المحلول المالح: الري بمياه البحر المخففة

يسحب إريك راي عود ثقاب من وعاء بلاستيكي به أرز نصف مطبوخ. تبدو الحبوب المستديرة ذات اللون البني مثل حبات الأرز العادية. رائحتهم مثل الأرز العادي. وعندما آخذ عددًا قليلًا منها بعناية وأضعها في فمي، فإن مذاقها يشبه طعم الأرز العادي: فهي طرية ومطاطية ولطيفة إلى حد ما. وصلت يدي دون قصد إلى زجاجة من صلصة الصويا ملقاة على الطاولة في مطبخ أحد مكاتب الشركة أركاديا العلوم البيولوجية في سياتل، شاراي هو الرئيس التنفيذي للشركة، حيث يقوم بتتبيل الأرز بقليل من الملح.

ولكن في هذه الحالة فإن الرغبة في إضافة الملح غريبة بعض الشيء، لأن الأرز ينمو في المياه المالحة التي تقتل ملوحتها معظم النباتات على وجه الأرض. لقد خضعت نباتات الأرز التي تذوقت حبوبها للتو للهندسة الوراثية التي منحتها مقاومة للملح، ومحاكاة نباتات غير عادية تسمى نباتات الملح (لوفيت) والتي تنمو وتختلط في الخلجان البحرية والمداخل البحرية وعلى طول شواطئ المستنقعات. لدهشتي، الحبوب في فمي ليست مالحة بشكل مفرط. في الواقع، عندما أقوم بإجراء اختبار أعمى ومقارنتها بحبوب الأرز العادية غير المعدلة وراثيًا المزروعة في المياه العذبة، لا أشعر بأي فرق.

يقول راي: "الأرز هو المحصول الزراعي الأكثر قيمة في العالم"، إذا حكمنا من خلال كمية المحاصيل في عام 2012. لكن "في مناطق معينة من الصين، حيث ترتفع ملوحة التربة باستمرار، لم يعد من الممكن زراعة المحاصيل". ويعتقد راي أنه إذا قمنا بفك رموز الآلية التي تعمل بها الجينات التي تسمح للنباتات المالحة بالنمو في التربة الغنية بالأملاح وتطبيق أساليب التكنولوجيا الحيوية المتقدمة لإدخال هذه الجينات في الأرز والنباتات الأخرى، فسنجد الطريقة لإطعام العدد المتزايد من السكان البشريين. .

يعاني حوالي ربع حقول الشالين على وجه الأرض من مشكلة ملوحة التربة الناتجة عن سوء طرق الري. كما يهدد الارتفاع المتوقع في مستوى سطح البحر بإدخال المياه المالحة إلى مئات الملايين من الدونمات الإضافية من الأراضي الزراعية. إذا تمكنا من زراعة محاصيل صحية في مثل هذه المناطق المالحة، فسيكون من الممكن توفير الغذاء لعشرات الملايين من البشر، وهي خطوة أساسية في الاستعداد لإطعام ملياري فم من المتوقع أن يضافوا إلى سكان العالم بحلول منتصف هذا القرن. .

ويقول إن هذا ليس حلما في حالة نقص الدم إدواردو بلوموالد، عالم متخصص في بيولوجيا النبات بجامعة كاليفورنيا في ديفيس، ويعد عمله البحثي الأساس لتطوير الأرز في شركة أركاديا. ويقول: "أعتقد أنه من الممكن اليوم زراعة المحاصيل في المياه المالحة أو المياه المعاد تدويرها ذات الجودة الرديئة، وحتى في مياه البحر المخففة". وعلى مسافة حوالي 1100 كيلومتر جنوب مدينة سياتل، تزخر الدفيئات الزراعية التي يزرعها بلوموالد كجزء من عمله البحثي في ​​جامعة كاليفورنيا في ديفيس، بنباتات الأرز الطويلة ذات الظل الأخضر الزمردي، التي تبرز وترتفع من برك ضحلة من المياه المالحة. . ويقوم بلوموالد والعديد من العلماء الآخرين حول العالم بنقل الجينات من النباتات المالحة المقاومة للملح بشكل طبيعي وحقنها في المحاصيل الزراعية الشائعة، ليس فقط الأرز، ولكن أيضًا القمح والشعير والطماطم. (يشارك القطن أيضًا في الدراسة).

ولكن لكي تتجذر هذه البذور التي تحمل أمل الخلاص، يجب إثبات أنها يمكن أن تزدهر أيضًا في العالم الحقيقي خارج البيوت الزجاجية، في ظل ظروف العواصف والجفاف وهجمات الحشرات الضارة. وإذا لم يكن ذلك كافيًا، فسيتعين عليهم أيضًا الصمود أمام وابل من الاستفسارات والتحقيقات حول قضايا السلامة والحياة الطبيعية من السياسيين والعلماء والمزارعين.

وحتى لو كان طعم هذه النباتات نفسها مريرا في الحنك، فإن هندستها الوراثية قد تترك طعما مريرا في أفواه بعض الناس الذين يخشون نقل الجينات إلى مخلوقات أخرى، وهي عملية لا يمكن التنبؤ بعواقبها. ووفقاً لمعارضي الهندسة الوراثية، فإن المشاريع من هذا النوع تعرض على وجه التحديد أفقر السكان وأكثرهم ضعفاً في العالم للشكوك التي ينطوي عليها الأمر. علاوة على ذلك، تضيف جانيت كوتر، المستشارة البيئية، أن تطوير المحاصيل التي يمكن أن تزدهر في ظروف الملوحة سيشجع على الاستمرار في استخدام طرق الري السيئة. يقول كوتر: "إذا كانت طرق الري الخاصة بك سيئة، فأنت بالفعل تسير على طريق غير مستدام".

قصة مالحة

يمكن لنباتات الملح، أو النباتات الملحية ("نباتات الملح")، كما يطلق عليها، أن تعيش في الماء مهما كانت درجة ملوحته، حتى في أعلى درجة ملوحة مياه البحر. أشجار المانغروف هي نباتات المستنقعات المالحة. هذا النوع من النباتات نادر نسبيا. إنها ليست ممتعة للنظر (ولا شهية) وتتميز بوجود نتوءات وتورمات غريبة، وأوراقها رديئة وغير جذابة وجذورها تخرج من الماء.

وفي الماضي، جرت محاولات لتسويق أشجار المانغروف كمواد بناء، ونباتات الملح النضرة والغنية بالزيت كمصدر للوقود الحيوي، أو الشجيرات المقاومة للملوحة كعلف للحيوانات. في عام 1998، كتب الباحثون مقالًا في مجلة Scientific حيث تصوروا مزارع واسعة من نباتات الملح حول العالم والتي من شأنها توفير الغذاء للبشر. ولكن في غياب الأسواق المتقدمة لمثل هذه المحاصيل الفريدة، كان مصير المزارع الفشل.

عندما بدأ بلوموالد أبحاثه حول نباتات التمليح في منتصف التسعينيات، كانت هذه النباتات تعتبر فضولًا نباتيًا لا أكثر. يقول بلوموالد: "لم يفكر معظم العلماء المشاركين في الأبحاث الزراعية في الملوحة على الإطلاق". "ما شغلهم هو تطوير المحاصيل الزراعية التي من شأنها أن توفر منتجات أكبر حجمًا وأكثر استدارة وأكثر ألوانًا وحلاوة."

ومن ناحية أخرى، أبدى بلوموالد اهتماما بنوع من البروتين الموجود في نباتات الملح ويسمى أنتيبورتر. يعمل هذا البروتين على تسريع تبادل أيونات الصوديوم (الملح) وأيونات الهيدروجين عبر أغشية الخلايا في النبات. عندما يمتص النبات أيونات الصوديوم الموجودة في الماء المالح، فإنها تعطل عمل الإنزيمات، ونقل الماء عبر النبات، وفي النهاية عملية التمثيل الضوئي. وجد بلوموالد أن الهندسة الوراثية لأنواع النباتات الشائعة لجعلها تنتج كميات كبيرة من البروتينات المضادة للبورتر تسمح لها بالنمو في المياه التي تصل ملوحتها إلى ثلث ملوحة مياه البحر، دون أي آثار جانبية سلبية تقريبًا. يقوم المضاد بدفع أيونات الصوديوم إلى داخل جوفاءمثل الفقاعات المغلقة داخل الخلايا النباتية التي تعمل على تحييد أي تأثير ضار لأيونات الصوديوم. تحتوي خلايا بعض نباتات الملح الطبيعية على تجاويف تصبح كبيرة جدًا لدرجة أنها تسمى الحويصلات الملحية. نبات الكينوا، أحد النباتات المالحة التي وجدت طريقها إلى مائدة طعامنا، يتميز بوجود بثور تظهر على شكل كرات صغيرة شفافة تزين سطحها.

عندما رفع بلوموالد مستويات مضاد البورتر بسلالة خاصة من الطماطم، تمكن من زراعة النباتات المعدلة وراثيا في المياه التي تبلغ ملوحتها "أربعة أضعاف ملوحة الدجاج"، على حد تعبيره. أنتجت هذه النباتات ثمارًا عصارية وحلوة ومستديرة وحمراء يبلغ وزن كل منها حوالي مائة جرام وأكثر. ولكن في حين أن النباتات التي أنشأها بلوموالد ازدهرت في ظروف المختبر، فإنها كافحت من أجل البقاء في العالم الحقيقي. يقول بلوموالد: "كل شيء يعمل في دفيئة، حيث تسود رطوبة نسبية تبلغ 40٪ أو أكثر". ولكن، مع انخفاض الرطوبة، تفقد أوراق النباتات الماء بمعدل متزايد، وكآلية دفاعية، تغلق مسام النبات. ولذلك، وفقا له، فإن زراعة النباتات "في ظروف ميدانية، مع نسبة رطوبة تبلغ 5٪ ومياه أقل بكثير" أكثر صعوبة بكثير.

المشكلة هي أن قدرة النبات على هجرة الأملاح ليست كافية للسماح له بالنمو في التربة ذات الملوحة العالية. يحتوي كل نبات على آلاف الجينات، التي تشارك في مجموعة متنوعة من العمليات البيولوجية، والتي يمكن أن تساعد النبات على التعامل مع العديد من أنواع حالات الإجهاد، مثل الحرارة أو الجفاف أو الملوحة. لينمو النبات في ظروف الملوحة يحتاج النبات إلى عدد كبير من الجينات القادرة على تغيير نشاطها حسب ظروف النمو لحمايته في الظروف البيئية القاسية. ويقول إنه لا توجد رصاصة سحرية واحدة سيمون باراك"، وهو محاضر كبير في علوم النبات في جامعة بن غوريون في النقب، "لكننا طورنا طريقة حسابية لفحص هذه الجينات واحدا تلو الآخر وتحديد تلك التي من المحتمل أن تشارك في مقاومة اللفحة."

قام باراك ببناء قاعدة بيانات للجينات المشاركة في ظروف الإجهاد وجمع فيها بيانات من الأدبيات العلمية التي تم الحصول عليها من التجارب التي أجريت على نبات يسمى السيدوم الأبيض، نبات الأرابيدوبسيس thaliana(حيث تستخدم الدراسات في مجال الزراعة في كثير من الأحيان لفحص العمليات النباتية). وباستخدام التحليل الإحصائي، قام باراك بتصنيف الجينات وفقًا لأهميتها لبقاء النبات في الظروف القاسية، مثل درجات الحرارة المرتفعة، وبالتالي حدد بعض المرشحين الواعدين بين هذه الجينات.

وفي الخطوة التالية، أجرى فريق باراك البحثي سلسلة من التجارب المعملية على نباتات بها طفرات في هذه الجينات لفحص كيفية تكيف النباتات مع الظروف القاسية. تم تحديد النباتات الطافرة التي أظهرت مقاومة للجفاف أو الملوحة أو الحرارة كهدف لمزيد من البحث. يقول باراك: "في عمليات المسح الجيني الكلاسيكية للعثور على طفرات جديدة، يتم فحص آلاف النباتات، والتي قد يتبين أن 3 إلى 62٪ فقط منها مثيرة للاهتمام". "لقد وصلنا إلى نسبة نجاح XNUMX%. لدينا ما يكفي من الطفرات لتستمر طوال مسيرتنا العلمية».

ويركز علماء آخرون أيضًا على دراسة البقاء على قيد الحياة في ظل ظروف الملوحة، ويجمعون بين أساليب البحث في مجالات علم الأحياء والإحصاء وعلوم الكمبيوتر. لذلك، قبل بضع سنوات، عندما كان يعمل المعهد المركزي لأبحاث الملح والكيمياء البحرية وفي ولاية غوجارات الهندية اكتشف عالم الوراثة ناريندرا سينغ ياداف بعض الجينات المشاركة في تحمل الملح في نبات ملحي آخر اسمه تفكيكها. ولم يكن يعرف بالضبط كيف تعمل هذه الجينات، لكن الأبحاث التي أجراها أشارت إلى أنها تلعب دورا مهما. ولتأكيد فرضيته، قام ياداف بإدخال اثنين من هذه الجينات في نباتات التبغ، المعروفة بأنها معرضة للملح. وعندما حاول زراعة هذه النباتات المعدلة وراثيا في مياه تبلغ ملوحتها نحو ثلث ملوحة مياه البحر، نبتت وتطورت بشكل رائع؛ وكانت جذورها وفروعها أطول من تلك الموجودة في النباتات غير المعدلة وراثيا، وكانت أكبر حجما ولها أوراق أكثر ثراء. على الرغم من عدم وجود حويصلات ملحية على نباتات التبغ المعدلة وراثيا، إلا أن مستوياتها منخفضة نسبيا تحتوي الجزيئات على الأكسجينوالتي يكون نشاطها الكيميائي ضارًا بالنباتات ويتراكم فيها تحت ظروف الإجهاد الملحي. انتقل ياداف منذ ذلك الحين إلى إسرائيل، كعضو في فريق باراك البحثي، وتقوم مجموعته البحثية السابقة في ولاية غوجارات حاليًا بإجراء أبحاث حول سلالة قطن تتحمل الملوحة. يقول ياداف: "وأعتقد أن هناك العديد من الجينات التي لم نكتشفها بعد".

يقول بلوموالد: "المهم هو أن نتصرف بحكمة وألا نكون متفائلين بحماقة". تجري مجموعته البحثية في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، تجارب في عشرات الدفيئات الزراعية، على آلاف النباتات المعدلة وراثيا، من البرسيم والدخن اللؤلؤي، إلى الفول السوداني والأرز. ومعظم هذه النباتات هي أصناف صناعية ناجحة خضعت للتلاعب الجيني، وفي كل تجربة يحاول الباحثون محاكاة ظروف الإجهاد الطبيعية. مراوح عملاقة تدور بسبب هبوب الرياح القوية؛ إمدادات المياه إلى النباتات غير منتظمة، أحيانًا شيئًا فشيئًا وأحيانًا في حالة فيضان، مثل هطول الأمطار في العاصفة؛ وتتعرض النباتات للملح والحرارة. يقول بلوموالد: "لقد سئمت من رؤية النباتات تذبل عندما أنقلها إلى الحقل المفتوح". "هل من الممكن زراعة المحاصيل في مياه البحر؟ أعتقد أن هذا غير ممكن. قد تكون النباتات قادرة على النمو في ظل هذه الظروف، لكن قيمتها الغذائية ستكون منخفضة للغاية. ولكن بمياه البحر المخففة أو المياه المعاد تدويرها؟ قطعا نعم."

مخاوف طبيعية

ومع ذلك، لا تزال الهندسة الوراثية موضوعًا مثيرًا للجدل في العديد من الأوساط في العالم. وفقًا لكوتر، "لن نعرف أبدًا على وجه اليقين ما هي الطرق الأخرى التي قد يؤثر بها هذا على النبات وما إذا كان سيكون له أي آثار على سلامة الأغذية والبيئة." ويفضل نظام الثناء المعروف باسم حدد باستخدام العلامات، والذي يستخدم الأدوات الجينومية لتحديد الجينات التي تمنح مقاومة الملح في الأصناف البرية من النباتات الصالحة للأكل. وفي الخطوة التالية يتم إجراء التهجين الطبيعي للسلالات البرية مع السلالات المستأنسة بهدف نقل هذه الجينات إلى النباتات التي تنمو في المزارع الزراعية.

وكذلك لتيموثي راسل، وهو مهندس زراعي يعمل في بنغلاديش نيابة عن المعهد الدولي لبحوث الأرز، هناك شكوك حول هذا الموضوع. "في رأيي، المشكلة الرئيسية ليست في الهندسة الوراثية عندما تكون في حد ذاتها. ببساطة، من الأسهل بكثير تسويق سلالة خضعت للتحسين الطبيعي". "نحن نعتقد أنه يمكننا تحقيق مقاومة جيدة إلى حد ما للملوحة باستخدام الطرق التقليدية. ما الفائدة من اختيار مسار أكثر تعقيدًا إذا لم يكن ذلك ضروريًا؟"

ووفقا للمدافعين عن الهندسة الوراثية، فإن الميزة المميزة لهذه الطريقة هي السرعة التي يمكن بها تحقيق النتائج. تستغرق عمليات التهجين والانتخاب والتهجين المتكرر وقتاً طويلاً. ومن المتوقع أن تصل المحاصيل المقاومة للملوحة من خلال الهندسة الوراثية إلى الأسواق قبل وقت طويل من وصول المحاصيل التي تم تحسينها بالطرق التقليدية، ربما خلال السنوات الأربع المقبلة. إن الأرز المقاوم للملوحة الذي تذوقته في مكاتب شركة أركاديا للعلوم البيولوجية أصبح في منتصف الطريق بالفعل خلال التجارب الميدانية النهائية التي تجرى في الهند، ومن المتوقع أن يتم تقديمه قريبا للحصول على الموافقة التنظيمية من قِبَل السلطات في البلاد. إن محصول الحبوب من النبات المعدل وراثيا أكبر بنسبة 40% من الأرز الذي يزرع حاليا في المياه التي تبلغ ملوحتها عُشر ملوحة مياه البحر فقط، ويتوقع راي أن سلالة أكثر تقدما قيد التطوير ستكون أكثر مقاومة للملوحة بمقدار ضعفي مقاومة الملوحة مقارنة بالنباتات المعدلة وراثيا. السلالة الحالية. ويقول: "المحاصيل الأفضل تعني دخلاً أعلى للمزارعين، ومكسبًا ماليًا لنا جميعًا، وتقليل العبء على مصادر المياه العذبة".

لا شك أن هذه خطوة صغيرة إلى الأمام في الوقت الحالي، لكن بلوموالد يشعر أنها "خطوة في الاتجاه الصحيح". إن جلب العديد من المليارات في المستقبل سيتطلب النجاح على نطاق أوسع بكثير، وعشرات إن لم يكن مئات من المشاريع الناجحة مثل مشروعنا الناجح الوحيد.