10 دقیقه
محققان دانشگاه آرهوس یک میانبر مولکولی قابل توجه گزارش میدهند که میتواند به غلات اصلی کمک کند تا کود نیتروژنی خود را تولید کنند. با تغییر تنها دو آمینواسید در یک پروتئین گیرنده روی سلولهای ریشه، دانشمندان میتوانند واکنش گیاه را از حالت دفاعی به حالت همکاری تغییر دهند — تغییری که میتواند وابستگی به کودهای نیتروژنی صنعتی را کاهش دهد و ردپای کربنی کشاورزی را کم کند. این دستاورد در زمینه کشاورزی پایدار و مهندسی زیستی گیاهی اهمیت عملی و زیستمحیطی دارد و میتواند مسیر جدیدی برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای و بهبود مدیریت کود ارائه دهد.
From fertilizer reliance to natural nitrogen partners
گیاهان برای ساخت پروتئین و رشد به نیتروژن نیاز دارند، اما بیشتر محصولات اصلی مانند گندم، ذرت، جو و برنج متکی به کود صنعتی هستند. تولید کودهای نیتروژنی صنعتی، بهویژه کودهای مبتنی بر فرایند هابر-بوش، تقریباً دو درصد از انرژی جهانی را مصرف میکند و در عین حال انتشار قابلتوجهی از دیاکسیدکربن و سایر آلایندهها ایجاد میکند. در مقابل، لگومها (گیاهان خانواده نخود، شبدر و لوبیا) از طریق یک همکاری بیولوژیک رایگان به نیتروژن دست مییابند: باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن در گرههای ریشهای آنها، نیتروژن جوی را به اشکال قابلاستفاده برای گیاه تبدیل میکنند.
اگر بتوان این راهبرد زیستی را به غلات منتقل کرد، تأثیر آن بر کشاورزی پایدار میتواند عظیم باشد. کاهش نیاز به کود معدنی نه تنها هزینههای تولید را کم میکند، بلکه خطر فرسایش و شستشوی نیتروژن به آبهای سطحی را که منجر به افزایش جلبکها و اختلال در اکوسیستمهای آبی میشود، کاهش میدهد. علاوه بر این، کاهش مصرف سوخت فسیلی در تولید کودهای شیمیایی و کاهش میزان انتقال و کاربرد کود در مزارع به معنی پایین آمدن انتشار گازهای گلخانهای مرتبط با کشاورزی است.
A molecular switch that decides friend or foe
سؤال کلیدی این است که چرا بعضی گیاهان باکتریهای مفید را میپذیرند در حالی که دیگران درِ دفاع را روی میکروب میبندند؟ پاسخ تا حد زیادی در نحوه خوانش سیگنالهای شیمیایی خاک توسط گیرندههای پروتئینی روی سلولهای ریشه نهفته است. این گیرندهها پیامهای میکروبی را ارزیابی میکنند و سپس مسیرهایی فعال میشود که یا دفاع ایمنی را به راه میاندازند یا درِ همزیستی را باز میکنند.
تیم آرهوس بخش کوچکی از یک گیرنده مشخص را که با نام Symbiosis Determinant 1 نشانهگذاری شده است، شناسایی کردهاست؛ منطقهای که عملکردی شبیه یک سوئیچ دارد. در این بخش، تنها دو آمینواسید تعیین میکنند سیگنال باکتریایی چگونه تفسیر شود و پیام چه مسیری را طی کند. با جابجایی این دو واحد سازنده، گیرندهای که معمولاً زنگ هشدار را به صدا درمیآورد میتواند بهجای دفاع، اجازهٔ استقرار باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن را در ریشه بدهد.
دو اصلاح مولکولی ظریف ممکن است به تبدیل محصولات روزمره به تولیدکنندگان خودکار کود منجر شود؛ اما این مسیر نیازمند توجه به ژنتیک، میکروبیوم خاک و عملکرد مزرعه است. مطالعات بیشتر باید سازگاری این تغییر را در شرایط خاک، آب و هوایی و میکروبی متنوع ارزیابی کنند تا مزایا در عمل به دست آید.
این دو آمینواسید در داخل همان ناحیه تصمیمگیرنده پیام داخل سلول را تعیین میکنند. اگر این دو واحد تغییر کنند، گیرندهای که معمولاً هشدار میدهد ممکن است به جای اینکه مهاجم را دفع کند، محیط مناسبی برای کلنیسازی باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن فراهم آورد. پژوهشگران مینویسند: «ما یک قدم به تولید مواد غذایی سازگارتر با اقلیم نزدیکتر شدهایم»، و نویسندگان اصلی مطالعه، کاسپر رویکییر اندرسن و سیمونا رادوتویو، این یافته را «قابلتوجه و مهم» توصیف میکنند. این کشف نشان میدهد که حتی تغییرات بسیار کوچک در پروتئینهای گیرنده میتواند پیامدهای بزرگ در تعامل گیاه-میکروب داشته باشد.
Lab proof: lotus and barley respond the same way
در آزمایشهای کنترلشده، تیم ابتدا مدل لگوم Lotus japonicus را اصلاح کرد و نشان داد که تغییر درگیرنده امکان همزیستی با باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن را فراهم میآورد. این نتیجه نشان میدهد که مسیرهای مولکولی مورد نیاز برای تشکیل گرههای ریشه و پذیرش باکتری در این نوع گیاه قابل فعالسازی است. سپس همان تغییر دقیق را در جو (barley) اعمال کردند و مشاهده کردند که واکنش مشابهی رخ میدهد: گیرندههای اصلاحشده در جو نیز باکتریها را میپذیرند در حالی که گیرندههای دستنخورده چنین اجازهای نمیدهند.
کاسپر رویکییر اندرسن میگوید: «بسیار جالب است که اکنون قادر هستیم یک گیرنده را از جو برداریم، تغییرات کوچکی در آن ایجاد کنیم و سپس تثبیت نیتروژن دوباره کار کند.» این مشاهدات در آزمایشگاه نشان میدهد که برخی اجزای مولکولی لازم برای ایجاد همزیستی در غلات قابل بازآفرینی هستند، اما تبدیل این نتایج به عملکرد در مزرعه نیازمند کار اضافی روی ژنهای پشتیبان، تعاملات میکروبی و شرایط محیطی است.
Why two amino acids matter
- آمینواسیدها واحدهای سازندهٔ پروتئینها هستند؛ تغییر یک یا دو آمینواسید میتواند شکل سهبعدی پروتئین یا نحوهٔ تعامل آن با مولکولهای دیگر را تغییر دهد. این تغییر ساختاری ممکن است موجب شود گیرنده به نوع متفاوتی از لیگاند یا سیگنال واکنش نشان دهد.
- در این مورد، به نظر میرسد که آمینواسیدهای تغییر یافته تفسیر گیرنده از سیگنالهای باکتریایی را تغییر میدهند — به عبارت دیگر، واکنش دفاعی را به مجوز همزیستی تبدیل میکنند. این جابهجایی میتواند مسیرهای سیگنالدهی داخل سلول را از فعالسازی ژنهای ایمنی به سمت فعالسازی ژنهای مشارکتی هدایت کند.
- این یک کلید جهانی برای تمام محصولات زراعی نیست؛ بلکه یک سرنخ حیاتی میان چندین تغییر مورد نیاز برای بازآفرینی توانایی تثبیت نیتروژن مشابه لگومها در غلات است. بازسازی کامل این قابلیت احتمالاً نیازمند ترکیب چندین ژن و تنظیم دقیق مسیرهای سیگنالینگ و پشتیبانی متابولیک است.
Implications for global agriculture and climate
جایگزینی کود شیمیایی با تثبیت زیستی نیتروژن در محصولات عمده میتواند بهطور چشمگیری تقاضای انرژی و انتشار گازهای گلخانهای بخش کشاورزی را کاهش دهد. کاهش ورودیهای کود همچنین به کاهش پدیدهٔ اوتروفیکاسیون در آبرها کمک میکند که عامل اصلی کاهش کیفیت آب و خسارت به اکوسیستمهای آبی است. از منظر اقتصادی، کاهش هزینههای تهیه، حمل و توزیع و کاربرد کود به معنی هزینه تولید پایینتر و سودآوری بیشتر برای کشاورزان است، بهویژه در مناطق کمدرآمد که دسترسی به کودهای صنعتی محدود یا پرهزینه است.
با این حال، فاصلهٔ بین موفقیت در آزمایشگاه و تولید ارقام قابلکشت در مزرعه هنوز طولانی است. گیاهان اصلاحشده باید توانایی تحمل خاکهای مختلف، شرایط آب و هوایی متنوع و جوامع میکروبی متفاوت را داشته باشند. همچنین پایداری جمعیت باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن، سازگاری بلندمدت بافت گیاهی و حفظ عملکرد و عملکرد محصول (بازدهی) از نکات اصلی هستند. هر گونه ویرایش ژنتیکی یا استراتژی پرورشی برای انتقال این ویژگی به غلات باید از منظر ایمنی زیستی، اکولوژیک و مقرراتی مورد ارزیابی جامع قرار گیرد.
سیمونا رادوتویو خاطرنشان میکند: «در حال حاضر تنها تعداد کمی از محصولات قادر به همزیستی هستند. اگر بتوانیم این توانایی را به محصولات پراستفاده گسترش دهیم، واقعاً میتواند تفاوت زیادی در میزان نیتروژنی که باید استفاده شود ایجاد کند.» او تأکید میکند که کلیدهای ژنتیکی بیشتری باید کشف شوند تا یک راهحل جامع و عملی برای تثبیت نیتروژن در غلات فراهم شود.
Next steps: mapping the full toolbox
تغییر در گیرنده یک هدف باارزش برای گیاهشناسان مولکولی و اصلاحگران گیاهی فراهم میکند، اما احتمالاً تنها یکی از اجزای یک راهحل چندژنی است. پژوهشگران باید ژنها و مسیرهای سیگنالینگ اضافی را شناسایی کنند که تشکیل گرههای ریشه (root nodules) را ممکن میسازند، جمعیتهای باکتریایی پایدار را حمایت میکنند و تضمین میکنند که عملکرد و مقاومت محصول در شرایط مزرعه حفظ شود.
نقشهبرداری از مجموعهٔ کامل ابزار ژنتیکی و مولکولی شامل شناسایی فاکتورهای انتقالکنندهٔ ژن، پروتئینهای کمکی در تغییر شکل سلولی، مسیرهای تنظیمکننده متابولیکی که نیازهای انرژی را برای تثبیت نیتروژن تأمین میکنند و عوامل کنترلکننده ارتباطات میزبان-میکروب است. علاوه بر جنبههای مولکولی، مهندسی میکروبیوم خاک (microbiome engineering)، انتخاب و پرورش سویههای باکتریایی تثبیتکننده مناسب برای شرایط محلی، و طراحی برنامههای مدیریتی کشت که تعاملات مفید را تشویق کنند نیز بخشهای مهمی از راهبرد کلی هستند.
ادغام این زیستشناسی در غلات عمده نیازمند استراتژیهای پرورشی دقیق، آزمایشات میدانی گسترده در مناطق با اقلیم و خاک متنوع، و گذر از مسیرهای قانونی و مقرراتی مرتبط با هر گونه تغییر ژنتیکی است. شواهد علمی، تحلیل ریسک اکولوژیک، و مشارکت با کشاورزان و ذینفعان در مراحل توسعه از اهمیت بالایی برخوردارند تا اطمینان حاصل شود که مزایا بهصورت پایدار و امن حاصل میشوند.
Expert Insight
«این کشف قطعهٔ مهمی از پازل است»، دکتر مایا تامپسون، زیستشناس مولکولی گیاه در دانشگاه کمبریج میگوید. «دو آمینواسید ممکن است جزئی بهنظر برسند، اما زیستشناسی اغلب بر تغییرات ریز استوار است. ترجمهٔ این یافته به محصولاتی که کشاورزان بتوانند بهطور گسترده کشت کنند، نیازمند نگاه سیستمی است — ترکیب ژنتیک، مهندسی میکروبیوم و کشاورزی مزرعهای — اما پاداش بالقوه برای کشاورزی سازگار با اقلیم بسیار بزرگ است.»
با توسعه تحقیقات در سراسر جهان، هدف تنها نوآوری علمی نیست بلکه تأثیر عملی است: کاهش وابستگی به کود، کاهش انتشار گازهای گلخانهای و بهبود امنیت غذایی. مطالعهٔ دانشگاه آرهوس گامی ملموس به سوی محصولاتی است که با میکروبها همکاری میکنند بهجای اینکه با آنها در نبرد باشند — یک تلنگر مولکولی کوچک که شاید روزی کشاورزی را دگرگون کند. در نهایت، ترکیب یافتههای مولکولی با برنامههای مدیریتی کشاورزی، اقتصاد تولید و مقررات زیستی میتواند راه را برای نسل جدیدی از غلات دوستدار محیط زیست باز کند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر