محققان آزمایشگاه کلد اسپرینگ هاربر و همکاران بین‌المللی‌شان موفق به کشف بیش از ۲.۳ میلیون سوئیچ ژنتیکی باستانی در DNA گیاهان شده‌اند که قدمت برخی از آنها به بیش از ۴۰۰ میلیون سال می‌رسد. این توالی‌های تنظیمی که «توالی‌های غیرکدکننده حفاظت‌شده» (CNS) نام دارند، با استفاده از یک ابزار محاسباتی جدید به نام Conservatory در ۳۱۴ ژنوم گیاهی از ۲۸۴ گونه شناسایی شدند.

این کشف که در مجله ساینس منتشر شده، معمایی دیرینه در زیست‌شناسی تکاملی را حل می‌کند. برای دهه‌ها دانشمندان تصور می‌کردند که DNA تنظیمی در گیاهان برخلاف حیوانات، در طول زمان حفاظت نمی‌شود. اما یافته‌های جدید نشان می‌دهد که این سوئیچ‌های ژنتیکی نه تنها باقی مانده‌اند، بلکه از اجداد مشترک گیاهان گل‌دار و غیرگل‌دار به ارث رسیده‌اند.

چگونه این کشف ممکن شد؟

تیم تحقیقاتی به رهبری ایدان افرونی از دانشگاه عبری، مادلین بارتلت از دانشگاه کمبریج و زاخاری لیپمن از CSHL، با مقایسه آرایش خوشه‌های ژنی در صدها ژنوم گیاهی و ردیابی الگوهای آنها از گونه‌های اجدادی تا گیاهان مدرن، موفق به شناسایی عناصر حفاظت‌شده‌ای شدند که روش‌های قبلی قادر به تشخیص آنها نبودند. آنات هندلمن، محقق پسادکتری CSHL، می‌گوید: «تجزیه و ویرایش ژنتیکی این CNSها تأیید کرد که آنها برای عملکرد رشدی ضروری هستند.»

سه قانون کلیدی تکامل DNA تنظیمی در گیاهان

این مطالعه سه الگوی مهم را آشکار کرده است: اول، ترتیب توالی‌های تنظیمی در طول کروموزوم علی‌رغم تغییر فاصله فیزیکی، ثابت می‌ماند. دوم، در بازآرایی‌های تکاملی، CNSها ممکن است به ژن‌های جدیدی متصل شوند. سوم، CNSهای باستانی اغلب پس از تکثیر ژن‌ها باقی می‌مانند و منبعی برای پیدایش عناصر تنظیمی جدید هستند. لیپمن توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که توالی‌های تنظیمی جدید اغلب از CNSهای قدیمی که پس از تکثیر ژن تغییر یافته‌اند، ایجاد می‌شوند.»

اهمیت این کشف برای کشاورزی و زیست‌شناسی

پروژه Conservatory یک اطلس جامع از حفاظت تنظیمی در سراسر گیاهان ایجاد کرده است که شامل ده‌ها گونه زراعی و اجداد وحشی آنها می‌شود. این اطلس می‌تواند به دانشمندان در بهبود محصولات کشاورزی از طریق ویرایش دقیق ژن‌های تنظیمی کمک کند. به عنوان مثال، با تغییر یک سوئیچ ژنتیکی می‌توان زمان گل‌دهی یا مقاومت به تنش‌های محیطی را تنظیم کرد. محققان امیدوارند که این ابزار راه را برای کشف سوئیچ‌های بیشتری هموار کند که بتوانند بهره‌وری گیاهان را در شرایط تغییرات اقلیمی افزایش دهند.