New insights into the adaptive chloroplast capture in European white oaks

تترك الأشجار وراءها تاريخاً هادئاً ومعقداً مكتوباً في حمضها النووي. وبالنسبة للعلماء الذين يحاولون فهم كيفية تطور النباتات، فإن البلاستيدة الخضراء (chloroplast) تعد دفتراً مفيداً بشكل خاص. توجد هذه الهياكل الصغيرة داخل الخلايا النباتية وتعمل كألوح شمسية، حيث تلتقط ضوء الشمس لتغذية النمو. وبخلاف الجينوم الرئيسي الموجود في نواة الخلية، والذي يعد مزيجاً من المادة الوراثية من كلا الوالدين، فإن البلاستيدة الخضراء تُورث عادةً من أحد الوالدين فقط، وهو الأم. وهذا يجعلها خط وراثة مستقراً وغير منقطع نادراً ما يتم خلطه. وبسبب هذا الاستقرار، استخدم العلماء منذ فترة طويلة الحمض النووي للبلاستيدات الخضراء لتتبع أشجار العائلة وتتبع كيفية انتقال الأنواع عبر المناظر الطبيعية بعد العصور الجليدية. ومع ذلك، فإن الطبيعة نادراً ما تكون بسيطة؛ فأحياناً، عندما ينمو نوعان مختلفان من النباتات بالقرب من بعضهما البعض ويتزاوجان، قد ينتهي الأمر بالنسل بامتلاك الحمض النووي النووي لأحد الوالدين وبلاستيدة الخضراء للآخر. هذا الحدث، المعروف باسم "الاستحواذ على البلاستيدة الخضراء" (chloroplast capture)، يمكن أن يطمس الخطوط الفاصلة بين الأنواع، مما يجعلها تبدو أكثر ارتباطاً ببعضها مما هي عليه في الواقع. إن فهم متى ولماذا يحدث هذا يساعد الباحثين في تجميع القصة الحقيقية لكيفية بقاء الغابات خلال التغيرات المناخية الدراماتيكية التي شهدها الماضي.

في دراسة جديدة، ركز الباحثون على نوعين مشهورين من الأشجار الأوروبية: البلوط ذو الساق (pedunculate oak) والبلوط ذو السرج (sessile oak). هذان النوعان من الأشجار جيران في معظم أنحاء أوروبا، وغالباً ما ينموان جنباً إلى جنب ويخلطان جيناتهما بشكل متكرر. لعقود من الزمن، لاحظ العلماء أن هاتين الشجرتين المختلفتين تبدوان متطابقتين تقريباً عند فحص حمضهما النووي الخاص بالبلاستيدات الخضراء. كانت النظرية السائدة هي أن هذا التشابه كان حدثاً حديثاً، نتيجة لتبادل الأشجار للبلاستيدات الخضراء أثناء هجرتها شمالاً بعد العصر الجليدي الأخير، قبل حوالي عشرين ألف عام. ولاختبار هذه الفكرة، جمع الفريق كمية هائلة من البيانات الوراثية؛ حيث جمعوا عينات من أكثر من مائة شجرة بلوط في واحد وعشرين موقعاً مختلفاً في تسع دول أوروبية، تمتد من تركيا إلى المملكة المتحدة. وباستخدام تقنية التسلسل الحديثة، أعادوا بناء الجينومات الكاملة للبلاستيدات الخضراء لكل شجرة، مما خلق خريطة وراثية مفصلة للأنواع. ثم دمجوا هذه البيانات الجديدة مع معلومات موجودة من ما يقرب من مائة نوع آخر من فصيلة الزان والبلوط لبناء شجرة عائلة ضخمة وحساب متى انفصلت الفروع المختلفة بدقة.

كشفت نتائج هذا الغوص العميق عن تاريخ أكثر تعقيداً مما اقترحته قصة الهجرة البسيطة. أظهر التحليل الوراثي أن نوعي البلوط لا يشكلان مجموعتين منفصلتين ونظيفتين بناءً على بلاستيداتهما الخضراء. بدلاً من ذلك، انقسمت الأشجار إلى ثلاث مجموعات أو سلالات وراثية رئيسية مختلطة معاً. فقد تشترك شجرة من الدنمارك في نفس الحمض النووي للبلاستيدة الخضراء مع شجرة من بولندا أو فرنسا، بغض النظر عما إذا كانت من نوع البلوط ذي الساق أو البلوط ذي السرج. وهذا يؤكد أن الاستحواذ على البلاستيدة الخضراء قد حدث بالفعل، لكن التوقيت يروي قصة مختلفة. فمن خلال تحليل معدل تراكم الطفرات الوراثية بمرور الوقت، قدر الباحثون أن الانفصالات بين هذه السلالات الثلاث الرئيسية حدثت في وقت أبكر بكثير من نهاية العصر الجليدي الأخير. حدث أقدم انفصال بين السلالات منذ حوالي 2.68 مليون سنة، وحتى الانفصالات الأحدث ضمن المجموعات تعود إلى مئات الآلاف من السنين. وهذا يشير إلى أن مشاركة البلاستيدات الخضراء بين أشجار البلوط هذه لم تكن مجرد حادث عرضي ناتج عن الهجرة، بل كانت حدثاً بدأ قبل وقت طويل من تراجع الأنهار الجليدية، وربما خلال فترات سابقة من تغير المناخ.

بحثت الدراسة أيضاً عن علامات تشير إلى أن هذا التبادل الوراثي قد يكون مدفوعاً بالانتخاب الطبيعي وليس مجرد الصدفة. فحص الباحثون جينات محددة داخل البلاستيدة الخضراء لمعرفة ما إذا كان أي منها يحظى بتفضيل نشط من قبل التطور. ووجدوا دليلاً على الانتخاب الإيجابي في جينين محددين؛ حيث أظهر أحد هذه الجينات، الذي يساعد في بناء إنزيم حيوي لعملية التمثيل الضوئي، علامات على "الكنس الانتقائي" (selective sweep). وهذا يعني أن طفرة مفيدة انتشرت على الأرجح بسرعة عبر الجمهرة، مستبدلةً التباينات الأخرى ومخلّفةً الحمض النووي للبلاستيدة الخضراء يبدو متجانساً للغاية. يمكن أن يفسر هذا العملية سبب انخفاض التنوع الوراثي في هذه الأشجار. فمن الممكن أن نسخة معينة من البلاستيدة الخضراء قدمت ميزة للبقاء، ربما من خلال مساعدة الأشجار على التكيف مع بيئات جديدة، ومع انتشارها، حملت معها جينوم البلاستيدة الخضراء بأكمله.

في نهاية المطاف، يعيد هذا البحث صياغة فهمنا لكيفية بقاء وتطور هذه الأشجار الأيقونية. وبينما تفسر القصة القديمة للهجرة البسيطة بعد العصر الجليدي بعض الأنماط، فإن البيانات الجديدة تشير إلى تاريخ أعمق وأكثر تعقيداً. لقد كانت البلاستيدات الخضراء لأشجار البلوط البيضاء الأوروبية تختلط منذ ملايين السنين، قبل وقت طويل من انتهاء العصر الجليدي الأخير. وتشير الدراسة إلى أن التنوع الوراثي المنخفض المشاهد في هذه الأشجار اليوم هو على الأرجح نتيجة لقوى تطورية قديمة، بما في ذلك الانتخاب الطبيعي الذي يعمل على الجينات الرئيسية، بدلاً من مجرد حدث اختلاط حديث. ومن خلال الجمع بين بيانات الجينوم الكامل والتأريخ الدقيق، أظهر الباحثون أن التاريخ التطوري لهذه الغابات ليس خطاً مستقيماً، بل هو شبكة متشابكة من الروابط القديمة والتغيرات التكيفية التي لا تزال تؤثر على الأشجار التي نراها اليوم.