خريطة جينومية شاملة تكشف عن تنوع جيني غير مسبوق في مجموعة البازلاء العالمية وتمهد الطريق للتحسينات الجينية للبقوليات
نجح باحثون في إنشاء خريطة جينومية شاملة لمجموعة البازلاء العالمية التي قادت الكاهن التشيكي جريجور مندل إلى اكتشاف علم الوراثة، وكشفت عن السمات الرئيسية والتنوع الجيني الواسع. ومن المتوقع أن تؤدي الموارد الجديدة إلى إحداث ثورة في عمليات تربية البازلاء، وجهود الاستدامة، والبحوث الجينية في جميع أنحاء العالم.
أرسى جريجور مندل أسس علم الوراثة منذ أكثر من 160 عامًا من خلال التجارب الرائدة على نباتات البازلاء.
اليوم، يستخدم فريق دولي من الباحثين علم الجينوم وعلم المعلومات الحيوية وعلم الوراثة لرسم خريطة التنوع في مجموعة البازلاء العالمية. يكشف عملهم عن رؤى جديدة حول السمات التي درسها مندل ويكشف عن تنوع وراثي واسع غير مسبوق وهو أمر ضروري للزراعة.
ويقول مؤلفو الدراسة إن مجموعة الجينات الموسعة والموارد الجينومية المتاحة الآن للباحثين والمربين في جميع أنحاء العالم يمكن أن تعمل على تحويل عمليات تربية البازلاء وتقدم الأبحاث حول هذا البقول.
قال الدكتور نعوم هايوت، أحد المؤلفين المشاركين الأصليين، والذي يدير وحدة موارد البذور في مركز جون إينيس: "لقد أدى عملنا التعاوني إلى إنشاء مورد جينومي هائل بشكل غير عادي، بما في ذلك بيانات تسلسل جينوم البازلاء الكامل".
"
"ومنذ اليوم، يقوم الباحثون والشركات المتعددة الجنسيات بطلب البذور المتوافقة مع الموارد الجينومية الجديدة، وهو ما سيغير طريقة تربية البازلاء والطريقة التي سيدرس بها العلماء هذه النباتات في جميع أنحاء العالم."
جهد تعاوني عالمي
الدراسة التي نشرت في المجلةالطبيعة تم عقد المؤتمر بالتعاون مع مركز جون إينيس (JIC) والأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية (CAAS)، إلى جانب مجموعات بحثية في الصين والمملكة المتحدة والولايات المتحدة وفرنسا.
ويأتي هذا العمل في الوقت الذي تبذل فيه الجهود لزيادة استخدام البازلاء والبقوليات الأخرى كمصدر للبروتين النباتي والمحاصيل المستدامة القادرة على تثبيت النيتروجين لأنفسها، مما يقلل من الحاجة إلى الأسمدة الكيماوية ويقلل من تلوث التربة والمياه.
لوحة أصناف البازلاء
"لم يكن مندل مهتمًا بالبازلاء فقط باعتبارها نموذجًا بحثيًا مثاليًا، على الرغم من أنها كانت كذلك"، كما قال الدكتور هايوت. "كان أيضًا محصولًا مهمًا أراد مندل تحسينه لحل المشكلات التي واجهت البستانيين والمزارعين في عصره."
وبالمثل، لا يُسلِّط هذا البحث الضوء على نتائج مندل الأساسية فحسب، بل يُمهِّد الطريق أيضًا لزراعة البازلاء في عدد من دول العالم، بما في ذلك المملكة المتحدة. يُمكن أن تُوفِّر البازلاء مصدرًا مُستدامًا للبروتين النباتي، ولها دورٌ محوريٌّ في مُستقبل الزراعة.
كيف نجح الباحثون في فك شفرة جينومات مجموعة البازلاء في العالم?
قام الباحثون باختيار عينة تمثيلية مكونة من حوالي 700 نمط جيني من أكثر من 3,500، والتي تم جمعها وحفظها على مدى عقود من الزمن في وحدة GRU الممولة من BBSRC.
وأسفرت العملية عن إنتاج 62 تيرابايت من البيانات الخام، تضم 25.6 تريليون قطعة من المعلومات، وهي مناسبة للطباعة على ما يقرب من 3.6 مليار صفحة 4A.
وباستخدام هذه البيانات، أنشأ الفريق خريطة جينومية عالمية للبازلاء، بدءًا من البازلاء المستنسخة والمستقرة إلى السلالات المحلية والأصناف التي تقترب تطوريًا من الأصناف المستخدمة بشكل شائع في الزراعة اليوم.
من خلال دراسات الارتباط واسعة النطاق (GWAS)، تم تحديد مناطق في الجينوم مرتبطة بأكثر من 70 سمة زراعية. وتسمح العلامات الجينية في كل موقع بتسريع عمليات التربية.
في المستقبل، وبالتزامن مع التقنيات مثل تحرير الجينوم والتسلسل طويل المدى للحمض النووي والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، ستُفتح فرص غير مسبوقة لاكتشاف جينات جديدة وتربية تنبؤية باستخدام الذكاء الاصطناعي لإنشاء مجموعات جينية لبازلاء عالية الغلة ومقاومة للأمراض ومستدامة زراعيًا.
إرث مندل الدائم
ووصف آلان فرانكلين، المؤرخ العلمي، عمل مندل بأنه "أفضل التجارب التي أجريت على الإطلاق".
في الأيام الأولى لنظرية الخلية، قبل تعريف مصطلح "الجين"، ركز مندل على سبع سمات:
- شكل البذرة: مستديرة أو مجعدة
- لون البذور: أخضر أو أصفر
- شكل حقيبة الظهر: ضيق أو منتفخ
- لون حقيبة الظهر أخضر أو أصفر
- لون الزهرة: أرجواني أو أبيض
- ارتفاع النبات: طويل أو قصير
- مكان الزهرة: محوري أو نهائي
خلال التجارب التي استمرت لسنوات واستخدمت فيها آلاف النباتات، صاغ مندل القوانين الأساسية للوراثة واكتشف كيفية انتقال الصفات من جيل إلى جيل، مما وضع الأساس لعلم الوراثة.
تأكيد النظرية الكلاسيكية بالأدوات الحديثة
تم استخدام الأدوات الجينومية التي تم تطويرها في هذه الدراسة لإعادة النظر في التجارب الكلاسيكية، وتعمل هذه الأدوات على العثور على الجينات والطفرات الدقيقة التي اتبعها مندل.
بالنسبة لصفة لون الإزهار، حدد الباحثون طفرة فريدة تسمح بعودة اللون الأرجواني إلى الزهور البيضاء.
كما اكتشف الفريق أيضًا طفرة مسؤولة عن لون القرون الأصفر، وهو اكتشاف أثار اهتمام الأكاديميين بسبب التفاعل بين جينين قريبين.
وقال البروفيسور شي بينج تشنغ من معهد الجينوم الزراعي في شنتشن: "اكتشف مندل قوانين الوراثة دون أن يعرف ما هو الجين". "اليوم، وباستخدام الأدوات الحديثة، يمكننا تحديد الجينات الدقيقة والطفرات المحددة التي تتبعها مندل."
وأضاف البروفيسور نويل إليس، الباحث في مركز جون إينيس والمؤلف المشارك في الدراسة: "إلى جانب التطبيق العملي للبيانات على المُربين، تُعدّ هذه الموارد مهمة أيضًا للأكاديميين ومُعلّمي علم الوراثة، إذ تُقدّم الدراسة وصفًا مُحدّثًا للمتغيرات المندلية. البيانات متاحة، ويمكن طلب سلالات البازلاء - ونأمل أن يستخدمها الأكاديميون بحرية".
قال كونغ فينج، طالب الدراسات العليا والمؤلف المشارك في البحث: "لقد أثبتت دراسات GWAS وتحليل النمط الوراثي أنها أدوات قوية، وكنا سعداء باكتشاف رؤى على مستوى التسلسل في جميع السمات المندلية السبع الكلاسيكية".
وأضافت الدكتورة جولي هوبر، الباحثة في مرحلة ما بعد الدكتوراه: "لسنوات عديدة، كان السؤال حول سبب لون القرنة مليئًا بالعقبات، لكن اكتشافنا يسلط الضوء على المدى الذي يمكن أن يؤثر به هيكل الجينوم على وظيفة الجينات على المستوى النسخي".
