أنواع التغييرات الوراثية في مزارع الأنسجة النباتية

1. التغييرات الكروموسومية العددية Numerical chromosomal aberrations

غالباً تكون الخلايا الميرستيمية الموجودة في الكالس أو معلق الخلايا متشابهة وثابتة وراثياً. لكن لوحظ أن زيادة فترة زراعة الخلايا في المعمل تسبب وجود مستويات متباينة من الحامض النووي في الخلايا الفردية ذات الفجوات الكبيرة ، والتي غالباً توجد طافية في المعلق وعادة تحتوى تلك الخلايا البرانشيمية على حالات من التضاعف الكروموسومى مشابهة لتلك الموجودة في خلايا النبات العادي. وفي معظم الحالات لا تنقسم الخلايا التي بها تضاعف غير تام endopolyploid، لكن لو تم استحثاث هذه الخلايا للانقسام فإن مستويات مختلفة من التضاعف تتضح في النسل المستولد. وقد أتضح بالفعل أن مستوى endoreduplication في مزارع الأنسجة أكثر مما كان يعتقد.

لكن يبدو أن نوعية التغييرات ترتبط بشكل مباشر بنوع النباتات Kaeppler et al  2000 فقد سجلت معظم الأبحاث في نباتات الشوفان ارتباط كبير بين معدل التضاعف الكروموسومى والتغييرات في الشكل الظاهري للنباتات المتكشفة معمليا. وعلى العكس من ذلك كان معدل التضاعف أقل من الكسور الكروموسومية في نباتات الشعير. ورغم أهمية التضاعف التام في برامج التربية فإن عدم ثباته الوراثي يعيق الاستخدام الواسع له 2009 Neumann et al). ويلعب عمر المزرعة دورا هاما في مدى حدوث التغييرات الوراثية في الكالس والنبيتات الناتجة، وبفرض أن خلية ما حدث بها تغير وراثي فإن احتمال انقسامها ومشاركتها في تكشف نبيتات تعتمد على الظروف بالمزرعة.

من الطبيعي أن تتسبب التغييرات الوراثية في تقليل فرصة انقسام الخلايا في الظروف العادية. إلا أن الخلايا في زراعة الأنسجة لا تخضع لهذه القاعدة وتستمر الخلية في الانقسام ويتوقف ذلك على شدة التغييرات الوراثية الموجودة بالخلية. فالتغييرات الوراثية الشديدة قد توقف انقسام الخلية أو تفضى إلى إنهاء حياة الخلية أو عدم تكشفها. لكن تختلف صور التغييرات الكروموسومية العددية سواء كانت من النوع التام polypolidy أو غير التام aneuploidy حتى في نفس التجارب المتشابهة تماما. ذلك التنبؤ بالتغييرات الوراثية المتوقعة ومن المعروف أن حالات وبالطبع يصعب مع التضاعف غير التام aneuploidy غير شائعة الحدوث في الطبيعة إلا في النباتات المتضاعفة بطبيعتها لكنها شائعة الحدوث في زراعة الأنسجة، وبالفعل ظهرت حالات مختلفة من التضاعف في العديد من النباتات الناتجة من زراعة أنسجة الدخان والجزر والفول وكثيرا من نباتات الزينة. كما لوحظت حالات من التعدد غير التام في النباتات المتكشفة من مزارع متوك البيتونيا والداتورة وغيرها من النباتات.

وقام (2010) .Ahmad et al بدراسة عدد الكروموسومات في مزارع المعلق الخلوي وكذلك نباتات الكمون المستولدة منه وسجل تباين أعداد الكروموسومات بين 12 و 28 کروموسوم على الرغم من العدد الطبيعي هو 14 كروموسوم. لكن كان أغلب النباتات والخلايا ذات أعداد طبيعة من الكروموسومات (شكل رقم 1). ويمكن إحداث التضاعف الذاتي بإضافة الكلوشيسين للنباتات مباشرة ، فقد تم الحصول على 480 نبات متضاعف من مزرعة خلايا إحدى الهجن النوعية في الجنس Saccharum بإضافة 50 ملجم/لتر من الكلوشيسين إلى بيئة النمو لمدة أربعة أيام. ومن المهم الإشارة إلى وجود حالات من التضاعف الذاتي الداخلي بمعنى وجود أشكال مختلفة من الأنوية غير كاملة بسبب تكوين أكثر من زوج من خيوط المغزل، ولمنظمات النمو دور مهم في ذلك (D'Amato et al., 1980).

2. التغييرات الكروموسومية التركيبية Structural chromosomal aberrations

بالإضافة إلى التغييرات الكروموسومية العددية التي سبق الإشارة إليها أشار1987  Lee&Pie أن زراعة الأنسجة قد تؤدى إلى حدوث تغييرات كروموسومية تركيبية أي في التركيب الظاهري للكروموسوم (شكل رقم 2). فأحيانا تحدث كسور يترتب عليها فك الأجزاء من الكروموسوم أو تغير في ترتيب أجزاء الكروموسوم بالنسبة لبعضها البعض إذا حدث إعادة التحام لهذه الأجزاء في غير ترتيبها الطبيعي أثناء انقسام الخلايا. وينتج عن ذلك صور مختلفة من التغييرات التركيبية. وقد وصف (Larkin et al 1985) التغييرات الكروموسومية التركيبية من نوع الفقد والانتقال والانقلاب وغيرها في 14 نوع نباتي. كما بين وجود تغييرات تركيبية في 17 نبات قمح سداسي منها 14 نبات تحتوي على تضاعف aneuploidy و4 نباتات euploid وذلك من بين 551 نبات تم تكشفها. وقد درس (1988) Lee & Phillips طريقة حدوث هذه التغييرات باستفاضة وبينا أن التضاعف المتأخر في مناطق heterochromatin هو السبب الرئيسي في التباين الوراثي في الذرة، أما التباين في نباتات الفول Vicia faba فيرجع في الأساس إلى العناصر النقالة. لكن يجب الإشارة إلى أن فرصة الخلايا التي بها تضاعف كروموسومي للاشتراك في تكشف النباتات أعلى من الخلايا التي بها طفرات تركيبية. ويعتبر هذا من صور الانتخاب الطبيعي حيث تستبعد الخلايا التي بها طفرات لتقلل من نسبة استيلاد نباتات متباينة وراثياً.

ومن صور التغييرات التركيبية التي وجدت أيضاً في زراعة الأنسجة انتقال جزء من أحد الكروموسومات إلى كروموسوم آخر ربما يكون غير الشبيه. كذلك حدوث كسر في منطقة السنترومير وبالتالي يتحول الكروموسوم الواحد إلى كروموسومين. وقد حظ أيضاً في بعض مزارع الأنسجة وجود الكروموسومات الحلقية أو الكروموسومات ثنائية أو متعددة السنترومير (1988 ,Lee & Phillips).

شكل 1: بعض صور التغييرات الكروموسومية العددية في المعلق الخلوي بزراعة السويقة الجنينية العليا لنباتات الكمون (في الأعلى والوسط) والنباتات المستولدة (في الأسفل).

شكل 2: الكروموسومات الميتوية العامية الخلايا القمم النامية لجذور القمح 42=2n= 6x على اليسار. وعلى اليمين يتضح تأثير زراعة الأنسجة على الهيئة الكروموسومية لنفس النبات وذلك يفقد جزء كبير من أحد اذرع الكروموسوم المشار إليه بالسهم السفلى بالمقارنة مع الكروموسوم النظير الطبيعي المشار إليه بسهمين (1987 .Lee & Philips).

ويمكن بطرق الفحص السيتولوجي تحديد بعض هذه الاختلافات، لكن هناك تغيرات أخرى تحدث بالجينوم ولا تكون بهذه الدرجة من الوضوح وتتطلب طرق فحص أكثر تخصصا للكشف عنها مثل (RFLP).

3. التغييرات في العناصر النقالة Transposable elements

هناك بعض التغييرات الوراثية المختفية والتي لا تتضح بالفحص الخلوي كتنشيط أو إعادة تغير موضع العناصر النقالة والتي تؤدى إلى حدوث طفرات في بعض الجينات والعناصر النقالة عبارة عن تتابعات وراثية لها القدرة تحت ظروف معينة على التحرك من موقع لآخر داخل نفس الكروموسوم أو كروموسوم آخر. وهذه العناصر مختلفة الأنواع وليست نوعا واحدا. ويسبب انتقال هذه العناصر من موضع إلى آخر تثبيط أو تغيير غير ثابت غالباً في فعل بعض الجينات المجاورة لها أو التي تولج بداخلها. ويتوقف تأثير العناصر النقالة في إحداث التباين في الشكل الظاهري على عدد المواقع النشطة لها. وبجانب التأثير المثبط المؤقت لهذه العناصر فإنها قد تؤدى إلى إحداث تضاعف في أجزاء من الحامض النووي وإعادة ترتيب الجينوم كحدوث انقلاب أو فقد لجزء من الكروموسوم.

وتؤدى ظروف زراعة الأنسجة إلى تنشيط هذه العناصر فقد أشار Hirochika (1996) .et al أن قدم عمر مزارع خلايا الأرز يؤدى إلى تنشيط ثلاث عائلات من العناصر النقالة هي (Tosoosi and Tos19) وبزيادة نشاطها ارتفع معدل نسخ الحامض النووي. لكن تظل ميكانيكية استجابتها وتنشيطها في زراعة الأنسجة غير معروفة، فعلى الرغم من المعدل المنخفض لتنشيط العناصر النقالة فقد تبين أن العناصر النقالة Ac-Ds و Spm/En المعقدة في الذرة تنشط بمعدل عالي عقب زراعة أنسجتها بالمقارنة مع النباتات الناتجة من البذور (1991) ,Peschke & Phillips و Peschke et al 1991. وعلى العكس من بعض الدراسات الأخرى لم يكن هناك ارتباط بين تنشيط هذه العناصر وميثلة الحامض النووي. وأيضاً لم يبين الفحص الخلوي أي ارتباط بين تنشيط العناصر النقالة في النباتات المستولدة والكسور الكروموسومية. ويعتقد أن تلك العناصر النقالة لها دور في التكشف. وبصفة عامة التغييرات التركيبية أكثر حدوثاً في زراعة الأنسجة من التغييرات العددية. ولأن التغير في الشكل الظاهري يكون أكثر تأثرا بالتغييرات التركيبية عن العددية فإن الاعتماد على التغييرات العددية كدليل للتغير الوراثي في زراعة الأنسجة يكون غير دقيق.

4. التغييرات الكيميائية الحيوية

يرجع معظم التباين في مزارع الأنسجة إلى التغييرات في التركيب الكيميائي للحامض النووي، لكن ليس من الضروري أن يترجم بتغيير في الشكل الظاهري، وربما يتطلب الأمر بعض الاختبارات الدقيقة للكشف عنها. والعديد من هذا النوع من التغييرات يفقد أثناء التكشف أو لا يورث بطريقة مندلية. ومن هذا النوع الخلل الشائع في بعض النباتات النجيلية كالأرز والقمح في أيض الكربون الذي يسبب تكشف نباتات خالية من الكلوروفيل وكذلك الخلل في أيض النشا والكاروتينات والنتروجين ومقاومة المضادات الحيوية. ويعتبر اكتساب مقاومة المضادات الحيوية أو الحساسية لها ذات أهمية كبرى في إنتاج النباتات المحورة وراثي 2005 Jayasankar .