على مدى آلاف السنين، تحورت الطماطم بشكل طبيعي أثناء التطور، وقام البشر بعد ذلك باختيار السمات التي يفضلونها. الآن، يمكن لتقنية تحرير الجينوم كريسبر تحقيق تغييرات أكثر دقة. درس الباحثون في مختبر كولد سبرينج هاربور إمكانية التنبؤ بزراعة الطماطم باستخدام الطفرات الطبيعية والطفرات التي يسببها كريسبر. تشير نتائجهم إلى أن الطفرات "الخلفية" من التاريخ التطوري والزراعي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على نتائج الطفرات المهندسة. وهذا يؤكد الحاجة إلى فهم ومراعاة هذه الطفرات الخلفية عند إدخال تعديلات جينية جديدة.
على مدى عشرات الآلاف من السنين، ساهم التطور في تشكيل الطماطم من خلال الطفرات الطبيعية. بعد أن دخل الإنسان مجال زراعة الطماطم، أمضوا قرونًا في زراعة الطماطم واختيار الصفات المفضلة لديهم. الآن، تتيح لنا تقنية تحرير الجينوم كريسبر إنشاء طفرات محاصيل جديدة تعمل على تحسين السمات بشكل أكبر. ومع ذلك، لا توجد طفرة واحدة، سواء كانت طبيعية أو مهندسة، تعمل بمفردها.
تعمل كل طفرة ضمن بحر من آلاف ما يسمى بالطفرات "الخلفية". هذه التغييرات هي نتاج التاريخ التطوري والزراعي. ماذا لو كانت طفرة واحدة فقط قادرة على تغيير النتائج المتوقعة للطفرة المهندسة بشكل جذري؟
الآن، تعاون عالم وراثة النبات في مختبر كولد سبرينج هاربور (CSHL) وعالم حسابي لاستكشاف إمكانية التنبؤ بالطفرات الطبيعية وطفرات كريسبر في تربية النباتات. وللقيام بذلك، أعادوا عقارب الساعة التطورية إلى الوراء.
أراد أستاذ CSHL والباحث في HHMI زاكاري ليبمان والأستاذ المشارك ديفيد ماكاندليش معرفة ما إذا كانت الطفرات الطبيعية والمهندسة المختلفة سيكون لها تأثيرات مماثلة على حجم الطماطم، اعتمادًا على وجود طفرات جينية أخرى. واستخدموا تقنية كريسبر لإنشاء سلسلة من الطفرات في جين SlCLV3. (من المعروف أن الطفرات الطبيعية في هذا الجين تؤدي إلى زيادة حجم الفاكهة.) ثم قاموا بدمج هذه الطفرات مع طفرات في جينات أخرى تعمل مع SlCLV3.
قام علماء مختبر كولد سبرينج هاربور بجمع أكثر من 40 سلالة من الطماطم ذات طفرات طبيعية وهندسية تؤثر على حجم الثمرة. تمت زراعة هذه السلالات لعدة سنوات في مناطق مختلفة بما في ذلك فلوريدا وكولد سبرينج هاربور بنيويورك. حقوق الصورة: مختبر ليبمان/مختبر كولد سبرينج هاربور
لقد أنشأوا ما مجموعه 46 خط طماطم بمجموعات مختلفة من الطفرات. ووجدوا أن تأثيرات طفرة SlCLV3 كانت أكثر قابلية للتنبؤ بها عند وجود طفرات معينة أخرى أيضًا. الطفرات في جين واحد تنتج تغيرات يمكن التنبؤ بها في حجم الطماطم، ولكن الطفرات في جين آخر تنتج نتائج عشوائية. ومن الجدير بالذكر أن التأثيرات الأكثر فائدة شملت طفرتين ظهرتا منذ آلاف السنين وكانتا أساسيتين في تدجين الطماطم.
قد يساعدنا البحث الجديد الذي أجراه ماكاندليش وليبمان على فهم إمكانية التنبؤ الجيني بشكل أفضل. ولكن هناك شيء واحد مؤكد. عند إدخال طفرات محاصيل جديدة، فإن السياق مهم. وأوضح ليبمان:
"هل يمكن لتحرير الجينوم أن يحقق فوائد للمستهلكين بسرعة - نكهة وتغذية أفضل؟ ربما يكون الجواب نعم. والسؤال هو إلى أي مدى يمكن التنبؤ بذلك."
مجموعة من الطماطم ذات توليفات مختلفة من الطفرات الاصطناعية والطبيعية. تؤثر هذه الطفرات على عدد السترومولات (أو أكياس البذور)، مما يؤدي إلى اختلاف أحجام الفاكهة. ليندسي أغيري، خريجة كلية CSHL للعلوم البيولوجية، تقود المشروع. حقوق الصورة: مختبر ليبمان/مختبر كولد سبرينج هاربور
يشير عمل ماكاندليش وليبمان إلى أن دور الطفرات الخلفية يحتاج إلى إعادة تقييم. وقال ماكاندليش: "بينما نبدأ في تصنيع المزيد من الكائنات الحية عالية الهندسة، سيتعين على هذا المجال أن يتعامل مع هذه المشكلة". "بمجرد البدء في إجراء 10 أو 20 طفرة، قد تزداد فرصة الحصول على نتائج غير متوقعة."
لقد تمت كتابة كتاب التطور بعدة لغات، وما زلنا نتعلم الكثير منها. يقدم علم الوراثة النباتية وعلم الأحياء الحسابي طريقتين لفك رموز النص. ويأمل ليبمان وماكاندليش أن يساعد تفسيرهما التعاوني العلم على مواجهة التحدي. ومن الآن فصاعدا، قد يساعد هذا البشر أيضا على تكييف المحاصيل لتلبية الاحتياجات الاجتماعية المتطورة.