Whole genome identification and analysis of cotton(Gossypium hirsutum L.) pyruvate kinase gene family and functional analysis of GhPK5 gene

توازن النباتات باستمرار ميزانية دقيقة من الطاقة. فلكي تنمو، وتتكاثر، وتنجو من قسوة يوم جاف أو مالح، يجب عليها تفكيك السكريات إلى طاقة قابلة للاستخدام. وتعد إحدى الخطوات الأكثر حرجًا في هذه العملية هي تفاعل كيميائي يحول وسيطًا سكريًا إلى بيروفات، وهو جزيء يغذي محركات الخلية. والإنزيم الذي يقود هذه الخطوة المحددة يسمى "بيروفات كينيز". إنه يعمل كحارس بوابة، يتحكم في تدفق الطاقة. وبينما درس العلماء هذا الإنزيم في نباتات نموذجية مثل الأرز ونبات الخردل لعقود من الزمن، ظل نبات القطن لغزًا في هذا الصدد. يعد القطن قوة اقتصادية عالمية، حيث يوفر الألياف لمعظم ملابس العالم، ومع ذلك فإن قدرته على تحمل الملوحة والجفاف اللذين يفاقمان أحيانًا حقوله تمثل عقبة رئيسية أمام المزارعين. إن فهم كيفية إدارة القطن لطاقته تحت الضغط قد يحمل المفتاح لزراعة محاصيل أقوى وأكثر مرونة.

لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة تشجيانغ للعلوم والتكنولوجيا إلى رسم خريطة لعائلة جينات "بيروفات كينيز" بأكملها في قطن "أبلاند"، وهي الصنف الأكثر انتشارًا من المحصول. بدأوا بمسح جينوم القطن، وهو المجموعة الكاملة من التعليمات الجينية، للعثور على كل جين يشفر هذا الإنزيم الحيوي. واكتشفوا واحد وأربعين جينًا متميزًا، وهو عدد كبير بشكل مفاجئ مقارنة بالنباتات الأخرى. ومن خلال مقارنة التسلسلات الجينية لهذه الجينات بتلك الموجودة في الأرز و"أرابيدوبسيس"، صنفها الباحثون إلى مجموعتين رئيسيتين: مجموعة تعمل في السائل الداخلي للخلة، وأخرى تعمل داخل البلاستيدات الخضراء في النبات، وهي المصانع التي تعمل بالطاقة الشمسية حيث تحدث عملية التمثيل الضوئي. ثم تتبع الفريق مكان استقرار هذه الجينات على كروموسومات القطن. ووجدوا أن الجينات منتشرة عبر تسعة عشر كروموسومًا مختلفًا، مع وجود مناطق مزدحمة بنسخ متعددة بينما كانت مناطق أخرى فارغة. وقد أشار هذا النمط إلى أن العائلة نمت أساسًا من خلال عملية يتم فيها نسخ ولصق قطع كبيرة من الجينوم، بدلاً من الطفرات الصغيرة والعشوائية.

كما نظر الباحثون في البنية الداخلية لهذه الجينات، وفحصوا كيفية ترتيب أقسامها المشفرة وما تحتوي عليه من وحدات بناء بروتينية محددة. ووجدوا أن الجينات داخل المجموعة نفسها تتشارك في هياكل متشابهة جدًا، مما يشير إلى أنها تؤدي مهامًا ذات صلة. ولفهم ما قد يؤدي إلى تشغيل أو إيقاف هذه الجينات، فحص الفريق تسلسلات الحمض النووي (DNA) التي تسبق بدء الجينات مباشرة، بحثًا عن مفاتيح تنظيمية. ووجدوا مجموعة غنية من هذه المفاتيح، والتي يُعرف الكثير منها باستجابته لضغوط بيئية مثل البرد، والجفاف، والملوحة، بالإضافة إلى هرمونات النبات. وقد أشار هذا إلى أن نبات القطن يمتلك نظامًا متطورًا لتعديل إنتاج الطاقة لديه عندما تسوء الأحوال الجوية.

ولرؤية كيف تتصرف هذه الجينات فعليًا في نبات حي، حلل العلماء البيانات من أجزاء مختلفة من النبات، من الجذور إلى الأزهار. ووجدوا أنه بينما كانت بعض الجينات نشطة فقط في أنسجة معينة، كان هناك جين واحد على وجه الخصوص، يسمى GhPK5، يبرز كعلامة فارقة. فقد كان نشطًا بمستويات عالية في كل جزء تقريبًا من النبات، من الجذور العميقة في التربة إلى السيقان والأوراق. وعندما أخضع الباحثون النباتات لإجهاد ملحي، وجفاف، وحرارة، وبرد، استجاب GhPK5 بزيادة قوية ومستمرة في النشاط، خاصة في ظروف الملوحة والجفاف. وأشار هذا النمط إلى أن GhPK5 لم يكن مجرد عامل خلفي، بل لاعب مركزي في دفاع النبات ضد البيئات القاسية.

ولتأكيد هذا الدور، أجرى الفريق اختبارًا مباشرًا باستخدام تقنية تعمل على إسكات الجين مؤقتًا، مما يؤدي فعليًا إلى إيقافه لرؤية ما سيحدث. لقد صنعوا نباتات قطن تم فيها إسكات GhPK5 ثم عرضوها لمياه مالحة. وكانت النتائج واضحة: بدون GhPK5، عانت النباتات من أضرار أكبر بكثير. فقد تراكمت في خلاياها مستويات أعلى من النواتج الثانوية الضارة التي تشير إلى الإجهاد التأكسدي، كما تضررت قدرتها على إنتاج البيروفات، وهو جزيء الوقود الأساسي. وفي المقابل، تمكنت النباتات الطبيعية التي تمتلك الجين النشط من الحفاظ على مستويات طاقتها وحماية خلاياها من التلف. وقد أثبتت هذه التجربة أن GhPK এবং يعمل كمنظم إيجابي، يساعد النبات على مقاومة آثار الملوحة.

تخلص الدراسة إلى أن عائلة "بيروفات كينيز" في القطن متنوعة ومعقدة، مع وجود واحد وأربعين عضوًا يعملون معًا لإدارة طاقة النبات. ومن بينها، يبرز GhPK5 كمكون حاسم للبقاء على قيد الحياة تحت إجهاد الملوحة. فمن خلال الحفاظ على تدفق الطاقة مستقرًا وحماية الخلية من التلف، يساعد هذا الجين النبات على تحمل الظروف التي قد تكون قاتلة لولا ذلك. توفر هذه النتائج خريطة مفصلة لكيفية إدارة القطن لكيميائه الداخلية تحت الضغط، وتسلط الضوء على GhPK5 كهدف واعد لبرامج التربية. وإذا تمكن العلماء من تعزيز نشاط هذا الجين، فقد يتمكنون من تطوير أصناف من القطن تزدهر في التربة الملحية، مما يضمن مستقبل المحصول في مناخ يتزايد فيه التحدي.