مهمة شاقة.. الباحثون يحاولون جعل الفواكه والخضروات مقاومة لتغير المناخ

في عام 2023، ظهر نوع جديد من التفاح لأول مرة تجاريًا في معرض تجاري في برلين، يتميز تفاح توتي بأنه مقرمش وعصير وله لون أحمر خدود مثالي – وهو صنف استغرق إنتاجه عقودًا من الزمن، لكن له شهرة أكبر: فهو مصمم لينمو في درجات حرارة تصل إلى 40 درجة مئوية.

التفاحة هي نتاج شراكة المناخ الحار ، وهي عبارة عن تعاون بين الباحثين ومجموعات الصناعة في إسبانيا ونيوزيلندا لإنشاء محاصيل قادرة على الازدهار في مناخات أكثر دفئًا.

تعاونت المجموعة في عام 2002 في خضم صيف حار بشكل متزايد في منطقة كاتالونيا في إسبانيا مما ترك التفاح المزروع هناك محترقًا من الشمس ومطحونًا. بعد أكثر من 20 عامًا من التهجين لتحمل الحرارة، تم الكشف عن Tutti (اسم البحث HOT84A1).

والآن، بعد أن تم زراعتها في مناطق بعيدة مثل الولايات المتحدة وتشيلي والصين، انضمت توتي إلى قائمة متنامية من الفواكه والخضروات التي يحاول الباحثون حمايتها من المناخ مع ارتفاع درجة حرارة الأرض.

وباستخدام أدوات تتراوح من الطرق القديمة – التهجين، وإحياء النباتات الأصلية، وتقنيات الزراعة التي تراعي الحرارة – إلى الطرق الجديدة، مثل تحرير الجينات، يحاول الباحثون مساعدة مربي النباتات والبستانيين على حد سواء في البقاء على خطوة واحدة في مواجهة الكوكب المتغير.

مهمة شاقة

إنها مهمة شاقة. يقول جوان بوناني، عالم زراعات الفاكهة في معهد أبحاث وتكنولوجيا الأغذية الزراعية خارج برشلونة والذي ساعد في تشكيل شراكة المناخ الحار، إن ما كان يبدو حارًا قبل عشرين عامًا أصبح الآن أمرًا عاديًا.

ويقول إن ذكرياته عن قدرته على المشي بشكل مريح بين صفوفه المرتبة من أشجار التفاح والكمثرى “تمتد إلى الوراء أكثر فأكثر في الزمن”، وأن استباق المستقبل “يشبه إلى حد كبير إطلاق النار على هدف متحرك”.

ويقول بوناني إن “توتي” أصبحت في بعض النواحي قديمة الطراز بالفعل.

يقول ماريو أندرادي، عالم الوراثة النباتية في جامعة ماين في أورونو والمشارك في مشروع لإنشاء بطاطس مقاومة للتغيرات المناخية : “إن درجات الحرارة التي تزيد عن 40 درجة مئوية، والتي أصبحت جزءًا متزايدًا من مستقبلنا، ستخلق بعض المشكلات الحقيقية”.

ماذا يحدث للمحاصيل مع ارتفاع درجات الحرارة؟

ولضرب هذا الهدف المتحرك، يبدأ العلماء بما يعرفونه عن كيفية تعامل النباتات مع الحرارة.

وقد أظهرت الأبحاث أن أي ارتفاع طفيف في درجات الحرارة أثناء موسم الزراعة من شأنه أن يضعف بشكل كبير إنتاج العديد من النباتات. على سبيل المثال، على مستوى العالم، فإن كل زيادة بمقدار درجة مئوية واحدة تعادل خسارة بنسبة 10% و6.4% في إنتاج الأرز والقمح على التوالي ــ وهما الغذاءان اللذان يشكلان مع الذرة غالبية السعرات الحرارية الغذائية في العالم.

لكن هذا ليس سوى واحد من العديد من الأشياء التي يمكن أن تسوء عندما ترتفع درجات الحرارة. تشمل العلامات الأخرى للإجهاد الحراري التي قد تراها عادةً في نباتات حديقتك الخاصة الترهل، والنمو البطيء، وعلامات الحرق على الأوراق والسيقان، والفواكه والخضروات الأصغر حجمًا، أو النباتات التي تزهر ولكنها لا تنتج محاصيل على الإطلاق – وهي علامة على أن حبوب اللقاح الخاصة بها، والتي هي حساسة للحرارة، قد تعرضت للتلف. حتى أن بعض النباتات تشير إلى محنتها بصوت عالٍ، وتصدر نقرات فوق صوتية صغيرة عندما تشعر بالعطش حقًا.

يقول أوين أتكين، عالم النبات في الجامعة الوطنية الأسترالية في كانبيرا والذي يطور القمح المقاوم للحرارة، إنه مع استمرار ارتفاع درجات الحرارة، تبدأ البروتينات التي تؤدي وظائف أساسية للنبات، مثل توجيه عملية التمثيل الضوئي، ونقل المياه والمغذيات، ودرء الأمراض، في التفكك والتفكك.

ويمكن للنباتات إصلاح هذا الضرر باستخدام بروتينات سريعة المفعول، وبعد 50 درجة مئوية (122 درجة فهرنهايت)، يمكن للنباتات أن تبدأ في تغيير التركيب الكيميائي لأغشية خلاياها للحفاظ على الدهون من الذوبان مثل الزبدة التي تُركت على المنضدة. لكنها تفعل ذلك بتكلفة.

يقول أتكين: “إن تكاليف المعيشة التي نتحملها أثناء محاولة الإصلاح، بسبب تسارع وتيرة التدهور، تعني أننا ننفق قدراً أعظم كثيراً من الطاقة على البقاء، وسوف نحتاج إلى بعض الأعمال الرائدة للحماية من هذا النوع من الضرر”.

تجميد ظاهرة الاحتباس الحراري

إن أغلب الأصناف النباتية الجديدة اليوم لا تزال تُصنَّع كما كانت منذ آلاف السنين، من خلال عملية تُعرَف بالتكاثر الانتقائي، حيث يتم تهجين الآباء ذوي السمات المرغوبة، ثم يتم تقليص ذريتهم على مدى أجيال متعاقبة حتى لا يتبقى سوى الأقوى. إنها عملية طويلة، ولا توجد طرق كثيرة لتقصيرها ــ يقول أندرادي: “ينمو النبات بنفس سرعة نمو النبات” ــ ولكن هناك طرق جديدة لجعل العملية أكثر كفاءة.

أحد التحديات الأكثر إلحاحاً هو حقيقة مفادها أن الباحثين والمربين لابد وأن يوازنوا بين الاحتياجات المتضاربة. فالنبات الذي يتحمل الحرارة ولكنه عرضة للأمراض لن يبيع، وكذلك النبات المقاوم للأمراض ولكنه ينتج ثماراً منخفضة الجودة.

وقد تتحكم مئات الجينات في كل من هذه السمات، والتي تتفاعل جميعها بطرق غير متوقعة. إنها كابوس البيانات الذي يجعل دراسة الأساس الجيني للسمات المختلفة تحدياً.

ولكن الآن، أطلقت القدرة على فحص الشفرة الوراثية الكاملة للنبات عصرًا جديدًا من التربية بمساعدة الجينوم، حيث لا يزال العلماء يقومون بالتهجين، لكنهم يستخدمون الأدوات الحديثة لتوجيه اختياراتهم. على سبيل المثال، يمكن للعلماء الآن مقارنة التركيبة الوراثية لأصناف مختلفة لاستكشاف أي من خصائص الحمض النووي الخاصة بها قد تمنح سلالة واحدة قدرة أكبر على تحمل الحرارة من سلالة أخرى.

وهذا ينفي أيضًا الحاجة إلى الانتظار حتى ينمو كل جيل بما يكفي لإظهار سمة معينة. يمكن للباحثين الآن إلقاء نظرة سريعة على الشفرة الوراثية للصنف لتحديد ما إذا كان التهجين يحتوي على جين مرغوب فيه وتضييق قائمة المنافسين المحتملين.

يقول راجيف فارشني، مدير مركز ابتكار المحاصيل والأغذية في جامعة مردوخ في بيرث بأستراليا، إن معرفة الجينات الدقيقة التي تحرك سمة معينة هي وحدها التي تمكن المربين من البدء في التلاعب بها.

ويمكن أن يشمل هذا التلاعب التعديل الجيني، حيث يتم إضافة جين من نوع ما إلى نوع آخر، أو أدوات تحرير الجينات مثل CRISPR/Cas9 التي تسمح للعلماء بتعديل أجزاء صغيرة من شفرة النبات – التغييرات التي أنتجت الفراولة والطماطم والبطاطس الصديقة للمناخ .

في إحدى الدراسات، حدد الباحثون جينًا يسمى AtGRXS17 في نبات أرابيدوبسيس، وهو نبات صغير من عائلة الخردل يستخدم على نطاق واسع في الأبحاث، ويبدو أنه يشارك في تحمل الجفاف.

عندما أضافوا الجين إلى الطماطم وحجبوا الماء لمدة 10 أيام، احتفظت النباتات المعدلة بحيويتها وأنتجت ثمارًا، في حين لم تفعل النباتات التي لا تحتوي على الجين ذلك. وفي دراسة أخرى، أدى استخدام CRISPR/Cas9 لتعديل جين واحد يسمى FaPG1 إلى إنتاج فراولة أكثر ثباتًا واحتفاظًا بالماء بشكل أكبر.

في الوقت الحالي، لا يزال الاستفادة من هذه الأدوات المتطورة مكلفًا، وبالتالي فإن الشركات الخاصة هي التي تقوم في أغلب الأحيان بتطويرها لعمليات واسعة النطاق. وعلى هذا النحو، فإن معظم المحاصيل المعدلة وراثيًا بعيدة عن متناول البستاني العادي في الوقت الحالي. تم إطلاق أول صنف تم تسويقه مباشرة للبستانيين المنزليين مؤخرًا، في فبراير 2024 – طماطم أرجوانية عميقة تكتسب لونها بفضل عدد قليل من الجينات المسروقة من أزهار نبات أنف العجل.

ولكن فارشني يلاحظ أن التكاليف تتراجع باستمرار، ومن المرجح أن نرى قريبًا المزيد من الخيارات المتاحة للمستهلكين. ويقول: “في السنوات القادمة، سوف تأتي الاكتشافات بسرعة أكبر بكثير. وأنا متفائل للغاية بأننا سنحصل على المزيد من النباتات المقاومة للحرارة والجفاف”.

هل يمكننا استخدام أي من التقنيات السابقة للمحاصيل المستقبلية؟

من الممكن شراء بذور مزروعة بطريقة تقليدية من شركات تجارية يتم تسويقها على أنها “تتحمل الحرارة” – أي أنها تنمو بشكل جيد نسبيًا في ظل الظروف الحارة مقارنة بالسلالات غير المتكيفة. لكن هناك حركة متنامية تشجع البستانيين على الحصول على نباتاتهم محليًا، خاصة إذا كنت تعيش في مكان حار بالفعل.

حتى نبات تم تطويره خصيصًا مثل Tutti قد لا يزدهر في كل مكان جديد، لكن النباتات التي تم تهجينها في المكان غالبًا ما تتكيف بشكل فريد مع المنطقة بطرق لم نفهمها بالكامل بعد. على سبيل المثال، تتفوق المجتمعات الأصلية في جميع أنحاء جنوب غرب أمريكا في زراعة أصناف تتحمل الحرارة ، كما تقول أندريا كارتر، عضو أمة بوهاتان رينابي ومديرة الزراعة والتعليم في Native Seeds SEARCH ، وهو بنك بذور عام في توسون يحافظ على تنوع البذور المتكيفة مع الجفاف.

وتقول: “لقد نمت هذه البذور منذ مئات، بل آلاف السنين في بعض الأحيان، في موقع معين ــ وهذا يعني بذل الكثير من الجهد في تكييف هذه النباتات. وفي المستقبل، سوف يتعامل المزيد من العالم مع درجات الحرارة المرتفعة وقلة توافر المياه، وبالتالي فإن بذور هذه المنطقة تشكل مورداً حقيقياً أصبح أكثر قيمة بالفعل”.

الطريقة التي تزرع بها نباتاتك يمكن أن تمنحها أيضًا ميزة ( SN: 3/9/23 ). تتضمن طريقة “الأخوات الثلاث” زراعة ثلاث أنواع من الذرة والفاصوليا والقرع معًا، حيث توفر كل منها فوائد للآخرين.

تثبت الفاصوليا النيتروجين في التربة للذرة، التي توفر سيقانها الطويلة تعريشة للفاصوليا، بينما تظلل القرع المنخفضة النمو الأرض. يوفر تغطية التربة بالقش أو النشارة أو استخدام قماش التظليل فائدة مماثلة، ويقول كارتر إن الري بعمق، ولكن نادرًا ما يكون أفضل من الري بالتنقيط في تشجيع الجذور على النمو إلى الأسفل، حيث تكون أقل عرضة للجفاف.

وتقول روزلين ماكان، الباحثة في المجتمعات المستدامة بجامعة ولاية يوتا في موآب: “النباتات التي تتكيف مع الصحراء تفعل ذلك بشكل طبيعي، ولكن قد تحتاج نباتات أخرى إلى القليل من الإقناع، وفي بعض النواحي، أعتقد أن البستنة في ظل تغير المناخ أصبحت أكثر عملية إلى حد ما بهذه الطريقة. فالأمر لا يتعلق بإلقاء البذور ورؤية ما ينمو، بل يتعلق أكثر بالقيام بكل ما في وسعك لمنح نباتاتك دفعة قوية”.