إبطال جينات OsPht1;9-1;10 يقلل تراكم الزرنيخ في حبوب الأرز (Oryza sativa)

لماذا تهم سلامة الأرز

بالنسبة لمليارات الناس، وخصوصاً في آسيا، يُؤكل الأرز يومياً. ومع ذلك في كثير من المناطق، تحتوي المياه والتربة المستخدَمة لزراعة الأرز على الزرنيخ، وهو عنصر سام يرتبط بالسرطانات وأمراض خطيرة أخرى. وبما أن نباتات الأرز قادرة بشكل غير اعتيادي على سحب الزرنيخ من التربة ونقله إلى حبوبها، فقد يتحول وعاؤنا اليومي من الأرز إلى مصدر رئيسي للتعرّض دون أن نلاحظ. تستكشف هذه الدراسة وسيلة لجعل نباتات الأرز تُحمّل حبوبها بالزرنيخ بدرجة أقل بكثير—دون التضحية بالمحصول أو بالعناصر الغذائية الأساسية—مما يوفّر مساراً نحو أغذية رئيسية أكثر أماناً.

كيف يتسلل الزرنيخ إلى الأرز

يوجد الزرنيخ في حقول الأرز المغمورة بالماء بشكل أساسي في شكلين، أحدهما، الزرنيخات (arsenate)، يشبه بشدة الفوسفات، وهو مغذٍ نباتي حيوي. تعتمد جذور الأرز على بروتينات متخصصة تعمل كبوابات لإدخال الفوسفات من التربة. وبما أن الزرنيخات يُشبه الفوسفات كثيراً، فإنه يمكنه المرور عبر نفس هذه البوابات وركوبها إلى داخل النبات. أظهرت أعمال سابقة أن تعطيل بعض هذه البوابات قد يقلل دخول الزرنيخ، لكن ذلك غالباً ما يُجوع النبات من الفوسفات ويخفض محصول الحبوب بشكل حاد. التحدّي كان في العثور على بوابات يستخدمها الزرنيخات، لكن لا يعتمد عليها الأرز بشدة لتغذيته.

العثور على البوابات المناسبة للاستهداف

لدى الأرز ما لا يقل عن 13 ناقلاً مرتبطاً للفوسفات يُعرف باسم ناقلات Pht1. ركّز المؤلفون على اثنين منهما، ويسميان OsPht1;9 وOsPht1;10، لأن بيانات سابقة أشارت إلى أنهما يستجيبان بقوة عندما يواجه النبات الزرنيخات. من خلال فحص نشاط الجينات في جذور الأرز المعرضة للزرنيخات وتحت ظروف فوسفات منخفضة أو عالية، وجد الفريق أن OsPht1;10 على وجه الخصوص يتم تشغيله عندما يكون الزرنيخات موجوداً في ظل مستويات فوسفات عادية. أظهرت اختبارات في خلايا خميرة مهندَسة، تفتقر إلى ناقلات الفوسفات الخاصة بها، أن كل من OsPht1;9 وOsPht1;10 فعالان جداً في إدخال الزرنيخات إلى الخلايا—وأكثر فعالية حتى من ناقل معروف سابقاً بقدرته العالية على نقل الزرنيخات.

هندسة الأرز لصد الزرنيخ وليس المغذيات

لمعرفة دور هذه البوابات داخل النباتات الحقيقية، استخدم الباحثون تقنية تحرير الجينات CRISPR لإنشاء سلالات أرز تم فيها تعطيل كل من OsPht1;9 وOsPht1;10. في تجارب الزراعة المائية، نمت هذه النباتات ذات الطفرات المزدوجة أفضل من النباتات العادية عندما وُجد الزرنيخات، مع جذور أطول ومقاومة أعلى. كشفت القياسات أن محتوى الأسواخ (الأجزاء الخضراء) من الزرنيخ كان أقل بنسبة 46–66%، وأن العصارة التي تحمل الماء والمغذيات من الجذور إلى الأوراق احتوت على ما يصل إلى ثُلث أقل من الزرنيخ. والأهم من ذلك، تحت مستويات الفوسفات العادية لم تظهر النباتات المحررة نقصاً في محتوى الفوسفات، مما يشير إلى أن ناقلات أخرى عوَّضت بسهولة عن امتصاص المغذيات بينما تم الحد بشدة من دخول الزرنيخات عبر OsPht1;9 وOsPht1;10.

اختبارات الحقل في تربة حقيقية

قد تكون الاختبارات المخبرية واعدة لكنها يجب أن تُؤكد في الحقل. لذا قام الفريق بزراعة النباتات المحررة والنباتات العادية لمواسم كاملة في تربة ملوّثة بالزرنيخ في موقعين بجنوب الصين، على مدار عدة سنوات مختلفة. عبر جميع التجارب، أنتجت النباتات التي تفتقر إلى كلا الجينين OsPht1;9 وOsPht1;10 محاصيل حبوب قابلة للمقارنة مع الأرز العادي، مما يظهر أن حيويتها العامة لم تتأثر. ومع ذلك انخفضت مستويات الزرنيخ في النباتات الكاملة بما يصل إلى 62%، وانخفض زرنيخ الحبوب بحوالي 19–67% اعتماداً على السنة والموقع. لم تُظهر الطفرات أحادية الجين، التي عُدِّل فيها OsPht1;9 أو OsPht1;10 فقط، تخفيضات متناسقة، مما يؤكد أن إيقاف كلا البوابتين ضروري لخفض تدفق الزرنيخ إلى الحبوب بشكل ملموس.

ما معنى ذلك لأرز أكثر أماناً

تُعرّف هذه الدراسة OsPht1;9 وOsPht1;10 كصمامات جينية رئيسية توجه الزرنيخات إلى الأرز دون أن تكون ضرورية لتغذية النبات بالفوسفات تحت ظروف المزرعة العادية. من خلال تحرير الجينين معاً، أنشأ الباحثون سلالات أرز تتراكم فيها كميات أقل بكثير من الزرنيخ في حبوبها مع الحفاظ على المحاصيل والمغذيات الدقيقة الأساسية. وبما أن العديد من البلدان تقيد الأساليب المتحولة التي تضيف حمضاً نووياً غريباً، فإن استهدافات تحرير الجينات في الجينات الأصلية—والمتغيرات الطبيعية نفسها—توفّر مساراً عملياً للمُحسِّنين لتطوير أصناف أرز منخفضة الزرنيخ. وعلى المدى الطويل، يمكن لمثل هذه المحاصيل أن تساعد في تقليل مصدر خفي رئيسي للتعرّض للزرنيخ لملايين الأشخاص الذين يعتمدون على الأرز كغذاء يومي.

الاستشهاد: Feng, H., Chen, C., Xu, M. et al. Knocking out OsPht1;9-1;10 genes decreases arsenic accumulation in rice (Oryza sativa) grains. Commun Biol 9, 518 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09741-5

الكلمات المفتاحية: الزرنيخ في الأرز, ناقلات الفوسفات, محاصيل معدلة جينياً, سلامة الغذاء, تحسين الأرز