يعد التمثيل الضوئي نقطة البداية لكل سلسلة غذائية تقريبًا، حيث يحافظ على معظم أشكال الحياة على الأرض.
كل سمة متطورة هي مقايضة بين المنفعة التي توفرها وتكلفتها من حيث الطاقة، النباتات التي قام الباحثون بتدجينها من أجل الغذاء لا تقل جودة في تحويل ضوء الشمس إلى سكر بقدر ما كانت ضرورية للبقاء والتكاثر.
ومن كمية معينة من ضوء الشمس، تحول معظم النباتات أقل من 5% من تلك الطاقة الضوئية إلى كتلة حيوية، وفي بعض الظروف، أقل من 1%.
جوناثان ميناري، باحث بمركز الطب الاستوائي والصحة العالمية، جامعة أكسفورد، سيباستيان فولر، باحث في علوم التنفيذ، جامعة أكسفورد، ستيفان شيلبيرج، المدير التنفيذي، فراونهوفر IME، بحثا عن الأدوات اللازمة لتحقيق أقصى قدر من التمثيل الضوئي في مجموعة من المحاصيل الغذائية – ولكن العلماء لا يدرسون فقط كيف نساعد النباتات على أن تصبح أفضل في عملية التمثيل الضوئي بدافع الفضول.
تؤدي الأحوال الجوية الناجمة عن تغير المناخ، مثل الجفاف والفيضانات، إلى تدمير المحاصيل وتهدد غلات المحاصيل في جميع أنحاء العالم.
التنفس الضوئي
يدور هذا البحث حسبما يقدم الباحثون حول التأكد من قدرتنا على زراعة ما يكفي من الغذاء لإطعام أنفسنا.
في بعض الأحيان تنتج نباتات مثل القمح عن طريق الخطأ مادة سامة تسمى 2-فوسفوجليكولات والتي يجب بعد ذلك إعادة تدويرها داخل النبات، مما يكلفه طاقة، يسمي العلماء هذا التنفس الضوئي، ويحدث ذلك عندما يلتصق أحد الإنزيمات المهمة لعملية التمثيل الضوئي، وهو الروبيسكو، عن طريق الخطأ بجزيء الأكسجين بدلاً من ثاني أكسيد الكربون.
يرتكب روبيسكو هذا الخطأ بنسبة تصل إلى 40% من الحالات،. ويحدث ذلك لأن الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي الآن أكثر بكثير مما كان عليه في الماضي، والذي تم وضعه هناك بواسطة أول أجهزة التمثيل الضوئي، وهي البكتيريا الزرقاء – وهي كائنات مجهرية موجودة في الماء. يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى مزيد من التنفس الضوئي أيضًا.
إذا تمكنا من منع هذا الخطأ، فإنه سيترك للنباتات المزيد من الطاقة لعملية التمثيل الضوئي.
التقاط ضوء الشمس
يبحث مشروعنا البحثي PhotoBoost في كيفية إنشاء نوع من المجازة الداخلية التي تقلل التنفس الضوئي في نباتات الأرز والبطاطس، وهما من أهم المحاصيل في العالم.
بنفس الطريقة التي تعمل بها المجازة التاجية على تحويل الدم حول الشرايين الضيقة أو المسدودة في البشر، فإن المجازة التنفسية الضوئية تمنح النباتات الأدوات الجينية التي تحتاجها لتقليل خطأ الروبيسكو.
تجعل الجينات الموجودة في البكتيريا الزرقاء هذا الأمر وغيره من تحسينات التمثيل الضوئي ممكنة لأنها تستضيف مجموعة من الإنزيمات لتحسين إدارة ضوء الشمس.
ويتطلع باحثون آخرون إلى نباتات مثل الذرة، التي طورت وسائلها الخاصة للتعامل مع التنفس الضوئي، كمصدر للإلهام – والجينات – للأرز .
كما نعمل أيضًا على تحسين السرعة التي تستجيب بها النباتات للتغيرات في شدة الضوء، حيث يؤثر ذلك على عملية التمثيل الضوئي أيضًا.
تقوم النباتات بإيقاف تشغيل آلات التمثيل الضوئي الخاصة بها إذا تعرضت لأشعة الشمس كثيرًا (عندما يكون الضوء أكثر كثافة)، وبعد ذلك يمكن أن تكون بطيئة في استئناف عملية التمثيل الضوئي عندما تصبح أكثر برودة مرة أخرى – على سبيل المثال، عندما تتدحرج السحب.
أكثر قدرة على مقاومة الجفاف والإجهاد الحراري
أظهرت مجموعة بحثية في الولايات المتحدة مؤخرًا أن تسريع عملية الحماية الضوئية في فول الصويا يمكن أن يؤدي إلى زيادة في إنتاج البذور بنسبة 33% .
في PhotoBoost، نتحدث مع الباحثين والمهندسين الزراعيين والمزارعين في جميع أنحاء العالم لفهم كيفية مطابقة احتياجات المجتمع مع هذه الحدود الجديدة في علوم النبات.
ووفقاً لإليزابيت كارمو سيلفا، وآنا موريرا لوبو، زميلتيهما في جامعة لانكستر: “يشكل تغير المناخ، وانخفاض المحاصيل، والإجهاد المائي تحديات كبيرة لإنتاج الغذاء في هذا القرن”.
يقوم فريقهم بالتحقيق في استجابات النباتات للضوء ودرجة الحرارة، مع إيلاء اهتمام خاص لإنزيم الروبيسكو، ربما يكون العائد المرتفع هو المكسب الأكثر وضوحًا من تحسين عملية التمثيل الضوئي، ولكنه سيساعد أيضًا في جعل النباتات أكثر قدرة على مقاومة الجفاف والإجهاد الحراري.
التحرير الجيني لتحسين التمثيل الضوئي في الأرز
هناك أداة جديدة في ترسانة مربي المحاصيل، وهي تحرير الجينات ، تسمح للعلماء بتشغيل الجينات وإيقافها، واختبار تأثيرها على أداء النبات، بمجرد أن نعرف وظيفتها، يمكن قمع هذه الجينات أو تعزيزها، أو إدخالها من خلال التعديل الوراثي، كما حدث في المحاصيل التجارية منذ التسعينيات .
في جامعة نوفا دي لشبونة في البرتغال، ذكر نيلسون سايبو وإيزابيل أبرو، أن الأدوات التي يمتلكها مربو النباتات أصبحت أكثر “ضبطًا دقيقًا” هذه الأيام، يستخدم فريقهم التحرير الجيني لتحسين عملية التمثيل الضوئي في الأرز.
رأى مزارعو البطاطس في شرق إنجلترا كفاءة أكبر في عملية التمثيل الضوئي كوسيلة لتحرير الأراضي من أجل الطبيعة – على سبيل المثال، زراعة الأشجار في مواقع الغابات القديمة أو استعادة الأراضي الخثية في المستنقعات – حيث أن النباتات الأكثر كفاءة تعني أنك تحتاج إلى قدر أقل منهم لإعطاء نفس المحصول، وكان همهم الرئيسي هو ما إذا كان كبار تجار التجزئة في المملكة المتحدة على استعداد لدعم المحاصيل المعدلة وراثيا.
وبالإضافة إلى برنامج Photoboost، يقوم الاتحاد الأوروبي بتمويل برامج أخرى للتمثيل الضوئي من خلال مشروعي Gain4crops (دوار الشمس) و Capitalize (الطماطم والذرة والشعير).
يختتم الباحثون ورقتهم العلمية بالتأكيد أن تحسين عملية التمثيل الضوئي ليس حلاً سحريًا للعديد من المشكلات الزراعية التي نواجهها، لكن الجمع بين المعرفة والأدوات الجديدة سيساعد في تحقيق أقصى استفادة من الضوء.
