Ranunculus flowers produce numerous carpels via evolutionarily rewiring of the canonical AGAMOUS-WUSCHEL developmental module

تُبنى معظم الأزهار بإيقاع دقيق ومتكرر؛ إذ تبدأ بتجمع صغير من الخلايا على شكل قبة عند طرف الساق، يُعرف باسم "المرستيم الزهري". يعمل هذا التجمع كوقع بناء، حيث ينتج أجزاء الزهرة بترتيب محدد: أولاً الأوراق الخارجية الواقية، ثم البتلات الملونة، تليها الأسدية الذكرية، وأخيراً الكرابل الأنثوية في المركز تماماً. وفي الغالبية العظمى من النباتات المزهرة، يتوقف موقع البناء هذا بمجرد بدء تشكل الأجزاء الأنثوية. والنتيجة هي زهرة تحتوي على العديد من الأجزاء الذكرية ولكن بضعة أجزاء أنثوية فقط، وهو نمط ظل صامداً لملايين السنين. وقد أدرك العلماء منذ فترة طويلة أن مفتاحاً جينياً محدداً، يتضمن بروتيناً يحافظ على موقع البناء وآخر يخبره بالتوقف، هو ما يتحكم في هذا التوقيت. وعند وصول إشارة التوقف، يتسطح الموقع، ولا يمكن إضافة أجزاء جديدة.

لكن الطبيعة تكسر القواعد أحياناً. ففي بعض النباتات، يرفض موقع البناء الإغلاق؛ فبدلاً من التوقف بعد بضعة كرابل أنثوية، يستمر في النمو، منتجاً عشرات أو حتى مئات الكرابل. وهذا يخلق زهرة تبدو مثل مخروط كثيف وزغبي بدلاً من كونها زهرة نموذجية. ولفترة طويلة، لم يعرف الباحثون كيف تمكنت هذه النباتات من إبقاء مواقع البناء الخاصة بها مفتوحة بينما تغلقها نباتات أخرى. هل كان مجرد خطأ بسيط في الشفرة الجينية، أم كان هناك إعادة صياغة أكثر تعقيداً للتعليمات؟ لقد كشف دراسة جديدة على فصيلة الحوذان، وتحديداً من خلال النظر في نوع يسمى (Ranunculus sceleratus)، عن الإجابة أخيراً. وجد الباحثون أن هذا النبات لم يكتفِ بكسر إشارة التوقف فحسب، بل أعاد صياغة الآلية الجينية بالكامل لتحويل إشارة التوقف إلى إشارة انطلاق، مما سمح للزهرة بإنتاج عدد هائل من الكرابل الأنثوية.

بدأ الباحثون بمقارنة السلوك الخلوي لنبات (Ranunculus scelerata)، الذي ينتج أكثر من 150 كرابلاً، مع قريب وثيق له وهو (Nigella damascena)، الذي ينتج حوالي خمسة كرابل فقط. وباستخدام تقنية تسمح لهم بمراقبة الخلايا الحية وهي تنقسم وتتمدد في الوقت الفعلي، لاحظوا فرقاً صارخاً. ففي النبات ذي الكرابل القليلة، تتوقف الخلايا عند طرف الزهرة عن الانقسام والتمدد بمجرد ظهور الأجزاء الأنثوية، مما يؤدي إلى تسطح موقع البناء وإغلاقه. أما في النبات ذي الكرابل الكثيرة، فتستمر الخلايا في الانقسام والتمدد بقوة حتى بعد تشكل الكرابل الأنثوية الأولى. هذا النشاط المستمر يبقي موقع البناء على شكل قبة وواسعاً، مما يوفر مساحة لمئات الكرابل الجديدة للتطور. وأظهرت الدراسة أن الخلايا في الزهرة ذات الكرابل العالية لم تكن تنقسم بشكل أكثر تكراراً فحسب، بل كانت أيضاً تنمو بحجم أكبر، مما خلق مساحة سطح أكبر لاستيعاب الأعضاء الإضافية.

ولفهم سبب استمرار الخلايا في النمو، نظر الفريق إلى الجينات المسؤولة عن إدارة موقع البناء. في معظم النباتات، يعمل جين يسمى (WUS) كمحرك يحافظ على نشاط الموقع، بينما يعمل جين يسمى (AG) كمكبح، حيث يوقف عمل (WUS) عندما تصبح الأجزاء الأنثوية جاهزة. وفي النبات ذي الكرابل القليلة، يعمل المكبح بشكل مثالي: فبمجرد بدء الأجزاء الأنثوية، يقوم جين (AG) بإسكات جين (WUS)، ويتوقف البناء. ومع ذلك، في النبات ذي الكرابل الكثيرة، وجد الباحثون أن النبات يمتلك نسختين من جين (WUS) بدلاً من نسخة واحدة، نتيجة لحدث تضاعف قديم. والأهم من ذلك، أن طريقة سلوك هذه الجينات قد تغيرت؛ حيث استمرت إحدى نسخ الجين في العمل في مركز الزهرة، مما أبقى الموقع مفتوحاً، بينما انتقلت أنشطة النسخة الأخرى إلى الأجزات الذكرية للزهرة، أي الأسدية.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو كيفية تفاعل جين المكبح (AG) مع هذه النسخ الجديدة من جين (WUS). ففي النباتات العادية، يقوم (AG) بكبح (WUS)، ولكن في نبات الحوذان هذا، قام جين (AG) في الواقع بتنشيط إحدى نسخ (WUS). فبدلاً من إغلاق موقع البناء، أصبحت الأجزاء الذكرية الآن تشير إلى الموقع بضرورة الاستمرار. وقد تتبع الباحثون هذا التغيير وصولاً إلى تسلسل الحمض النووي (DNA) الذي يسبق بدء الجين مباشرة. في سلف هذه النباتات، لم يكن هذا الإقليم يحتوي على موقع ارتباط محدد لبروتين (AG)، ولكن في السلالة التي أدت إلى حوذان الكرابل العالية، ظهر موقعا ارتباط جديدان في هذا الإقليم. سمحت هذه المواقع الجديدة لبروتين (AG) بالالتصاق بالجين وتفعيله، بدلاً من إيقافه. لقد قلبت هذه التغييرات العلاقة بين الجينين من إشارة توقف إلى إشارة انطلاق.

تؤكد الدراسة أن إعادة الصياغة هذه هي المفتاح لشكل الزهرة الفريد. فعندما قام الباحثون بتعطيل جينات (AG) في نبات الكرابل العالية، توقفت الزهرة عن إنتاج هذا العدد الكبير من الكرابل وأصبحت أصغر حجماً، لتشبه أقرباءها من ذوي الكرابل القليلة. وعندما قاموا بتعطيل جينات (WUS)، انهار موقع البناء تماماً، وفشلت الزهرة في التطور بشكل سليم. وتشير الأدلة إلى أن تطور هذا النبات لم يتطلب إصلاحاً شاملاً لنظامه الجيني، بل كان مجرد تضاعف بسيط لجين، متبوعاً بإضافة موقعي ارتباط صغيرين في الحمض النووي الخاص به، كافياً لإعادة صياغة حلقة نمو أساسية. وقد سمح هذا للزهرة بتجاهل إشارات التوقيت المعتادة والاستمرار في بناء الأجزاء الأنثائية لفترة طويلة بعد أن يكون باقي النبات قد توقف.

يقدم هذا الاكتشاف مثالاً واضحاً على كيفية نشوء سمات معقدة جديدة من خلال تغييرات صغيرة ومحددة في الشفرة الجينية. وهو يوضح أن التنوع في أشكال الأزهار التي نراها في الطبيعة ليس مجرد مسأية عشوائية للطفرات، بل هو غالباً نتيجة لعمليات "تعديل" دقيقة في المفاتيح التي تتحكم في النمو. ومن خلال تحويل إشارة التوقف إلى إشارة انطلاق، تمكن نبات الحوذان هذا من إنشاء بنية زهرية نادرة ومتخصصة للغاية. ويبرز البحث أن القواعد التي تحكم كيفية بناء النباتات لأجسادها مرنة، وأن بضعة أحرف إضافية في تسلسل الحمض النووي يمكن أن تؤدي إلى تحول جذري في الشكل النهائي لكائن حي.