معمای تکاملی خارهای گل رز

به‌قول قدیمی‌ها گل بی‌خار نمی‌شود. اما از نظر گیاه‌شناسان، گل رز خار ندارد. برجستگی‌های نوک‌تیز روی ساقه‌ی گل رز «تیغ» نامیده می‌شوند و از نظر بیولوژیکی با خارهای چوبی و سفت سایر گیاهان متمایز هستند.

تیغ‌ها نمونه‌ا‌ی از تکامل همگرا هستند. این پدیده وقتی اتفاق می‌افتد که گونه‌های غیرمرتبط صفات مشابه را به دلیل محیط مشابه بروز می‌دهند. در ۴۰۰ میلیون سال گذشته، گیاهان ۲۸ بار مختلف تیغ‌ها را تکامل داده‌اند. تیغ روی ساقه‌های گل رز می‌روید، در حالی که در گیاهان دیگر روی برگ‌ها یا میوه‌هایشان ظاهر می‌شود.

نمونه‌ی تیغ در گیاهان متفاوت است. در علف‌ها (تیره‌‌ی گندم) تیغ‌های ریز روی کلاله‌ی آن‌ها می‌رویند. گیاه سولانوم آتروپورپورئوم (Solanum atropurpureum)، یکی از خویشاوندان وحشی سیب‌زمینی که در برزیل می‌روید، تیغ‌های بسیار بدی دارد که دو نام مستعار «شیطان بنفش» و «شرارت» را به خود اختصاص داده است.

عکاس: Adrian Davies / Alamy

مطالعه‌ی جدیدی که در نشریه ساینس منتشر شده است، مشخص می‌کند که چگونه گیاهان تیغ‌ها را چندین بار از ابتدا تکامل دادند. هر گونه بارها و بارها برای ساختن تیغ از یک ژن استفاده می‌کرد. این کشف، تغییر دی‌ان‌ای گیاهان را برای از‌بین‌بردن تیغ‌های آن‌ها امکان‌پذیر و رشد برخی از گیاهان وحشی به‌‌عنوان محصول کشاورزی را آسان‌تر می‌کند.

زکریا لیپمن، متخصص ژنتیک گیاهی در آزمایشگاه کلد اسپرینگ هاربر، هنگام مطالعه‌ی گروهی از محصولات کشاورزی شامل سیب‌زمینی، گوجه‌فرنگی و بادمجان، در مورد تیغ‌ها کنجکاو شد. با اینکه این محصولات هیچ‌کدام تیغ ندارند، برخی از اقوام وحشی آن‌ها پوشیده از خنجرهای کوچک هستند. احتمالا اولین کشاورزها وقتی این گیاهان را به عنوان محصولات کشاورزی استفاده می‌کردند، توانسته‌‌اند تیغ‌ها را با پرورش کنترل‌شده از آن‌ها حذف کنند. آن‌ها عمداً گیاهانی را انتخاب کردند که بدون تیغ بودند یا تیغ‌های کمتری داشتند. در طول نسل‌ها، این فرآیند به کاهش یا حذف تدریجی تیغ‌ها منجر شد.

لیپمن می‌گوید: «چه کسی می‌خواهد بادمجان‌هایی را پرورش دهد که وقتی آن‌ها را می‌خورید این تیغ‌ها دائماً [در پوست شما] فرو بروند؟»

برخی از گیاهان از تیغ برای قلاب‌کردن خود به سطوح استفاده می‌کنند که به بالا‌رفتن و رسیدن به نور خورشید کمک می‌کند. همچنین علف‌های وحشی از تیغ‌ها برای چسباندن دانه‌های خود به خز حیواناتِ در حال عبور استفاده و پراکندگی بذر را تسهیل می‌کنند. درمجموع، تیغ‌ها نقش‌های چندوجهی در بقای گیاه و سازگاری آن‌ها با محیط دارند.

چارلز داروین تشخیص داد که برخی از صفات می‌توانند در فرآیندی که با عنوان «تکامل همگرا» شناخته می‌شود، به طور مستقل چندین‌بار در تاریخ حیات تکامل یابند. به عنوان مثال، خفاش‌ها و پرندگان بال‌های خود را برای پرواز تکامل دادند؛ اما آن‌ها مسیرهای تکاملی مختلفی را برای رسیدن به یک مقصد انتخاب کردند. بال‌های خفاش به‌عنوان غشایی که بین انگشتانشان رشد می‌کرد، تکامل یافتند، در حالی که پرندگان بال‌هایی از پر تکامل داده‌اند.

دکتر لیپمن و همکارانش برای درک اینکه چگونه گیاهان تیغ‌ها را به شکل همگرا تکامل داده‌اند، یک گونه از بادمجان‌های اهلی را با خویشاوندان وحشی و تیغ‌دار آن پیوند زدند. برخی از هیبریدها دارای تیغ‌های زیادی بودند، در حالی که برخی دیگر هیچ‌گونه تیغی نداشتند.

دانشمندان با مقایسه‌ی دی‌ان‌‌ای گیاهان، متوجه شدند که نوع خاصی از ژن به نام LOG فقط توسط گیاهان تیغ‌دار حمل می‌شود. گیاه‌شناسان از مدت‌ها پیش می‌دانستند ژن‌های LOG به تولید هورمونی که به سلول‌های گیاهی سیگنال رشد می‌دهد، کمک می‌کنند. بااین‌حال در بادمجان وحشی، نسخه‌ی خاصی از ژن LOG امکان رشد خارها را فراهم می‌کند.

دکتر لیپمن آزمایش مشابهی را روی دو نوع بادمجان دیگر انجام داد و آن‌ها را با خویشاوندان وحشی‌شان پیوند داد. در هر نوبت آزمایش، محققان کشف کردند که یک نوع از ژن LOG مسئول ایجاد تیغ در گیاهان وحشی است.

دکتر لیپمن گفت: «ما متوجه شدیم که [این] همان ژنی است که به‌طور مستقل جهش‌هایی را در هر سه نسب [بادمجان] کنار هم آورده تا این تیغ‌ها را از بین ببرد»؛ بدین معنی که در سه نسب (مجموعه‌ی گونه‌های مرتبط)، همان ژن دچار جهش مستقل شده است. این جهش‌ها به از‌بین‌رفتن تیغ‌های آن گیاهان منجر شد. با وجود مسیرهای تکاملی متفاوت این نسب، تغییر ژنتیکی مشترک به فقدان تیغ‌ها منجر شد.

ممکن است گیج‌کننده به‌نظر برسد که جهش ژن LOG می‌تواند بدون آسیب‌رساندن به کل بادمجان، تیغ‌ها را از بین ببرد. به‌هرحال، ژن‌های LOG برای رشد گیاهان ضروری هستند.

ژن‌های LOG نقش مهمی در شکل‌گیری تیغ‌ها روی گونه‌های مختلف گیاهی دارند. دکتر لیپمن و همکارانش شواهدی از این ارتباط را در چندین گیاه دیگر پیدا کردند. به عنوان مثال، زمانی که آن‌ها ژن LOG را در گل رز مسدود کردند، رشد تیغ را مختل کرد. آن‌ها مشاهده کردند این تیغ‌های بزرگ می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی به برجستگی‌های کوچک تبدیل شوند.

shutterstock

دکتر لیپمن گفت که یافته‌های جدید می‌تواند کمک کند تا دانشمندان گیاهان وحشی را به محصولات کشاورزی تبدیل کنند. او و همکارانش این احتمال را روی یک گیاه وحشی استرالیایی که کشمش صحرایی نامیده می‌شود، آزمایش کردند. این میوه‌ی شیرین معمولاً تیغ دارد؛ اما پس از اینکه محققان ژن LOG را از دی‌ان‌ای آن جدا کردند، بدون تیغ شد.

ویویان آیریش، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه ییل که در مطالعه‌ی جدید شرکت نداشت، گفت این نشان می‌دهد که همگرایی می‌تواند به روشی اتفاق بیفتد که داروین انتظارش را نداشت. هر بار که تیغ‌ها به وجود می‌آمدند، گیاهان روش کاملاً جدیدی برای ساخت آن‌ها ابداع نمی‌کردند. در عوض، آن‌ها فقط همان ژن را بارها و بارها قرض می‌گرفتند.

دکتر آیریش گفت: «نوآوری در بسیاری از موارد ممکن است به سادگی بازتاب استفاده‌ی دوباره از ژن‌های قدیمی به روش‌های جدید باشد.»