Establishment of a Transient Expression System in Jute Protoplasts

يُعد الجوت، الذي يُطلق عليه غالباً اسم "الألياف الذهبية"، نباتاً قوياً يُزرع بشكل أساسي في آسيا من أجل سيقانه الطويلة والمتينة. وتُحصد هذه السيقان لصناعة كل شيء، من أكياس الخيش والسجاد إلى الورق وحتى المواد المتقدمة للصناعة. وبالنسبة للعلماء، فإن الجوت هو أكثر من مجرد محصول؛ إنه مكتبة حية من الجينات التي تتحكم في كيفية نمو النبات وتطوره وأليافه ومقاومته للأمراض. ولفهم كيفية عمل هذه الجينات، يحتاج الباحثون عادةً إلى اختبارها داخل النبات نفسه. ومع ذلك، فإن تعديل الجوت وراثياً هو أمر صعب للغاية؛ فالطرق التقليدية لإدخال جينات جديدة في النبات بطيئة، وغالباً ما تفشل اعتماداً على الصنف المحدد المستخدم من الجوت، ويمكن أن تستغرق شهوراً للحصول على نتائج. وقد ترك هذا العائق الكثير من الأسئلة حول بيولوجيا الجوت دون إجابة، مما أبطأ الجهود الرامية لتحسين المحصول للمزارعين والصناعة.

ولتجاوز هذه العقبات، طور فريق من الباحثين في جامعة فوجيان للزراعة والغابات في الصين طريقة جديدة أسرع بك many لاختبار الجينات. فبدلاً من محاولة تغيير النبات بأكء، ابتكروا نظاماً لإدخال الجينات مؤقتاً في خلايا عارية وصغيرة مأخوذة مباشرة من النبات. تخيل الخلية النباتية كمنزل له جدار واقٍ؛ لقد قام الباحثون بإزالة هذه الجدران بلطف لإنشاء "البروتوبلاست"، وهي في الأساس المحتويات الحية للخلية وهي تطفو بحرية في محلول. ومن خلال العمل مع هذه الخلايا المعزولة، استطاعوا رؤية كيفية سلوك جين معين بسرعة دون انتظار نمو نبات كامل. يتيح هذا النهج للعلماء التحقق مما إذا كان الجين نشطاً، أو أين يعيش داخل الخلية، أو كيف يتفاعل مع بروتينات أخرى، كل ذلك في غضون أيام بدلاً من شهور.

بدأ الباحثون بتحديد أفضل طريقة لحصاد هذه الخلايا الحية. فقد اختبروا جزأين مختلفين من نبات الجوت الصغير: الأوراق الحقيقية التي تنمو لاحقاً، والفلقات، وهي أول أوراق بذرية تظهر عند إنبات النبات. ووجدوا أن الأوراق الحقيقية كانت مليئة بمادة لزجة تشبه الغراء مما جعل من الصعب فصل الخلايا بشكل نظيف. أما الفلقات، فقد كانت أسهل بكثير في التعامل معها. ومن خلال معالجة قطع صغيرة من هذه الأوراق البذرية الصغيرة بمزيج من الإنزيمات — وهي بمثابة مقصات بيولوجية تكسر جدران الخلايا — تمكنوا من إطلاق الملايين من الخلايا الصحية والحية. وباستخدام وصفة محددة من الإنزيمات ومحلول سكري للحفاظ على استقرار الخلايا، حققوا إنتاجية تزيد عن 13 مليون خلية حية من جرام واحد فقط من الأنسجة النباتية الطازجة، مع بقاء أكثر من 90 بالمائة منها حية وسليمة.

بمجرد حصولهم على إمداد ثابت من هذه الخلايا، ركز الفريق على التحدي التالي: إدخال مادة وراثية جديدة إليها. استخدموا طريقة تتضمن مادة كيميائية شائعة تسمى البولي إيثيلين جليكول (PEG)، والتي تساعد أغشية الخلايا على الانفتاح بما يكفي للسماح للحمض النووي (DNA) بالتسلل عبرها. أمضى الباحثون وقتاً طويلاً في ضبط هذه العملية، حيث اختبروا كميات مختلفة من الكالسيوم والسكر والـ PEG، بالإضافة إلى تغيير مدة تعرض الخلايا للمزيج. واكتشفوا أن مزيجاً معيناً هو الأفضل: تركيز عالٍ من الـ PEG ممزوجاً بكمية دقيقة من الكالسيوم والسكر، مع بقائه لمدة 75 دقيقة بالضبط. فإذا تركوا الخلايا في المزيج لفترة طويلة جداً، تضررت الخلايا؛ وإذا كان المزيج ضعيفاً جداً، لم يدخل الحمض النووي. وتحت هذه الظروف المثالية، نجحوا في إيصال التعليمات الوراثية إلى ما يقرب من 60 بالمائة من الخلايا، وهي نسبة نجاح عالية جداً لهذا النوع من العمل.

ولإثبات أن هذا النظام يعمل بالفعل، استخدمه الباحثون للإجابة على سؤالين بيولوجيين محددين. أولاً، أرادوا معرفة أين يعمل جين معين، يُعرف باسم CcWRKY70، داخل الخلية. في العديد من النباتات، يعمل هذا النوع من الجينات كمفتاح يوجد في النواة، وهي مركز التحكم في الخلية. وعندما أدخلوا الجين في خلايا الجوت، راقبوه وهو يتجه مباشرة إلى النواة ويضيء، مما أكد أن النظام يمكنه تتبع مسار البروتينات بدقة. ثانياً، اختبروا ما إذا كان بإمكان بروتينين مختلفين، HcMYB50 و HcTT8a، أن يمسكا ببعضهما البعض فعلياً. قاموا بتقسيم بروتين متوهج إلى نصفين وربط كل قطعة من البروتين المستهدف به. وعندما التقى البروتينان المستهدفان وتفاعلا، اجتمع نصفا البروتين المتوهج وأضاءا الخلية. إن ظهور الضوء فقط عند وجود كلا البروتينين أثبت أن النظام يمكنه أيضاً رسم خريطة لكيفية تفاعل البروتينات مع بعضها البعض.

يمثل هذا الاختراق أداة بسيطة وموثوقة وسريعة لدراسة الجوت ومحاصيل الألياف ذات الصلة. قبل هذا النظام، كان الباحثون غالباً ما يعلقون في انتظار طرق بطيئة وغير موثوقة للحصول على النتالئ، أو كان عليهم الاعتماد على هندسة وراثية معقدة لا تعمل إلا على عدد قليل من أصناف النباتات المحددة. الآن، مع هذه الطريقة، يمكن للعلماء اختبار الأفكار الجينية في غضون أيام باستخدام قطعة صغيرة فقط من الشتلة. النظام قوي بما يكفي للتعامل مع الطبيعة الدقيقة لخلايا الجوت مع تقديم معدلات نجاح عالية، مما يفتح الباب أمام الفحص السريع لوظائف الجينات والتطوير الأسرع لأصناف المحاصيل المحسنة. إنه يمثل خطوة كبيرة للأمام في جعل دراسة هذا المحصول الاقتصادي الهام بنفس كفاءة دراسة النباتات النموذجية المعروفة.