد الكيميائية المصممة لقتلها. وقد أجبر هذا السباق المسلح العلماء على البحث عن طرق أكثر ذكاءً واستدامة لحماية النباتات. فبدلاً من تسميم الممرض مباشرة، يستكشف الباحثون استراتيجية تحول جهاز المناعة الخاص بالنبات إلى درع. يستخدم هذا النهج مواد طبيعية، تُعرف باسم محفزات المقاومة، لـ "إيقاظ" دفاعات النبات قبل وقوع الهجوم. فكر في الأمر كلقاح للنبات، يدربه على التعرف على الغزاة ومحاربتهم بشكل أكثر فعالية. ومع ذلك، لا تزال هناك معضلة رئيسية: ليست كل النباتات تستجيب لهذا التدريب بالتساوي. فبعض الأصناف تبدو وكأنها تمتص هذا الدعم بشكل مثالي، بينما بالكاد تتفاعل الأصناف الأخرى، مما يترك المزارعين غير متأكدين من البذور التي يجب زراعتها للحصول على أفضل حماية.

وضع فريق من الباحثين في المعهد الوطني للبحث الزراعي للأغذية والبيئة (INRAE) في فرنسا، هدفاً لحل هذا الغموض من خلال التحقيق في سبب اختلاف رد فعل أصناف الطماطم المختلفة تجاه علاج طبيعي محدد يسمى ®Belvine. هذا المنتج، المشتق من الخميرة، معتمد بالفعل للاستخدام على كروم العنب لمكافحة البياض، لكن إمكاناته بالنسبة للطماطم كانت أقل وضوحاً. أراد العلماء معرفة ما إذا كان التباين في مدى فعالية العلاج هو مجرد سوء حظ أم أنه مكتوب في الشفرة الوراثية للنباتات. ولإيجاد الإجابة، جمعوا مجموعة متنوعة تضم 148 صنفاً مختلفاً من الطماطم، تتراوح من الطماطم الكرزية الصغيرة إلى الأنواع التجارية الكبيرة، وزرعوها في أنفاق بلاستيكية تحت ظروف واقعية. عالجوا نصف النباتات بمنتج ®Belvine وتركوا النصف الآخر دون علاج، ثم عرضوا جميعها لممرض اللفحة المتأخرة. ومن خلال قياس مدى ظهور المرض على كل ورقة بعناية، تمكنوا من حساب مقدار الحماية التي وفرها العلاج لكل صنف على حدة.

أكدت النتائج ما كان يشك فيه المزارعون: لقد نجح العلاج، لكن نجاحه يعتمد كلياً على نوع الطماطم المحدد. في المتوسط، قلل علاج ®Belvine من شدة المرض بنسبة تقارب 90 بالمائة، وهو تحسن ملحوظ. ومع ذلك، تفاوت مستوى الحماية بشكل كبير من صنف إلى آخر. فبعض أنواع الطماطم كانت محصنة تماماً ضد المرض بعد العلاج، حيث لم تظهر عليها أي علامات إصابة، بينما كانت أنواع أخرى محمية جزئياً فقط. هذا النطاق الواسع من النتائج يشير إلى أن القدرة على الاستجابة للعلاج هي سمة موروثة عبر الأجيال، تماماً مثل الطول أو لون الثمار. ولإثبات ذلك، حسب الباحثون "القابلية للتوريث" للاستجابة، وهي مقياس لمدى كون الفرق بين النباتات ناتجاً عن جيناتها بدلاً من بيئتها. ووجدوا أن الوراثة لعبت دوراً هائلاً، حيث شكلت أكثر من نصف التباين في مدى جودة حماية النباتات. كان هذا اكتشافاً حاسماً، أكد أن المربين يمكنهم مستقبلاً اختيار أصناف الطماطم التي تمتلك قدرة طبيعية أفضل على استخدام هذه الدفاعات الطبيعية.

بعد تأكيد الأساس الجيني، انتقل الفريق إلى الخطوة التالية: وهي العثور على الأجزاء المحددة من جينوم الطماطم المسؤولة عن هذا التباين. استخدموا تقنية قوية تسمى "دراسة الارتباط على نطاق الجينوم بأكمله" (GWAS)، والتي تقوم بمسح الحمض النووي للنبات بالكامل للبحث عن اختلافات دقيقة تتوافق مع الاختلافات في الحماية من المرض. كشف هذا البحث عن خمس مناطق متميزة على كروموسومات الطماطم مرتبطة بفعالية العلاج. كانت هذه المناطق تقع على الكروموسومات 2 و3 و4 و12. وضمن هذه الأحياء الجينية، حدد الباحثون عدة جينات مرشحة تتحكم على الأرجح في استجابة النبات. شملت هذه الجينات تعليمات لصنع بروتينات تعمل كمستشعرات للكشف عن التهديدات، وبروتينات تساعد في إرسال إشارات الإنذار، وإنزيمات تبني حواجز فيزيائية ضد الممرض. ومن المثير للاهتمام أن بعض هذه الجينات كانت هي نفسها التي يُعرف أن العلاج يقوم بتنشيطها، مثل تلك التي تنتج إنزيمات لتفكيك الجدران الخلوية الفطرية أو تلك التي تدير الإجهاد التأكسدي.

سلطت الدراسة الضوء أيضاً على أن البيئة مهمة. فبينما كانت بعض المناطق الجينية مهمة في جميع الظروف، بدا أن بعضها الآخر أكثر أهمية في أنفاق أو مواسم معينة، مما يشير إلى أن أفضل تطابق جيني للمزارع قد يعتمد على مناخه المحلي. لم يكتف الباحثون بتحديد المواقع فحسب؛ بل بحثوا أيضاً في وظيفة الجينات الموجودة في تلك المواقع. ووجدوا أن أكثر أنواع الطماطم فعالية تمتلك نسخاً محددة من الجينات التي تشفر بروتينات مثل "بيتا-1،3-جلوكاناز" و"جلوتاثيون إس-ترانسفيراز". هذه هي الأدوات ذاتها التي يستخدمها النبات لمحاربة العدوى بمجرد رفع جرس الإنذار. إن حقيقة أن النباتات الأكثر استجابة امتلكت هذه الأدوات الجينية المحددة تشير إلى أن برامج التربية يمكنها الآن التركيز على اختيار هذه السمات. وبدلاً من التخمين حول أي صنف من الطماطم سيعمل بشكل أفضل مع رشة الدفاع الطبيعي، يمكن للمربين الآن البحث عن العلامات الجينية المحددة التي تضمن استجابة قوية.

يمثل هذا العمل المرة الأولى التي يحدد فيها العلماء المناطق الجينية التي تحدد مدى استجابة نبات الطماطم لمُحفز المقاومة. قبل ذلك، كانت فكرة أن الحمض النووي للنبات يمكن أن يملي قدرته على الاستفادة من علاج طبيعي نظرية إلى حد كبير. والآن، مع تحديد هذه الأهداف الجينية المحددة، أصبح المسار أمام الزراعة أكثر وضوحاً. يمكن للمزارعين والمربين العمل معاً لتطوير أصناف جديدة من الطماطم ليست مقاومة للأمراض بطبيعتها فحسب، بل مهيأة أيضاً للقتال بقوة أكبر عند منحها دفعة طبيعية. يوفر هذا النهج طريقة لتقليل الاعتماد على مبيدات الفطريات الكيميائية، مما يقدم حلاً أكثر ديمومة وصداقة للبيئة لواحدة من أقدم المشكلات الزراعية وأكثرها تدميراً. لا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة اللفحة المتأخرة تماماً، لكنها قدمت الخريطة الأساسية اللازمة لتربية الجيل القادم من المحاصيل المرنة.