كيفية حدوث الطفرات ونشوء السلالات

إن فهم نشوء السلالات يتطلب معرفة الأساس الجزيئي للتغاير وهذا يتطلب التعرف على كيفية حدوث الطفرات (التغيرات النيوكليوتايدية)، وتعرف الطفرة بأنها تغير جيني قابل للتوريث يحصل في الجينوم الفايروسي ينتج عنه تغير في صفات الفايروس ونشوء سلالة جديدة في حالة ثبات الطفرة وراثيا"، يحدث التطفير في الفايروسات طبيعيا أثناء تضاعفها داخل عوائلها واحتمال حدوث خطأ يقوم به إنزيم التضاعف وكما يبين ذلك الشكل التالي وقد يسبب ذلك ظهور العديد من الطفرات في النوع الفايروسي والتي يصعب جدا الكشف عنها.

ويعد ظهور السلالات شائعا مع العديد من أنواع الفايروسات والتي تظهر نتيجة التغاير الوراثي إلا أن احتمالية حصول هذا التغاير تكون منخفضة نسبيا في الفايروسات مقارنة بالطفيليات الأخرى الممرضة للنبات وذلك بسبب قلة عدد الجينات التي تمتلكها الفايروسات لذا فان تكرارية حدوث الطفرات يكون منخفضا فيها نسبيا مقارنة بالكائنات الدقيقة ذات الجينومات الأكثر تعقيدا ومع ذلك تحدث الطفرات في الفايروسات باستمرار لينتج عنها ظهور سلالة جديدة ويحصل ذلك طبيعيا نتيجة النقل المتكرر للفايروس المعني في مجموعة متتالية من النباتات، وتعد الفايروسات ذات الجينوم ssRNA هي الاكثر تعرضا للتطفير وانتاج السلالات وذلك لان القطع الذي يحصل في خيط الرنا يصعب اصلاحه عادة وبالتالي لن يعود الحامض النووي إلى حالته السابقة مما يعني حدوث التغاير واحتمالية ظهور سلالة، أما الفايروسات ذات الجينوم المزدوج الخيط سواء dsRNA أو dsDNA فمن السهل إصلاح القطع الذي قد يحصل فيها لذا فهي أقل تعرضا للتغاير وبالتالي لظهور السلالات.

شكل يوضح معدلات احتمالات نشوء الطفرات عند تضاعف الرنا أو الدنا بواسطة إنزيم تضاعف الرنا RNA polymerase او انزيم تضاعف الدنا DNA polymerase او انزيم الاستنساخ العكسي .Reverse transcriptase

الشكل مقتبس من Carter و Saunders (2008).

يسبب وجود سلالات عديدة للنوع الفايروسي الواحد حصول تنوع واسع للأعراض التي يسببها ذلك الفايروس وسجلت حالات عديدة وجدت فيها سلالتين للنوع الفايروسي في النبات العائل الأولى سلالة ظاهرة تبرز أعراضها على النبات فيما تكون السلالة الأخرى كامنة لا تظهر أعراضها على النبات ولكن عندما يتغير الظرف البيئي وخاصة الحرارة والضوء ليصبح ملائما للسلالة الكامنة عند ذلك تتحول إلى سلالة ظاهرة تبرز أعراضها هي الأخرى على النبات فضلا عن الأعراض التي تظهرها السلالة الأولى مما يسبب تعقيد الأعراض وتنوعها.

استعملت مصطلحات عديدة لوصف الطفرات الفايروسية ومنها (1) الطفرة المقيدة بالعائل Host restricted mutation او تسمى الطفرة المرخصة Permissive mutation وهي التي تتحدد بعائل معين دون غيره فيما يسمى العائل الذي لا يسمح للطفرة الفايروسية بالتضاعف فيه "العائل المانع للطفرة Restriction host أو يسمى العائل المقيد للطفرة  Non-permissive host (2) الطفرة المقيدة بالحرارة ومختصرها ts ويصطلح عليها Temperature Sensitive mutants او هي الطفرة التي تتضاعف فقط عند مدى معين من درجات الحرارة وتتوقف عن التضاعف إذا ما ارتفعت الحرارة أو انخفضت عن ذلك المدى وتسمى أيضا "الطفرات المميتة الظرفية" Conditional lethal mutants لأنها لا تستطيع التضاعف تحت ذات الظرف الذي يتضاعف فيه النوع الأبوي البري Wild type (3) الطفرة المميتة Lethal mutant وهي ناتج تطفير غير قادر على التضاعف تحت أي ظرف، ويطلق على الطفرات الفايروسية عموما بالطفرات الجينية Gene mutation لأنها تحصل في الجينات وبذلك فهي أبسط أنواع الطفرات التي تحصل في الكائنات الحية.

تنشأ الطفرات بأنواع التطفير التالية:

1. التطفير الكيماوي

يؤدي التطفير الكيماوي Chemical mutagens إلى نشوء الطفرات بتأثير كيميائي وقد عرف تأثير الكيماويات في التطفير لأول مرة عندما تمكن Gierer وMundry سنة 1958 من تطفير فايروس موزائيك التبغ بواسطة حامض النتروز Nitrous acid , HNO₂ خارج النسيج الحي حيث يعمل هذا الحامض على إزالة الأمين Deamination من القواعد النتروجينية فيتحول السايتوسين إلى اليوراسيل ويمثل هذا التحول حالة "إنتقال" Transition من نوع معين معروف من القواعد النتروجينية إلى نوع آخر معروف أيضا وبذلك ستنشأ طفرة قابلة للبقاء ويسبب هذا التحول غالبا تغييرا في ترتيب الأحماض الأمينية الداخلة في بناء الكابسيد إلا أن هذا الحامض قد يسبب تحول الأدينين إلى هايبوزانثين Hypoxanthine والكوانين إلى زانثين Xanthine وهذا تحول من قاعدة نتروجينية معروفة في النظام الجينومي إلى قاعدة غير مألوفة وبذلك ستنشأ طفرة مميتة توقف فعالية الجينوم، ويعد حامض النتروز مطفر فعال للرنا وليس للدنا سواء المفرد أم المزدوج الخيط ويعود سبب ذلك إلى غياب مجاميع الأمين في الدنا عدا أماكن انفصال الخيط كما أنه قليل التأثير على الكروموسومات في خلايا الكائنات الحية لأن الارتباط بين البروتينات والحامض النووي يقلل جدا من القدرة التطفيرية لهذا الحامض.

توجد العديد من المطفرات الكيماوية الأخرى وأكثرها استعمالا هي (1) مناظرات القواعد النتروجينيةBase analogs  وخاصة المركبات "2- ثايويوراسيل" 2-Thiouracil و "8- ازاكوانين" 8-Azaguanine (2) اليوراسيلات الهالوجينية Halogenated uracils والتي تضم المركبات "5- برومويوراسيل 5-bromouraci و "5- كلورويوراسيل" 5-Chlorouraci و "5- أيودويوراسيل" 5-iodouraci (3) البيورينات الأمينية ومنها المركب "2- أمينوبيورين" 2-aminopurine وتستند آلية التطفير لهذه المركبات على اجراء تحول في نوع القاعدة النتروجينية حيث تحل اليوراسيلات الهالوجينية محل الثايمين في الدنا وأكثرها كفاءة في التطفير هو المركب "5- برومويوراسيل" وذلك لأن مجموعة 5-bromo الموجودة في هذا المركب تشغل الحيز المكاني ذاته الذي تشغله مجموعة 5-methy في قاعدة الثايمين مما يسمح للقاعدة البديلة بالارتباط مع الكوانين بدل ارتباط الثايمين مع الأدنين في الجينوم الأصلي فيحصل التطفير (4) مادة الهايدروكسيل أمين Hydroxylamine وهي من المطفرات المهمة التي تحدث الطفرات خارج النسيج الحي وهي تعمل على البيرميدينات فقط وأهم مشتقاتها مركب الميثوكسي أمين Methoxyamine ومركب مثيل الهايدروكسيل أمين N-methyl hydroxylamine حيث تسبب عند تفاعلها مع اليوراسيل والثايمين إيقاف فاعلية الجينوم أو إحداث الطفرة أما عند تفاعلها مع السايتوسين فيحصل ازدواج لهذه القاعدة وبالتالي يرتبط هذا الشكل المزدوج مع الأدينين بدل الكوانين، كما تجعل الثايمين يأخذ موقع السايتوسين فتحصل الطفرة (5) المركبات الألكيلية Alkylating agents وهي من المركبات المطفرة المهمة وتشمل مشتقات غاز الخردل Mustard gas النتروجينية والكبريتية ومركبات كبريتات الألكيل Alkyl sulphate ومركب سلفونيت الألكيل Alkyl Sulphonate ومركبات اكسيد الايثيلين Ethylene oxide واكسيد البروبولين Propylene oxide واثيل مثيل اليلفونات Ethyl methyl Sulphonate وتعمل كل هذه المركبات على "ألكلة" Alkylation القواعد النتروجينية حيث تضيف مجموعة ألكيل على الموقع رقم 7 في الكوانين والموقع رقم 1 في الأدينين مما يؤدي إلى حصول تحول توتومتري" Tautometric shift يسبب تغيرا في ازدواج القواعد فيتحول المزدوج القواعدي "سايتوسين - كوانين" إلى المزدوج " أدينين – ثايمين" فتحصل الطفرة.

2. التطفير بالأشعة المؤينة وغير المؤينة

تسبب الأشعة المؤينة ومنها الأشعة السينية X-ray وأشعة كاما، والأشعة غير المؤينة متمثلة بالأشعة فوق البنفسجية UV تطفيرا لكل أنواع الجينومات الفايروسية وخاصة الجينوم ssRNA.

3. التطفير بالحرارة

تحصل الطفرات الفايروسية أيضا عند تنمية النباتات المصابة بالفايروس عند درجات حرارية مرتفعة نسبيا وهذا ما حصل مع فايروس موزائيك التبغ (TMV) عند إصابته لنباتات نمت عند 34م، ويفسر تأثير الحرارة المرتفعة بأنها توفر ظرفا مناسبا لانتخاب الطفرات التلقائية" Spontaneous mutants في مجتمع شبه النوع الفايروسي.

4. التطفير الطبيعي أو التلقائي

تحصل التطفير الطبيعي أو التلقائي Spontaneous mutation نتيجة النقل المستمر والمتكرر للفايروس المعني عبر سلسلة متتالية من النباتات المختلفة النوع أو حتى في أفراد النوع النباتي الواحد وبالتالي تظهر الطفرات الطبيعية أو التلقائية وأن معظم هذه الطفرات تحصل نتيجة "أخطاء استنساخيه" Copying errors يقوم بها إنزيم "الرنا المعتمد على الرنا" RdRp والذي يحدث خللا في مرحلة تضاعف الفايروس.