Genome-wide and haplotype mapping reveals genetic drivers of biomass productivity per unit water and nitrogen in sorghum

في مجالات الزراعة، يحدد موردان الفرق بين حصاد يغذي أمة وآخر يكفي بالكاد للاستمرار: الماء والنيتروجين. فالماء هو شريان الحياة للنبات، بينما يعمل النيتروجين، الذي يُضاف غالباً كسماد، كوقود للنمو. لعقود من الزمن، حاول المزارعون حل مشكلة الندرة عن طريق إضافة المزيد من كليهما، لكن الكوكب لم يعد قادراً على دعم هذا النهج. فالمياه العذبة تزداد ندرة، والنيتروجين الزائد من الأسمدة يسمم المجاري المائية ويرفع حرارة الغلاف الجوي. لذا، يجب أن يأتي الحل من المحصول نفسه. يبحث العلماء الآن عن طرق لتهجين نباتات يمكنها إنتاج المزيد من الغذاء والكتلة الحيوية باستخدام أقل قدر من هذه المدخلات الثمينة. لا يتعلق الأمر فقط بجعل النبات أكثر صلابة قليلاً؛ بل بتغيير جذري في كيفية تحويل النبات للمياه التي يشربها والنيتروجين الذي يتناوله إلى السيقان والحبوب التي نحصدها.

يعد السورجم (الذرة البيضاء)، وهو حبوب عشبية صلبة يزرعها مئات الملايين من الناس في أفريقيا وآسيا، الموضوع المثالي لهذا البحث. فهو يتميز بكفاءة طبيعية، حيث يزدهر في الظروف الحارة والجافة حيث تفشل المحاصيل الأخرى. ومع ذلك، لتحسينه بشكل أكبر، احتاج الباحثون إلى فهم التعليمات الجينية الخفية التي تتحكم في كفاءته. وقد شرع فريق من العلماء من الهند وبلجيكا والمعهد الدولي لأبحاث المحاصيل في المناطق شبه القاحلة (ICRISAT) في رسم خرائط لهذه التعليمات. قاموا بجمع مجموعة متنوعة تضم 172 سلالة من السورجم، بما في ذلك أصناف مستزرعة قياسية وسلالات خاصة تم إنشاؤها من خلال تهجين السورجم المستزرع مع قريبه البري المتعدد السنوات، وهو عشب يُعرف باسم "جونسون جراس" (Johnsongrass). هذا القريب البري مشهور بجذوره العميقة وقدرته على إعادة النمو، وهي سمات قد تحمل مفاتيح أفضل استخدام للموارد. قام الباحثون بزراعة هذه النباتات في ثلاث بيئات مختلفة: منطقة معتدلة في إيطاليا وموقعين شبه قاحلين في الهند، مع تعريضها لمستويات مختلفة من الماء والنيتروجين لمعرفة كيفية أدائها.

كان الاكتشاف الرئيسي الأول هو وجود انقسام واضح في كيفية تحكم جينات النبات في نموه. وجد الفريق أن القدرة على إنتاج الكتلة الحيوية الجافة — الوزن الإجمالي لسيقان النبات وأوراقه — كانت محكومة بقوة بجينات النبات. ومن الناحية العلمية، كانت هذه السمة ذات توريث عالٍ، مما يعني أنه إذا كان النبات الأب كفؤاً في تحويل الماء والنيتروجين إلى كتلة حيوية، فمن المرجح أن تكون ذريته كذلك أيضاً. وقد ظل هذا صحيحاً عبر جميع البيئات المختلفة التي تم اختبارها. في المقابل، كانت القدرة على إنتاج محصول لكل وحدة من الماء أو النيتروجين أكثر فوضوية؛ حيث كانت الإشارة الجينية للمحصول ضعيفة وتتأثر بشدة بظروف الطقس والتربة المحددة في كل عام. يشير هذا إلى أنه بينما يمكن للمربين اختيار نباتات تنتج كتلة خضرية أكبر بموارد أقل بشكل موثوق، فإن تحسين كفاءة الحبوب هو لغز أصعب يتطلب نهجاً مختلفاً، يتضمن على الأرجح تنبؤات معقدة بدلاً من مجرد الاختيار البسيط لجينات مفردة.

وعند التعمق في الحمض النووي لأكثر النباتات كفاءة، حدد الباحثون مناطق محددة على الكروموسومات تعمل كمفاتيح لإنتاجية الموارد. ووجدوا 22 منطقة جينومية متميزة مرتبطة بكفاءة الكتلة الحيوية. وبرز موقع واحد على الكروموسوم 9 كإشارة متكررة، حيث ظهر باستمرار عبر مختلف النماذج الإحصائية وقياسات السمات. يقع هذا الموقع بجوار جين يعمل كمنظم رئيسي لكيفية استجابة النبات للنيترات، وهي شكل من أشكال النيتروجين. عندما يكون هذا الجين نشطاً، فإنه يساعد في تنسيق نمو النبات مع كمية النيتروجين المتاحة. وعلى نفس الكروموسوم بالقرب منه، ينتج جين آخر جزيئاً يرسل إشارة لحالة الكربون في النبات، مما يخبر النبات أساساً بمقدار الطاقة التي لديه لإنفاقها على النمو. تشير القرب من هذين الجينين إلى آلية قوية حيث يوازن النبات باستمرار بين مدخول النيتروجين واحتياطيات الطاقة لديه لتعظيم النمو.

كما كشفت الدراسة كيف يمكن إدارة الماء والنيتروجين بواسطة نفس الآلية الجزيئية. وجد الباحثون جيناً مرشحاً يشفر لبروتين قناة، يُعرف باسم "أكوابورين" (aquaporin)، ويقع في جذور النبات. وبينما تشتهر هذه القنوات بنقل الماء، يمكن لبعض النسخ منها أيضاً نقل مركبات النيتروجين مثل الأمونيا. إذا كانت هذه القناة المحددة في السورجم تقوم بكليهما، فسيشكل ذلك اختصاراً بيولوجياً مباشاً، مما يسمح للنبات بامتصاص الماء والأسمدة في آن واحد عبر نفس البوابة. بالإضافة إلى ذلك، حدد الفريق جينات تشارك في إشارات الهرمونات، وتحديداً تلك التي تستجيب للسايتوكينينات، وهي هرمونات نباتية تنظم نمو الجذور وتطور الأوراق بناءً على توافر العناصر الغذائية. تشير هذه النتائج إلى شبكة متطورة حيث يستخدم النبات الهرمونات والجزيئات الإشارية لتقرير مقدار نموه بناءً على ما وجده في التربة.

وجاءت مفاجأة غير متوقعة في قصة الأقارب البرية. كان الباحثون يأملون أن يؤدي تهجين السورجم المستزرع مع "جونسون جراس" البري إلى إدخال سمات جديدة وقوية فقدتها النباتات المستزرعة على مدار آلاف السنين من الزراعة. وبينما جلبت السلالات البرية تنوعات جينية فريدة، إلا أن التركيبات الجينية الأكثر فعالية لكفاءة الموارد لم توجد في السلالات المهجنة من النوع البري. بدلاً من ذلك، كانت الأنماط الجينية الأكثر ملاءمة موجودة بالفعل داخل مجتمع السورجم المستزرع، لكنها كانت مخفية ونادرة. كانت السلالات البرية تحمل في الغالب تركيبات جينية نادرة جداً بحيث لا يمكن الاستفادة منها في الدراسة الحالية. يشير هذا إلى أن الإمكانات الجينية لتحسين كفاءة السورجم تكمن إلى حد كبير داخل أصناف المحاصيل الموجودة، بانتظار تحديدها وجمعها معاً، بدلاً من الحاجة إلى استيرادها من البرية.

واختبر الباحثون أيضاً ما إذا كان النظر في مجموعات من الجينات، أو "الأنماط الفردانية" (haplotypes)، بدلاً من أحرف DNA مفردة، سيكشف عن إشارات أقوى. وفي حالة محددة، كشف النظر في كتلة الجينات معاً عن فرق هائل في الأداء. أدت تركيبة جينية نادرة وجدت في عدد قليل جداً من النباتات إلى زيادة قدرها 2.7 ضعف في إنتاج الكتلة الحيوية لكل وحدة من الماء مقارنة بالنسخة الشائعة. يسلط هذا الضوء على أنه بينما تكون علامات الجينات المفردة مفيدة، فإن القوة الحقيقية تكمن أحياناً في التركيبة المحددة للجينات الموروثة معاً. ومع ذلك، بالنسبة للإشارة الأكثر بروزاً على الكروموسوم 9، كان مؤشر DNA المنفرد أفضل في التنبؤ من كتلة الجينات المحيطة به، مما يشير إلى أن استراتيجيات جينية مختلفة مطلوبة لأجزاء مختلفة من الجينوم.

في النهاية، يوفر هذا العمل خارطة طريق لتهجين السورجم الذي يمكنه الازدهار في ظل تغير المناخ. تؤكد الدراسة أن تحسين قدرة النبات على تحويل الماء والنيتروجين إلى كتلة حيوية هو هدف قابل للتتبع جينياً، مع تحديد أهداف واضحة للمربين للتركيز عليها. وتتمثل الأهداف الأكثر واعدة في الجينات التي تنظم كيفية استشعار النبات للنيتروجين والاستجابة له، والجينات التي تدير نقل الماء والمغذيات، والجينات التي توازن ميزانية طاقة النبات. وبينما يظل مسار تحسين كفاءة إنتاج الحبوب معقداً وحساساً للبيئة، فإن المسار لتحسين كفاءة نمو النبات الإجمالية أصبح الآن مضاءً. ومن خلال تجميع هذه السمات الجينية المواتية، يمكن للمربين تطوير أصناف من السورجم تنتج المزيد من الغذاء والأعلاف باستخدام كميات أقل من الماء والأسمدة، مما يقدم حلاً ملموساً لتحدي إطعام سكان العالم المتزايدين في ظل كوكب محدود الموارد.