يعتمد إنبات البذور على الضوء في العديد من النباتات. لكن ليس دائمًا: نبات Aethionema arabicum ، وهو نبات يتكيف مع الظروف البيئية الصعبة ، يعمل بطريقته الخاصة. هنا ، تلعب الكروموسومات النباتية ، مستقبلات الضوء الأحمر والضوء الأحمر البعيد ، دورًا غير متوقع في إنبات البذور وتوقيت هذه العملية حتى الموسم الأمثل.
هذه النتائج المنشورة الآن في فيزياء النبات، هي مثال مقنع لإعادة الأسلاك التطورية لوحدات الإشارة التي تساعد النباتات على التكيف مع موائلها. قاد الدراسة باحثون في معهد جريجور مندل لبيولوجيا النبات الجزيئية (GMI) التابع لأكاديمية العلوم النمساوية.
في حين أن بعض بذور النبات تتطلب الضوء لتنبت ، والبذور الأخرى غير حساسة للضوء أو حتى تمنعه. معظم الأفكار حول دور الضوء أثناء إنبات البذرة تنبع من الدراسات التي أجريت باستخدام الكائن النموذجي Arabidopsis thaliana ، حيث يلزم الضوء لبدء الإنبات.
في المقابل ، يعتبر الضوء مثبطًا قويًا للإنبات في النباتات الأخرى ، لكن الأساس الجزيئي لهذا التأثير ظل غير معروف إلى حد كبير. استخدم فريق من الباحثين بقيادة د. بذرة إنبات.
ينشأ Aethionema arabicum من الموائل المفتوحة والجافة حيث إن إنبات البذور على السطح خلال الأيام المشرقة والطويلة والحارة من شأنه أن يقلل من فرص بقاء الشتلات. يتم تفسير منع الإنبات بالضوء على أنه سمة تقصر الإنبات على المواسم الأكثر برودة أو البذور الموجودة تحت الأرض.
أوضحت ميراي وزملاؤها في دراستهم أن الفيتوكرومات ، مستقبلات الضوء للأطوال الموجية الحمراء والحمراء البعيدة ، تلعب دورًا مزدوجًا في الاستجابة للضوء في Aethionema. يمكن أن تحفز الإنبات ولكنها تمنعها أيضًا. عن طريق قياس شدة الضوء والمدة من خلال phytochromes ، تكتسب البذور معلومات حول طول اليوم وبهذا ، حول الموسم.
يساعد المتغير القبرصي في فهم تثبيط الضوء
تستخدم ميراي وزملاؤها بذورًا من أحد أنواع Aethionema التي نشأت من قبرص (CYP) والتي لا تنبت عند التعرض للضوء الأبيض. في ذلك موطن طبيعي، فإن متغير CYP ينمو فقط في أوائل الربيع عندما تكون الأيام قصيرة نسبيًا ، وتكون درجات الحرارة باردة. يسمح هذا للمصنع بإكمال دورة حياته قبل موسم الصيف الجاف.
سعى ميراي إلى التحقيق في آلية تثبيط الضوء في Aethionema CYP من خلال إنشاء مجموعة من البذور المطفرة التي قاموا بفحصها بحثًا عن طفرات يمكن أن تنبت أيضًا في الضوء الأبيض ، على عكس الخط الأصلي. الآن ، قام الباحثون بتمييز متحولة واحدة في المستوى الجزيئي.
أطلقوا عليه اسم "koy-1" نسبة إلى Koyash ، إله الشمس في الأساطير التركية. لقد أظهروا أن الطفرة أثرت على HEME OXYGENASE 1 ، وهو جين رئيسي مطلوب للتخليق الحيوي للكروموفور ، جزيئات الفيتوكرومات التي تكشف الضوء. تحد هذه الطفرة من كمية البروتين الحامل للكروم وهي مسؤولة عن الاستجابة الضوئية المتغيرة لـ koy-1.
يتيح الدور المزدوج للكرومات النباتية التكيف مع البيئة
سمح متحولة koy-1 لميراي وزملائها بالكشف عن مزيد من التفاصيل الآلية. يقول ميراي: "من خلال تغيير شدة الضوء ، وطوله الموجي ، ومدته ، تمكنا من تشريح أنماط استجابة الضوء المعقدة المرتبطة بالنباتات النباتية في Aethionema." وقد سمحت لنا الكمية المنخفضة المتبقية من phytochromes الوظيفية في koy-1 بالكشف عن دور مزدوج مفاجئ في إنبات بذور Aethionema. "
أظهرت تجاربهم أن شدة الضوء العالية ومدته تثبط بشدة الإنبات ، بينما فضل التعرض القصير الإنبات. ينتج هذان الاستجابان المعاكسان للضوء عن نسب مختلفة بين هرمونين رئيسيين: حمض الأبسيسيك المثبط للإنبات (ABA) مقابل حمض الجبريليك المسبب للإنبات (GA).
"لقد علمنا بالفعل أن التعرض للضوء في Arabidopsis أدى إلى ارتفاع GA وانخفاض مستويات ABA. الآن ، نعلم أيضًا أن Aethionema CYP يستجيب بالمثل في ظل ضوء محدود للغاية. ومع ذلك ، مع زيادة الإشعاع ، تنقلب مستويات الهرمون حرفياً رأسًا على عقب ، مما يؤدي إلى تثبيط الإنبات "، كما يقول ميراي. "الاستجابات المعاكسة لشدة الضوء ومدته لها أساس وراثي وهي تكيف مع البيئة الطبيعية للنباتات ، مما يسمح لـ Aethionema CYP بالإنبات في أوائل الربيع ، ولكن ليس بعد ذلك."
يعمل Evolution مع وحدات إعادة توصيل الأسلاك
من خلال الكشف عن أن نفس اللاعبين الجزيئي يمكنهم التوسط في التأثيرات المتعارضة تمامًا ، يوثق الفريق كيف يمكن للتطور "إعادة توصيل" الوحدات الموجودة للاستجابة بشكل مناسب للمتطلبات البيئية. مع هذه الاختلافات التجميعية ، الموثقة في كائنات متعددة ، يمكن للتطور أن يحقق تغييرات "سريعة" دون الحاجة إلى لاعبين جدد للتطور من الصفر.
"النتائج التي توصلنا إليها تمهد الطريق لفهم أفضل للعمليات الجزيئية في الطبيعة والتنوع البيولوجي من خلال دراسة الكائنات الحية غير النموذجية والنباتات غير المحصولية. المعرفة العلمية المكتسبة من نبات الأرابيدوبسيس ضرورية ، ولكنها لا تمثل دائمًا جميع النباتات. هنا ، نوضح أنه يمكننا حتى الكشف عن الآليات الجزيئية المعاكسة تمامًا في الطبيعة ، "يختتم ميراي ، الذي يؤسس عمله Aethionema كنموذج جديد لدراسة تأثيرات الضوء على البذور. إنبات.