بذرها بخش عمده‌ای از کالری مورد مصرف بشر را تأمین می‌کنند. با این حال، سلول‌هایی که تعیین می‌کنند هر بذر چه اندازه‌ای داشته باشد، تا کنون در هاله‌ای از ابهام قرار داشتند. اکنون، یک مطالعه جدید از دانشگاه ناگویا در ژاپن، دروازه‌ای پنهان در این سلول‌ها را آشکار کرده که می‌تواند اندازه بذر را تا ۱۶ درصد افزایش دهد.
این پژوهش به سرپرستی «ریوشیرو کاساهارا» و «میشیتاکا نوداگوچی» انجام شده است. کاساهارا زیست‌شناس گیاهی در مؤسسه مولکول‌های زیستی تحول‌آفرین دانشگاه ناگویا است.
مشاهده‌ای که مسیر پژوهش را تغییر داد
رنگ‌آمیزی که ماجرا را فاش کرد
کاساهارا زمانی که مشغول بررسی مجدد یک پژوهش پیشین بر روی گیاه Arabidopsis thaliana بود، به طور اتفاقی متوجه حلقه فلورسانتی در سمت اشتباهی از تخمک شد. این حلقه در واقع ورودی بزرگراه تغذیه‌ای بود که از گیاه مادر به سمت بذر حرکت می‌کند.
شکل عجیب زیر میکروسکوپ
این حلقه در پایه ساقه جنینی بذر (hypocotyl) شکل می‌گیرد و زیر میکروسکوپ شبیه به یک خرگوش در حالت نشسته به نظر می‌رسد. همین شکل خاص، سرنخی تصویری در اختیار پژوهشگران قرار داد تا چرخه حیات این ساختار را از حالت بسته تا باز دنبال کنند.
چرا تاکنون کشف نشده بود؟
هرچند از سال ۱۸۶۰ تقریباً همه بافت‌های گیاهی فهرست شده‌اند، اما این حلقه به دلیل قرار گرفتن در سمتی مخالف محل ورود دانه گرده، از دید محققان پنهان مانده بود.
این موضوع نشان می‌دهد که حتی در زیست‌شناسی نیز می‌توان در مقابل چشم همگان، نکات کلیدی را از قلم انداخت.
ساختار دروازه و عملکرد آن در دانه‌های گیاهی
محل قرارگیری دروازه
این دروازه در بخش Chalazal تخمک قرار دارد، یعنی دقیقاً جایی که رشته‌های آوند آبکشی (phloem) مادری به پایان می‌رسند. بررسی‌های ژنتیکی نشان داد که یک ژن خاص به نام β‑1, 3‑glucanase AtBG_ppap پس از لقاح موفق به شدت فعال می‌شود و پلاگ کالوزی (Callose Plug) را تجزیه می‌کند.
لقاح مرکزی؛ کلید باز شدن دروازه
در لقاح گیاهان گلدار، ترکیب سلول مرکزی با دانه گرده موجب تشکیل آندوسپرم می‌شود. در صورتی که تنها سلول تخمک بارور شود و سلول مرکزی لقاح نیابد، دروازه بسته باقی می‌ماند.
اما اگر سلول مرکزی نیز لقاح یابد، پلاگ کالوزی در مدت یک روز حل می‌شود و قند به درون بذر جاری می‌شود.
عملکرد آنزیم
این آنزیم مانند قیچی‌های مولکولی عمل می‌کند و رشته‌های کالوز را می‌تراشد تا روزنه‌ای به شکل دونات ایجاد کند. قطر این روزنه کمتر از یک هزارم اینچ است.
پس از باز شدن، این روزنه در طول دوره پر شدن بذر باز می‌ماند، مگر اینکه در شرایط تنش، مجدداً کالوز در آن ترشح شود.
مزیت بازسازی‌پذیر بودن دروازه
از آنجا که این دروازه از سلول‌های زنده تشکیل شده است و دیواره چوبی ندارد، گیاه در صورت لزوم می‌تواند پلاگ را دوباره بسازد. این ویژگی نشان می‌دهد که احتمالاً در دوره‌های کم‌آبی یا حمله عوامل بیماری‌زا نیز در مدیریت منابع نقشی حیاتی دارد.
افزایش رشد بذر از طریق کنترل دروازه
اثربخشی سریع بر جریان قند
تصویربرداری زنده از سلول‌ها با ردیاب‌های فلورسنت نشان داد که ساکارز در تخمک‌های لقاح یافته فوراً جاری می‌شود، اما در تخمک‌های لقاح نیافته پشت پلاگ کالوزی متوقف می‌ماند.
آزمایش جالب با گرده‌های معیوب
وقتی پژوهشگران گیاهان دارای بیان بیش از حد ژن را با دانه‌های گرده معیوب لقاح دادند، باز هم دانه‌ها بزرگ‌تر از حالت عادی شدند. این ثابت می‌کند که باز نگه داشتن دروازه می‌تواند فارغ از سیگنال‌های لقاحی معمول، اندازه دانه را افزایش دهد.
برتری نسبت به روش‌های قبلی
بیشتر روش‌های پیشین افزایش عملکرد بر اساس دستکاری زمان گلدهی یا تغییر هورمون‌ها بودند که در شرایط مزرعه اغلب نتیجه معکوس داشتند.
اما این روش، مستقیماً تحویل نهایی مواد مغذی را مدیریت می‌کند و می‌توان آن را بدون افزایش طول فصل رشد و با ترکیب با ژن‌های حمل‌کننده مواد مغذی دیگر به کار برد.
اهمیت کشف این مکانیسم
پاسخ به چالش امنیت غذایی ۲۰۵۰
تا سال ۲۰۵۰، جهان به حدود ۵۰ درصد غذای گیاهی بیشتر نیاز دارد. بیشتر بهره‌وری‌های آسان از فتوسنتز و مدیریت مزارع قبلاً به دست آمده است.
اما یک ویرایش ژنی ساده که اندازه دانه را ۱۰ درصد افزایش دهد، می‌تواند در هر هکتار چند تن محصول اضافی بدون مصرف کود یا آب بیشتر تولید کند.
نتایج اولیه امیدبخش
آزمایش‌های اولیه در گلخانه بر روی برنج نشان داده که این افزایش در زمینه‌های ژنتیکی متنوع حفظ می‌شود. هرچند، آزمایش‌های میدانی گسترده‌تر هنوز در راه است.
مزیت در اصلاح ژنتیکی بومی
استفاده از ویرایش ژن PPAP بومی به جای وارد کردن DNA خارجی، احتمالاً مسیر اخذ مجوز را در بازارهایی که به محصولات ویرایش ژنی پذیرش نشان می‌دهند، تسهیل می‌کند.
سازگاری در گیاهان مختلف
از آنجا که این مکانیسم در گیاهان گلدار (Angiosperm) مشترک است، می‌توان آن را در ذرت، آفتابگردان، بسیاری از میوه‌ها و حتی گیاهان کم‌توجه‌شده مانند «تِف» به کار برد؛ جایی که افزایش اندک اندازه دانه، بار کار دستی در کوبیدن را به طور محسوسی کاهش می‌دهد.
پیوند کالوز، بذر و تصویری گسترده‌تر از تکامل
رمز موفقیت گیاهان گلدار
این دروازه، یکی از معماهای تکاملی را نیز توضیح می‌دهد: گیاهان گلدار امروزه بر دنیای گیاهان چیره‌اند، چون انرژی را روی تخمک‌های لقاح‌نیافته تلف نمی‌کنند.
دروازه از ورود مواد غذایی جلوگیری می‌کند، تا زمانی که سلول مرکزی لقاح یابد و به گیاه اطمینان دهد که این بذر ارزش سرمایه‌گذاری دارد.
چشم‌انداز پژوهش‌های آینده
محققان اکنون قصد دارند مسیر سیگنال‌دهی را در بالادست بررسی کنند تا مشخص شود آندوسپرم چگونه به دروازه فرمان باز شدن می‌دهد.
همچنین می‌خواهند بدانند آیا پلاگ‌های کالوزی مشابهی در سایر اندام‌های گیاهی هم مسیر مواد مغذی را کنترل می‌کنند، چون قبلاً نقش کالوز در تنظیم نفوذپذیری پلاسمودسماتا در کل بدن گیاه اثبات شده است.
پروژه‌های در دست طراحی
پژوهشگران در نظر دارند ساختار سه‌بعدی آنزیم AtBG_ppap را ترسیم کنند تا مولکول‌های کوچک تنظیم‌کننده عملکرد آن را طراحی نمایند.
گروهی دیگر هم قصد دارند دروازه‌های دائماً باز را با صفات تثبیت‌کننده کربن ترکیب کنند و بررسی کنند که آیا گیاه توانایی پاسخ به تقاضای بیشتر را دارد.
این کشف همچنین چشم‌انداز توسعه دروازه‌های برگشت‌پذیر برای مقابله با عوامل بیماری‌زا را مطرح می‌کند؛ به‌طوری که در صورت حمله، گیاه بتواند مسیر قند را ببندد و آفات را بدون سموم شیمیایی از گرسنگی از پا درآورد.
نتیجه‌گیری
این پژوهش که در مجله Current Biology منتشر شده، نخستین توصیف یک بافت گیاهی تازه پس از ۱۶۰ سال را ارائه می‌دهد و می‌تواند در آینده‌ای نزدیک راهکارهای نوین و پایدار در تولید محصولات کشاورزی و امنیت غذایی جهانی ارائه کند.
