د أحمد القط يكتب: مردود آباء القمح المفقوده على قمح الخبز

Ahmed Hassan29 سبتمبر, 2022

8 دقائق

باحث – معهد المحاصيل الحقلية – مركز البحوث الزراعية – مصر

اهميه القمح فى مصر

يعتبر محصول القمح من اهم محاصيل الحبوب في مصر والذي يمد بأكثر من 30% من احتياجات السعرات الحرارية للسكان ، وتصل المساحة المنزرعة بالقمح في مصر تصل إلى 1.4 مليون هكتار وهو مايعادل 30% من اجمالى المساحة المنزرعة في مصر . ويقترب الانتاج الكلي من 9 مليون طن والتي تغطي أكثر من 50 % من الاحتياجات الاستهلاكية للشعب وأن العجز في الاستهلاك يتم تغطيته من خلال الاستيراد من الخارج مما يجعل الاقتصاد المصري عرضه للتقلبات السعرية الدولية .

جينوم القمح

يحتوى قمح الخبز ( القمح السداسى ) على جينوم كبير جدًا ومعقد سداسي المجموعة الصبغية، ويبلغ عدد قواعده النيتروجينية 17 جيجا قاعدة (17 مليار زوج قاعدة) من القواعد النيتروجينية المكونة للحمض النووي (دي إن إيه). ويتكون جينوم القمح من ثلاثة جينومات كل منها يحتوي على سبعة كروموسومات (صبغيات) وهى الجينوم A والجينوم B والجينوم Dأي أن قمح الخبز يحتوي على 21 كروموسومًا. ويحتوي جينوم القمح على 85% من التتابعات المتكررة في مادته الوراثية مما يجعل دراسه جينوم القمح وفهمه من الامور المعقده . وتم تقسيم وتحديد القمح إلى ثلاث مجموعات وهي القمح الثنائي وعدد الكروموسومات به 14، والقمح الرباعي (قمح الديوروم ) وعدد الكروموسومات به 28 والقمح السداسي وعدد الكروموسومات به 42. وتطوّر الجينوم سداسي الكروموسومات لقمح الخبز، نتيجة لتهجين 3 من الاباء البريه والتى ساهمت بمجموعه الجينوم A والجينوم B والجينوم Dحيث تم التهجين بين الجينوم ِA والجينوم B لتكوين التركيب الوراثى AABB ثم تم التهجين بين القمح الرباعى والذى يحمل التركيب الوراثى AABB وعدد الكروموسومات به 28 كروموسوم مع الأب الثنائى ايجلوبس تاشى ذات التركيب الوراثى DD وعدد الكروموسومات به 14 كروموسوم لينتج القمح السداسى ذات التركيب الوراثى AABBDD . وقد قَدمت ورقتان بحثيتان نشرتا بمجلة «نيتشر» متتابعات الجينوم لاثنين من أسلاف القمح، وتحليلًا لهما، وهي متتابعات لجينوم القمح البري ثنائي الصبغيات، الشبيه بالقمح المستنبت بجانب تحليل الترَنسكريبتوم الخاص به. وهذه الجينومات وتحليلاتها أدوات قوية لدراسة جينومات القمح المركبة متعددة الصبغيات، ومصدرًا قيمًا لتحسين القمح وراثيًّا.

كيف حصل القمح على الشبكه الجلوتينيه

فى دراسة لتقصى وتتبع الصفة التى يتفرد بها قمح الخبز دون محاصيل الحبوب الأخرى وهى إحتوائة على الشبكة الجلوتينية الى تجعله أكثر الحبوب صلاحية فى صناعة الخبز قام مجموعة من العلماء الدوليين من 17 دولة بعمل دراسة لنوع القمح Aegilops tauschii الذى يحمل جينوم D الموجود فى قمح الخبز الذى يحمل الجينومات الثلاث ABD .

نوع القمح Aegilops tauschii يوجد بصفة برية فى منطقة الهلال الخصيب التى تمتد من تركيا إلى وسط آسيا. وقد إستطاع فريق عمل بمركز جون انيس سنتر بالمملكه المتحده وباحثين من ثمانى عشر دوله من بينهم مصر التثبت من وجود سلالة خاصة من هذا النوع فى جورجيا فى منطقة القوقاز والتى يعتقد أنها مصدر الصفات الخاصة بالجينوم D الموجود فى قمح الخبز ولذا يعتقد أن التهجينات التى أدت إلى الحصول على قمح الخبز الحالى حدثت خارج منطقة الهلال الخصيب وشاركت فى التركيب الوراثى الحالى للقمح.

وبعزل الحمض النووى للأب البرى Aegilops tauschiiوعمل تحليل وراثي لمجموعة التراكيب الوراثية من Aegilops tauschii التى تم جمعها من منطقة القوقاز (تحديداً من جورجيا) وهى تبعد بحوالى 500كم من منطقة الهلال الخصيب والتى كانت أول منطقة يزرع فيها القمح وتشمل العراق وسوريا ولبنان وفلسطين والأردن ومصر اثبتت هذه الدراسات على مساهمة هذه السلالة فى نقل الصفات الوراثية بها إلى قمح الخبز.

فى دراسة أخرى فى جامعة كانساس بالولايات المتحدة لدراسه خواص الشبكه الجلوتينيه وتوارثها فى قمح الخبز أظهرت النتائج أن الحمض النووى DNA الموجود فى Aegilops tauchii هو الموجود قى قمح الخبز الحالى متضمنة الجين الذى يعطى الخواص الجلوتينية لدقيق القمح سواء من ناحية قوة العجين والمطاطية وهذا الجين يعطى أعلى جودة للعجين فى القمح. وهذه الدراسات أدت إلى نقل حوالى 70% من التباين الوراثى لجينوم D إلى قمح الخبز الحالى ومتاحة للمربين لاستخدامها فى برامج تحسين القمح السداسى وبناءا على ماسبق من دراسات قام الباحثون المشاركون فى هذا العمل بيجتاز جبال زاجروس فى منطقة الشرق الأوسط وسوريا والعراق لجمع عينات من حبوب القمح والتى قد تستخدم فى تحسين القمح والان نحن على أبواب معرفة أسرار هذه التراكيب الوراثية والذى قد يساهم فى تحقيق هذا الهدف بالإضافة إلى تحديد أهم جين الذى يعطى القمح جودة عالية فى العجين.

بعض اباء القمح البرى

فك شفرة جينوم القمح:

قمح الخبز السداسى يمثل 95% من مساحة القمح فى العالم وهو يحتوى على ثلاثة أنواع من الجينوم هى ABD وهذا يعنى أن كل تركيب من الحمض النووى DNA يوجد منه ستة مجموعات من الكروموسومات (3 أزواج لكل كروموسوم). وقد حدثت تهجينات فى الطبيعة بين الأنواع المختلفة وخلالها حدث إنتقال لجينوم D من Ae. Tauschii الذى أضاف صفة العجين لدقيق القمح بالإضافة إلى إمكانية زراعته تحت ظروف أنواع مختلفة من التربة وظروف مناخية مختلفة.

وقد أظهرت الدراسات القديمة والجديدة أن أول زراعات للقمح كانت منذ حوالى 10.000 سنة فى منطقة الهلال الخصيب . ونظراً لانتشار زراعة القمح وإجراء عمليات التحسين الوراثى لزيادة المحصول مما أدى إلى إنخفاض نسبة التباين الوراثى الواردة من جينوم D خاصة المقاومة للأمراض وتحمل الحرارة العالية.

وقد أظهرت دراسات أن 25% فقط من الصفات الوراثية للنوع Aegilopus tauschii موجودة فى القمح السداسى مما يدل على حدوث إختفاء للصفات الوراثية المكتسبة من هذا النوع فى قمح الخبز الحالى. ولذا قام العلماء بأستخدام تقنية Association mapping لاكتشاف جينات جديدة فى هذا النوع Ae. Tauschii خاصة بمقاومة الأمراض والتقلبات البيئية. وهذه الدراسات الجينوميه للاباء البريه للقمح تساعد فى الحصول على درجة أعلى من التباين الوراثى وعدد أكبر من الجيات المرغوبه التى قد تستخدم فى اهداف مختلفه فى برامج التربيه والتى يمكن من خلالها تحسين بعض الصفات الوراثيه لأصناف القمح المختلفه . كما أن هناك العديد من الدراسات قامت بنقل جينات هذه الصفات من Aegilops tauschii سواء بطرق التهجين العادية أو باتباع التقنيات الحديثة والحصول على سلالاتSynthetic wheat يحمل جينوم Aegilops tauschii .

وفى هذا الصدد فان بعض جينات المقاومه لأحد الأمراض الهامه فى القمح وهو الصدأ الأصفر تم نقلها من الاب البرى الى Aegilops tauschii الى قمح الخبز السداسى بل ان هناك مجموعه من جينات المقاومه للأصداء تم تحديدها واكتشافها فى القمح البرى Aegilops tauschii قد اثبتت فاعليه عاليه لمقاومه السلالات الفطريه المختلفه فى كثير من دول العالم مما يبين مدى فاعليه هذه الجينات ضدد السلالات الفسيولوجيه فى كثير من دول العالم وهذه ميزه كبيره لمربى القمح مما يساعد فى نقل هذه الجينات الى اصناف القمح وتحسين برامج التربيه بشكل سريع.

الاباء البريه للقمح ومقاومه الامراض فى قمح الخبز

يعتبر فهم ودراسة التركيب الوراثي للقمح اللبنة الأساسية لنجاح برامج تربية النبات التي أضحت تعتمد أكثر وأكثر على طرق جديدة أسرع وأكثر فعالية وموثوقية، لتطوير وإنتاج أصناف محسنة، ولزيادة الإنتاجية، كاستخدام المعلمات الوراثية في دراسات تقييم التنوع الوراثي، وتعريف الأصناف، وتحديد القرابة الوراثية فيما بينها، وفي برامج تربية النبات ورسم الخرائط الوراثية ونقل جينات المقاومة للامراض من الاباء البرية الى الاصناف المنزرعة بهدف نقل صفة المقاومة لهذة الاصناف .

تعتبرالاباء البريه للقمح احد اهم الموارد الوراثيه لاكتشاف جينات جديده لمقاومه الامراض او بعض صفات الجوده مثل حجم الحبوب ووزن الحبوب ويعتبر الأب الثنائى البرى للقمح Triticum boeoticum (BOISS.) والمسؤل عن توارث الجينوم A احد اهم الموارد الوراثيه المتاحه ومن خلال دراسه جينوم هذا الاب الثنائى تم التعرف على جينيين لمقاومة البياض الدقيقى وجين لمقاومة الصدأ الأسود في القمح فى الاب البرى الثنائي Triticum boeoticum (BOISS.) ونقلهما الى القمح السداسى المنزرع باستخدام المعلمات الوراثية وذلك لاسراع برامج التربيه وتوفير الوقت الذى قد يستغرق اكثر من عشره اعوام لتطوير سلاله من القمح تحتوى على بعض الصفات المرغوبه .

وقد تم عمل التهجين بين القمح الثنائي المقاوم والقمح الرباعي للحصول على جيل أول ثلاثي ذات تركيب وراثي ((AAB يحمل جينات المقاومة من القمح الثنائي ثم بعد ذلك تم تهجين القمح الثلاثي مع القمح السداسي المنزرع المراد نقل صفة المقاومة له لثلاث أجيال رجعية وفى كل من الجيل الأول والأجيال الرجعية الثلاثة تم الانتخاب بواسطة المعلمات الوراثية حيث تم انتخاب النباتات التي تحمل جين المقاومة من الأب الثنائي وكذلك تم تقدير مدى المقاومة للأمراض وشدة الإصابة في الحقل لكلا من البياض الدقيقى والصدأ الاسود والصدأ الاصفر.
في هذه الدراسة ساهمت المعلمات الوراثية بشكل مباشر في نقل جينيين لمقاومة البياض الدقيقى إلى القمح السداسي وكذلك جين مقاومة الصدأ الأسود( Sr22 (المقاوم لسلالة الصدأ الأسود الجديدة Ug99) ) وعند تقدير المقاومة ونسبة الاصابة فى الحقل كانت النباتات التي تحمل جينات المقاومة من القمح الثنائي البرى ذات قدرة عالية على المقاومة تحت ظروف الحقل بينما النباتات التي لا تحمل جينات المقاومة كانت مصابة بالكامل .كما تم تقييم كل السلالات لمرض الصدأ الاصفر والصدأ الربتقالى وتم اختيار النباتات المقاومة البياض الدقيقى والصدأ الاسود وكذلك الصدأ الاصفر وبذلك تعتبر هذة السلالات تحتوى على جينات مقاومة لأربعه أمراض فى وقت وحد .

وتعتبر هذه الدراسة الأولى من نوعها على محصول القمح لنقل جينات مقاومة من أقماح برية ثنائية إلى أقماح سداسية منزرعة بواسطة استخدام المعلمات الوراثية وفى هذا الصدد يعتبر تطبيق مثل هذه الطرق الحديثه فى برامج تربيه القمح فى مصر سوف يساهم فى انتاج اصناف من القمح ذات مقاومه عاليه للأصداء الثلاثه وكذلك البياض الدقيقى مما يساهم فى الحفاظ على البيئيه المصريه من استخدام المبيدات الفطريه وكذلك هى اهم الطرق الامنه على حياه الافراد.

القمح البرى الرباعى كمصدر هام لمقاومه الأمراض فى القمح

يعتبر القمح البرى الرباعى Triticum dicoccoidesو T. turgidum الاب البرى للقمح الحديث رباعى الصبغيات وسداسى الصبغيات احد اهم الموارد الوراثيه لمقاومه الامراض فى القمح. تم اكتشاف سلالات من القمح و Triticum dicoccoides ذات مقاومه عاليه للصدأ الاصفر والصدأ البرتقالى فى القمح.

كثيرا من جينات المقاومه للصدأ البرتقالى فى القمح تم اكتشافها ونقلها من الاب الرباعى البرى Triticum dicoccoides و T. turgidum مثل جينات المقاومه Lr53 و Lr61 و Lr64 وكذلك جينات المقاومه للصدأ الأصفر Yr15, Yr35 والتى تم اكتشافها ونقلها من الاب البرى الرباعى Triticum dicoccoides.

كما يوجد العديد من الجينات لمقاومه الصدأ الأسود فى القمح تم نقلها ايضا من الاب الرباعى Triticum dicoccoidesو T. turgidum مثل جين المقاومه Sr2و Sr13. كما ناه قد تم اكتشاف العديد ايضا من جينات المقاومه للبياض الدقيقى ونقلها الى قمح الخبز بالتهجين مع هذه الاباء البريه الرباعيه مثل جينات المقاومه Pm16, Pm26, Pm30, Pm31,Pm36, PM41, Pm42, Pm5a, Pm49and Pm50

المراجع

1. Wheat Breeding. Its Scientific Basis, ed F. G. H. Lupton. xv + 566 pp. London: Chapman & Hall (1987). ISBN 0 412 24470 5. – Volume 114 Issue 3

2. Delorean, E., Gao, L., Lopez, J.F.C. et al. High molecular weight glutenin gene diversity in Aegilops tauschii demonstrates unique origin of superior wheat quality. Commun Biol 4, 1242 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02563-7

Sm, Chinoy C, Nicholson P, Quiroz-chávez J, Simmonds J, Hayta S, Smedley MA, Harwood W Gaurav K, Arora S, Silva P, Sánchez-martín J, Horsnell R, Gao l, Brar G S, Widrig V, Raupp J, Singh N, Wu S, Kale, Pearce S, Gilbert D, Kangara N, Gardener C, Forner-martínez M, Liu J, Yu G, Boden S, Pascucci A, Ghosh S, Hafeez AN, O’hara T, Waites J, Cheema J, Steuernagel B, Patpour M, Justesen AF, Liu S, Rudd JC, Avni R, Sharon A, Steiner B, Pkirana RP, Buerstmayr H, Mehrabi AA, Nasyrova FY, Chayut N, Matny O, Steffenson BJ, Sandhu N, Chhuneja P, Lagudah E, Elkot AF, Tyrrell S, Bian X, Davey RP, Simonsen M, Schauser l, Tiwari VK, Kutcher HR, Hucl P, Li A, Liu D-C, Mao l, Xu S, Brown-Guedira G, Faris J, Dvorak J, Luo M-C, Krasileva K, Lux T, Artmeier S, Mayer KFX, Uauy C, Mascher M, Bentley AR, Keller B, Poland J, Wulff BBH (2022). Population genomic analysis of Aegilops tauschii identifies targets for bread wheat improvement. Nature Biotechnology , 40(3), pp. 422–431. https://doi.org/10.1038/s41587-021-01058-4
Elkot AFA, Singh R, Kaur S and Chhuneja P (2021). Mapping novel sources of leaf rust and stripe rust resistance introgressed from Triticum dicoccoides in cultivated tetraploid wheat background. Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology. 30: 336–342. DOI https://doi.org/10.1007/s13562-020-00598-1
Chhuneja P, Yadav B, Stirnweis D, Hurni S, Kaur S, Elkot AFA, Singh K (2015). Fine mapping of a new powdery mildew resistance gene PmTb7A and a new allele of Pm1Tb in Triticum boeoticum using the survey sequence data of chromosome 7AL. Theoretical and Applied Genetics 128:2099–2111.