كيف تنتج النباتات سماد النيتروجين بنفسها؟ تطوير المحاصيل لتقليل الاعتماد على الأسمدة

ألقت دراسة حديثة الضوء على كيفية تطور قدرة بعض النباتات على إنتاج النيتروجين من خلال علاقات تكافلية مع البكتيريا.

يعد هذا الاكتشاف أمرًا بالغ الأهمية للجهود الرامية إلى تطوير المحاصيل القادرة على تثبيت النيتروجين، مما يقلل الاعتماد على الأسمدة.

مسارات وراثية متعددة

وبحسب المؤلفة الرئيسية هيذر روز كيتس، التي أجرت البحث أثناء وجودها في متحف فلوريدا للتاريخ الطبيعي، فإن هذا الفهم قد يعزز تحسين المحاصيل من خلال النظر في مسارات وراثية متعددة بدلاً من التركيز على نوع نموذجي واحد.

وأضافت أن “جهود التربية وتحسين المحاصيل تركز غالبًا على نوع نموذجي واحد، وهو ما قد يتجاهل السياق التطوري للصفات”، وبدلاً من التركيز على طريقة واحدة فقط، تشير هذه الدراسة إلى أن الأساليب الجينية المتعددة قد تكون فعالة، قائلة “إن النظر فقط إلى ما قد نعتبره نسخة واحدة من هذه السمة قد يحد من فعالية هندسة هذه السمة في النباتات الأخرى.”

الميكروبات المثبتةللنيتروجين

يعد النيتروجين ضروريًا لجميع أشكال الحياة على الأرض، ولكن من الصعب الحصول عليه بسبب المنافسة الشديدة في البيئات الطبيعية على الرغم من وفرته في الغلاف الجوي.

يتكون ما يصل إلى 78% من الهواء الذي نتنفسه من النيتروجين، ولكن في صورة جزيئية لا تستطيع معظم الكائنات الحية استخدامها بشكل مباشر.

وتعتبر الميكروبات الدايازوتروفية هي الميكروبات الوحيدة القادرة على تثبيت النيتروجين الجوي.

تشكل حوالي 17000 نوع من النباتات علاقات تكافلية مع الميكروبات الطفيلية.

تصيب هذه الميكروبات جذور النباتات، مما يؤدي إلى تكوين هياكل تشبه العقد تسمى العقد، داخل هذه العقد، تتلقى البكتيريا السكر من النبات، وفي المقابل توفر النيتروجين القابل للاستخدام.

تم العثور على هذه العلاقة التكافلية في المقام الأول في مجموعة من النباتات ذات الصلة الوثيقة والتي تسمى مجموعة تثبيت النيتروجين، على الرغم من أن السمة موجودة بشكل غير متسق حتى داخل هذه المجموعة.

تكوين عقيدات الجذر

معظم النباتات المثبتة للنيتروجين هي نباتات بقولية، مثل فول الصويا والفول السوداني والبرسيم.

وتشمل النباتات غير البقولية المثبتة للنيتروجين أنواعًا من عائلة البتولا وعائلة الورد وبعض أقارب القرع.

تكوين العقد أمر معقد وراثيًا، مما دفع الباحثين إلى افتراض أن هذه العقد تطورت مرة واحدة في هذه المجموعة النباتية.

ويشير هذا إلى أن التبديل الجيني الوحيد قد يمكّن تكوين العقد في الأنواع التي تفتقر حاليًا إلى هذه السمة، بما في ذلك العديد من المحاصيل الزراعية .

أوضحت كيتس “عندما تنطوي السمة على عدد كبير من الجينات وتتطلب أيضًا تكلفة عالية للنبات من حيث الطاقة، وهو ما نعلم أنه يحدث في تكوين عقيدات الجذر، نتوقع وجود ضغط انتقائي قوي ضد تطور هذه السمة، لذا، في هذا السياق، فإن فرضية الأصل الواحد منطقية”.

النباتات العقدية وأقاربها

وقد اختبر العلماء هذه الفرضية من خلال إعادة بناء التاريخ التطوري للنباتات العقدية وأقاربها باستخدام البيانات الجينية من ما يقرب من 15000 نوع.

وقد أنشأوا أكبر شجرة حياة لهذه المجموعة، وقد تطلب منهم الحجم الهائل من البيانات تطوير أساليب تنظيمية جديدة.

قال المؤلف المشارك روبرت جورالنيك، أمين قسم معلومات التنوع البيولوجي في متحف فلوريدا: “كان لدينا في الأساس عامان لتجميع 15 ألف عينة أنسجة من مجموعة تثبيت النيتروجين، وتسلسلها وبناء شجرة”.

كانت العديد من العينات قديمة وتعرضت لتدهور الحمض النووي، لكن أساليب الاستخراج والتسلسل التي استخدمها الفريق عالجت هذه المشكلات.

وأشار جورالنيك إلى أن “الجودة والكمية العالية بشكل عام للبيانات الجينية المستردة والقابلة للاستخدام من عيناتنا كانت كافية”.

تطور تثبيت النيتروجين

تشير النتائج إلى أن تكوين العقد تطور في خطوتين، أولاً، طور أسلاف المجموعة مجموعة أدوات جينية أساسية لإنتاج العقد، ونقلها إلى الأجيال اللاحقة.

ومع ذلك، كانت هناك حاجة إلى تعليمات جينية إضافية لتنشيط التعقد، الذي تطور بشكل مستقل 16 مرة على الأقل.

كما فقدت بعض الأنواع القدرة على التعقد في 10 مناسبات منفصلة.

تشير النتائج إلى أن عملية تكوين العقد لا يتم التحكم فيها بواسطة مفتاح وراثي واحد، ولكن بواسطة قاطع دائرة معقد يتطلب مفاتيح متعددة.

حدد الباحثون وتسلسلوا العديد من الجينات المشاركة في عملية تكوين العقد، وستركز الأبحاث المستقبلية على وظائفها وسماتها.

علم الوراثة لتثبيت النيتروجين

وقالت المؤلفة المشاركة بام سولتيس، وهي أمينة في متحف فلوريدا: “الهدف العام هو استخدام ما تعلمناه من هذه الدراسات التطورية لمساعدتنا على فهم الجينات والعمليات الأساسية المشاركة في التعايش التثبيتي للنيتروجين، ومن ثم استخدام هذه المعلومات للهندسة”.

لا تستطيع أغلب المحاصيل التجارية، مثل القمح والأرز، تكوين عقيدات، وتعتمد على الأسمدة النيتروجينية، وتركز العديد من دراسات الهندسة الحيوية على البقوليات، لكن المؤلف المشارك دوج سولتيس يشير إلى أن هذا قد لا يكون النهج الأفضل، قائلا “وخلص إلى أن “شجرة النشوء والتطور لدينا تشير إلى أنه ربما يتعين علينا النظر في نماذج أخرى، وربما تطور تثبيت النيتروجين بشكل مختلف في البقوليات عما حدث في عائلة الورد أو عائلة البتولا، لذا فقد تكون هناك خرائط طريق مختلفة”.