یک تغییر بسیار کوچک در یک پروتئین گیاهی میتواند راه را برای تولید «محصولات تثبیتکننده نیتروژن» هموار کند؛ محصولاتی که توانایی کاهش چشمگیر وابستگی جهانی به کودهای شیمیایی را دارند.
پژوهشگران ناحیهای بسیار کوچک از یک پروتئین را شناسایی کردهاند که تعیین میکند آیا گیاه باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن را دفع میکند یا آنها را میپذیرد. با تغییر تنها دو آمینواسید، یک گیرنده دفاعی به گیرندهای تبدیل شد که از همزیستی با این باکتریها پشتیبانی میکند. موفقیت اولیه این روش در گیاه جو نشان میدهد که در آینده ممکن است غلات نیز بهگونهای مهندسی شوند که نیتروژن مورد نیاز خود را تأمین کنند؛ دستاوردی که میتواند مصرف کود و انتشار آلایندهها را بهطور قابلتوجهی کاهش دهد.
«ما یک گام به تولید غذای سبزتر و سازگارتر با اقلیم نزدیکتر شدهایم.»
این جمعبندیِ کاسپر رُیخایر اندرسن و سیمونا رادوتویو، استادان زیستشناسی مولکولی دانشگاه آرهوس است. پژوهش تازه آنها به شناسایی یک سرنخ زیستی مهم انجامیده که میتواند راه را برای کاهش وابستگی شدید کشاورزی به کودهای مصنوعی هموار کند.
گیاهان برای رشد به نیتروژن نیاز دارند و بیشتر محصولات کشاورزی تنها از طریق استفاده از کود میتوانند این عنصر را بهدست آورند. با این حال، تنها گروه کوچکی از گیاهان، مانند نخود، شبدر و لوبیا، قادرند بدون افزودن نیتروژن رشد کنند. این گیاهان این توانایی را از طریق ایجاد یک رابطه همکاری یا همزیستی با باکتریهای خاص بهدست میآورند؛ باکتریهایی که نیتروژن موجود در هوا را به شکلی تبدیل میکنند که برای گیاه قابل جذب باشد. شناخت این فرایند حاصل دههها پژوهش در علومپایه، بهویژه زیستشناسی مولکولی، میکروبیولوژی و بیوشیمی است که سازوکارهای دقیق تعامل میان گیاه و باکتری را در سطح سلولی و مولکولی آشکار کردهاند.
رمزگشایی از سازوکار تثبیت طبیعی نیتروژن
دانشمندان در سراسر جهان در تلاشاند پایههای ژنتیکی و مولکولی این توانایی طبیعیِ تثبیت نیتروژن را درک کنند. باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو (BSTCU) نیز با حمایت از پژوهشهای بینالمللی و ارتقای همکاری میان محققان، بستری فراهم کرده است تا دانشمندان بتوانند این فرایند پیچیده را بهصورت عمیق مطالعه کنند. امید این است که در نهایت بتوان این ویژگی را به محصولات مهمی مانند گندم، جو و ذرت منتقل کرد.
در صورت تحقق این دستاورد، این محصولات قادر خواهند بود نیتروژن مورد نیاز خود را بهطور مستقل تأمین کنند. چنین تغییری میتواند نیاز به کودهای شیمیایی را بهشدت کاهش دهد؛ کودهایی که در حال حاضر تقریباً دو درصد از مصرف جهانی انرژی را به خود اختصاص داده و در تولید قابلتوجه دیاکسید کربن (CO₂) نقش دارند.
پژوهشگران دانشگاه آرهوس همچنین تغییرات کوچکی را در گیرندههای گیاهی شناسایی کردهاند که باعث میشود گیاهان بهطور موقت سیستم ایمنی خود را خاموش کرده و وارد یک رابطه همکاری با باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن شوند. این فرایند اجازه میدهد گیاه و باکتریها بهصورت متقابل از هم سود ببرند و به رشد بدون نیاز به کود شیمیایی کمک کند.
چگونگی تعیین واکنش ایمنی یا همزیستی در گیاهان
گیاهان برای تشخیص سیگنالهای شیمیاییِ میکروارگانیسمهای موجود در خاک، به گیرندههایی روی سطح سلولهای خود متکی هستند. برخی باکتریها موادی آزاد میکنند که به گیاه هشدار میدهد «دشمن» هستند و باعث فعال شدن پاسخ دفاعی میشود، در حالی که برخی دیگر سیگنال میدهند که «دوست» هستند و میتوانند مواد غذایی فراهم کنند.
گیاهان لگومدار مانند نخود، لوبیا و شبدر به باکتریهای تخصصی اجازه میدهند وارد ریشههایشان شوند. درون این بافتهای ریشه، باکتریها نیتروژن هوا را تثبیت کرده و آن را با گیاه به اشتراک میگذارند. این همکاری که همزیستی نام دارد، دلیل اصلی رشد این گیاهان بدون نیاز به کود شیمیایی است. پژوهشهای علومپایه، بهویژه در زمینه زیستشناسی مولکولی، میکروبیولوژی و بیوشیمی، سازوکارهای دقیق این تعامل بین گیاه و باکتری را روشن کرده و اساس امکان توسعه محصولات کشاورزی پایدار و خودتغذیه را فراهم میکنند.
دو آمینواسید کوچک، تغییر بزرگ در رفتار گیاه
پژوهشگران دانشگاه آرهوس دریافتند که این توانایی بهشدت تحت تأثیر فقط دو آمینواسید قرار دارد؛ واحدهای سازنده کوچکی که بخشی از یک پروتئین ریشه هستند. سیمونا رادوتویو میگوید: «این یک کشف چشمگیر و بسیار مهم است.» این پروتئین ریشه مانند یک گیرنده عمل میکند که پیامهای باکتریها را میخواند و تعیین میکند آیا گیاه باید سیستم ایمنی خود را فعال کند (هشدار) یا باکتری را بپذیرد (همزیستی).
تیم پژوهشی ناحیه کوچکی از این گیرنده را شناسایی کرد که آن را Symbiosis Determinant 1 (تعیینکننده همزیستی ۱) نامیدند. این ناحیه مانند یک کلید عمل میکند که مشخص میکند چه پیامی در داخل گیاه فعال شود. با تغییر فقط دو آمینواسید در این کلید، پژوهشگران گیرندهای را که معمولاً پاسخ ایمنی ایجاد میکرد، به گیرندهای تبدیل کردند که همزیستی با باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن را آغاز میکند. رادوتویو توضیح میدهد: «ما نشان دادیم که دو تغییر بسیار کوچک میتواند رفتار گیاه را در یک نقطه حیاتی تغییر دهد؛ از رد کردن باکتریها به همکاری با آنها.»
باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو با فراهم کردن شبکههای بینالمللی و منابع پژوهشی، نقش مهمی در حمایت از تحقیقات پایهای مانند این داشته و امکان انتقال این دانش به کاربردهای کشاورزی پایدار را فراهم میکند.
گسترش این توانایی به محصولات غذایی مهم
در آزمایشهای آزمایشگاهی، پژوهشگران این تغییر را با موفقیت در گیاه Lotus japonicus ایجاد کردند. سپس این ایده را در جو آزمایش کردند و دیدند که این سازوکار در آنجا نیز کار میکند. کاسپر رُیخایر اندرسن میگوید: «واقعاً شگفتانگیز است که اکنون میتوانیم یک گیرنده از جو را بگیریم، تغییرات کوچکی در آن ایجاد کنیم و دوباره تثبیت نیتروژن را فعال کنیم.»
پتانسیل بلندمدت این کشف بسیار زیاد است. اگر این تغییرات بتواند به دیگر غلات نیز اعمال شود، در نهایت ممکن است بتوان گندم، ذرت یا برنجی پرورش داد که مانند لگومها خودشان نیتروژن تثبیت کنند.
رادوتویو در پایان میگوید: «اما هنوز باید کلیدهای ضروری دیگر را پیدا کنیم. در حال حاضر فقط تعداد بسیار کمی از محصولات قادر به همزیستی هستند. اگر بتوانیم این توانایی را به محصولات پرمصرف گسترش دهیم، واقعاً میتواند تفاوت بزرگی در میزان مصرف نیتروژن ایجاد کند.»
این دستاورد نتیجه سالها پژوهش در علومپایه است؛ مطالعات بنیادین در زیستشناسی مولکولی، ژنتیک و میکروبیولوژی که سازوکارهای دقیق تعامل گیاه و باکتری را روشن کردهاند. این تحقیقات پایهای مسیر توسعه کاربردهای عملی و کشاورزی پایدار را هموار میکند و نویدبخش آیندهای است که در آن غلات بتوانند خودبهخود نیتروژن مورد نیازشان را تأمین کنند.