عندما أنهت إليزابيث كيلوج شهادة الدكتوراة في عام 1983 كانت تخشى أن مهاراتها قد أصبحت عتيقة الطراز بالفعل. درست كيلوج علم مورفولوجيا النبات (الذي يدرس تركيب بنية النباتات وشكلها) وتصنيفها؛ إذ كانت تفحص بدقة التنوع البديع في أشكال النباتات للتوصل إلى كيفية ارتباط الأنواع المختلفة من النباتات ببعضها، غير أن معظم زملائها كانوا قد اتجهوا بالفعل إلى نهج جديد: البيولوجيا الجزيئية. وتقول كيلوج: "فجأة أصبح كل عمل يتطلب تقنيات البيولوجيا الجزيئية، فكان الأمر يبدو وكأني قد تعلمت فن تزيين المخطوطات بماء الذهب والألوان ثم اخترع أحدهم آلة الطباعة".

تخرجت كيلوج مع اقتراب اندلاع ثورة في بيولوجيا النبات. وعلى مدار العقود القليلة التالية، في الوقت الذي تبنَّى فيه الباحثون الأدوات الجزيئية وتقنية تسلسل الحمض النووي، لم تعد التحليلات التفصيلية للسمات والخصائص الجسدية للنباتات مثار اهتمام العلماء، ولم يكن علماء الوراثة بحاجة إلى الخبرة والمهارة في مجال مقارنة أنواع النباتات المختلفة؛ نظرًا لأن العديد منهم لم يدرسوا سوى بضعة كائنات أساسية، مثل نبات رشاد أذن الفأر.

وفي الجامعات، بدأت أقسام علم النبات تتضاءل وتنكمش وأقسام البيولوجيا الجزيئية تتزايد. وسرعان ما تكيفت كيلوج -التي تعمل حاليًّا في مركز دونالد دانفورث لعلوم النبات في سانت لويس في ولاية ميزوري- مع هذه التغيرات؛ إذ درست علم الجينوم وجمعت بينه وبين مهاراتها في علم مورفولوجيا النبات لتتبُّع تطوُّر السمات الأساسية في الأنواع البرية التي تربطها صلة قرابة بمحاصيل الطعام.

ولكن كيلوج لاحظت مؤخرًا عودة الاهتمام بالأساليب القديمة؛ فالتطورات التي شهدتها تكنولوجيا التصوير بالأشعة، التي تتيح للباحثين التدقيق داخل بنية النباتات بصور ثلاثية الأبعاد، تعني أن علماء البيولوجيا يبحثون عن الخبرة في علم مورفولوجيا النبات ووظائف الأعضاء مرةً أخرى. كما أن التطورات في التحرير الجيني والتسلسل الجيني أطلقت يد علماء الوراثة في إدخال تغييرات على الحمض النووي في مجموعة أكبر من النباتات، مما جدد شهيتهم لفهم تنوُّع النباتات.

ويأمل علماء بيولوجيا النبات أنه من خلال الجمع بين المناهج الجديدة في دراسة النباتات مع البيانات من دراسات الجينوم ومعامل التصوير بالأشعة سيتمكنون من تقديم إجابات أفضل للأسئلة التي ظل علماء البيولوجيا يطرحونها أكثر من مئة عام: كيف تُشكل الجينات والبيئة التنوُّع الثري للأشكال المادية للنباتات. وتقول كيلوج: "بدأ بحث العلماء يتخطى أنظمةً محددة إلى النباتات ككل"، وتشير كيلوج إلى أن علم مورفولوجيا النبات كان في يوم من الأيام علمًا لدراسة الشكل والبنية من أجل ذاته، ولكنه الآن يُستخدم كأداة لفهم كيف ترتبط خصائص النباتات بنشاط الجينات عبر الأنواع المختلفة، وأضافت: "إنه يعود ولكن في ثوب جديد".

الجيل الثاني من علم النباتات

يتتبع علماء مورفولوجيا النبات جذورهم إلى الفيلسوف والشاعر الألماني يوهان فولفجانج فون جوته، الذي عاش في القرن الثامن عشر، الذي استوعب النطاق الهائل لتنوُّع النباتات، وشرع في البحث عن نبات يكون بمنزلة النموذج الأصلي الذي تفرعت منه كافة الأشكال.

لم تجد تلك الفكرة الحالمة طريقها إلى أرض الواقع، لكن العلماء ساروا على نهجه في مقارنة بنية ووظائف النباتات لمعرفة المزيد من المعلومات عن كيفية تطوُّر النباتات. وفي وقت لاحق، ستشغل مسألة تطوُّر النباتات المزهرة تشارلز داروين، الذي أطلق على الانتشار السريع لهذا النطاق الهائل من أشكال الزهور وألوانها واستراتيجيات التلقيح التي تستخدمها "اللغز البغيض".

على الرغم من أن عصر دراسات الجينوم دفع الكثير من علماء بيولوجيا النبات بعيدًا عن دراسة المورفولوجيا، فإن الجيل الأخير من التطورات التكنولوجية يوجههم للعودة إلى الأسئلة التي شغلت جوته وداروين.

من بين أبرز هذه التطورات التكنولوجية أجهزة التصوير بالأشعة المقطعية، التي يمكنها صناعة نماذج ثلاثية الأبعاد من البنية الداخلية للنباتات دون تدمير الأنسجة. على سبيل المثال، في جامعة فيينا استخدم عالِم مورفولوجيا النبات يانيك ستدلر أجهزة الأشعة المقطعية لتحليل أسرار مجموعة خادعة من أزهار السحلبية الأوروبية؛ ففي حين أن العديد من نباتات السحلبية تكافئ الحشرات التي تقوم بعملية التلقيح بالرحيق، فإن البعض الآخر يحاكي شريك تلك الحشرات في التكاثر، أو يحاكي الزهور الثرية بالرحيق ولكن دون تقديم مكافآت. وقد تساءل علماء البيولوجيا منذ عهد داروين حول كيفية ازدهار هذه الأنواع الخادعة من نبات السحلبية؛ لأنه على الأرجح لن تتجه إليها الحشرات أكثر من مرة. وتشير دراسات ستدلر إلى أن هذه النباتات ربما تُنتج المزيد من البويضات –ذلك الجزء من مبيض النبات الذي يصبح بذورًا– لتعويض انخفاض معدلات التلقيح.

تستخدم إريكا إدواردز -عالِمة مورفولوجيا النبات بجامعة ييل في نيو هيفن في كونيتيكت- أجهزة الأشعة المقطعية لتحليل كيف يمكن أن تتأثر أشكال أوراق النبات بتطورها المبكر داخل المساحة المحدودة للبرعم. لقد لاحظ علماء النبات على مدار قرن من الزمان أن أوراق النبات المسننة المحززة توجد في المناطق الشمالية الباردة، في حين توجد الأوراق الأكثر نعومةً في الغابات الاستوائية الرطبة، ولكن لا يزال السبب وراء هذا غير واضح، وتأمل إدواردز إماطةَ اللثام عن هذه العلاقة.

يجمع بعض الباحثين بين تقنية التصوير ثلاثي الأبعاد والأدوات الجزيئية. في مركز جون إنيس في مدينة نوريتش بالمملكة المتحدة، يستخدم مختبر إنريكو كوين لدراسة تطور الزهور تقنيةً يُطلق عليها الأشعة المقطعية بالإسقاط الضوئي لالتقاط صور ثلاثية الأبعاد للنباتات في أثناء نموها. كما يمكنها أيضًا تصوير الحشرات المُلقِّحة التي تبحث عن الرحيق داخل الزهور، أو التي تقع أسيرةً في قبضة النباتات المفترسة. وفي الوقت نفسه، يراقب فريق العمل النشاط الجيني في النباتات من خلال تمييز البروتينات الأساسية بعلامات ضوئية. ويشير كوين إلى أنه من خلال الجمع بين دراسات المورفولوجيا الكلاسيكية وتقنية التصوير ثلاثي الأبعاد وأفكار من علم الأحياء النمائي، يأمل الفريق البحثي معرفةَ المزيد عن الآليات التي تؤدي إلى تكوُّن أشكال النباتات. وفي إحدى الدراسات، على سبيل المثال، رصد كوين وفريقه نمو زهور الشعير، وفسروا لماذا لا تسير هذه العملية كما هو مخطَّط لها في نسخة طافرة من نبات الشعير اكتُشفت لأول مرة في نيبال في ثلاثينيات القرن التاسع عشر.

وتهدف تقنيات التصوير بالأشعة الجديدة الأخرى مباشرةً إلى تحسين استيلاد المحاصيل. ففي أحد حقول مدينة يوليش الألمانية، تحلق الطائرات بدون طيار والمناطيد الصغيرة المزودة بكاميرات تصوير حراري فوق النباتات، في حين تحمل مركبات بدون سائق يُطلق عليها FieldCops أجهزة الاستشعار وتطوف على الأرض. وتأتي هذه المجهودات في مركز دراسة أنماط النباتات في يوليش في إطار التوجُّه المتزايد لجمع بيانات سريعًا حول خصائص النباتات. في بداية الأمر، تضمنت هذه الجهود نطاقًا محدودًا من الخصائص، مثل معدلات النمو أو عدد البذور التي يتم إنتاجها، لكن، كما يشير ديرك إنزيه، عالِم البيولوجيا الجزيئية للنباتات بجامعة خنت في بلجيكا، جرى تزويد الطيارات بدون طيار والروبوتات بأجهزة استشعار أكثر تطورًا. وأصبح بإمكان بعض هذه الأدوات الآن جمع بيانات حول بنية النباتات وتركيبها، مثل شكل الفروع والأوراق باستخدام ماسحات ليزر وأجهزة استشعار للأعماق. كما استُخدمَت أجهزة مسح شبيهة مع النباتات التي جرت زراعتها داخل المعمل لتحليل النمو الإيقاعي للأوراق والربط بين ذلك النمو ومركب بروتين محدد.

 

من الجينوم إلى الأنماط

ربما تجد مختبرات البيولوجيا الجزيئية ما يجذبها للعودة إلى علم النباتات؛ نظرًا لأن قراءة الحمض النووي أصبحت -على غرار مجالات أخرى من دراسات الجينوم- زهيدةَ التكلفة، حتى إن إجراء تسلسل الحمض النووي لأحد أنواع النباتات لم يعد غايةً في حد ذاته. نُشر أول جينوم لأحد النباتات –وهو نبات رشاد أذن الفأر– في عام 2000، ومنذ ذلك الحين أُجري تسلسل الحمض النووي لأكثر من 250 نوعًا من النباتات. يقول ويليام فريدمان، مدير مشجر أرنولد (وهو حقل تجارب تُزرع فيه النباتات لأغراض علمية) التابع لجامعة هارفارد في بوسطن في ولاية ماساتشوستس: "الآن يريد الباحثون التوصل إلى كيف يفسر الجينوم التطور والأنماط".

في عام 2017، على سبيل المثال، تضمنت الدورية التي أعلنت عن جينوم أحد أنواع نباتات السحلبية والمعروف باسم Apostasia shenzhenica تحليلًا للجينات التي يُحتمَل أن تكون مسؤولةً عن جوانب فريدة من مورفولوجيا نبات السحلبية، وهذا يتضمن الشفاه، وهي ذلك الجزء من أزهار السحلبية الذي يجذب الحشرات ويعمل بمنزلة منصة هبوط لها.

يقول ميلتوس تسيانتس، من معهد ماكس بلانك لأبحاث استيلاد النباتات في كولونيا بألمانيا: "من المحتمل الآن فهم الطرق التي من خلالها تؤثر التغيرات الجينية على الشكل". وفي عام 2014، استخدم معمله علم الوراثة والتصوير بتقنية مرور الوقت (time-lapse imaging) للتوصل إلى كيفية تأثير جين محدد على شكل الأوراق من خلال تقييد نمو الخلايا على حواف الأوراق في نوعٍ من نبات الخردل يُعرف باسم "الحرف الزغبي" Cardamine hirsuta؛ ففي حين تنمو أوراق الحرف الزغبي كسلسلة من الوريقات حول الساق، فإن غياب هذا الجين أدى إلى نمو الأوراق البسيطة بيضاوية الشكل التي نراها في نبات رشاد أذن الفأر.

استخدم عالِم مورفولوجيا النبات دان شيتوود -الذي يعمل حاليًّا بجامعة ولاية ميشيجان في مدينة إيست لانسنج- قوةَ تسلسل الحمض النووي لدراسة التعبير الجيني في نبات "كوليربا تاكسيفوليا" Caulerpa taxifolia، وهو عشبة بحرية تُكوِّن بنًى معقدة تتضمن ساقًا وأوراقًا تشبه أوراق السرخس من خلية واحدة كبيرة الحجم. وقد قال بعض علماء البيولوجيا بأن كم انقسام الخلية ومعدله هو ما يشكل مورفولوجيا النبات، ولكن دراسة شيتوود توضح أن التعبير الجيني في تلك العشبة البحرية وحيدة الخلية يختلف بطرق تضاهي التعبير الجيني في البِنى المشابهة في النباتات متعددة الخلايا، مما يشير إلى أن الخلية المنقسمة ليست بالضرورة دائمًا تحدد الشكل.

وقد جعلت الأدوات الجزيئية المتطورة اليوم من الممكن تعديل الحمض النووي في النباتات التي كان التعامل معها فيما سبق شديد الصعوبة. وقد أتاحت أداة تحرير الجينوم CRISPR–Cas9 للباحثين إدخال تغييرات على جينات محددة في مجموعة كبيرة من النباتات. وقد استخدمها الباحثون، على سبيل المثال، لتحويل نبات مجد الصباح أرجواني اللون إلى اللون الأبيض، ولتغيير الجينات التي تشارك في بناء جدران الخلايا في أزهار السحلبية.

غير أن علماء الوراثة يحتاجون إلى تحسين مهاراتهم في علم النباتات لفهم تداعيات هذه التجارب بالكامل، وذلك وفق كارل نيكلاس، الذي يدرس تطور النباتات في جامعة كورنيل في إيثاكا بمدينة نيويورك. غالبًا ما يلجأ الباحثون إلى إيقاف عمل الجينات لتحديد كيف تؤثر على شكل النبات أو وظائفه. ويقول نيكلاس: "إذا لم تكن قادرًا حقًّا على تشخيص الشكل أو التشريح، فإنك لا تعرف ما الذي تدرسه بالضبط".

يتذكر نيكلاس أن أحد الطلاب جاء إليه ذات مرة ومعه شكل طافر من نبات الذرة ليريه كيف تشوَّه الزيلم، وهو مجموعة الأنابيب التي تحمل الماء والعناصر الغذائية من الجذور إلى باقي أجزاء النبات. غير أن الطالب كان ينظر في الواقع إلى لحاء عادي، شبكة مختلفة من الأوعية ذات البنية المميزة التي تقوم بتوزيع العناصر الغذائية التي تكونت في الأوراق، فيعلق نيكلاس قائلًا: "هذا الأمر يجعلك تتألم حقًّا".

وتقول تشيلسي سبكت، عالِمة بيولوجيا النبات بجامعة كورنيل أيضًا: إن الباحثين يخسرون كثيرًا عندما لا يقضون الوقت في التفكير في تنوُّع أشكال النباتات في الطبيعة ودراسته. وقد شهدت تشيلسي حالات أخفق فيها العلماء في إدراك أن الطافرات الجينية –على سبيل المثال، الأشكال الطافرة من نبات رشاد أذن الفأر، التي تتغير فيها أنماط الفروع– هي أشكال نباتات متكررة، تحدث بصورة طبيعية، وتوجد في سلالات أخرى. وتشير إلى أنه عندما يحدث هذا فإن الباحثين تفوتهم فرص وضع هذه السمات في سياق تطوري.

معسكر تدريبي لعلم النبات

أثار احتمال اختفاء الخبرة في هذا المضمار قلق فريدمان كثيرًا، حتى إنه في عام 2013 أطلق مع زوجته باميلا ديجل -عالِمة مورفولوجيا النبات بجامعة كونيتيكت في ستورز- معسكرًا تدريبيًّا مكثفًا لعلماء البيولوجيا لدراسة علم النبات. وتقول ديجل: "الحفاظ على هذه المعرفة من الاندثار إحدى مهماتي بصفتي أكاديمية، فمن الضروري الحفاظ على هذه المعلومات نابضة بالحياة في المجتمع".

تلقَّى البرنامج تمويلًا في البداية من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، وتخطط منظمة New Phytologist Trust -وهي منظمة غير هادفة للربح، متخصصة في دراسة علوم النبات في لانكستر بالمملكة المتحدة– لتحمُّلها نفقات البرنامج بدءًا من هذا العام. ويقبل البرنامج ما يقرب من 12 عالِمًا كل عام، بعضهم من المختبرات التي تركز عادةً على البيولوجيا الجزيئية ودراسات الجينوم. ويشير فريدمان إلى أن عدد المتقدمين للبرنامج عادةً ما يكون ستة أضعاف عدد الأماكن المتاحة فيه.

وقد التحقت جيمي كوستيون -عالِمة الوراثة التطورية- بهذا البرنامج في عام 2013 لاكتساب المهارات التي تحتاج إليها لاستكشاف السمات النباتية في جنس النباتات Jaltomata. وهذه الأنواع تُعَد من أقارب النباتات الأساسية التي تُستخدم في المطبخ مثل الطماطم والبطاطس، غير أنها تتميز بأزهار متنوعة مميزة وحديثة النمو؛ وبعضها يكون مسطحًا في حين يكون البعض الآخر أنبوبيَّ الشكل، وبعضها يكافئ الحشرات المُلقِّحة برحيق لزج برتقالي اللون، في حين يسيل من البعض الآخر رحيق أحمر اللون حلو المذاق.

وتقول كوستيون: "تتميز هذه الأنواع من النباتات بتنوُّع مذهل لم يدرسه أحد من قبل، وأردت أن أفهم من أين يأتي هذا التنوع". وقد استخدمت كوستيون ما تعلمته في دراسة مورفولوجيا النبات لتحديد تطوُّر الزهور في خمسة أنواع من هذا الجنس بالتفصيل في أطروحة الدكتوراة الخاصة بها. وحاليًّا تدرس كوستيون –التي تعمل الآن باحثةً في مرحلة ما بعد الدكتوراة بجامعة فيرمونت في برلنجتون– المجموعة الهائلة من تركيبات الرحيق، وتقوم بالتحليل الجيني لمجموعة هائلة من أشكال الزهور.

ويأمل فريدمان أن يسير آخرون على خطى كوستيون؛ إذ يجمعون بين هذه المناهج وتقنيات المقارنة الكلاسيكية، ويتوصلون إلى أفكار جديدة حول الأسئلة التي لاحقت الباحثين على مدار عقود. ويضيف فريدمان: "كيف كانت تبدو الزهور الأولى؟ يمكنك على الأرجح أن تفتح كتابًا يعود إلى عام 1900 وتطرح الأسئلة نفسها التي كان الباحثون يطرحونها حول البنية الأساسية للنباتات. إننا نعرف المزيد من المعلومات اليوم، ولكننا لا نعرف الإجابات بالضرورة".