الرجلة.. نبات يمتلك قدرات فريدة في مقاومة الجفاف وتحمل درجات الحرارة العالية
الإعداد لتحديات زراعة المحاصيل الغذائية في البيئات المعتدلة الأكثر سخونة وجفافًا وفهم أفضل لمسار التمثيل الغذائي الجديد للنبات
يؤدي تغير المناخ إلى وضع الزراعة في أزمة، وفي العديد من المناطق المعتدلة والجافة في العالم، يتسبب الجفاف في خسائر فادحة في المحاصيل.
يمكن أن تكون الحشائش الشائعة هي المفتاح لتطوير المحاصيل التي تتحمل الجفاف، تكمن أسرار التمثيل الضوئي المعزز في جينات الرجلة، هذا النبات الذي ينتشر في أغلب أراضي الوادي والدلتا ويعرفه الفلاحين، رغم أنه يعد ضارا بالمحاصيل وخاصة الذرة والفول البلدي والخضروات إلا أنه من أكثر النباتات المقاومة للجفاف.
ولكن لا تعاني جميع النباتات من آثار الجفاف بالطريقة نفسها: فالعشب الشائع”الرجلة” ، المعروف أيضًا باسم Purslane بورتولاكا أوليراسيا أو “عشب البورسلين” و”الهوجويد الصغير” ، يجمع بين مسارين مختلفين للاستقلاب لإنتاج نوع من التمثيل الضوئي يسمح له بمقاومة الجفاف.
كشف علماء من جامعة ييل، في بحث تم نشره مؤخرًا في مجلة ” Science Advances ، أن هذا النبات لديه مجموعة نادرة جدًا من السمات التي خلقت نوعًا من النباتات الفائقة، والتي يمكن أن تكون مفيدة في أنشطة تحسين المحاصيل الوراثية.
الذرة وقصب السكر
على مدار تطورها، طورت النباتات مجموعة متنوعة من العمليات لتحسين التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تستخدم بها النباتات الخضراء ضوء الشمس لتجميع العناصر الغذائية من ثاني أكسيد الكربون والماء، على سبيل المثال، طورت الذرة وقصب السكر عملية التمثيل الضوئي من النوعC4، والتي تسمح للنبات بالبقاء منتِجًا في درجات حرارة عالية.
العصارة، مثل الصبار له نوع آخر من التمثيل الضوئي يُعرف باسم التمثيل الضوئيCAM ، والذي يسمح لهم بالعيش في الصحاري والمناطق القاحلة الأخرى C4و CAMلهما وظائف مختلفة، لكن كلاهما يستخدم نفس المسار الكيميائي الحيوي ويعملان كـ “إضافات” لعملية التمثيل الضوئي التقليدية.
الرجلة فريدة من نوعها
كما تقول إيريكا إدواردز، أستاذة علم البيئة وعلم الأحياء التطوري، تعتبر الرجلة فريدة من نوعها من حيث أنها تعرض كلا من هذه التكيفات التطورية، مما يسمح لها بأن تكون منتجة للغاية في درجات الحرارة العالية، ولكن أيضًا تتحمل الجفاف، وهو مزيج نادر جدًا بين النباتات.
افترض معظم العلماء، أن C4 و CAMيعملان بشكل مستقل داخل أوراق الرجلة.
لكن الفريق البحثي بجامعة ييل، من خلال التحليل المكاني للتعبير الجيني داخل أوراق الرجلة، وجدوا أن نشاط C4 و CAM متكامل تمامًا، حيث تعمل في الخلايا نفسها، حيث تتم معالجة نواتج تفاعلات CAM بواسطة مسار C4 ، يوفر هذا النظام مستويات عالية من الحماية لمصنع C4 في أوقات الجفاف.
المزيد من كفاءة استخدام المياه
نجح الباحثون أيضًا في بناء نماذج التدفق الأيضي التي تتنبأ بظهور نظام C4 + CAM متكامل يعكس نتائجهم التجريبية، وجدوا أن سعة تخزين الفراغ في الورقة عامل مهم يحد من كفاءة استخدام المياه أثناء الطبابة البديلة، وأن الظروف البيئية تشكل حدوث مراحل مختلفة من دورة الطبابة البديلة.
كما تقول إدواردز ، “لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل” إنشاء “دورة CAM في مصنعC4، مثل الذرة – ولكن ما أظهرناه هو أنه يمكن دمج المسارين بكفاءة وهو أمر ممكن لمشاركة منتجاتها، “الاكتشاف الحقيقي هو أن C4 و CAM أكثر توافقًا مما كنا نظن، مما يقودنا إلى الاعتقاد بأن هناك العديد من الأنواع النباتية الأخرى التي تجمع بين C4 + CAM ، في انتظار اكتشافها.”
التقارب التطوري
في الطبيعة، يمكن أن يتطور كل نظام استقلابي تحت ضغوط اختيار مختلفة، حيث تتمثل مزايا نظام CAM بشكل أساسي في زيادة الكفاءة في استخدام المياه ، بينما تستغل مصانع C4 البيئات عالية الإضاءة والمياه المتاحة موسمياً لتحقيق نمو سريع و إنتاجية عالية.
يُظهر كلا نظامي التمثيل الضوئي تقاربًا تطوريًا ملحوظًا. لقد تطور النوع C4 60 مرة على الأقل، وتشمل أنواع الكربون C4 بعضًا من أكثر النباتات إنتاجية على الأرض، والتي تشكل ما يصل إلى 30 ٪ من إجمالي الإنتاجية الأولية للأرض، وتشمل العديد من المحاصيل الأساسية مثل الذرة والذرة الرفيعة، على الرغم من أن عدد نباتات الكربون CAM أقل شهرة، إلا أنه يُفترض أنها أعلى من النوع C4 وأن بعض أشكال التمثيل الغذائي للنباتات CAM قد تكون أيضًا مهيمنة في مجموعة متنوعة من النظم البيئية.
مفتاح التعامل مع فترات الجفاف الطويلة
على الرغم من العدد الكبير من الأصول المستقلة لكل من C4 وCAM ، فإن معظم سلالات النباتات تميل إلى التطور في إحدى آليات تركيز الكربون (CCM) أو الأخرى، كان Portulaca oleracea أول مصنع معروف لـ C4 يقوم أيضًا بتشغيل دورة CAM الاختيارية (C4 + CAM) استجابة للجفاف أو التغيرات في فترة الضوء.
يبدو أن الدمج الكامل للدورتين بحيث يعمل كل منهما في نفس مجموعة خلايا النسيج الوسطي الضوئية غير قابل للتصديق لعدة أسباب:
– كان لابد من التعبير عن مجموعة الإنزيمات المشتركة في أوقات مختلفة من اليوم وفي خلايا مختلفة، مما يؤدي إلى تعارض تنظيمي كبير.
– إن نشاط إنزيمات RuBisCOلـ CAM) و PEPC لـ C4) في نفس خلايا الوسطية أثناء النهار سيؤدي إلى منافسة غير مجدية على CO 2 ودورة التمثيل الغذائي.
– المتطلبات التشريحية لتحسين كل نظام استقلابي مميزة وقد تكون معادية.
طرق التمثيل الغذائي البديلة
كشفت النتائج التي تم الحصول عليها، ليس فقط أن إمكانات توفير المياه لعملية التمثيل الضوئي للطبابة البديلة تعتمد بشدة على البيئة، حيث تكون البيئة النهارية أكثر أهمية من البيئة الليلية، ولكن أيضًا أن طرق التمثيل الغذائي البديلة، المتميزة عن تلك الخاصة بدورة الطبابة البديلة الطبيعية، يمكنها تكون مفيدة في ظل ظروف معينة مثل أيام أقصر مع درجات حرارة أقل تطرفًا.
توفر هذه الدراسات معلومات قيمة من شأنها أن تساعد في الإعداد لتحديات زراعة المحاصيل الغذائية في البيئات المعتدلة الأكثر سخونة وجفافًا من خلال مساعدة المحاصيل مثل الذرة على تحمل الجفاف لفترات طويلة من خلال فهم أفضل لمسار التمثيل الغذائي الجديد للنبات.
