علم الوراثة النباتي

علم وراثة النبات (Plant Genetics) هو دراسة الجينات، والتباين الوراثي، وآليات الوراثة في النباتات.Griffiths, Anthony J. F.; Miller, Jeffrey H.; Suzuki, David T.; Lewontin, Richard C.; Gelbart, eds. (2000). "Genetics and the Organism: Introduction". An Introduction to Genetic Analysis (7th ed.). New York: W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5. ويُعد فرعًا من علم الأحياء وعلم النبات، مع تقاطعات واسعة مع علوم الحياة الأخرى، بما في ذلك البيولوجيا الجزيئية، والبيولوجيا التطورية، والمعلوماتية الحيوية.

تُستخدم النباتات كنماذج في البحوث الوراثية لدراسة التوارث، والتنوع الوراثي، وتفاعلات الجينات مع البيئة.Allard, Robert W. (December 1999). "History of Plant Population Genetics". Annual Review of Genetics. 33 (1): 1–27. doi:10.1146/annurev.genet.33.1.1. PMID 10690402. وتعتبر معرفة وراثة النبات أمرًا أساسيًّا لتحسين غلة المحاصيل، وتطوير نباتات مقاومة للأمراض، وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية الزراعية، بالإضافة إلى مساهمتها في التقدم الطبي.

لقد أسهمت الدراسات الوراثية في تطوير محاصيل ذات إنتاجية عالية، ومقاومة للآفات، وقادرة على التأقلم مع الظروف المناخية المختلفة.Dudley, J. W. (1993-07-08). "Molecular Markers in Plant Improvement: Manipulation of Genes Affecting Quantitative Traits". Crop Science. 33 (4): 660–668. doi:10.2135/cropsci1993.0011183X003300040003x. ISSN 0011-183X. وتستمر الابتكارات في مجال التعديل الوراثي، بما في ذلك المحاصيل المعدلة وراثيًا، والتربية الانتقائية، في تعزيز الأمن الغذائي العالمي من خلال تحسين القيمة الغذائية، ومقاومة الإجهاد البيئي، وزيادة الأداء العام للمحاصيل.Ronald, Pamela (May 5, 2011). "Plant Genetics, Sustainable Agriculture and Global Food Security". Genetics. 188 (1): 11–20. doi:10.1534/genetics.111.128553. PMC 3120150. PMID 21546547.

 التاريخ 
تصغير|203x203بك|غريغور مندل، "أبو علم الوراثة"

أقدم دليل عُثر عليه على تدجين النباتات يعود إلى حوالي 11,000 عام مضت في القمح القديم. بينما ربما حدث الاختيار في البداية بشكل غير مقصود، فمن المحتمل أن المزارعين قبل 5,000 عام كان لديهم فهم أساسي للميراث الوراثي.Allard, Robert W. (December 1999). "History of Plant Population Genetics". Annual Review of Genetics. 33 (1): 1–27. doi:10.1146/annurev.genet.33.1.1. PMID 10690402. ISSN 0066-4197. أدى هذا الاختيار بمرور الوقت إلى ظهور أنواع وأصناف جديدة من المحاصيل، والتي تشكل الأساس للمحاصيل التي نزرعها ونستهلكها اليوم.

بدأ علم وراثة النبات بعمل غريغور مندل، الذي يُعرف غالبًا باسم "أبو علم الوراثة". كان راهبًا وعالمًا أوغسطينيًا وُلد في 20 يوليو 1822 في النمسا-المجر. عمل في دير سانت توماس في برونو (الآن برنو، جمهورية التشيك)، حيث اختار نبات البازلاء لدراسة الوراثة والسمات الظاهرية مثل طول النبات، ولون الزهرة، وخصائص البذور. أظهر مندل أن وراثة هذه السمات تتبع قوانين معينة أطلق عليها لاحقًا اسمه. نُشر عمله الرائد، "تجارب على تهجين النباتات"، عام 1866، لكنه ظل غير معروف تقريبًا حتى عام 1900 عندما أدرك علماء نبات بارزون أهميته وأعادوا نشر ترجمته الإنجليزية.1. Gregor Mendel: Versuche über Pflanzen-Hybriden. www.bshs.org.uk
. تاريخ الوصول: 2018-07-11. توفي مندل عام 1884، ولم يتم الاعتراف بأهمية عمله إلا في مطلع القرن العشرين. أدت إعادة اكتشافه إلى تأسيس علم الوراثة الحديث، وأسهمت اكتشافاته في فهم وراثة النبات وتطوير التربة.

في أوائل القرن العشرين، بدأ علماء النبات والإحصائيون في فحص نسب التباين التي وصفها مندل. اكتشف دبليو إي كاسل أن الصفات الفردية قد تتجزأ وتتغير بمرور الوقت مع الاختيار، لكن النسبة الجينية تستقر عندما تتوقف ضغوط الاختيار ويُؤخذ التأثير البيئي في الاعتبار، وهو أساس وراثة السكان.Castle, W. E. (1903). "The Laws of Heredity of Galton and Mendel, and Some Laws Governing Race Improvement by Selection". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 39 (8): 223–242. doi:10.2307/20021870. JSTOR 20021870. اكتشف هذا أيضًا جي إتش هاردي ودبليو واينبرغ، مما أدى إلى صياغة قانون هاردي-واينبرغ عام 1908.Hardy, G. H. (1908-07-10). "Mendelian Proportions in a Mixed Population". Science. 28 (706): 49–50. doi:10.1126/science.28.706.49. ISSN 0036-8075. PMID 17779291. PMC 2582692.

في الوقت نفسه، بدأت تجارب علم الوراثة وتربية النبات في الذرة، حيث عانت النباتات الملقحة ذاتيًا من اكتئاب زواج الأقارب. اكتشف الباحثون مثل نيلس هيربيرت-نيلسون أن تهجين النباتات لتشكيل هجائن يسمح بدمج الصفات المرغوبة من كلا الوالدين وتحقيق قوة الهجين. في أوائل عشرينيات القرن الماضي، اخترع دونالد فورشا جونز طريقة أدت إلى إنتاج أول بذور ذرة هجينة تجارية.USDA ARS. "Improving Corn". www.ars.usda.gov
. تاريخ الوصول: 2018-07-11. أدى الطلب الكبير على البذور الهجينة إلى نمو صناعة إنتاج البذور وأبحاثها، كما أسهمت تقنيات الحفاظ على السكان والسلالات الداخلية المعزولة في فهم أفضل للمفاهيم الوراثية.

سمح هيكل السكان النباتي لعلماء مثل ت. دوبزانسكي وس. رايت ور. أ. فيشر بتطوير مفاهيم علم الأحياء التطوري ودراسة تكون الأنواع والإحصاءات الكامنة وراء وراثة النبات.Wright, Sewall (May 1940). "Breeding Structure of Populations in Relation to Speciation". The American Naturalist. 74 (752): 232–248. doi:10.1086/280891. ISSN 0003-0147.Dobzhansky, Theodosius (1970). Genetics of the Evolutionary Process. Columbia University Press. ISBN 9780231083065. وضعت أعمالهم الأساس لاكتشافات مثل اختلال التوازن الارتباطي عام 1960.Lewontin, R. C.; Kojima, Ken-ichi (December 1960). "The Evolutionary Dynamics of Complex Polymorphisms". Evolution. 14 (4): 458–472. doi:10.1111/j.1558-5646.1960.tb03113.x. ISSN 0014-3820.

أظهر نيكولاي فافيلوف اهتمامًا بالأنواع الأبوية البرية للمحاصيل الحديثة، حيث كان علماء النبات بين عشرينيات وستينيات القرن الماضي يسافرون إلى مناطق ذات تنوع نباتي عالي بحثًا عن الأنواع البرية التي أدت إلى الأنواع المستأنسة بعد الاختيار. سمح تحديد الصفات ووراثتها الكامنة بنقل الجينات المفيدة من النباتات البرية إلى المحاصيل، وكان فهم وراثة النبات أساسيًا خلال الثورة الخضراء بقيادة نورمان بورلوغ، التي شهدت اكتشاف الحمض النووي (DNA) وفهم التلاعب بالمعلومات الوراثية.
Vavilov, N. I. (1926). "Studies on the Origin of Cultivated Plants". AGRIS. 118 (2967): 392–393. doi:10.1038/118392a0.

 الحمض النووي 
تصغير|100بك|بنية جزء من حلزون مزدوج للحمض النووي

 ما هو الحمض النووي؟ 
الحمض النووي (DNA) هو حمض نووي يحتوي على التعليمات الجينية المستخدمة في تطوير وعمل جميع الكائنات الحية المعروفة وبعض الفيروسات. الدور الرئيسي لجزيئات الحمض النووي هو التخزين طويل الأجل للمعلومات. غالبًا ما يُقارن الحمض النووي بمجموعة من المخططات أو وصفة، لأنه يحتوي على التعليمات اللازمة لبناء مكونات أخرى من الخلايا، مثل البروتينات وجزيئات الرنا. تسمى أجزاء الحمض النووي التي تحمل هذه المعلومات الوراثية الجينات، ويشار إلى موقعها داخل الجينوم باسم المواضع الجينية، بينما تقوم سلاسل الحمض النووي الأخرى بوظائف هيكلية أو تنظيمية.

الحمض النووي هو نقطة البداية للعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية، حيث تنتقل المعلومات من الحمض النووي، الذي يُنسخ إلى الرنا، ثم يُترجم الرنا إلى بروتينات وظيفية.

يستخدم علماء الوراثة، بما في ذلك علماء وراثة النبات، تسلسل الحمض النووي لفهم وظائف الجينات المختلفة داخل الجينوم. من خلال البحث والتربية، يمكن التلاعب بالجينات والمواقع المشفرة ضمن كروموسومات النبات لإنتاج أنماط وراثية وأنماط ظاهرية مرغوبة.

 اكتشاف الحمض النووي 
منذ الاكتشاف الأصلي للحمض النووي في عام 1869 على يد الطبيب السويسري فريدريش ميسشر، تحت اسم "النوكليين"، كان موضوعًا لأبحاث وراثية هائلة. وجد أن هذه المادة غنية بالفوسفور والنيتروجين، مما جعلها مميزة عن البروتينات.
وضع ميسشر الأساس لتمييز الحمض النووي ككيان جزيئي منفصل تمامًا، ومع ذلك لم يُقدم الحمض النووي بوضوح كمادة وراثية إلا في عام 1944 على يد أوزوالد أفري، وكولين ماكلويد، وماكلين مكارتي، من خلال تجارب مكثفة باستخدام مكونات بكتيرية نقية، لإثبات بما لا يدع مجالاً للشك أن الحمض النووي وليس البروتينات هو المسؤول عن التحول البكتيري، وهي العملية التي يمكن للبكتيريا من خلالها امتصاص الحمض النووي الغريب ودمجه في تركيبها الجيني.

لاحقًا، في عام 1953، تم تأسيس بنية الحلزون المزدوج الشهيرة للحمض النووي بفضل عمل جيمس واتسون وفرانسيس كريك، من خلال التحليل الدقيق لبيانات انحراف الأشعة السينية السابقة التي جمعتها روزاليند فرانكلين وموريس ويلكين.
كان هذا الاكتشاف الهيكلي محوريًا لتسهيل تضاعف الحمض النووي بدقة ونقل المعلومات الوراثية بشكل صحيح. تستمر الأبحاث الوراثية بشكل مستمر، وتظل النباتات كائنات نموذجية مهمة لمثل هذه التجارب، ما يوضح المعالم الرئيسية لفهمنا للحمض النووي ووظائفه.

 بنية الحمض النووي 
الحمض النووي هو بنية حلزونية مزدوجة تحتوي على سلسلتي حمض نووي متعاكستين في الاتجاه ومكونتين من وحدات نوكليوتيدية. تحتوي كل نوكليوتيدة على سكر الديوكسي ريبوز، ومجموعة فوسفات، وواحدة من القواعد النيتروجينية التالية (الأدينين، الثايمين، الغوانين، أو السيتوزين).
تسلسلات وتوجهات هذه القواعد المحددة هي التي تشفر أجزاء فريدة من المعلومات الوراثية المتوارثة. بين السلاسل المتعاكسة في الاتجاه، يحدث ترابط القواعد بين الأدينين والثايمين، وبين الغوانين والسيتوزين بمساعدة الروابط الهيدروجينية، التي تمسك السلاسل معًا وتخلق الشكل الحلزوني المزدوج الفريد.

 الحمض النووي للنباتات 
النباتات، مثل جميع الكائنات الحية الأخرى المعروفة، تنقل صفاتها باستخدام الحمض النووي. ومع ذلك، تتميز النباتات بوجود البلاستيدات الخضراء التي تحتوي على حمضها النووي الخاص. وكما هو الحال في الحيوانات، تعاني النباتات من طفرات جسدية بانتظام، لكن الطفرات داخل الخط الجرثومي يمكن أن تنتقل إلى النسل، مما يساعد في الانتخاب الطبيعي وتطور الأنواع النباتية.

بعض النباتات قادرة على التخصيب الذاتي، وبعضها يتخصب ذاتيًا حصريًا. هذا يعني أن النبات يمكن أن يكون أمًا وأبًا لنسله. في تربية النبات، يُنشأ هجائن بين النباتات لأسباب اقتصادية وجمالية. على سبيل المثال، زاد محصول الذرة بما يقرب من خمسة أضعاف في القرن الماضي، جزئيًا بسبب انتشار الأصناف الهجينة.

النباتات أكثر قدرة على البقاء ككائنات متعددة الصيغ الصبغية. تحتوي على أكثر من مجموعتين من الكروموسومات المتماثلة. على سبيل المثال، الإنسان يمتلك مجموعتين من 23 كروموسومًا، بينما القمح، على الرغم من وجود 7 كروموسومات مميزة فقط، يعتبر سداسي الصيغة الصبغية ويحتوي على 6 نسخ من كل كروموسوم، ليصبح المجموع 42 كروموسومًا.

في النباتات، يمكن للأفراد متعددة الصيغ الصبغية القادرة على التخصيب الذاتي أن تؤدي إلى سلالة جديدة ومميزة وراثيًا، مما قد يمثل بداية نوع جديد. غالبًا ما تكون هذه النباتات ذات فواكه أكبر، وهي سمة مرغوبة اقتصاديًا، وتشمل محاصيل غذائية مثل القمح، الذرة، البطاطس، الفول السوداني، الفراولة والتبغ، وهي إما متعددة الصيغ الصبغية بالصدفة أو عمدًا.

تتضمن المكونات الوراثية الرئيسية للنباتات ما يلي:

الحمض النووي النووي (nDNA): الحمض النووي داخل النواة، ويحمل تعليمات لوظائف وهيكل الكائن الحي. ينظم في كروموسومات، ويعد محتوى الحمض النووي النووي مجالًا مهمًا لدراسة تصنيف النبات، وتطوره، وحفظه بمرور الوقت.

الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA): موجود داخل الميتوكوندريا، العضيات المسؤولة عن إنتاج ATP والوظائف الخلوية الأخرى. موروث من الأم، أصغر ودائري أكثر من nDNA، ويشفر حوالي 13 بروتينًا.

الحمض النووي للبلاستيدات الخضراء (cpDNA): موجود داخل البلاستيدات الخضراء، العضيات المسؤولة عن التمثيل الضوئي. يحتوي عادةً على 60-100 جين مهم للتمثيل الضوئي والوظائف الأيضية. مثل mtDNA، موروث من الأم.

 الكائنات النموذجية 
الكائنات النموذجية في علم وراثة النبات هي أنواع نباتية تم دراستها بشكل مكثف، ما يوفر معرفة مفصلة بجينوماتها وعملياتها البيولوجية. يتيح هذا الفهم استخدام هذه النباتات كخط أساس لدراسة الآليات الوراثية والتنموية والفسيولوجية، بالإضافة إلى دراسة آليات الأمراض الأساسية. كثيرًا ما يمكن تطبيق النتائج المستخلصة من دراسة كائن نباتي نموذجي على أنواع نباتية أخرى، وحتى على بعض الجوانب المتعلقة بالكائنات غير النباتية، بما في ذلك الإنسان.

تُختار الكائنات النموذجية وفق مزاياها التجريبية التي تتناسب مع أهداف البحث. من العوامل الأساسية التي تؤخذ بعين الاعتبار دورة الحياة القصيرة، وسهولة التلاعب الجيني، وتوفر بيانات جينومية موثقة. في الأقسام التالية، سيتم استعراض بعض النباتات النموذجية الأكثر استخدامًا في الأبحاث الوراثية، إلى جانب تطبيقاتها في فهم الجينات والوظائف الوراثية.

 رشاد أذن الفأر 
بديل=|261x261بك|رشاد أذن الفأر|تصغير في عام 2000، أصبح رشاد أذن الفأر، المعروف أيضًا باسم الثالي كريس، أول نوع نباتي يتم تسلسل جينومه بالكامل، مما عزز مكانته كنموذج نباتي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. حتى قبل تسلسل جينومه، كان أرابيدوبسيس كائنًا نموذجيًا شائعًا نظرًا لصغر حجمه، وقصر وقت الجيل، وقدرته على التلقيح الذاتي. هذه السمات لم تجعله مثاليًا للبحث الجيني فحسب، بل سهلت أيضًا تسلسل جينومه. بحلول عام 2000، حدد الباحثون 25498 جينًا مشفرًا وحجم جينوم يبلغ 125 ميغابايت.

ومع ذلك، بينما قدم تسلسل الجينوم قائمة كاملة بالجينات، كان القليل معروفًا عن وظائفها المحددة. لمعالجة هذا، هدف مشروع أرابيدوبسيس 2010، الذي أطلقته المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، إلى توصيف وظيفة كل جين في أرابيدوبسيس بحلول عام 2010. كان المشروع ناجحًا إلى حد كبير وقدم تقدمًا كبيرًا في التوثيق الوظيفي لمعظم الجينات. ومع ذلك، ظلت بعض الجينات غير مميزة بسبب تكرارها أو تأثيراتها الظاهرية الدقيقة. منذ ذلك الحين، استمر البحث في توسيع فهمنا لجينوم أرابيدوبسيس. حتى الآن، تم تحديد 27655 جينًا مشفرًا و5178 جينًا غير مشفر، مع استمرار البحث اليوم.

أرابيدوبسيس الآن هو النبات الأكثر شهرة جينيًا ووظيفيًا وقد لعب دورًا كبيرًا في تعزيز البيولوجيا الجزيئية والطب والتكنولوجيا الوراثية. أحد أبرز تطبيقات أرابيدوبسيس هو التحول بوساطة الأجروباكتريوم، وهي تقنية تستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا الحيوية للنباتات. أرابيدوبسيس مناسب بشكل خاص لهذه الطريقة، حيث يمكن غمس بتلاتها ببساطة في معلق سائل من الأجروباكتريوم، مما يسمح بتحول جيني فعال. لقد جعل هذا النهج أرابيدوبسيس حجر الزاوية في الهندسة الوراثية منذ تحسين تقنية غمس البتلات في عام 2006. منذ ذلك الحين، ساهم التحول بوساطة الأجروباكتريوم في التقدم في العديد من السياقات البيولوجية والطبية.

بسبب الأبحاث المكثفة التي أجريت على أرابيدوبسيس تاليانا، تم إنشاء قاعدة بيانات شاملة تسمى المورد المعلوماتي لأرابيدوبسيس (TAIR) كمستودع مركزي لمجموعات البيانات والمعلومات المختلفة عن الأنواع. يضم TAIR مجموعة واسعة من الموارد، بما في ذلك تسلسل الجينوم الكامل، وبنية الجين ووظيفته، وبيانات التعبير الجيني، ومخزون الحمض النووي والبذور، وخرائط الجينوم، والعلامات الجينية والفيزيائية، والمنشورات، والتحديثات من مجتمع أبحاث أرابيدوبسيس. مع الاكتشافات المستمرة وتوسيع الموارد مثل TAIR، سيستمر أرابيدوبسيس في تشكيل مستقبل البحث الجيني والابتكار الزراعي.

 ذرة شامية 
تصغير|333x333بك|ذرة شامية

تُعد الذرة الشامية واحدة من أكثر المحاصيل التي تمت دراستها على نطاق واسع في علم وراثة النبات نظرًا لأهميتها الاقتصادية ودورها ككائن نموذجي لدراسة التباين الوراثي، وتربية النباتات، وتحسين المحاصيل. علاوة على ذلك، تمت دراسة الذرة منذ ما قبل الأربعينيات من القرن الماضي، ولا سيما لاكتشاف العناصر القابلة للنقل من قبل باربرا مككلينتوك.

فيما يتعلق باستخدام الذرة ككائن نموذجي، فإنها تتمتع بتنوع وراثي عالٍ جدًا، بل أعلى من تنوع البشر، نتيجة تاريخها الطويل في التدجين الذي بدأ منذ آلاف السنين.

هذا يجعلها كائنًا نموذجيًا جيدًا، فتنوعها الوراثي يسمح للباحثين بدراسة مجموعة واسعة من الصفات، بما في ذلك الإنتاجية، مقاومة الإجهاد، والتكيف مع الظروف البيئية المختلفة.

يمكّن التنوع الكبير الموجود في الذرة العلماء من التحقيق في الآليات الوراثية الكامنة التي تتحكم في الصفات المعقدة، مما يجعلها نظامًا مثاليًا لعلم الجينوم الوظيفي، وتحديد مواقع الصفات الكمية (QTL)، والتحسين الوراثي للمحاصيل.

جزء كبير من الأبحاث التي تتضمن الذرة هو دراسة آليات التمثيل الضوئي C4، الذي يتضمن شبكة معقدة من الإنزيمات وبروتينات النقل والمسارات الأيضية. التمثيل الضوئي C4 هو شكل فعال للغاية من التمثيل الضوئي يسمح للنباتات بالازدهار في البيئات الحارة والجافة. تستطيع نباتات C4، بما في ذلك الذرة، تركيز ثاني أكسيد الكربون في خلايا أوراق متخصصة، مما يقلل من فقدان الماء من خلال النتح ويزيد من كفاءة التمثيل الضوئي.

يتيح هذا التكيف لنباتات C4 النمو بشكل أسرع وأكثر كفاءة من نباتات C3 في ظل ظروف شدة الإضاءة العالية والحرارة والجفاف. من خلال دراسة C4 في الذرة، يحاول الباحثون تطوير محاصيل (سواء الذرة أو محاصيل C4 الأخرى) تكون أكثر مرونة للإجهاد البيئي وأكثر ملاءمة للمتطلبات الزراعية المستقبلية، لا سيما في مواجهة تغير المناخ.

 مارشانتيا بولي مورفا 
تصغير|248x248بك|مارشانتيا بولي مورفا

أصبحت مارشانتيا بولي مورفا، وهي حشيشة الكبد، مؤخرًا كائنًا نموذجيًا مهمًا لدراسة بيولوجيا النبات، لا سيما في سياق التطور والتنمية والاستجابات للإجهاد. تم تسلسل جينوم مارشانتيا بولي مورفا بالكامل في عام 2017، وكشف عن جينوم مدمج يبلغ حوالي 226 ميغابايت مع شبكة تنظيم جيني بسيطة نسبيًا. على عكس العديد من النباتات المزهرة، تتمتع مارشانتيا بدورة حياة سائدة أحادية الصيغة الصبغية، مما يلغي إنتاج أفراد متغاير الزيجوت ويسمح بتلاعب وتجارب جينية أكثر كفاءة. وجود جينوم ذي نسخة واحدة مع الحد الأدنى من تكرار الجينات يجعل مارشانتيا نظامًا جذابًا لعلم الجينوم الوظيفي.

كعضو في سلالة النباتات البرية الأساسية، تقدم مارشانتيا رؤى رئيسية حول الانتقال التطوري من النباتات المائية إلى الأرضية. تُعد حشيشة الكبد مثل مارشانتيا من أقدم النباتات البرية الحية، وبالتالي فهي ضرورية لفهم علم الوراثة العرقي للنباتات. باستخدام مارشانتيا، يمكن للباحثين إعادة بناء التكيفات الوراثية والفسيولوجية التي مكنت النباتات من استعمار الموائل الأرضية. يتيح هذا فهم أصول السمات الرئيسية مثل تحمل الجفاف، وإشارة الهرمونات، والمرونة التنموية، مع تطبيقات محتملة في البحوث الزراعية.

بفضل موقعها التطوري الفريد، وسهولة التلاعب الجيني، وتوافر أدوات البحث، تظل مارشانتيا بولي مورفا نموذجًا أساسيًا في بيولوجيا النبات، موسعةً فهمنا لتطور النباتات البرية المبكر، ومساهمة في التطبيقات المحتملة في التكنولوجيا الحيوية.

 أرز مزروع 
تصغير|أرز مزروع

الأرز المزروع، المعروف باسم الأرز، يُعد محصول حبوب أساسيًا لأكثر من نصف سكان العالم. يعتبر المصدر الغذائي الرئيسي لجزء كبير من السكان، لا سيما في قارة آسيا. وبسبب هذه الأهمية الزراعية، تم دراسة الأرز على نطاق واسع ككائن نموذجي في علم وراثة النبات.

في عام 2002، تم تسلسل جينوم الأرز بالكامل، مما جعله أول نوع محصول رئيسي يتم رسم خرائط جينومه. ومن ثم، تأسس مشروع ترقيم جينوم الأرز في عام 2004 بهدف "توفير مصدر مشترك يمكن للعلماء الآخرين الاعتماد عليه لتفسير نتائجهم بسهولة أكبر".

من خلال هذه الجهود، تم تحديد 55,986 جينًا ضمن قاعدة البيانات، مما أتاح للباحثين فرصة دراسة الجينات المرتبطة بالصفات الزراعية الهامة، بما في ذلك الإنتاجية، ومقاومة الجفاف، ومقاومة الأمراض. هذه الموارد وفرت أساسًا قويًا للبحث في علم الجينوم الوظيفي للأرز وتحسين المحاصيل الزراعية المستقبلية.

 براتشيبوديوم ديستاشيون 
براتشيبوديوم ديستاشيون هو عشب نموذجي تجريبي يمتلك العديد من الصفات التي تجعله نموذجًا ممتازًا للحبوب المعتدلة. على عكس القمح، وهو نوع رباعي أو سداسي الصيغة الصبغية، فإن البراتشيبوديوم ثنائي الصيغة الصبغية بجينوم صغير نسبيًا (~355 ميغابايت) ودورة حياة قصيرة، مما يجعل دراسات الجينوم عليه أبسط.

 المحاصيل المعدلة وراثيًا 

تُنتج الأغذية المعدلة وراثيًا (GM) من كائنات حية أُدخلت عليها تغييرات في حمضها النووي باستخدام أساليب الهندسة الوراثية. تسمح تقنيات الهندسة الوراثية بإدخال صفات جديدة، بالإضافة إلى تحكم أكبر في الصفات مقارنة بالأساليب السابقة مثل التربية الانتقائية وتربية الطفرات.GM Science Review First Report ، أعدها فريق مراجعة العلوم المعدلة وراثيًا في المملكة المتحدة (يوليو 2003). رئيس اللجنة البروفيسور السير ديفيد كينج، المستشار العلمي الرئيسي لحكومة المملكة المتحدة، ص 9

تُعد تعديل النباتات وراثيًا نشاطًا اقتصاديًا مهمًا؛ ففي عام 2017، كانت 89% من الذرة، و94% من فول الصويا، و91% من القطن المنتج في الولايات المتحدة من سلالات معدلة وراثيًا.

منذ إدخال المحاصيل المعدلة وراثيًا، زادت الغلة بنسبة 22%، وزادت أرباح المزارعين، خاصة في العالم النامي، بنسبة 68%. كما كان أحد الآثار الجانبية الهامة للمحاصيل المعدلة وراثيًا انخفاض متطلبات الأراضي.

 طرق تعديل النباتات وراثيًا 

بالإضافة إلى النهج التقليدي لتحفيز الطفرات بواسطة العوامل الكيميائية أو البيئية، يمكن لتقنيات مختلفة إدخال مواد وراثية معدلة مباشرة إلى جينوم النبات، مما يتيح أبحاثًا وراثية أكثر استهدافًا. يعد هذا النهج المستهدف ضروريًا لتطوير النباتات ذات الصفات المحددة مثل زيادة الإنتاجية، مقاومة الآفات، أو تعزيز المرونة البيئية. تختلف هذه الأساليب في فعاليتها والوقت اللازم لتحقيق تحول ناجح. ومع ذلك، يمثل التغلب على جدار الخلية النباتية أحد التحديات الرئيسية، لأنه يعمل كحاجز للجزيئات الغريبة مثل الحمض النووي. لمعالجة ذلك، تم تطوير تقنيات لتعطيل جدار الخلية مؤقتًا أو تجاوزه، مع مراعاة أن الإزالة الكاملة لجدار الخلية تحمل خطر فشل تجدد الخلية، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام.

 حقن مجهري 
في هذه الطريقة، تُزرع الخلايا النباتية على وسط ثم تُحقن بالحمض النووي المرغوب فيه باستخدام إبرة دقيقة جدًا. يتيح هذا النهج إدخال الحمض النووي إلى الخلية دون تعطيل جدار الخلية بشكل كبير، مما يلغي الحاجة إلى تجديد الجدار. يسمح الحقن الدقيق بإدخال كمية كبيرة من الحمض النووي مباشرة إلى السيتوبلازم أو النواة، مضمِّنًا التعبير المستهدف دون خطوات إضافية. بعد النقل الناجح، يمكن إعادة دمج الخلايا في النبات المضيف. ومع ذلك، فإن العملية تستغرق وقتًا طويلًا حيث يجب حقن كل خلية على حدة.

 التخلل الكهربائي 
تتمثل هذه الطريقة في زراعة الخلايا النباتية في وسط يفكك جدرانها الخلوية، محولًا إياها إلى بروتوبلاست، وهي خلية نباتية بدون جدار خلوي لكنها تحتفظ بجميع المكونات الأخرى. ثم تُطبق نبضات كهربائية لزعزعة استقرار الغشاء، مما يسمح للحمض النووي بالدخول والاندماج في جينوم المضيف. بعد ذلك، تُزال الخلايا من الوسط ويُسمح لها بإعادة بناء جدرانها قبل إعادة إدخالها إلى النبات المضيف. العيب الرئيسي هو أن العديد من الخلايا تفشل في إعادة نمو جدرانها، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام.

 قصف الجسيمات 
يتضمن قصف الجسيمات، المعروف أيضًا باسم التحويل البيولوجي، جزيئات صغيرة من الذهب أو التنجستن مطلية بالحمض النووي المراد إدخاله. توضع هذه الجسيمات في حجرة تفريغ، مع النسيج النباتي في الأسفل، ثم تُسرّع بسرعة عالية نحو الخلايا النباتية، حيث ينفصل الحمض النووي عن الجسيمات. 
يُفضل استخدام الذهب والتنجستن لأنها مستقرة كيميائيًا ولا تتفاعل مع مكونات الخلايا. بعد دخول الحمض النووي، قد يندمج في الجينوم بشكل مستقر أو يبقى مؤقتًا، مؤديًا إلى تعبير عابر.

 التحول بوساطة الأجروباكتريوم 
يستخدم الباحثون نوعًا من البكتيريا يُعرف بقدرته على نقل جزء من مادته الوراثية إلى النباتات، وذلك عبر بلازميد Ti المتخصص. يحتوي هذا البلازميد على مكونين أساسيين:
 الحمض النووي الناقل (T-DNA) ذو حدود يسارية ويمينية، المسؤول عن النقل إلى الخلية النباتية.
 جينات الضراوة (vir)، المسؤولة عن استئصال الحمض النووي الناقل ونقله إلى الخلية النباتية.
عند دخول الحمض النووي الناقل إلى النواة، يندمج في جينوم النبات، مما يؤدي إلى تعديل وراثي مستقر.

 البيولوجيا التركيبية 
توفر البيولوجيا التركيبية مستوى إضافيًا من التحكم في سمات النباتات عبر تصميم الدوائر الجينية الجديدة وتحسين المسارات الأيضية. تشمل التطبيقات إنتاج اللقاحات والمواد القابلة للتحلل الحيوي والبروتينات العلاجية، محوّلة النباتات إلى مصانع حيوية.

كما تؤكد الدراسات الحديثة دمج الذكاء الاصطناعي (AI) في البيولوجيا التركيبية لنمذجة شبكات تنظيم الجينات، تصميم دوائر جينية محسّنة، وأتمتة تطوير المحاصيل لإنتاج محاصيل مقاومة للمناخ ومعززة غذائيًا.

 المراجع 

 روابط خارجية 
 وزارة البيئة النيوزيلندية – تقرير اللجنة الملكية حول التعديل الوراثي، 2001 

تصنيف:الوراثة النباتية
تصنيف:علم الوراثة للنباتات