In silico identification and structural characterization of ClAPRR2 and ClPSY1 as independent genetic targets for a white-rinded, orange-fleshed watermelon (Citrullus lanatus) accessible to colour-vision-deficient consumers

يعرف معظم الناس البطيخ من خلال تباينه المألوف: قشرة مخططة خضراء داكنة تحمي لبًا أحمر زاهيًا. هذا التوقيع البصري هو نتيجة لعمليتين بيولوجيتين مختلفتين تحدثان في آن واحد. ففي القشرة الخارجية، ينتج النبات الكلوروفيل، وهو الصبغة الخضراء التي تسمح للأوراق والسيقان بالتقاط ضوء الشمس. أما في داخل الثمرة، فينشئ مسار مختلف صبغة الليكوبين، وهي صبغة حمراء تنتمي إلى عائلة من المركبات تسمى الكاروتينات. وبالنسبة للغالبية العظمى من الناس، يعد هذا المزيج من الأخضر والأحمر لافتًا للنظر وسهل التمييز. ومع ذلك، بالنسبة لملايين الأشخاص حول العالم الذين يعانون من قصور رؤية الألوان الأحمر والأخضر، غالبًا ما يمتزج هذان اللونان ليصبحا لونًا بنيًا أو رماديًا باهتًا متشابهًا، مما يجعل من الصعب تمييز البطيخة الناضجة والحلوة عن غير الناضجة بمجرد النظر إليها.

يكمن الحل لهذه المشكلة ليس في تغيير طعم الثمرة أو ملمسها، بل في تغيير ألوانها لخلق مظهر عالي التباين يعتمد على السطوع بدلاً من الدرجة اللونية. تخيل بطيخة بقشرة شاحبة، تكاد تكون بيضاء، ولب برتقالي عميق. ستفتقر القشرة البيضاء إلى الكلوروفيل الأخضر، بينما سيكون اللب البرتقالي غنيًا بكاروتين مختلف يسمى بيتا كاروتين. يوفر هذا المزيج من الأبيض والبرتقالي فرقًا صارخًا في درجة الإضاءة، وهو أمر يسهل رؤيته من قبل الجميع، بغضًا عن كيفية إدراك أعينهم للألوان. يتطلب تحقيق هذا المظهر المحدد هندسة وراثية دقيقة، تستهدف الجينات المسؤولة تحديدًا عن إنتاج القشرة الخضراء واللب الأحمر، واستبدالها بنسخ تنتج قشرة بيضاء ولبًا برتقاليًا بدلاً من ذلك.

وضع فريق من الباحثين هدفًا لتحديد وفهم المفاتيح الجينية المحددة التي يمكن أن تجعل هذا النوع الجديد من البطيخ ممكنًا. فقد ركزوا على جينين معروفين بدورهما الحاسم في تطور البطيخ: أحدهما يتحكم في لون القشرة والآخر يحكم لون اللب. الجين الأول، المعروف باسم ClAPRR2، يعمل كمنظم رئيسي للصبغة الخضراء في القشرة. عندما يعمل هذا الجين بشكل طبيعي، فإنه يشغل الآلية التي تبني الكلوروفيل، مما يؤدي إلى قشرة خضراء. وإذا تعطل هذا الجين أو تم إيقافه، يتوقف إنتاج الكلوروفيل، مما يترك القشرة بيضاء أو باهتة جدًا. أما الجين الثاني، ClPSY1، فهو إنزيم يبدأ عملية إنتاج الكاروتينات داخل الثمرة. وبينما تساعد النسخة القياسية من هذا الجين في إنتاج الليكوبين الأحمر الموجود في معظم البواع، فإن نوعًا محددًا من هذا الجين يمكن أن يغير التوازن نحو إنتاج البيتا كاروتين البرتقالي بدلاً من ذلك.

ولرؤية كيفية عمل هذه الجينات على المستوى الجزيئي، استخدم الباحثون أدوات حاسوبية قوية لبناء نماذج ثلاثية الأبعاد للبروتينات التي تنتجها هذه الجينات. وبما أنه من الصعب والمستهلك للوقت تحديد شكل كل بروتين فعليًا في المختبر، غالبًا ما يستخدم العلماء طريقة تسمى "نمذجة التماثل". تتضمن هذه العملية البحث عن بروتين ذي شكل معروف يشبه البروتين قيد الدراسة واستخدامه كقالب للتنبؤ ببنية البروتين غير المعروف. استرجع الفريق المخططات الجينية لبروتينات البطيخ من قاعدة بيانات عامة وأدخلها في خادم نمذجة متطور. وبالنسبة لبروتين تنظيم القشرة، استخدموا قالبًا من نبات القرع ذي الصلة الوثيقة. أما بالنسبة لإنزيم تلوين اللب، فقد استخدموا قالبًا من بكتيريا تقوم بوظيفة كيميائية مماثلة.

كشفت النماذج الحاسوبية الناتجة عن العمليات الداخلية لهذه البروتينات بوضوح مثير للإعجاب. أظهر نموذج بروتين القشرة بنية مكونة من جزأين نموذجية للمفاتيح الجينية؛ حيث يعمل أحد طرفي البروتين كمستقبل، ينتظر إشارة للتنشيط، بينما صُمم الطرف الآخر للالتصاق بالحمض النووي (DNA) وتشغيل الجينات المسؤولة عن صنع الكلوروفيل. وتدعم هذه البنية الفرضية القائلة بأن النسخة المعطلة من هذا الجين تؤدي إلى قشرة بيضاء: فبدون مفتاح وظيفي، لا يتم إرسال التعليمات الخاصة بالصبغة الخضراء. وأظهر نموذج إنزيم اللب وجود جيب مركزي حيث تحدث التفاعلات الكيميائية. ومن الأهمية بمكان أن الباحثين وجدوا أن التباين الجيني المسؤول عن اللب البرتقالي يقع بجوار هذا الجيب النشط مباشرة. تشير هذه الوضعية إلى أن التباين يغير كيفية إمساك الإنزيم بالمواد الخام، مما يغير المخرج الكيميائي ببراعة من الليكوبين الأحمر إلى البيتا كاروتين البرتقالي.

ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية في الدراسة هو أن هذين الجينين يبدو أنهما يعملان بشكل مستقل عن بعضهما البعض. فهما يقعان على كروموسومات مختلفة، مما يعني أنهما يُخلطان بشكل منفصل أثناء التكاثر ولا يتدخل أحدهما في عمل الآخر. علاوة على ذلك، فإنهما يعملان في أجزاء مختلفة من الثمرة: أحدهما يعمل في القشرة، والآخر يعمل في اللب. ولأنهما منفصلان ومتميزان، فمن الممكن نظريًا دمج نسخة معطلة من جين القشرة مع نسخة جين إنزيم اللب البرتقالي في نبات واحد. ستؤدي هذه التركيبة إلى إنتاج بطيخة بقشرة بيضاء ولب برتقالي، وهو نوع سيكون متاحًا بصريًا للأشخاص الذين يعانون من قصور رؤية الألوان.

أكد الباحثون أنه بينما توفر نماذجهم الحاسوبية فرضية هيكلية قوية، إلا أنها لا تزال تنبؤات تتطلب اختبارات في العالم الحقيقي. فالنماذج بُنيت بناءً على قوالب من أنواع أخرى، لذا قد تختلف الأشكال الدقيقة قليلاً في نبات البطيخ الفعلي. بالإضافة إلى ذلك، فإن التحكم الجيني في لون الثمار عملية معقدة، وقد تؤثر جينات أخرى على الدرجة النهائية للون البرتقالي. ومن المهم ملاحظة أن عدم وجود دليل على التداخل بين هذين الجينين في الأدبيات الحالية لا يعادل الإثبات التجريبي لاستقلاليتهما. ومع ذلك، نجحت الدراسة في رسم مسار واضح للمضي قدمًا. فمن خلال اقتراح أن هذين الهدفين سليمان هيكليًا ومستقلان وظيفيًا، قدم الباحثون مخططًا صلبًا للمربين. يمكنهم الآن استخدام هذه المعرفة لتطوير أصناف جديدة من البطيخ من خلال الاختيار بمساعدة العلامات أو التعديل الجيني، لإنشاء ثمرة ليست لذيذة فحسب، بل شاملة لجميع المستهلكين أيضًا، وذلك في انتظار المزيد من التأكيد التجريبي.