التغييرات المظهرية والوراثية في مزارع الأنسجة النباتية

تتوقف الصفات المظهرية للكائن الحي والتي تعرف بالطرز المظهري Phenotype بصورة أساسية على التركيب الوراثي Genotype أي الطرز الوراثي لهذا الكائن، وكذلك العوامل البيئية. لكن لا يتوقف الأمر عند هذا الحد بل من المعروف أن هناك تفاعل واضح بين التركيب الوراثي والظروف البيئية المختلفة المحيطة بالكائن. ويؤدى التفاعل بين العوامل الوراثية والبيئية في النهاية إلى ظهور طرز مظهرية متباينة في الكائن. ويطلق على السلسلة المعقدة من عمليات التطور اللازمة لتحويل الصفة الوراثية إلى صفة مظهرية Epigenotype . وقد أطلق على النباتات الناتجة من زراعة الأنسجة في بداية الأمر true-to-type بمعنى أن النباتات مطابقة تماما للنبات الأم.

لكن في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي لاحظ البعض وجود تباين بين النباتات المستولدة في مزارع الأنسجة، وكذلك بينها وبين النبات الأم. وعندها استهل الكثير من العلماء دراسة هذا الأمر والتفكير في استغلاله بطريقة إيجابية. فمن وجهة رأي علماء النبات يعتبر هذا التباين الطريقة السهلة لدراسة النواحي الوراثية للخلية الجسدية. ويجب هنا أن يتم التفريق بين variant والذي يعنى أي تغير في الطرز المظهري بصرف النظر عن سببه وفى الغالب لا يتم توريثه بطريقة مندلية و mutation والتي تعني تغيير ثابت في التركيب الوراثي للفرد والذي قد يستوضح من الشكل المظهري، وقد لا يعبر الشكل المظهري عنه في بعض الحالات كبعض الطفرات الموضعية. ولعل من أهم صفات الطفرة انتقالها للنسل بالتكاثر الجنسي، وكذلك وجود بعض الدلائل الجزئية المرتبطة بها (2005 ,Jayasankar).

ولقد طورت العديد من الاستراتيجيات للتحقق من وجود التباين في النباتات المستولدة اعتمادا على الصفات المظهرية والتحليل السيتولوجي لفحص عدد الكروموسومات وكذلك تركيبها، بالإضافة إلى المشابهات الإنزيمية. وحديثا تستعمل الطرق المعتمدة على الإحيائية الجزئية مثل Randomly amplified polymorphic DNA (RAPD) و (amplified fragment length polymorphism (AFLP و Restriction fragment length polymorphism (RFLP).

وكانت أول ملاحظة تاريخية لوجود تباين في بعض الصفات الكمية لنباتات قصب السكر الناتجة من زراعة الأنسجة في سنة 1969 على الرغم من تمتع تلك الصفات بدرجة كبيرة من الثبات الوراثي. وقد لاحظ (1971) Heinz & Mee وجود تغييرات كبيرة في عدد الكروموسومات متوافقة مع حدوث اختلافات مظهرية وإنزيمية في النباتات الناتجة من زراعة الخلايا. وقد أظهرت بعض النباتات المتكشفة معدل أكبر من التفريع والاستطالة مع معدل بطيء من النمو. كما سجلت في السبعينيات من القرن الماضي اختلافات في النباتات المستولدة من نباتات الراي rey تضمنت نباتات خالية من الكلوروفيل albino وتباين في شكل الأوراق وقوة النمو وأيضاً تلازمت تلك الاختلافات مع تباين في عدد الكروموسومات. وفى سنه 1976 اقترح Skirvin & Yanick إمكانية استخدام هذا التباين في النباتات المستولدة في التحسين الوراثي للحاصلات البستانية.

وكان (1981) Larkin & Scowcroft أول من أطلق مصطلح somacloral variation على التباين الموجود في النباتات المستولدة من الأنواع المختلفة من زراعة الأنسجة سواء المستخدم فيها أجزاء نباتية جسدية أو جنسية، وإن كان البعض يستخدم مصطلح gametoclone لوصف التباين الموجود في النباتات المستولدة من الأنسجة الجنسية. وباختصار تقود زراعة الأنسجة معملياً إلى إظهار تباين كان موجود أصلا في الأجزاء النباتية التي استعملت في الإكثار أو استحداث تغييرات وراثية أو مظهرية لم تكن موجودة أصلا بالنبات الأم. والجدير بالذكر أن نسبة عالية من هذه التغييرات تحدث تلقائياً وبدون تدخل خارجي، كما أنه من الصعب توجيهها لتأخذ مساراً محدداً بعينه. ويعد هذا أحد عيوب الاعتماد على هذا التباين في التحسين النباتي ولا تقتصر التغييرات الوراثية الحادثة أثناء الإكثار الخضري على مزارع الأنسجة بل تحدث في الطبيعة أثناء الإكثار التقليدي صوراً مشابه من التباين فمثلاً وجدت بعض النباتات المتضاعفة الثلاثية النباتات الناتجة من إكثار Saintpaulia ionanth و Begonia x hiemalis عن طريق تكوين براعم عرضية على الأوراق (1997 ,Mohan).

ويقسم التباين الحادث في زراعة الأنسجة إلى نوعين، الأول الوراثي genotype variation وهو تغير ثابت ودائم في المادة الوراثية ويتم توريثه إلى النسل الناتج بالتكاثر الجنسي وينشأ ذلك النوع من التباين نتيجة لحدوث طفرات في المادة الوراثية ويتبع توريثه من جيل لآخر القواعد الوراثية المعروفة. وهذا النوع من التغييرات يكون مفيد عن طريق إكثار النباتات المنتخبة من الزراعة المعملية وتسويقها تجارياً سواء عن طريق البذور أو بالإكثار الخضري. لكن ليس من السهل دوما غزل الطفرة المفيدة الناتجة من زراعة الأنسجة خاصة إذا كانت الطفرة المرغوبة متنحية. كذلك فإن تعبير بعض الطفرات في النسل الناتج يرتبط بالظروف البيئة المحيطة. ويتطلب التعرف على الطفرات الدقيقة micromutations بعض الطرق الخلوية الدقيقة والتقنيات الأخرى.

ويشير (1996) Bhojwani & Razdan إلى أن أغلب التغييرات الوراثية الثابتة في النباتات المستولدة في مزارع الأنسجة تقع في المادة الوراثية في النواة لكن لا يمنع ذلك حدوث بعضها في المادة الوراثية السيتوبلازمية. أما النوع الآخر من التغييرات فيعرف بالتباين المظهري أو البيئي phenotypic or environmental variation وهو تغير غير ثابت ويحدث غالباً نتيجة تغير في الظروف البيئية ولا يتم توريثه للنسل الناتج بالتكاثر الجنسي. هذه التغييرات الوراثية المظهرية قد تكون نتيجة تغير مؤقت في الظروف البيئية أو تغيير مؤقت في العوامل الوراثية حيث تؤدى بعض الظروف البيئية كمنظمات النمو أو الظروف التي كان ينمو فيها النبات قبل استعماله كمصدر للتكاثر إلى تنشيط بعض العوامل الوراثية - التي تكون في العادة غير نشطة - للتعبير عن نفسها ويطلق على هذه الظاهرة التباين المؤقت وتسمى Epigenetic. وفي كثير من الحالات يمكن استثمار تلك التغييرات المؤقتة على أساس أن النباتات الناتجة من زراعة الأنسجة هي منتج نهائي، فعلى سبيل المثال يلاحظ زيادة كبيرة في معدل تفريع بعض نباتات الزينة عقب إكثارها معملياً، وعليه تباع هذه النباتات في هذه الصورة الجذابة George) 1993).

وعموماً تحدث التغييرات الثابتة أو العكسية بنسب متباينة لكن غالبا تكون عالية في بعض أنواع مزارع الأنسجة، فالتكشف غير المباشر يؤدى إلى حدوث معدل أعلى من التباين بالمقارنة مع المباشر. وعلى هذا فإنه يتطلب استخدام أنسجة وطرق زراعة تقلل بقدر الإمكان من تلك التغييرات إذا لم يكن الغرض من الإكثار الدقيق إحداثها لاستخدامها في برامج التربية. وعلى الرغم من أهمية إنتاج نباتات مطابقة للصنف في برامج الإكثار التجاري فإنه قد يسمح بمعدل تباين منخفض نسبياً يتراوح بين 3 و 5%، وربما يرتفع إلى 10 % على سبيل المثال في الإكثار التجاري للموز والذي يمكن تمييز 6-38% من النسل الناتج في مزارع الأنسجة بتغييرات مظهرية Sahijram et al., 2003.

ومن المعروف أن طرق الإكثار التي ينتج منها عدداً كبيراً من النباتات تؤدى إلى حدوث نسبة عالية من التباين ولذا ينصح بإعادة تكوين المزرعة من جديد بدءا من النبات الأم بدلاً من استمرار تقسيم ونقل المزرعة المتكونة للحد من هذا التباين. ويضيف (2000) .Kaeppler et al أن آليات حدوث التغييرات الثابتة أو المؤقتة تسبب انخفاض قوة نمو المزرعة ومعدل التكشف. ولعل تدهور صحة المزرعة المرتبط بزيادة عمرها عائقاً أمام إنتاج النباتات المحورة وراثياً. وعموماً تتعدد صور الاختلافات الوراثية الحادثة في زراعة الأنسجة حيث تتضمن حالات التعدد الكروموسومي وكذلك التغييرات الكروموسومية التركيبية بالإضافة إلى الطفرات العاملية الجينية. ومن أمثلة التباين الذي سجل في أنواع مختلفة من زراعة الأنسجة (الشكل التالي).

1. التباين في حجم الخلايا، سرعة النمو، اللون محتوى الخلايا من المواد الثانوية.

2. التباين في الصفات الظاهرية للنباتات المستولدة من ناحية شكل الأوراق، طبيعة النمو، نظام التفريع، وضع الأزهار على النبات، وكثير من هذه التغييرات مرغوبة خاصة في العديد من نباتات الزينة.

3. التباين في المقاومة لبعض ظروف الإجهاد البيئي abiotic أو الإحيائي biotic.

4. التباين في الاحتياج لمنظمات النمو بعد عدة مرات من الزراعة.

وتشير كثير من المراجع إلى عشوائية التغييرات في مزارع الأنسجة. لكن يبدو أن هذه الفرضية غير دقيقة فمع استعمال الطرق الجزيئية الحديثة أمكن التحقق من حساسية مواقع محددة في الجينوم للإجهاد الحادث في مزارع الأنسجة بدءا من مرحلة التأسيس حتى الأقلمة (2002 ,.Thomas et al). وعموماً يتضح أن التباين الحادث في زراعة الأنسجة أصبح أداة فعالة في أيدي مربى النبات لاستخدامها في تحقيق الكثير من أهداف برامج التربية.

وقد أوضح (2001) Jain و (2001) Prederi العديد من الأمثلة لنباتات أمكن إنتاج أصناف تجارية منها بتحسين صفاتها المحصولية أو المقاومة لبعض الأمراض أو الحشرات أو الإجهاد البيئي بالاعتماد على somaclonal variations بصورة أساسية أو بالدمج بينها وبين بعض المطفرات سواء الكيميائية أو الطبيعية، وبهذا يمكن القول أن علم زراعة الأنسجة والهندسة الوراثية من أحدث العلوم التي يرتكز عليها علم تربية النبات.

شكل يبين: التباين في الكالس الناتج من نفس الجزء النباتي في Ziziphus mauritiana (أ) ونباتات قرنفل خالية من الكلوروفيل (ب)، وزيادة عالية في تفريع القرنفل أعلى الساق مع نمو طبيعي لبعض النباتات في نفس المزرعة (ج)، ونباتات التين وقد غطتها زوائد شمعية بيضاء مع ضعف النمو وفى نفس المزرعة نباتات عادية (د).

ويمكن توضيح مميزات وعيوب somaclonal variation في تربية النبات في الجدول التالي: