تم تحديد جينين حاسمين للنباتات التي كانت تستعمر الأرض منذ 470 مليونًا

يعتقد العلماء أنه من المحتمل أن الجينين ، PEN1 و SYP122 ، مهدوا الطريق لجميع أنواع الحياة النباتية الأرضية.

ألقى الباحثون ضوءًا جديدًا على كيفية نشوء الحياة النباتية على سطح الأرض

باحثون من جامعة كوبنهاغن ألقت ضوءًا جديدًا على كيفية نشوء الحياة النباتية على سطح كوكبنا. لقد أظهروا على وجه التحديد أن اثنين من الجينات ضروريان للنباتات الأرضية لحماية نفسها من هجوم الفطريات – وهي آلية دفاعية يعود تاريخها إلى 470 مليون سنة. من المرجح أن هذه الدفاعات مهدت الطريق لجميع الحياة النباتية الأرضية.

مادس إيجيرت نيلسن ، عالم الأحياء بجامعة كوبنهاغن.

تطورت النباتات من الطحالب المائية إلى القدرة على البقاء على الأرض منذ ما يقرب من نصف مليار سنة ، مما وضع الأساس للحياة على الأرض. كانت الفطريات إحدى العقبات التي جعلت هذا التحول الدراماتيكي صعبًا للغاية:

تشير التقديرات إلى أنه قبل 100 مليون سنة ، تسللت الفطريات عبر سطح الأرض بحثًا عن الغذاء ، وعلى الأرجح وجدتها في الطحالب الميتة التي جرفتها المياه من البحر. لذلك ، إذا كنت ، كمصنع جديد ، ستؤسس نفسك على الأرض ، وأول شيء واجهته هو فطر يأكلك ، فأنت بحاجة إلى نوع من آلية الدفاع “، كما يقول مادس إيجيرت نيلسن ، عالم الأحياء في قسم علوم النبات والبيئة بجامعة كوبنهاغن.

وفقًا لما قاله Mads Eggert Nielsen وزملاؤه البحثيون من قسم علوم النبات والبيئة وجامعة Paris-Saclay ، يمكن تضييق جوهر آلية الدفاع هذه إلى جينين ، PEN1 و SYP122. معًا ، يساعدون في تكوين نوع من المكونات في النباتات التي تمنع غزو الفطريات والكائنات التي تشبه الفطريات.

“اكتشفنا أنه إذا قمنا بتدمير هذين الجينين في نموذجنا من نبات الرشاد (أرابيدوبسيس) ، فإننا نفتح الباب أمام الفطريات المسببة للأمراض لاختراقها. لقد وجدنا أنها ضرورية لتكوين هذا السدادة الشبيهة بجدار الخلية التي تحمي ضد الفطريات. ومن المثير للاهتمام ، أنه يبدو أنه آلية دفاع عالمية توجد في جميع النباتات الأرضية “، كما يقول مادس إيجيرت نيلسن ، كبير مؤلفي الدراسة ، التي نُشرت في المجلة eLife.

نشأت في مصنع عمره 470 مليون سنة

اختبر فريق البحث الوظيفة نفسها في نبات الكبد ، وهو سليل مباشر لأحد النباتات البرية الأولى على الأرض. من خلال أخذ الجينين المطابقين في عشبة الكبد وإدخالهما في حب الرشاد ، فحص الباحثون ما إذا كان بإمكانهم تحديد التأثير نفسه. كان الجواب نعم.

تجارب على نموذج نبات الرشاد (أرابيدوبسيس) Credit: Mads Eggert Nielsen

“على الرغم من أن العائلتين النباتيتين اللتين تنتمي إليهما نبات الأرابيدوبسيس وحشيشة الكبد قد تطورتا في اتجاهات متباينة قبل 450 مليون سنة ، إلا أنها استمرت في مشاركة الوظائف الجينية. نعتقد أن عائلة الجينات هذه نشأت بهدف فريد يتمثل في إدارة آلية الدفاع هذه ، وبالتالي فقد كانت واحدة من أسس النباتات لتثبت نفسها على الأرض ، “كما يقول مادس إيجيرت نيلسن.

تعايش بين النباتات والفطريات

بينما شكلت الفطريات عقبة أمام النباتات في انتقالها من مرحلة الطحالب البحرية إلى أن تصبح نباتات برية – فقد كانت أيضًا شرطًا أساسيًا. يشرح Mads Eggert Nielsen أنه بمجرد أن تتمكن النباتات من النجاة من هجمات الفطريات التي تسعى إلى أكلها على الأرض ، كانت المشكلة التالية التي واجهوها هي العثور على العناصر الغذائية:

يمكن للنباتات في البيئات المائية الوصول بسهولة إلى العناصر الغذائية الذائبة مثل الفوسفور والنيتروجين. لكن قبل 500 مليون سنة ، لم تكن التربة كما نعرفها اليوم موجودة – فقط الصخور. والمغذيات المربوطة بالصخور يصعب للغاية على النباتات الحصول عليها. لكن ليس للفطريات. من ناحية أخرى ، لا تستطيع الفطريات إنتاج الكربوهيدرات – وهذا هو سبب استهلاكها للنباتات. هذا هو المكان الذي يُعتقد أن العلاقة التكافلية بين النباتات والفطريات قد نشأت ، والتي أصبحت بعد ذلك أساسًا لانفجار الحياة النباتية الأرضية خلال هذه الفترة “.

الهياكل الدفاعية التي تتشكل في النبات لا تقتل النبات أو الفطريات ، إنها ببساطة تمنع الفطريات من الغزو.

“نظرًا لأن الفطر لا يمكن إلا أن يحصل على دخول جزئي إلى النبات ، فإننا نعتقد أن نقطة التحول تنشأ حيث يكون لكل من النبات والفطر شيئًا يكسبه. لذلك ، كان من المفيد الحفاظ على العلاقة كما هي. إن النظرية القائلة بأن النباتات ترويض الفطريات لاستعمار الأرض ليست لنا ، لكننا نقدم العلف الذي يدعم هذه الفكرة ، “كما يقول مادس إيجيرت نيلسن.

يمكن تطبيقها في الزراعة

تضيف النتائج الجديدة قطعة مهمة إلى لغز التاريخ التطوري للنباتات. والأهم من ذلك ، يمكن استخدامها لجعل المحاصيل أكثر مقاومة للهجمات الفطرية ، وهي مشكلة كبيرة للمزارعين.

“إذا كانت جميع النباتات تدافع عن نفسها بنفس الطريقة ، فيجب أن يعني ذلك أن الكائنات الحية الدقيقة القادرة على التسبب في الأمراض – مثل البياض الدقيقي والصدأ الأصفر وعفن البطاطس – قد وجدت طريقة للتسلل أو إيقاف أو التهرب من دفاعاتها النباتات المضيفة المعنية. نريد أن نعرف كيف يفعلون ذلك. سنحاول بعد ذلك نقل المكونات الدفاعية من النباتات المقاومة إلى تلك النباتات التي تصاب بالمرض ، وبالتالي نحقق المقاومة “، كما يقول مادس إيجيرت نيلسن.

يشارك Mads Eggert Nielsen في مشروع بحثي في ​​قسم العلوم النباتية والبيئية بقيادة Hans Thordal-Christensen وبدعم من مؤسسة Novo Nordisk التي تركز على جعل المحاصيل أكثر مقاومة من خلال تحديد آليات الدفاع في النباتات التي تحاول الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض معالجتها. اغلق.

حقائق إضافية

افترض الباحثون منذ فترة طويلة أن جينات PEN1 و SYP122 قد أدت وظيفة خاصة فيما يتعلق بانتقال النباتات من مرحلتها المائية كطحالب إلى نباتات برية ، ولكن لم يكن هناك دليل ملموس على ما إذا كانت بالفعل شرطًا أساسيًا للنباتات. القدرات الدفاعية.

أظهرت الدراسات السابقة أنه من خلال تدمير الجين PEN1 ، تفقد النباتات قدرتها على الدفاع عن نفسها ضد فطريات البياض الدقيقي. ومع ذلك ، عند تدمير الجين المرتبط ارتباطًا وثيقًا ، SYP122 ، لا يحدث شيء. تظهر نتائج البحث الجديدة أن الجينين معًا يشكلان مفتاحًا مهمًا في آلية دفاع النبات.

المرجع: “تراكيب النبات SYP12 تتوسط في مناعة عامة محفوظة تطوريًا لمسببات الأمراض الخيطية” بقلم هيكتور إم روبياتو ومينغكي ليو وريتشارد جيه أوكونيل ومادس إي نيلسن ، 4 فبراير 2022 ، eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.73487