[فينيق]

البُستانُ التطوريُّ {5}: تطوُّر القطن

الجزء السابق: تطور الذرة لا القطن!

لماذا يكون القطن ذو فائدة جمّة، ليس لقسم من البشر بل لكل العالم. لا يكون مُختلفاً عن القوميات، العقائد أو الثقافات. ففي الوقت الراهن يُستعمل بكل نماذج الثياب، يُستخرج من بذوره زيت هام ذو فائدة في صناعة مستحضرات التجميل، عدا كونه مصدر للسيللوز المستعمل بتصنيع كافة انواع النقود الورقية، دولارات ويورو. لكن القطن ايضاً هو ابن علم الاحياء البيولوجيا، ويشكّل ثمرة الظاهرة الكافرة المسماة بالتطور!!

نحصل على كنزنا الثلجيّ من شجيرة القطن، وهو عبارة عن نبات من جنس Gossypium. كانت الانواع الاكثر زراعة تقليدياً في اوروبا من هذا الجنس، مثل:

Gossypium arboreum L موطنه الاصلي جنوب آسيا

Gossypium herbaceum L أتى من جنوب افريقيا

والتي تقهقرت زراعتها بوقتنا الراهن بسبب نوعين مسيطرين على السوق حالياً، هما:

Gossypium hirsutum L اصله من اميركا الوسطى، منطقة الكاريبي وفلوريدا Gossypium barbadense L مصدره اميركا الجنوبية

واللذان تحولا لنوعين مفضلين عند المُزارعين.

زهرة شجيرة القطن نوع Gossypium hirsutum L

يكون في الواقع جنس Gossypium اكثر اتساعاً مما هو مُتوقّع. فهو يضمّ 50 نوع من النباتات، يوجد بينها صيغ شجريّة، جنيبيّة وعشبيّة، حيث جرى استثماره مرات كثيرة في التاريخ البشريّ. ينتمي هذا النوع النباتيّ الى عائلة Malvaceae التي تتضمّن بين نباتات اخرى:

الخبّازة malvas Malva sp. y Lavatera sp

و النبات الشهير hibiscos Hibiscus sp المنتشر في كثير من الحدائق نظرا لجمال ازهاره.

الى اليسار ازهار لنوع Lavatera cretica ، الى اليمين ازهار لنوع Hibiscus sp ينتمي كلا النباتين لعائلة Malvaceae وهي ذات عائلة القطن algodón

ابن المسافرين

أيّة دروس في علم الاحياء التطوري تُعطينا شجيرة القطن؟

كما يقول بعض محبي استعمال علم المصطلحات " الخاصة "، نعثر في شجيرة القطن على ظواهر " ميكرو تطور microevolución " كما على ظواهر " ماكرو تطور macroevolución "، لهذا فيما لو نرغب بفهم التطور بمستوى نوعيّ، اضافة لظواهر نشوء الانواع المذكورة سابقاً، سيكون بالامكان تحقيق الدراسة بفضل حوادث التطور الجزيئيّ.

تكون شجيرات القطن نباتات ثنائية المجموعة الصبغية diploides (2n)، اي تتكوّن خلاياها فقط من مجموعتي كروموزومات { مثلنا }. تبعا لميزاتها التشريحية ولميزات جينومها الخاص، تمّ تضنيفها في 8 نماذج كبيرة، هي: A, B, C, D, E, F, G و Kحيث تمتلك كلها 13 زوج من الكروموزومات في جينومها اي (2n = 26) .

يكون توزيع هذا الجنس عالميّ. نعثر في استراليا على مجموعات C, G و K، ونعثر في افريقيا وآسيا على مجموعات A, B, E و F، ونعثر في المكسيك, البيرو وجزر غالاباغوس واريزونا على المجموعه D.

التنوع الهائل للقطن، A و B بذور ناضجة لانواع G. hirsutum مزروع وبري على التوالي، C نوع G. tormentosum من هاواي، D نوعG. arboreum مزروع ينتمي الى المجموعه A ، E نوعG. herbaceumبري عضو في المجموعه A ، F نوع G. raimondii، G نوع G. davidsonii، H نوع G. longicalyx، I نوع

G. anomalum ، J نوع G. sturtianum، K صورة يبدو فيها مقارنة لكل هذه الأنواع

نصل لما يكون ممتعاً. لو نقم بتذكُّر أن الانواع التي وصلت الى السوق العالمية، هي:

G. hirsutum ، G. barbadense

فإلى أيّ جماعة ينتميان؟ لا ينتميان الى ايّ من الجماعات المُشار لها سابقاً.

كلاهما ينتميان الى مجموعة خاصة، مجموعة grupo AD المتوطّنة في القارة الاميركية، وفيها نجد 5 انواع.

ما هي المجموعة grupo AD؟

منذ زمن غير قليل، وفي هذه السلسلة من المواضيع، عرفنا نبات ذو جدول اسماء جينيّ شبيه، انه قمحنا Triticum aestivum L، كما عرفنا عملية تشكّل قوة تطورية فعّالة في المملكة النباتية، انها تعدّد { أو تغاير } المجموعات الصبغية الغيريّة alopoliploidía .

فكما راينا سابقاً، تكون عملية تعدد المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploidía عبارة عن ظاهرة، يحصل فيها تهجين في نوعين مختلفين، فتعطي نوع هجين مصاب بالعقم، حين انّ لاخصوبته تقود لعدم توافق المادة الوراثية لكلا النوعين، الامر الذي يمنع تشكيل البويضات وحبيبات الطلع القابلة للحياة. مع هذا، احيانا يتسنى لبعض تلك الهجائن انتاج بويضات وحبيبات طلع مع حمل مُضاعف من المادة الوراثية. في حال صادف هذا الوجود واحد من حبيبات الطلع يلقح واحدة من تلك البويضات، هنا يمكن للالقاح ان ياخذ دوره حاملاً لنوع جديد من الكائنات، لا يكون مثل ايّ من النوعين السابقين، ولا حتى مثل الهجين من كليهما، بل هو نوع جديد بميزة alopoliploide قادر على اعطاء نسل خصيب، ويكون عادة غير قادر على التكاثر مع انواع اقارب.

ظاهرة alopoliploidía ، A نوع آ، B نوع ب، C نوع هجين، D انتاج هجين وتكوين أمشاج diploides، E القاح امشاج diploides وولادة تغاير المجموعة الصبغية Alopoliploide

في الواقع، يعني مُصطلح alopoliploide مجموعة الكروموزومات (-ploidía) المتعددة (-poli-) والغيريّة (alo-)، ما يعني، جينوم متشكّل من عدد من الجينومات المختلفة حسب تضاعف اصل هذا الجينوم. مع ذلك، لا يكون تهجين محض. في عملية تشكيل لمتعدد مجموعات صبغي غيري alopoliploide، سيُعاني الجينوم من تغيّرات هامة، بحيث يمكن اعتباره جينوماً جديداً، لم يكن موجود سابقاً في الطبيعه. بمدى زمني قصير، تخمد بضع جينات وتعبّر جينات اخرى، يتعدّل ترتيب العديد من الطرق الجينية، حتى يمكن ان تصل لتعيد ترتيب مناطق كاملة من الجينوم. بمدى زمني طويل، تكتسب الجينات المختلفة وطرق ترتيبها وظائف اكثر تخصصاً، آليات تعبير جيني نوعيّة اكثر أو حتى الوصول لصياغة وظائف جديدة كليّاً. اذاً تمتلك المجموعة grupo AD للجنس Gossypium اصلاً في واحدة من تلك الظواهر. ينتمي احد الجينومات للمجموعة grupo A { ذات المجموعه التي ينتمي لها الانواع المزروعة تاريخياً في Eurasia، وهي - G. arboreumG. herbaceum }، المتوطنة في القطاع الافريقي الآسيوي، بينما ينتمي الجينوم الآخر للمجموعة grupo D المتوطنة في القارة الاميركية. ما يعني ان المحيط يفصل كلا المجموعتين!

تطور وتدجين القطن algodón تُشير الاحرف للمجموعه الجينية التي تنتمي لها كل صورة.

لكن يجب الاعتماد على الادلة. يتكوّن جينوم المجموعه grupo AD من 26 زوج من الكروموزومات بخلاف 13 زوج من الكروموزومات التي نجدها بباقي الجنس Gossypium. منذ العام 1940، دراسات التشكيل الجينيّ والتزاوج الصبغي، دراسات كيمياء النبات، تحليل الخرائط الوراثية والتقنيات الاحدث في السلسلة: لم تقم بعمل شيء أكثر من التوافق مع ميزة تعدد المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploide لهذه المجموعة، يكون الجينوم AD متشكلاً من جينوم A وجينوم D.

ليس هذا فقط. ففي العام 1940، جرى تبيان اصل تلك المجموعه مخبرياً. حيث قاموا بتهجين اعضاء آسيويين من المجموعه grupo A مع اعضاء اميركيين من المجموعه grupo D ولاحقاً ضاعفوا جينوم الهجائن الناتجة، فكانت النتيجة تكوين " متعدد مجموعات صبغية غيرية alopoliploides نوع AD "، اظهرت تلك alopoliploides ميزتين هامتين، هما:

أولاً: امكنها التهجين فيما بينها ذاتها واعطاء الاصل لبذور قابلة للحياة

ثانياً: امكنها التهجين مع الانواع الطبيعية للمجموعه grupo AD وافساح المجال لظهور متحدرين خصيبين! هذا لا يشكّل دليل على ميزة تعدد المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploide للمجموعه grupo AD فقط، بل يشكّل تصنيف لانواع لم تكن موجودة في الطبيعه سابقاً .. يكون مؤسس من جديد في المُختبر.

رغم هذا، يكون مرجحاً للآن بقاء بعض الشكّ. وسيكون هذا الامر جدُّ طبيعي، حيث اننا نتكلّم عن كل صنف ضمن الجنس Gossypium، الذي يجد اصله في تهجين صنف افريقي آسيوي مع صنف آخر امريكي. امام امكانية كتلك، تبقى قضيّة لا مفرّ منها، من اين كل هذه القدرة على الانتشار لشجيرات القطن؟ فكما يظهر، كثير أو أكثر.

نجد مثلاً سلائل انتشرت من موطنها المكسيك وصولا الى البيرو كنوع Gossypium raimondii، ومن شمال المكسيك الى جزر غالاباغوس نوع G. klotzschianum، ومن غرب الجنوب الاميركي الى جزر غالاباغوس نوع G. darwinii. لقد بلغت بعض اعضاء هذا الجنس جزر هاواي حتى، تائهة بنصف المحيط الهادي ومتحولة الى نوع G. tormentosum بوصفه نوع مستوطن. بالتالي نحن بمواجهة جماعة من المُسافرين. يمكننا قراءة ابحاث علمية مختلفة تدور حول امكان بقاء العديد من انواع الجنس Gossypium طافية لاشهر عدّة بمياه مالحة، مُحافظة على قدرتها الانتاشيّة، بينما يُبدي اعضاء المجموعه grupo A { أب المجموعه grupo AD } احتمالا كافيا للملوحة والطفو كما لاجل البقاء على قيد الحياة بسفر يقطع المحيط. لكن دون ادنى شكّ، النوع الاكثر احتمال، لتلك الظروف، من الشجيرات هو شجيرات هاواي من نوع G. tormentosum والتي تتحمّل البقاء 19 شهراً في المياه المالحة وتبقى قادرة على الانتاش. يرى بعض الباحثين ان المدة يمكن ان تصل الى 3 سنوات. بكل اسف، حاليا يكون بعض تلك الانواع مهدّد بالانقراض، فالخطر الاكبر الذي يواجه النوع G. tormentosum هو التلوث الجيني الآتي من ادخال نوع archiconocida G. hirsutum الى هاواي، يُعاني من ذات المشكلة نوع G. darwinii في جزر غالاباغوس.

الانواع الشقيقة Gossypium klotzschianum و Gossypium davidsoni تصل جنوب كاليفورنيا مع جزر غالاباغوس.

يتم اقتراح الانعزال الجغرافي كعامل محرّك لنشوء انواع جنس Gossypium. فقد طرح بعض الباحثين من زمن بعيد بأنّ اصل متعددات المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploides، يعود الى زمن يسبق انفصال افريقيا عن اميركا الجنوبية، وهذا يُبعد مشكلة كِبَرْ المسافة البحرية الحالية. فيما لو يثبت هذا الامر، فاننا سنكون امام الاصل المُفترض للصنف AD في المدى الزمني القائم بين العصر الكريتاسي وصولاً لاوائل العصر التيراسي { 100 الى 60 مليون عام }. فيما يرى باحثون آخرون أن البشر ونشاطاتهم عبر الهجرة هي من تحمّلت نقل وايصال انواع شجيرات القطن مجموعه grupo A الى القارة الاميركية، وهذا يعني اننا نعود لبدايات الزراعة في العالم { منذ 6000 عام على الاكثر }. في الوقت الراهن، نمتلك تقدّماً في علم الاحياء الجزيئيّ، وقالت ابحاث متصلة بهذا كلمتها بخصوص اصل متعددات المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploides والذي يعود لاواسط عصر Pleistoceno { بين 1 الى 2 مليون عام }، عندما انطلق اوائل الجنس البشري Homo من افريقيا. بينما تؤكد دراسات اخرى بأن المجموعه grupo AD لجنس Gossypium، تشكّل مجموعه وحيدة السلك monofilético، بكلمات اخرى، تمتلك كل انواع المجموعه grupo AD اصل وحيد في متعدد مجموعات صبغية غيرية سلف alopoliploide.

ثمار القطن تنتظر القطاف

تبعات ظاهرة تعدّد المجموعات الصبغيّة poliploidía

لم يتوقّف العلماء عند ذاك الحدّ. بمجرّد اكتساب كل انواع شجيرات القطن لظاهرة تعدد المجموعات الصبغية الغيرية alopoliploidía، رغبوا بمعرفة الأثر الذي تفترضه تلك الظاهرة على صعيد تطور تلك النباتات. عندما يتضاعف جينوم ما، يكون متاملاً العثور على جينات مُضاعفة تُحافظ على استقلالية تطورية مؤكدة، وانّ بعضها يمكن أن يتحول إلى جينات زائفه غير قابلة للحياة، جينات أخرى تُحقق وظائف جديدة وحتى القفز من جينوم لآخر. هكذا نجد دراسات على مدى أكثر من 10 أعوام، جرى تحقيقها على 16 نوع Gossypium hirsutum { شجيرة القطن الاكثر زراعة والممثلة للصنف AD }، وقد بيّنت تلك الدراسات بأنه ومنذ ظهور هذا الصنف، بالكاد قد ظهرت جينات زائفة، الامر الذي لم يؤدي لحدوث خسارات جينية وظيفيّة هامة.

تؤكد دراسات حديثة محقّقة على 40 جين ومضاعفاتها، عبر مقارنة لشجيرات قطن AD بريّة وشجيرات محضّرة مخبرياً بأنه عندما يكون لدينا جينات مضاعفة، فستخصص كل نسخة وظائفها. كمثال، يكون الجين adhA مختص باصطناع الأنزيم alcohol deshidrogenasa A. يعبّر هذا الجين في كل الانسجة النمائيّة في النبات، مع هذا تهتم نسخة الجينوم A بالتعبير في الجذور والفلقات، بينما تهتم نسخة الجينوم D بالتعبير في الاوراق والقِنابات { القِنابة: هي ورقة في قاعدة الزهرة أو ساقها .. قاموس المورد اسباني عربي }. ليس هذا فقط، كذلك لا تُعبّر النسخة A للجين adhA لا في التويجات ولا في الاسدية {جمع السداة: العضو الذكري في الزهرة }، لكنها تعبّر في النسخة D، من جانبها، في الجزء الأنثوي من الزهرة carpelos تعبّر فقط في النسخة A، وليس في النسخة D.

تعبيرات مختلفة للجين بشجيرات القطن.تشكل الاشرطة الجينات المعبرة في كل نسيج،بصيغة أنّ At يكون نسخة A و Dt يكون نسخة D ، A جين adhA ، B جين adhD، Cجين A1520، D جين B5

لا تشكّل التباعدات في نماذج التعبير تلك حالة مُنفردة، بل تشكّل القاعدة في الجينات المُضاعفة لنوع Gossypium. دون الذهاب بعيداً، تسود في الجين adhD النسخة A في كل الانسجة عدا الأسدية، حيث تسود النسخة D . بالنسبة للبروتين A 1520 فالنسخة D هي التي تعبر باغلبية الانسجة الإنباتيّة، بينما تعمل النسخة A على اجهزة التكاثر. من جانبه، بالنسبة للجين B5 المسؤول عن الانزيم enzima oxalato oxidasa، فالنسخة D لا تعبّر في الاسدية، فهذا شيء تقوم به النسخة A.

تُبيّن نتائج ابحاث اخرى، اضافة لكل ما سلف بأنّ كل تلك التعديلات في نماذج التعبير يمكن اعطاؤها مباشرة إثر عملية التضاعف الجيني. تبيّن تلك التفاصيل حالة جميلة للتطور الجزيئيّ، حيث نرى بأنه متى تضاعفت الجينات، ستتطور بصيغة مستقلة وتقوم كل نسخة متخصصة بنشاطها حول بعض الانسجة أو بعضها الآخر.

الشعبة الجينية لنوع شجيرة القطن Gossypium sp

لكن ايضاً التدجين، قد امتلك نتائجه

يكون تطور القطن خلال عملية التدجين مرئياً في بنية تلك النباتات البيضاء السللوزية التي تحيط ببذور، والتي نوظفها بصنع الانسجة نحن. لا تكون الياف القطن شيء مُختلف عن خلايا أدميّة معدّلة تسمى tricomas، والتي تقوم بإحاطة البذرة. في غالبية انواع شجيرات القطن، تكون تلك الالياف كثيفة صغيرة جداً { أقل من 5 ميلمتر }، سميكة ومتلاصقة بشدّة، غير مفيدة كالياف نسيجية كما هي، حيث يصعب التفكير بأنها شجيرات قطن اصلاً. ففي الحالة البريّة، فقط شجيرات القطن في المجموعتين A و AD يُنتجان الياف اكثر طولاً بقليل ورخوة بحيث يمكن تحويلها الى خيطان مفيدة، وهذا ما دفع الانسان للاستفادة منها، حيث يكون النوع المنتمي للمجموعة AD الافضل كنوعية.

ما قبل – التكيُّف هذا { المؤكد أنه بسبب الانتقاء بعلم تشكُّله " بمورفولوجيته " بوصفه " ناثر " للبذور }، سيسمح للانسان بالقيام بالانتقاء لتلك الانواع لاجل زراعتها. في الانواع المزروعة، تكون الالياف أكثر طولاً بكثير، قوية ورقيقة أكثر مما لدى النوع البري. نرى في حالة شجيرات القطن AD بأنها طوّرت توزيعاً في المهام لاجل تشكيل الالياف، حيث يتحمّل الجينوم A عبء نموها وتطورها، بينما يتحمّل الجينوم D عبء نوعيتها ونظافتها. من جانب آخر، شجّع التدجين في شجيرات القطن الزراعية القديمة في المجموعة grupo A على تطور الالياف المتشابهة كثيراً مع ما تمتلكه العناصر المزروعه من المجموعه grupo AD، وقفاً على تأثير ضغط انتقائيّ شديد الشبه.

تدجين شجيرات القطن نوع (Gossypium sp)

لكن الافضل هو ما يحفظه علم الجينات المُقارن لعناصر المجموعة grupo A، التي تُنتج الياف مفيدة مع مجموعات اخرى من شجيرات القطن الغير قادرة على انتاج تلك الالياف. على الرغم أنّ تكوين الالياف، يستلزم عملية معقدة يتدخّل فيها مئات الجينات ومسارات تعبير، يكون جوهرياً ما يحدث خلال اللحظات الأُوَلْ. نجد في شجيرات القطن تلك التي لا تُعطي اليافا مفيدة، بأن ذاك الانخفاض بنمو اليافها، يحدث بسبب تحرّر عوامل أكسدة واضطراب خليوي { الماء المؤكسج H2O2وأنواع مفعّلة من الاوكسجين ROS }، وهذا يؤدي الى اعاقة نمو الالياف.

لا يحصل ذات الامر في المجموعه grupo A. فتمتلك كل شجيرات القطن جينات عديدة الوظائف، حيث نجد: يتحمل الجين GAST1 مسؤولية تنظيم اشياء بينها الانقسام والنمو الخليوي، فيما يساهم الجين Cop 1 في تنظيم الموت الخليوي، ويقوم الجين Pex1 بتنظيم تكوُّن peroxisomas . تُعلّم الدراسات الجزيئية بأنّ كل تلك الجينات قد تجندَّت خلال تطور المجموعه grupo A لاجل تخفيض العناصر المؤكسدة خلال نموّ الالياف، بصيغة تسمح بإطالة فترة نموها وبالتالي اعطاء الياف مفيدة من شجيرات قطن بريّة في المجموعتين grupos A و AD . لكن تلك الالياف لا تزال تعاني القزامة. فالقطن الذي نعرفه هوثمرة ضغط انتقاء قد أسسه التدجين البشري. هكذا تمتلك شجيرات قطننا الحديثعناصر ضابطة تمارس فعلاً أكثر قوّة، الامر الذي يقود في تركيزات خفيضةجداً لانواع مفعّلة من الاوكسجين (ROS) خلال زمن اطول بكثير، فتكون نتيجته نموّ مهم بطول الياف القطن الذي نتمتع باستعماله بيومنا هذا. لاحظ الباحثون ايضاً بأن عملية تطور الاستقلاب المديد في الزمن، قد ظهر بشكل متزامن مع تدجين هذه النبتة.

نماذج مقارنة لتطور ونمو الياف شجيرات القطن.

التدجين

في المكان المعروف باسم العالم القديم، المتضمن اوروبا، افريقيا وآسيا. كان النوع الاكثر اهمية تقليدياً هو G. herbaceum. الذي يُظن بأنه نشأ في جنوب افريقيا. مع ذلك تتركّز الزراعات الاقدم في الشواطيء الهندية. ليس غريباً ان يعتبر بعض الباحثين الهند كمنطقة انتشرت منها بذور هذا النوع. فاقدم الاشارات لاستخدام القطن في انسجة وحبال تعود الى ما قبل 4300 – 3750 عام في الهند وباكستان، ففي طبقات موقع yacimiento de Harappa آثار أخرى لاستخدام نوع القطن G. herbaceum في اماكن قريبة.

خارجة انتشار وتوزّع نوع قطن Gossypium herbaceum L تُشير الاسماء لاصول مختلفة.

حصل وصول القطن لمناطق المتوسط بوقت متأخر أكثر. من اوائل الاشارات الى القطن، تلك التي جاءت بوثائق آشورية تُخبر عن " اشجار تُعطي صوف " والتي زرعها الملك سنحاريب، ملك آشورية Asiria. تعود تلك الوثائق الى 694 قبل الميلاد، مع هذا فالاشارة الى صيغة شجرية تدفع للشكّ بأنّ النوع المُدرج هو G. arboreum. أما وثائق الميشنا والتلمود اليهودي فتشير الى القطن، ما يعني احتمال زراعته في القرنين السادس والخامس قبل الميلاد في شرق المتوسط. يبلغ الشرح الوافي عن زراعة القطن ذروته مع اوائل العصور الاسلامية، بنهايات القرن السابع الميلادي.

لوحة منشورة في الفترة 1357-1371 من قبل John de Mandeville لرسم شجيرة القطن على شكل خروف كرمز لنوعيّة ما تعطيه ثمرة القطن! خيال خصب!

تختلف قصة انواع العالم الجديد، خصوصاً، نوع G. hirsutum، حيث تمتلك هذه النبتة معدل انتشار طبيعي في قسم كبير من القارة الاميركية والكاريبي، عبر تدرُّج تشكيليّ من الانواع البرية المختلفة الى الانواع المزروعه. فنجد اسلاف في وادي Tehuacán تعود الى 4000 - 5000 عام قبل الآن، مع ذلك، تحضر البقايا الاثرية الاقدم المعثور عليها في كهف Ocampo في المكسيك بعمر 5800 عام. من غير المُستبعد بأنّ تدجينه سيبدأ في شبه جزيرة Yucatán مع هذا، بدأ فقط اعتباراً من القرنين التاسع عشر والعشرين استثمار هذا النوع الهام من القطن بمستوى عالميّ.

خارطة انتشار وتوزّع نوع القطن Gossypium hirsutum L تُشير الاسماء لاصول مختلفة

نوع Gossypium darwinii أو قطن داروينالمستوطن في جزر غالاباغوس Galápagos

يتبع