گوجهفرنگی و سیبزمینی در زندگی روزمره بسیار متفاوت به نظر میرسند. گوجهفرنگی میوههای نرم و قرمز را بالای زمین تولید میکند، در حالی که سیبزمینی غدههای نشاستهای خود را در زیر خاک شکل میدهد. با این حال، علم مدرن نشان میدهد که این دو گیاه پیوند زیستی نزدیکی با یکدیگر دارند.
پژوهشهای جدید توضیح میدهند که سیبزمینی چگونه پس از یک رویداد کهنِ اختلاط تبارهای گیاهی شکل گرفت و چرا غدههای زیرزمینی به یکی از مهمترین ویژگیهای آن تبدیل شدند.
منشأ سیبزمینی از یک اختلاط ژنتیکی نادر
این مطالعه نشان میدهد که سیبزمینی از یک رویداد هیبریدی کمنظیر میان خویشاوندان اولیه گوجهفرنگی و یک گروه گیاهی باستانی به نام Etuberosum پدید آمده است.
شواهد ژنتیکی حاکی از آن است که این اختلاط حدود ۸ تا ۹ میلیون سال پیش رخ داده و ویژگیهای مفید هر دو والد را کنار هم قرار داده است. نتیجه، شکلگیری یک تبار گیاهی جدید بود که توانایی رشد غدهها را در زیر خاک داشت.
سیبزمینی از دل گوجهفرنگی بیرون آمد
این پژوهش به سرپرستی سانوِن هوانگ زیستشناس ژنوم و اصلاحگر گیاهی در آکادمی علوم کشاورزی چین و با همکاری تیمی بینالمللی انجام شد.
«گوجهفرنگی مادر سیبزمینی است»
هوانگ توضیح میدهد که بسیاری از ژنهای کلیدی سیبزمینی مستقیماً از نیاکان گوجهفرنگی به ارث رسیدهاند. در کنار آن، ژنهای مهم دیگری نیز از Etuberosum آمدهاند؛ گروهی کوچک از گیاهان بومی آمریکای جنوبی که ساقههای زیرزمینی دارند اما غده تولید نمیکنند.
چرا منشأ غدهها دانشمندان را سردرگم کرده بود
غدههای سیبزمینی اندامهای ذخیرهای هستند که آب و انرژی را در خود نگه میدارند. این ویژگی به گیاه کمک میکند سرمای شدید، دورههای خشکی و خاکهای فقیر را تحمل کند.
غدهها همچنین امکان تکثیر بدون بذر را فراهم میکنند و به گیاه اجازه میدهند حتی زمانی که شرایط محیطی برای تولید بذر مناسب نیست، به حیات خود ادامه دهد.
سالها این پرسش مطرح بود که غدهها چگونه تکامل یافتهاند. گوجهفرنگی غده تولید نمیکند و گیاهان Etuberosum نیز اگرچه ساقه زیرزمینی دارند، اما این ساقهها هرگز به اندام ذخیرهای متورم تبدیل نمیشوند. همین فاصله تکاملی، منشأ غدهها را به یک معمای بزرگ بدل کرده بود.
لین بوز ردهشناس گیاهی و زیستشناس تکاملی دانشگاه یوتا، این موضوع را «رازی بسیار بزرگ» توصیف میکند.
ژنهای گوجهفرنگی در دل سیبزمینی
هوانگ و همکارانش با بررسی ژنوم گیاهان در مقیاسی بیسابقه توانستند این معما را حل کنند.
تیم پژوهشی ۱۲۸ ژنوم از سیبزمینیهای وحشی، گوجهفرنگیها و گونههای Etuberosum را تحلیل کرد. فناوریهای پیشرفته توالییابی امکان مقایسه الگوهای ژنی را در سراسر کروموزومها فراهم ساخت.
«پیش از این، هیچکس قادر به انجام پژوهشی در این مقیاس نبوده است»
این جمله را رابین بوئل ژنومشناس محصولات کشاورزی از دانشگاه جورجیا بیان میکند. نتایج نشان داد که ژنوم سیبزمینی ترکیبی پایدار از ژنهای گوجهفرنگی و Etuberosum است؛ الگویی که به یک هیبریداسیون باستانی اشاره دارد، نه تبادل ژنی اخیر.
ژنهای کلیدی در شکلگیری غده
مطالعه حاضر توضیح میدهد که تشکیل غده نتیجه به ارث رسیدن ژنها از هر دو والد است. ژنی به نام SP6A که از گوجهفرنگی آمده، مانند یک کلید روشنکننده رشد غده عمل میکند.
ژن دیگری به نام IT1 که منشأ آن Etuberosum است، نحوه رشد و متورم شدن ساقههای زیرزمینی را کنترل میکند.
علاوه بر این، ژنهای مکمل دیگری نیز نقش دارند:
- ژنهای حسگر نور که زمان مناسب تشکیل غده را تعیین میکنند
- ژنهای تنظیمی که شاخهزایی ساقه و جهت رشد را هدایت میکنند
این مجموعه ژنی یک شبکه تازه ایجاد کرد که امکان غدهسازی را فراهم ساخت. آزمایشها نشان دادند که حذف برخی از این ژنها باعث میشود گیاهان دیگر نتوانند غدههای طبیعی تولید کنند. این نتایج ثابت میکند که غدهزایی به همکاری ژنهای هر دو تبار نیاکانی وابسته است.
نقش نیاکان گوجهفرنگی در گسترش سیبزمینی
غدهها مزیتهای بقای چشمگیری برای سیبزمینیهای اولیه ایجاد کردند. ذخیره مواد غذایی امکان رشد در اقلیمهای سردتر و زیستگاههای فصلی را فراهم کرد. تکثیر زیرزمینی نیز وابستگی به گردهافشانها و بذر را کاهش داد.
زمان این اختلاط ژنتیکی نیز اهمیت داشت. همزمان با آن، رشتهکوههای آند بهسرعت در حال شکلگیری بودند و محیطهای مرتفع جدیدی در سراسر آمریکای جنوبی پدید میآمد.
غدهها به سیبزمینی کمک کردند تا در چمنزارها، دامنهها و مناطق آلپی سردی مستقر شود که گیاهان والد در آنها با دشواری روبهرو بودند.
«این یکی از کاملترین مطالعاتی است که درباره نوآوریهای کلیدی در گیاهان دیدهام»
این دیدگاه را جرمی بولیو زیستشناس تکاملی دانشگاه آرکانزاس مطرح میکند.
تنوعیابی سریع پس از هیبریداسیون
پس از شکلگیری هیبرید، گونههای سیبزمینی با سرعتی بیش از گروههای گیاهی مرتبط گسترش یافتند و متنوع شدند. این مطالعه نشان میدهد که نرخ تکامل سیبزمینیهای وحشی بالاتر از گوجهفرنگیها و Etuberosum بوده است.
هیبریداسیون تنوع ژنتیکی را بسیار سریعتر از جهشهای تدریجی ایجاد کرد و گزینههای بیشتری برای سازگاری در اختیار گیاه قرار داد. الگوهای مشابهی در جاندارانی مانند ماهیهای سیکلید و گلهای آفتابگردان نیز مشاهده شده است.
«هیبریداسیون فقط یک گونه جدید نساخت، بلکه یک ماشین سازگاری ایجاد کرد»
نگاهی به آینده کشاورزی
با وجود این یافتهها، برخی دانشمندان هنوز محتاط هستند. توماس اشتدلر ژنتیکدان تکاملی در مؤسسه ETH زوریخ با منشأ هیبریدی موافق است، اما تردید دارد که تنها هیبریداسیون بتواند تنوعیابی سریع را توضیح دهد.
این پژوهش فراتر از تاریخ تکامل اهمیت دارد. درک ژنتیک غدهها میتواند به دانشمندان کمک کند تا ارقام جدیدی از محصولات کشاورزی طراحی کنند.
بهطور بالقوه میتوان ژنهای غدهساز را به گوجهفرنگی منتقل کرد یا سیبزمینیهایی با کشت بذری و ویژگیهای بهبودیافته پرورش داد. این مسیر در واقع ادامه همان آزمایش طبیعی است که میلیونها سال پیش آغاز شد.
«دفعه بعد که سیبزمینی میخورید، از یک گوجهفرنگی تشکر کنید»
این مطالعه در نشریه علمی Cell منتشر شده است.
اگر به شگفتیهای تکامل گیاهان علاقهمند هستید، مقالههای مرتبط ما را بخوانید، دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید و این مطلب را با دیگران به اشتراک بگذارید.
