Floral-bud transformation enables rapid assessment of NaD1- associated Fusarium wilt resistance in tomato

تُعد الطماطم واحدة من أكثر المحاصيل شعبية في العالم، حيث تُزرع في الحدائق والحقول الشاسعة على حد سواء، ومع ذلك فهي تواجه عدوًا شرسًا يختبئ في التربة. هذا العدو هو فطر يُسمى "فيوزاريوم أوكسيسبورم" (Fusarium oxysporum)، الذي يغزو جذور النبات وينتقل عبر الأوعية الناقلة للماء، مما يؤدي فعليًا إلى خنق نبات الطماطم من الداخل. المرض الذي يسببه، والمعروف باسم ذبول الفيوزاريوم، يحول الأوراق إلى اللون الأصفر، ويجعلها تتدلى، ويمكن أن يقضي على محاصيل بأكملها. لطالما حاول المزارعون محاربة هذا الفطر عن طريق الدورة الزراعية والمواد الكيميائية، لكن الفطر عنيد؛ فهو يعيش في التربة لسنوات ويتطور بسرعة لهزيمة الدفاعات الطبيعية القليلة التي تمتلكها نبتة الطماطم. كان العلماء يبحثون عن حل أكثر ديمومة، متطلعين نحو الترسانة الكيميائية لمملكة النباتات نفسها. وأحد المرشحين الواعدين هو بروتين صغير يُسمى "ديفنسين" (defensin)، والذي يعمل كمضاد حيوي طبيعي. يوجد هذا البروتوتينات بشكل طبيعي في نباتات التبغ، وتتمتع نسخة معينة منه تُعرف باسم "NaD1" بالقدرة على إحداث ثقوب في الجدران الخلوية للفطريات، مما يؤدي إلى انفجارها وموتها. والسؤال الذي طرحه الباحثون هو ما إذا كان بإمكانهم تعليم نبتة الطماطم صنع هذا البروتين بنفسها، مما يمنحها درعًا داخليًا ضد الفطر.

وضع فريق من الباحثين في جامعة جيلان في إيران خطة لاختبار هذه الفكرة، لكنهم واجهوا عقبة عملية: فعملية إنشاء نباتات معدلة وراثيًا جديدة عادة ما تكون عملية بطيئة وتتطلب جهدًا كبيرًا تتضمن زراعة أجزاء صغيرة من النبات في أوعية تحتوي على هلام (جل). ولتسريع العملية، طور الفريق طريقة أسرع تتخطى استخدام الأوعية تمامًا. بدلاً من ذلك، أخذوا نباتات طماطم سليمة كانت مزهرة بالفعل ووضعوا بلطف سائلًا يحتوي على التعليمات الجينية لبروتين NaD1 مباشرة على براعم أزهارها. ثم وضعوا هذه النباتات في غرفة مفرغة من الهواء، وهي تقنية تساعد السائل على التغلغل بعمق في أنسجة النبات، حاملًا التعليمات الجينية مباشرة إلى البذور النامية. سمح هذا النهج بتوليد نباتات جديدة بشكل أسريد بكثير من الطرق التقليدية، مما منحهم فرصة لرؤية ما إذا كانت هذه السمة الجديدة تعمل بالفعل.

اختار الباحثون صنفًا من الطماطم معروفًا بحساسيته العالية للذبول، لضمان أن أي تحسن يلاحظونه سيكون ناتجًا بوضوح عن طريقتهم الجديدة وليس بسبب مقاومة موجودة مسبقًا. وبعد زراعة النباتات الجديدة، قاموا بفحصها لمعرفة أي منها امتص التعليمات الجينية بنجاح. وجدوا أنه بينما حملت العديد من النباتات الجين الجديد، فإن القليل منها فقط كان ينتج بروتين NaD1 بالفعل. ثم أخذ الفريق هذه النباتات المحددة وعرض جذورها لجرعة مركزة من فطر الذبول. كانت النتائج مذهلة؛ فقد استسلمت نباتات الطماطم العادية، التي كانت بمثابة مجموعة ضابطة، للمرض بسرعة. وفي غضًاون، كانت تعاني من ذبول شديد، وكانت سيقانها داكنة وبنية من الداخل، وتحولت أوراقها إلى اللون الأصفر وماتت. في المقابل، ظلت النباتات التي تصنع بروتين NaD1 سليمة. وقد أظهر نبات واحد محدد، سماه الباحثون TSV4129-2، عدم وجود علامات مرض تقريبًا. وبينما عانت النباتات العادية من درجة شدة مرض تقترب من 90 بالمائة، حافظ هذا النبات المقاوم على نسبة 6 بالمائة فقط.

لم يكن الاختلاف في كيفية مظهر النباتات من الخارج فحسب؛ بل كان الضرر الداخلي مختلفًا أيضًا بشكل كبير. فعندما قطع الباحثون سيقان النباتات المريضة، وجدوا أن الفطر قد حول الأوعية الناقلة للماء إلى اللون البني الداكن لمسافة طويلة داخل الساق. أما في النبات المقاوم، فقد اقتصر هذا التلون البني على قسم قصير جدًا بالقرب من القاعدة، أقل من 15 سنتيمترًا، مما أوقف انتشار المرض نحو الأعلى بفعية. وقاس الباحثون إجمالي كمية المرض التي عانت منها النباتات بمرور الوقت ووجدوا أن النبات المقاوم عانى من تقدم في المرض أقل بنحو اثني عشر مرة من النباتات العادية. يشير هذا إلى أن بروتين NaD1 كان يقاتل الفطر بنجاح، ويرجح أنه من خلال تعطيل الخلايا الفطرية أثناء محاولتها غزو جذور النبات.

وما جعل هذا الاكتشاف أكثر إثارة للاهتمام هو كيفية تفاعل جسم النبات مع العدوى في أجزاء مختلفة. حلل الباحثون الجذور والأوراق بشكل منفصل لفهم استراتيجية الدفاع لدى النبات. ووجدوا أن الجذور، التي كانت نقطة الاتصال الأولى مع الفطر، أظهرت تراكمًا هائلًا للمركبات الفينولية، وهي مواد كيميائية طبيعية تستخدمها النباتات لعزل المهاجمين ومحاربتهم. وفي الوقت نفسه، أظهرت الجذور علامات إجهاد، وهو أمر متوقع عند خوض معركة في الخطوط الأمامية. ومع ذلك، حكت الأوراق قصة مختلفة؛ فبالرغم من حدوث العدوى في التربة، ظلت أوراق النبات المقاوم سليمة بشكل ملحوظ. فقد حافظت على الكلوروفيل الأخضر، وهو ضروري لصنع الغذاء، وظلت أغشيتها الخلوية سليمة، مما منع تسرب السوائل الحيوية. أما في النباتات العادية، فكانت الأوراق تتفكك، مع مستويات عالية من التلف والتسرب.

يشير هذا التباين إلى أن دفاع النبات لم يكن رد فعل موحدًا في جميع أنحاء الجسم. بدلاً من ذلك، بدا أن النبات يركز حربه الكيميائية في الجذور حيث يهاجم العدو، بينما يحمي أوراقه في الوقت نفسه من الإجهاد والضرر الذي يصاحب عادة مثل هذه العدوى. أظهرت أوراق النبات المقاوم مستويات أعلى من بيروكسيد الهيدروجين، وهو جزيء يستخدمه النبات غالبًا للإشارة إلى الخطر، ولكن على عكس النباتات المريضة، لم تؤدِ هذه الإشارة إلى تدمير خلايا الورقة. لقد تمكن النبات من الحفاظ على عمل آلات التمثيل الضوئي بسلاسة بينما كانت الجذور تصد الهجوم.

تؤكد الدراسة أن إدخال جين NaD1 يمكن أن يوفر حماية قوية ضد ذبول الفيوزاريوم في الطماطم، لكن الباحثين حريصون على ملاحظة أن هذا هو بداية وليس حلاً نهائيًا. فقد لاحظوا أن مستوى الحماية تباين بين النباتات المختلفة التي صنعوها؛ فالنبات الذي أظهر أقوى إشارة لجين NaD1 كان الأكثر مقاومة، ولكن لم تكن أي منها محصنة تمامًا. كما يسلط العمل الضوء على أن الطريقة التي استخدموها لإنشاء هذه النباتات هي بديل قابل للتطبيق وأسرع من التقنيات التقليدية الأبطأ. وبينما لا تثبت الدراسة بعد بدقة كيفية انتقال البروتين عبر النبات أو كيفية تفاعله مع الفطر داخل التربة، إلا أنها تقدم صورة واضحة لنبات يمكنه الدفاع عن نفسه بفعالية. وتوفر هذه النتائج لمحة مفعمة بالأمل نحو مستقبل قد تتمكن فيه نباتات الطماطم من الدفاع عن نفسها ضد هذا المرض المدمر المنقول عبر التربة، مما يقلل من الحاجة إلى المعالجات الكيميائية ويؤمن المحصول.