يعد الأرز أحد المحاصيل الغذائية الأساسية الأكثر انتشارًا في العالم، حيث يوفر حوالي 20٪ من السعرات الحرارية اليومية لأكثر من نصف سكان العالم. ومع ذلك، فإن الأرز المزروع على نطاق واسع حاليًا هو محصول سنوي يحتاج إلى إعادة زراعته كل عام، في حين أن أقاربه البرية هي في الغالب نباتات معمرة يمكن أن تزدهر عامًا بعد عام وتستمر في إنبات براعم جديدة من قاعدة النبات.
أظهرت دراسة حديثة نشرت في مجلة Science أن العلماء وجدوا عوامل وراثية رئيسية تحدد الخصائص المعمرة في الأرز البري (Oryza rufipogon)، ونجحوا في إدخال الجينات ذات الصلة في الأرز المزروع (Oryza sativa) لإنشاء مواد أرز ذات قدرات نمو دائمة. يعتقد فريق البحث أن الأرز المزروع اليوم من المحتمل أن يكون مشتقًا من أسلاف معمرة، لكن قدرته على التجدد فقدت تدريجيًا خلال عملية التدجين طويلة المدى.
ولتتبع هذه السمة الدائمة، أجرى هان بين، عالم الوراثة في الأكاديمية الصينية للعلوم، وزملاؤه تحليلًا مقارنًا لـ 446 عينة من الأرز البري ومواد الأرز المزروعة. وقد حددوا منطقة جينومية تسمى "الفروع اللانهائية والفروع 1" (EBT1) على الكروموسوم 1 في الأرز، والتي تحتوي على نسختين من الجين التنظيمي microRNA156، المسمى B وC على التوالي.
تظهر الأبحاث أنه في مرحلة الشتلات، يكون تسلسل microRNA156 B وC نشطًا للغاية ويمكنه الحفاظ على النبات في مرحلة النمو الخضري، مما يسمح له بمواصلة نمو الأوراق والسيقان دون التسرع في التطور الإنجابي. ومع نضوج النبات، يضعف هذا النشاط تدريجياً. وفي الأرز المزروع العادي، يعني ذلك أن دورة حياة النبات تنتهي بعد الإزهار والإثمار. في الأرز البري، سيتم "إعادة ضبط" منطقة الجين هذه بعد الإزهار، مما يسمح للنبات باستئناف النمو الخضري مرة أخرى بدلاً من الموت تمامًا.
وقام فريق البحث أيضًا بتهجين الأرز البري مع الأرز المزروع لمراقبة الأداء الوظيفي للجينات ذات الصلة في النباتات الحية. ومن بين العديد من الطرز الظاهرية للذرية الهجينة، اختار الباحثون مادة برقم G43، والتي أظهرت القدرة على وقف التطور التكاثري واستئناف النمو الخضري بعد التزهير.
أثناء عملية استعادة النمو الخضري، سوف ينمو G43 عددًا كبيرًا من الفروع الجانبية التي تسمى "الفلاحات" من قاعدة النبات. في العادة، ينتج نبات الأرز العادي ما يقرب من 10 حراثة في دورة حياته بدءًا من التوصيل حتى النضج والإثمار والموت، بينما يمكن لنبات G43 إنتاج أكثر من 70 حراثة في المتوسط، مما يدل بشكل كبير على قدرته على التجدد والتوسع عدة مرات.
ومع ذلك، فإن هذا "الحراثة التي لا نهاية لها" تواجه حاليًا قيودًا واضحة: فمعظم الفروع الجانبية التي تشكلها هذه النموات الثانوية هي حراثة معقمة، والتي لن تنتج سوى زهور غير طبيعية ولكنها لا تستطيع إنتاج البذور. يعتقد فريق البحث أنه من أجل الحصول على أرز مزروع معمر يمكن الترويج له على نطاق واسع، يجب إدخال الجينات ذات الصلة أو تنظيمها في مكان آخر من الجينوم لتحقيق تنوع يمكن أن يتجدد لسنوات عديدة ويحافظ على الإثمار الكافي.
أشارت سالومي برات، عالمة الوراثة النباتية من معهد بحوث الجينوم الزراعي، في مقابلة مع Refractor إلى أنه في حين أن موضع EBT1 الحالي يجلب خصائص دائمة، فإنه يمنع أيضًا الإزهار الطبيعي للأرز، وبالتالي يقلل المحصول. وتوضح أنه في هذا الأليل، يتم تنشيط الجين مرة أخرى في براعم الحراثة بعد الإزهار، مما يؤدي إلى تكوين حرث جديد، ولكن هذا يعني أيضًا قمع المرحلة الإنجابية.
وحذر خورخي دوبكوفسكي، عالم الأحياء النباتية بجامعة كاليفورنيا في ديفيس، من أن هذا النوع من الأرز المعدل وراثيا "من غير المرجح أن يكون متاحا للجمهور بسرعة" على المدى القصير. وأشار إلى أنه من منظور الإنتاج الزراعي الواسع، تميل المحاصيل المعمرة إلى الحصول على غلات أقل من المحاصيل السنوية. وفي سياق النمو السكاني العالمي المستمر، قد لا يكون البشر قادرين على تحمل تكاليف الاستعاضة على نطاق واسع عن المحاصيل الأساسية السنوية ذات الإنتاجية العالية الحالية بمحاصيل معمرة منخفضة الإنتاجية، حتى لو كانت الأولى تتمتع بمزايا من حيث البيئة والاستدامة.
على الرغم من التوقعات والتحديات، لا يزال هذا البحث يعتبر تقدمًا مهمًا في مجال التحسين الوراثي للأرز، حيث يوفر أدلة أساسية لإنتاج أرز مزروع يمكن حصاده لسنوات عديدة من خلال طرق التربية الجزيئية. إذا تمكن العلماء في المستقبل من إدخال الخصائص المعمرة بشكل مطرد إلى الأصناف الرئيسية دون التضحية بشكل كبير بالإنتاج، فمن المتوقع أن يؤدي نظام زراعة الأرز إلى تغييرات بعيدة المدى من حيث تقليل الزراعة، وتوفير العمالة والموارد، وتحسين التربة والبيئة الإيكولوجية.