Full-length transcriptome and light-regulated analyses identify candidate genes involved in rhynchophylline and isorhynchophylline biosynthesis in Uncaria rhynchophylla

في أعماق الكروم المتشابكة لجنس "أونكاريا" (Uncaria)، وهو نبات يعرفه علماء النبات باسم "أونكاريا رينكوفيلا" (Uncaria rhynchophylla)، يكمن مصنع كيميائي ذو تعقيد مذهل. ينتج هذا النبات مجموعة محددة من المركبات تسمى "قلويدات الإندول مونوتيربين". بالنسبة للأذن غير المدربة، يبدو هذا الاسم وكأنه صيغة كيميائية، لكنه في الطبيعة يشير ببساء إلى عائلة من الجزيئات المبنية من جزأين متميزين: حلقة من ذرات الكربون المشتقة من سكر بسيط، وبنية تحتوي على النيتروجين توجد في العديد من النباتات. ومن بين هذه المركبات، يبرز عضوان محددان، هما "رينكينفيلين" (rhynchophylline) و"إيزورينكينفيلين" (isorhynchophylline). وهما المكونان الأساسيان المسؤولان عن قدرة النبات على التفاعل مع جسم الإنسان، مما يوفر الراحة لمختلف العلل. لقرون مضت، اعتمد الطب التقليدي على هذا الكرم، ومع ذلك ظلت التعليمات الدقيقة التي يستخدمها النبات لبناء هذه الجزيئات لغزاً. كان العلماء يعرفون منذ زمن طويل أن النبات يصنع هذه المواد الكيميائية، لكنهم افتقروا إلى خريطة واضحة للآلية الجينية والمحفزات البيئية التي تشغل تلك الجينات أو توقفها.

لقد شرع فريق من الباحثين في رسم تلك الخريطة، مركزين على كيفية بناء النبات لهذه الجزيئات القيمة وما هي الإشارات التي تخبره ببدء العملية. بدأوا بالبحث في مكان تخزين النبات لثروته الكيميائية. وباستخدام طريقة تفصل وتقيس المواد الكيميائية بدقة عالية، فحصوا جذور وسيقان وأوراق الكرم. ووجدوا أن الجذور كانت الورشة الرئيسية، حيث تحتوي على أعلى تركيزات من القلويدين الأساسيين. وقد وجههم هذا الاكتشاف نحو الجذور باعتبارها المكان الأكثر واعداً للبحث عن المخططات الجينية المسؤولة عن الإنتاج.

ولإيجاد تلك المخططات، لجأ العلماء إلى دليل التعليمات الخاص بالنبات: شفرته الجينية. لم يعتمدوا على طريقة واحدة لقراءة هذه الشفرة، بل دمجوا تقنيتين قويتين؛ إحدى التقنيتين تقرأ القطع الجينية في نبضات قصيرة وسريعة، بينما تقرأ الأخرى الخيوط الجينية بأكملها في قطعة واحدة مستمرة. ومن خلال دمج البيانات من كلا النهجين، قاموا بتجميع مكتبة كاملة من جينات النبات النشطة، أو ما يسمى "النسخ الوراثية" (transcripts). ومن هذه المجموعة الضخمة، حددوا ما يقرب من أربعة وتسعين ألف رسالة جينية متميزة. وضمن هذه المكتبة، رصدوا أكثر من أربعة آلاف رسالة لا تشفر البروتينات، بل تنظم جينات أخرى، وما يقرب من أربعة آلاف رسالة تعمل كمفاتيح رئيسية لتشغيل الجينات أو إيقافها. وقد منحهم هذا الفهرس الشامل رؤية كاملة للإمكانات الجينية للنبات.

ومع وجود هذه المكتبة بين أيديهم، بحث الباحثون عن العمال المحددون المشاركون في بناء "رينكينفيلين" و"إيزورينكينفيلين". لقد حددوا مائة وتسعة وعشرين جيناً يُحتمل أنها تنتج الإنزيمات، أو الأدوات البيولوجية، اللازمة للمراحل الأولى من صنع هذه الجزيئات. وعندما نظروا في مدى نشاط هذه الجينات عبر أجزاء مختلفة من النبات، أكد النمط نتائجهم الكيميائية السابقة: كانت الجينات أكثر نشاطاً في الجذور. كما كشفت الدراسة عن ناقلات محتملة، وهي تشبه الشاحنات المتخصصة التي تنقل المنتجات النهائية إلى التخزين. ووجدوا نوعين من هذه الناقلات يشبهان إلى حد كبير تلك المعروفة بنقل قلويدات مماثلة في نباتات أخرى، مما يشير إلى أن هذه هي المركبات التي تنقل الجزيئات الجديدة إلى مستقرها النهائي داخل خلايا الجذور.

ثم تحول التحقيق إلى البيئة، وتحديداً دور الضوء. فالنباتات حساسة للغاية لمحيطها، وأراد الباحثون معرفة ما إذا كان ضوء الشمس أو الظل يؤثر على إنتاج هذه القلويدات. ومن خلال مقارنة النشاط الجيني للنباتات المزروعة في ظروف ضوئية مختلفة، حددوا أحد عشر جيناً استجابوا مباشرة للتغيرات في الضوء. ولاختبار ما إذا كانت هذه الجينات مسؤولة حقاً عن صنع القلويدات، أجروا تجربة بسيطة؛ حيث زرعوا بعض النباتات في الظل ثم نقلوها مرة أخرى إلى الضوء، وراقبوا كيف تغير النشاط الجيني ومستويات المواد الكيميائية. ووجدوا أن ثلاثة جينات محددة، أطلقوا عليها أسماء بناءً على وظيفتها، ارتفعت وانخفضت بالتزامن التام مع مستويات القلويدات. فعندما عاد الضوء، استيقظت الجينات، وبدأت المواد الكيميائية في التراكم.

ولإثبات أن هذه الجينات لم تكن مجرد عابرة سبيل بل بناة فعليين، أجرى العلماء اختباراً مباشراً. فقد استخدموا تقنية لإسكات، أو إيقاف تشغيل، اثنين من الجينات الرئيسية في النبات الحي مؤقتاً. وعندما تم إسكات هذه الجينات، انخفضت قدرة النبات على إنتاج "رينكينفيلين" و"إيزورينكينفيلين" بشكل كبير. وأكدت هذه النتيجة أن هذه التعليمات الجينية المحددة ضرورية لخلق هذه المركبات. لم تتوقف الدراسة عند تحديد الجينات فحسب؛ بل قدمت أيضاً رؤية كاملة للتسلسلات الجينية، مما وفر صورة أوضح من أي وقت مضى. ومن خلال الجمع بين نظرة تفصيلية لكيمياء النبات وغوص عميق في شفرته الجينية وتفاعله مع الضوء، قدم الباحثون أساساً متيناً لفهم كيفية صنع هذا النبات لدائه. لا يدعي العمل أنه حل كل أسرار بيولوجيا النبات، لكنه أضاء الطريق، محدداً العمال الجينيين المحددين والمحفزات البيئية التي تدفع إنتاج هذه المركبات الطبيعية الهامة.