Construction and preliminary characterization of an early generation multi-parent sorghum bicolor population for climate-adaptive breeding

في الأراضي القاحلة وشبه القاحلة في أفريقيا وآسيا، يقف محصول واحد كركيزة للبقاء لملايين البشر. فالذرة الرفيعة ليست مجرد حبوب فحسب؛ بل هي غذاء أساسي، ومصدر لأعلاف الحيوانات، ومادة خام للصناعة. وما يجعل هذا النبات حيوياً للغاية هو قدرته على الازدهار حيث تفشل المحاصيل الأخرى، إذ يتحمل الحرارة الشديدة وفترات طويلة من انقطاع المطر. وبالنسبة للمزارعين في هذه المناطق، فإن الفرق بين الحصاد والمجاعة غالباً ما يتحدد بناءً على التركيبة الجينية للبذور التي يزرعونها. ومع ذلك، فإن تحسين هذه المحاصيل عملية بطيئة وصعبة؛ إذ تعتمد طرق التربية التقليدية غالباً على تهجين نباتين أبوين فقط، مما يحد من تنوع السمات المتاحة للمربين. ولحل هذه المعضلة، يتجه العلماء إلى استراتيجية أكثر تعقيداً تتضمن خلط جينات العديد من النباتات الأبوية في آن واحد. ويخلق هذا النهج نسيجاً غنياً من التوليفات الجينية، مما يوفر مجموعة أوسع بكثير من السمات للاختيار منها، مثل القدرة على البقاء خضراء أثناء فترات الجفاف أو النضج بسرعة قبل انتهاء موسم الأمطار.

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة نيروبي وشركائهم في بناء مثل هذا المورد للذرة الرفيعة. حيث أنشأوا مجتمعاً جديداً من النباتات عن طريق تهجين أحد عشر خطاً من الآباء المتميزين، تم اختيار كل منها لسمات محددة مثل تحمل الجفاف، أو الإنتاجية العالية، أو النضج المبكر. ولم يتوقفوا عند مجرد تهجين بسيط؛ بل سمحوا لهذه النسل بالتزاوج مع بعضها البعض ثم التلقيح الذاتي لجيلين متتاليين. وكانت النتيجة مجتمعاً "متعدد الآباء" قيد التطوير جزئياً، وهو عبارة عن مكتبة حية تضم 176 خطاً نباتياً فريداً تحمل مزيجاً ممزوجاً من جينات جميع المؤسسين الأحد عشر. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان هذا الخلط المعقد قد نجح بالفعل؛ فقد كانوا بحاجة إلى معرفة ما إذا كانت النباتات الجديدة قد احتفظت بقدر كافٍ من التنوع الجيني لتكون مفيدة، وما إذا كانت تظهر نطاقاً واسعاً من الاختلافات الفيزيائية، لا سيما في سرعة إزهارها. ويعد وقت الإزهار سمة بالغة الأهمية لأنها تحدد متى يكون النبات جاهزاً لإنتاج الحبوب، وضبط هذا التوقيت بدقة أمر ضروري للبقاء في مواجهة تغيرات الطقس.

وللإجابة على هذه الأسئلة، قام الفريق بزراعة الخطوط النباتية الجديدة في ثلاثة مواقع مختلفة على مدار موسمين زراعيين. وقاسوا عدد الأيام التي استغرقها كل نبات للإزهار وقارنوا هذه النتائج بالآباء الأحد عشر الأصليين. وكانت النتائج مشجعة؛ فبينما أزهرت النباتات الأبوية ضمن نافذة ضيقة نسبياً تتراوح بين 51 إلى 61 يوماً، أظهر الجيل الجديد من النباتات نطاقاً أوسع بكثير، حيث أزهرت في أي وقت بين 45 و75 يوماً. وهذا الانتشار الأوسع هو علامة على "الانعزال المتجاوز" (transgressive segregation)، وهي ظاهرة تظهر فيها السلالات الناتجة سمات أكثر تطرفاً من أي من والديها. وفي هذه الحالة، تضمنت النباتات الجديدة بعض النباتات التي أزهرت في وقت أبكر بكثير وبعضها الذي أزهر في وقت متأخر جداً مقارنة بأي من الآباء الأصليين. ويشير هذا إلى أن عملية التربية نجحت في خلق تركيبات جينية جديدة لم تكن موجودة في المواد الأولية، مما يوفر للمربين خيارات أوسع من المحاصيل المستقبلية.

كما نظر الباحثون داخل الحمض النووي لهذه النباتات لفهم بنيتها الجينية. وباستخدام تقنية تسلسل حديثة، حددوا أكثر من 5,500 علامة جينية محددة، والتي تعمل بمثابة لوحات إرشادية على طول كروموسومات النبات. وكشفت هذه العلامات أن المجتمع لم يكن كتلة موحدة، بل كان يتكون من تسعة مجموعات جينية متميزة، تحمل كل منها مزيجاً مختلفاً من المساهمات من الآباء الأحد عشر. وقد ساهمت بعض الخطوط الأبوية بشكل أكبر في مجموعات معينة دون غيرها، مما خلق شبكة معقدة من العلاقات. ووجدت الدراسة أن التنوع الجيني ظل مرتفعاً، حيث احتفظت النباتات بمزيج صحي من نسخ الجينات المختلفة. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن المجتمع لم يفقد إمكاناته للتحسين المستقبلي. وكانت الاختلافات الجينية بين المجموعات كبيرة بما يكفي ليتم رصدها، ومع ذلك كانت النباتات مختلطة بما يكفي للسماح بالرسم الخرائطي الدقيق لسمات معينة.

إن أحد الأهداف الرئيسية لإنشاء مثل هذا المجتمع هو تسهيل العثور على الجينات المسؤولة عن السمات الهامة. وقد اختبر الباحثون ذلك من خلال البحث عن الروابط بين العلامات الجينية وعدد الأيام التي استغرقها ازهار النباتات. وأشار تحليلهم إلى تسعة مواقع محددة في الجينوم ترتبط ارتباطاً وثيقاً بوقت الإزهار. وكانت هذه المواقع منتشرة عبر ستة كروموسومات مختلفة. وعندما فحص العلماء الجينات الموجودة بالقرب من هذه العلامات، اكتشفوا عدة جينات معروفة بدورها في كيفية استشعار النبات للضوء وتنظيم نموه. فعلى سبيل المثال، وجدوا جينات مشابهة لتلك التي تساعد النباتات على اكتشاف إشارات الضوء، وأخرى تتحكم في كيفية استجابة النبات للهرمونات. وتؤكد هذه النتائج أن هذا المجتمع أداة قوية لتحديد الأساس الجيني للسمات المعقدة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا المجتمع الجديد هو مورد ناجح وقيم لتربية الذرة الرفيعة. فقد نجح في دمج أفضل سمات آبائه المتنوعين في مجموعة واحدة غنية جينياً. وتظهر النباتات تنوعاً كبيراً في الخصائص الفيزيائية واحتفظت بالتنوع الجيني اللازم لمزيد من الأبحاث. وبينما لا يزال المجتمع في مراحله الأولى وسوف يستفيد من أجيال أخرى من التربية والاختبارات الجينية الأكثر تفصيلاً، إلا أنه قد أثبت قيمته بالفعل. فهو يوفر أساساً متيناً للعلماء لمواصلة تشريح السمات المعقدة مثل تحمل الجفاف والإنتاجية. ومن خلال تقديم رؤية أوضح لكيفية تفاعل الجينات لإنتاج الخصائص المرغوبة، يمهد هذا العمل الطريق لتطوير أصناف من الذرة الرفيعة تكون مجهزة بشكل أفضل لإطعام العالم في ظل مناخ متغير.