كيف تتعامل النباتات مع النقص المتزايد في المياه؟

تم الكشف عن نشاط البروتينات المسؤولة عن العمليات التي تقوم بها النباتات للتعامل مع ظروف الجفاف

اتضح أن البشرية ليست الوحيدة التي يتعين عليها إجراء تغييرات سريعة للتعامل مع أزمة المناخ. وحتى النباتات، التي كانت تنمو حتى الآن في بيئة غنية بالمياه، تضطر إلى التعامل مع المواقف القاسية، التي تتميز بنقص حاد في الماء والرطوبة. كيف يفعلون ذلك؟ اكتشف باحثون في جامعة تل أبيب آلية مركزية في النباتات تساعدها على التعامل مع الظروف الجافة. هذه هي البروتينات التي تحرك وتنظم جزيء إشارة صغير، والذي يتحكم في عمليتين أساسيتين: إغلاق صيوان الأوراق لمنع فقدان الماء ونمو مجموعة متفرعة من الجذور الجانبية التي تمتص الماء من التربة. وبحسب الباحثين، فإن فهم آليات استجابة النباتات للبيئة المتغيرة قد يقدم مساهمة كبيرة في الزراعة في عصر تغير المناخ، وبالتالي تحسين الأمن الغذائي في العالم.

 

أغلق البيادق

البحث الدولي الذي استمر 6 سنوات وشمل العديد من المراحل، قاده الدكتور يوتسين تشانغ والبروفيسور إيلون شاني من كلية علوم النبات والأمن الغذائي في كلية جورج س. وايز لعلوم الحياةوشارك فيه باحثون من معهد وايزمان بسويسرا وألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية والدنمارك.

 

ويقول البروفيسور شاني: "إن فهم استجابة النباتات لبيئتها المتغيرة أمر مهم للغاية في عصر التغير المناخي السريع، وله أهمية كبيرة بالنسبة للمحاصيل الزراعية التي تغذي البشرية". "من المعروف منذ فترة طويلة أن أحد استجابات النبات لنقص المياه هو إغلاق الأوراق - فتحات صغيرة في الأوراق تسمح بالاتصال بالبيئة. وعندما تكون الأوراق مفتوحة، يزداد دخول وخروج الغازات، وتتسارع عملية التمثيل الضوئي، وينتج النبات الطاقة، وينمو وينتج الثمار. لكن عندما يرغب النبات في الحفاظ على كمية الماء القليلة المتوفرة له فإنه يقوم بإغلاق الأوراق ويقلل من عملية تبخر الماء من خلال الأوراق. هذه آلية حساسة وسريعة للغاية، يحافظ النبات من خلالها على التوازن الصحيح في كل لحظة: فهو يفتح أو يغلق الأوراق في غضون ثوان إلى دقائق استجابة لأي تغيير بسيط في توفر الماء ودرجة الحرارة وكمية الضوء. "

 

وفقا للباحثين، بالفعل في الستينيات من القرن الماضي أصبح من الواضح أن أحد المواد الرئيسية في آلية التحكم في الفاوانيا هو هرمون نباتي يسمى ABA - جزيء إشارة صغير يشير إلى البيونات بضرورة إغلاقها. في ظل وجود مستوى عال من ABA البيادق تغلق، والعكس: في غيابه تفتح.

 

كان الاعتقاد السائد لسنوات هو أنABA تتشكل في الجذور استجابة لجفاف التربة، ثم يصعد صعوداً إلى الساق إلى الأوراق لإغلاق الأعناق. وفي الدراسة الحالية، فحص الباحثون هذه الفرضية، ووجدوا أن الواقع أكثر تعقيدا بكثير. تم نشر المقال في المجلة علم السلف.

 

"مخزن" لجزيئات إشارات الأوراق

"لغرض البحث، استخدمنا نبات الأرابيدوبسيس النموذجي (نبات القطن الأبيض)، واستخدمنا مجموعة واسعة من التقنيات المتقدمة في مجال علم الوراثة الجزيئية: خلق طفرات في التحرير الجيني، وتنشيط وإسكات الجينات المشاركة في العملية في خلايا معينة، والخصائص الفسيولوجية باستخدام المعدات المتقدمة وحتى اختبارات النقل ABA في بيض الضفادع. استخدمنا أيضًا مجموعة من المجاهر المتطورة مع طرق كيميائية وجينية مختلفة لوضع علامات الفلورسنت لتحديد الموقع الدقيق للجزيء في النبات ABA والبروتينات المعنية"، يوضح البروفيسور شاني.

 

وقد فاجأت النتائج الباحثين. اكتشفوا أن جزيء الإشارة ABA يتم تخزينه في حالة "خاملة" في الأوراق نفسها، في خلايا تسمى خلايا الميزوفيل، والتي تلعب دورًا مركزيًا في عملية التمثيل الضوئي. ويتم هذا التخزين بشكل نشط بواسطة بروتينين حاملين (ناقلات)، لم تكن معروفة حتى الآن، ABCG17 وABCG18، المسؤول عن نقلABA خارج الخلية، من خلال غشاء الخلية، إلى خلايا الميزوفيل. هنا يمرABA إلى حالة غير نشطة عن طريق الارتباط بجزيء السكر، ويتم تخزينه مع مرور الوقت.

 

الاستجابة السريعة للظروف المتغيرة

ولاختبار دور البروتينين الجديدين، أنشأ الباحثون طفرات مختلفة في الجينات التي تنتجهما، وأجروا مجموعة متنوعة من التجارب الإضافية التي أثرت على نشاط البروتينات في الزمان والمكان. ووجدوا أن التغيرات في إنتاج البروتينات ونشاطها تسبب تقلبات في نقل وتخزين الجزيئاتABA في النبات، وذلك في حالة عدم وجود البروتيناتABA حر، يصل بتركيزات عالية في المسام ويشجع على إغلاقها. ووفقا للباحثين، فإن هذه الآلية تسمح للنباتات بالاستجابة بسرعة للظروف البيئية المتغيرة. على وجه التحديد، عندما يشعر النبات بإجهاد الجفاف، تنخفض كمية ونشاط كلا البروتينينABA "يستيقظ من سباته"، وتغلق زهور الفاوانيا في وقت قصير.

 

كما وجد الباحثون أن حركة الهرمون طويلة الأمدABA أما في النبات فهو عكس ما كان يُعتقد حتى الآن: من خلال نظام حزمة النقل، وهو ما يعادل نظام الدم لدينا،ABA مسافة كبيرة - من الأوراق إلى الجذور، وليس العكس. ويتم التحكم في هذه الحركة أيضًا بواسطة نفس البروتينات الحاملة، ABCG17 وABCG18: نقص نشاط البروتينين الموجودين في الورقة يؤدي إلى نقص تخزينها ABA في خلايا الميزوفيل في حالة "خاملة"، وABA التحركات الحرة في اتجاه الجذر. تراكم ABA يتحكم الجذر في نمو الجذور الجانبية، التي تمتص المزيد من الماء من التربة.

 

"في هذه الدراسة، أضفنا طبقة مهمة لفهم الآلية التي يتكيف بها النبات مع الظروف المتغيرة مثل نقص المياه. ولأول مرة، اكتشفنا آلية تحكم يقوم النبات من خلالها بتخزين جزيئات الإشارة في "مخزن"، ثم يطلقها في ظل الظروف المرغوبة. وقد يقدم هذا الاكتشاف مساهمة كبيرة في الزراعة في عصر التغير المناخي السريع، وبالتالي تحسين الأمن الغذائي في العالم. وفي دراسات المتابعة، نقوم الآن بدراسة آليات مماثلة في محصولين زراعيين مهمين: الطماطم والأرز".