دانشمندان به راز مقاومت گیاهانی با “سوپر ژنوم‌های” مضاعف‌شده طبیعی در برابر نوسان‌های اقلیمی و محیط‌های متخصام پی برده‌اند. این گیاهان در شرایط سخت تطابق تکاملی بهتری از خود نشان می‌دهند.
این مطالعه‌ی بی‌سابقه در جهان که در ژورنال Nature Ecology and Evolution منتشر شده، می‌تواند پیام‌های مهمی برای پایداری گیاهان و محصولات زراعی در رویارویی ما با تغییرات اقلیمی داشته باشد.
بدین منظور محققان از خویشاوند نزدیک گیاه بومی انگلستان، آرابیدوپسیس (thale cress) استفاده کردند که ژنوم آن می‌تواند واحد یا مضاعف باشد. این یافته‌ها در واقع مستحکم‌ترین شواهدی است که تا به امروز درباره‌ی اثرات تکاملی فراگیر یک ژنوم مضاعف در کل گونه‌ها حاصل شده است.
این مطالعه همچنین آزمون جامعی برای نظریه‌ای به درازای یک قرن [تکامل] می‌باشد که از تکنولوژی‌های جدیدی برای توالی‌یابی صدها ژنوم بهره برده است. دانشیار ژنومیک تکاملی در دانشکده‌ی علوم طبیعی و دیدبان غذای آینده دانشگاه ناتینگهام، Levi Yant، رهبری این تحقیقات را بر عهده داشته است.
مضاعف‌شدگی کل ژنوم (Whole genome duplication) یا پلی‌پلوئیدی در همه‌ی فرمانروهای حیات رخ داده و مخصوصاً در گیاهان بسیار متداول است. مضاعف‌شدگی می‌تواند در طی نوعی تقسیم سلولی (میوز) به وجود بیاید و بسیاری از محصولات زراعی که ما می‌خوریم، مثل گندم، سیب، موز، جو، توت‌فرهنگی و نیشکر آن را نشان می‌دهند. مضاعف‌شدگی در بسیاری از سرطان‌ها مهاجم نیز دیده می‌شود و با پیشرفت آن ارتباط دارد؛ بنابراین شناسایی عوامل پایدارکننده‌ی مضاعف‌شدگی ژنوم و تکامل جمعیت‌هایی که آن را دارند، حائز اهمیت است. یانت می‌گوید:
درک اینکه چگونه می‌توان بر چنین وضع عجیبی از داشتن DNA زیادی، که واضحاً مشکل‌ساز است، فائق آمد و حتی آن را به یک نکته‌ی مثبت تکاملی تبدیل کرد، پرسش علمی بزرگی را مطرح می‌کند. تقریباً همیشه اضافه بودن ماده‌ی ژنتیک چیز بدی است؛ با این حال، به نظر ما این اتفاق باعث به وجود آمدن “هیولای خوش‌یمنی” می‌شود که شاید شکوفا گردد.
ما پنچ سال گذشته را فهمیدن این موضوع کردیم که این جمعیت‌ها اصلاً چگونه به پایداری می‌رسند. مشکل ابتدایی این است که وقتی مضاعف‌شدگی ژنوم برای اولین بار اتفاق می‌افتد، ماشین سلولی با تعداد زیادی کروموزوم مواجه می‌شود. این کروموزوم‌ها به تدریج درهم‌رفتگی پیدا کرده و هنگام جدا شدن طی تقسیم سلولی شکسته می‌شوند. این موضوع می‌تواند در بعضی از محصولات زراعی، مخصوصاً در دماهای بالا مشکل‌ساز شود؛ و گرمایش جهانی هم آن را بدتر می‌کند.
ما چند سال پیش متوجه شدیم که چگونه مضاعف‌شدگی‌های کل ژنومی طبیعی به موفقیت به مرحله‌ی پایداری می‌رسند. هدف بعدی ما پیگیری در مقایسی وسیع‌تر بود تا تطابق را در عرض کل گونه‌ها ببینیم؛ چون می‌دانستیم که بعضی از جمعیت‌های با ژنوم مضاعف با موفقیت در محیط‌های متخاصمی مثل معادن سمی، مسیرهای ریلی و سواحل رشد می‌کنند. در واقع، یکی از گونه‌هایی که روی آن کار می‌کنیم شش رونوشت کامل از ژنوم دارد و سریع‌ترین گیاهی است که در انگلستان همه جا پخش می‌شود؛ مخصوصاً در از زمان نمک زدن به کنار جاده‌ها از دهه‌ی ۱۹۷۰، عاشق این محیط‌ها شده است!
این گیاهان کوچک سرسخت به ماشین‌های تطابق ژنتیکی کوچکی تبدیل می‌شوند که قادرند محیط‌های متخاصم را در هم شکافته و حتی در جاهایی که دیگران نمی‌توانند، زندگی کنند، رشد نمایند. در واقع، نسبت بالایی از مهاجم‌ترین گونه‌های گیاهی روی زمین ژنوم مضاعف دارند؛ بنابراین فرضیه‌ی ما این شد که تطابق‌های خاصی در نتیجه‌ی مضاعف‌شدگی ژنوم به وجود می‌آید و هدفمان پیدا کردن ژن‌های مسئول این تطابق‌ها بود. برای آزمون این فرضیه در مطالعه‌مان، ۳۰۰ ژنوم مربوط به این گیاه کوچک آرابیدوپسیس آرنوزا را از ۳۹ منطقه‌ی جغرافیایی در اروپا جمع‌آوری و از نو توالی‌یابی کردیم. ما به دنبال ردپای انتخاب (selection) بودیم؛ ژن مخصوصی که به نظر می‌آمد بررای تطابق در یک ناحیه‌ی خاص یاریگر باشد.
علاوه بر ژن‌های ویژه، حتی چیز مهم‌تری پیدا کردیم – به نظر می‌آید در واریانت‌های با ژنوم مضاعف، فرآیند اساسی انتخاب داروینی کمی با فرآیند گونه‌های با ژنوم واحد تفاوت داشته باشد. یعنی کار از داشتن DNA زیاد و پیدا کردن واریانت‌های ژنی جدید فراتر می‌رود.
یافته‌های این محققان حاکی از آن است که در نسخه‌هایی از یک گونه با ژنوم مضاعف، پیوندهای بین ژن‌های مجاور روی یک رشته از DNA شل‌ترند. یعنی احتمال این که دو ژن مجاور هم در قسمت خاصی از DNA ترکیب‌های متفاوتی از جهش‌ها را دارا باشند بیشتر می‌شود. شاید این فرآیند “شکستن پیوند” بین ژن‌های مجاور در گونه‌هایی با ژنوم مضاعف بهخاطر داشتن ترکیب‌های متنوع‌تر اثربخش‌تر باشد و نوترکیبی‌های DNA با پارتنرهای اضافی، ترکیب‌های بدیعی از ژن‌ها را به وجود آورد. این یعنی نسخه‌های بهتر یک ژن می‌توانند از دست نسخه‌های بدتر دیگر ژن‌ها فرار کنند و به انتخاب داروینی این فرصت را بدهند تا با بالاترین اثربخشی بهترین ژن‌ها را در کنار هم انتخاب کند.
