میکروبهای خاک خشکسالی را به خاطر میسپارند
به گزارش «ساینس دیلی» (Science Daily)، پژوهشگران کشف کردهاند که میکروبهای خاک در ایالت کانزاس «خاطره خشکسالی» دارند که بر چگونگی رشد و بقای گیاهان تاثیر میگذارد. گیاهان بومی واکنشهای قویتری نسبت به این میراثهای میکروبی نشان دادند تا محصولات زراعی مانند ذرت. این امر به فرگشت (تکامل) همزمان گیاهان بومی و میکروبهای خاک در طول زمان اشاره دارد.
در تجزیه و تحلیلهای ژنتیکی یک ژن کلیدی را شناسایی شد که با تحمل خشکسالی مرتبط است و میتواند به طور بالقوه در تلاشهای زیستفناورانه برای افزایش مقاومت محصولات نقش راهنما داشته باشد. این پژوهش به شیوهای نو، بومشناسی، ژنتیک و کشاورزی را به یکدیگر پیوند میدهد.
طی پژوهشی جدید که در نشریه «نیچر میکروبیولوژی» (Nature Microbiology) منتشر شده است، خاکهای جمعآوریشده از سراسر کانزاس تجزیه و تحلیل شد تا نقش «اثرات میراثی» آزمایش شود؛ مفهومی که به چگونگی شکلگیری خاکها در یک مکان مشخص توسط میکروبهایی که در طول سالهای متمادی با آب و هوای محلی سازگار شدهاند، اشاره دارد.
«مگی واگنر»، دانشیار بومشناسی و زیستشناسی تکاملی در دانشگاه کانزاس و از نویسندگان همکار این پژوهش میگوید: «باکتریها، قارچها و دیگر موجودات زنده خاک در واقع میتوانند اثرات مهمی بر فرآیندهایی بگذارند که برای ما اهمیت دارند؛ مانند «ترسیب کربن» (ذخیره کربن موجود در هوا در خاک و گیاهان)، جابهجایی مواد مغذی و چیزی که ما بهویژه به آن علاقهمندیم؛ یعنی اثرات میراثی بر گیاهان.»
او میافزاید: «به این موضوع علاقهمند شدیم؛ زیرا پژوهشگران دیگر سالهاست از نوعی حافظه بومشناختی در میکروبهای خاک سخن میگویند؛ یعنی اینکه آنها میتوانند به نوعی گذشته نیاکان خود را به یاد آورند. این موضوع برای ما بسیار جذاب است و پیامدهای مهمی برای پرورش گیاهان دارد؛ از جمله گیاهانی مانند ذرت و گندم. خود بارش تاثیر زیادی بر رشد گیاه دارد؛ اما حافظه میکروبهای ساکن آن خاک نیز میتواند نقش داشته باشد.»
مگی واگنر: «پژوهشگران دیگر سالهاست از نوعی حافظه بومشناختی در میکروبهای خاک سخن میگویند؛ یعنی اینکه آنها میتوانند به نوعی گذشته نیاکان خود را به یاد آورند. این موضوع پیامدهای مهمی برای پرورش گیاهان دارد».
به گفته واگنر، اثرات میراثی پیشتر مشاهده شدهاند؛ اما جزئیات آن هنوز روشن نیست. روشنتر شدن این فرایند در نهایت میتواند به کشاورزان و شرکتهای زیستفناوری کمک کند تا از میکروبهای مفید بهرهبرداری کنند.
او میگوید: «ما واقعا نمیدانیم اثرات میراثی چگونه کار میکند. به عنوان مثال کدام میکروبها درگیرند، در چه سطحی از ژنها این اتفاق میافتد و سازوکار آن چیست؟ کدام ژنهای باکتریایی تحت تاثیر قرار میگیرند؟ همچنین هنوز نمیدانیم چگونه این میراث آب و هوایی از خاک به میکروبها و سپس به گیاه منتقل میشود.»
تیم پژوهشی خاکهایی را از شش منطقه کانزاس ــ از نواحی مرطوبتر شرقی تا دشتهای مرتفعتر و خشکتر غربی که بارانکمتری را تجربه میکنند ــ نمونهبرداری کرد. هدف، مقایسه تغییرات اثرات میراثی در امتداد این گرادیان (شیب) اقلیمی بود.
در دانشگاه کانزاس، واگنر و همکارانش بررسی کردند که چگونه جوامع میکروبی این خاکها بر گیاهان تاثیر میگذارند.
میکروبهای خاک به مدت پنج ماه در شرایط دارای آب کافی یا با کمبود شدید آب قرار گرفتند تا تاریخچههای متضاد رطوبتی در آنها تقویت شود.
واگنر میگوید: «حتی پس از گذشت هزاران نسل باکتریایی، خاطره خشکسالی همچنان قابل تشخیص بود. یکی از جالبترین یافتهها این بود که اثر میراث میکروبی در گیاهان بومی همان مناطق بسیار قویتر از گیاهان غیربومی بود که به علل کشاورزی کاشته شده بودند و بومی نبودند.»
برای آغاز بررسی اینکه هویت گیاه چگونه با میراث میکروبی تعامل دارد، تیم پژوهشی یک محصول زراعی (ذرت) را با یک علف بومی (گاماگرس) مقایسه کرد. آنها اشاره کردند که بررسی گونههای بیشتر برای تایید این الگو لازم است؛ اما نتایج اولیه نشان میدهد که ممکن است گیاهان بومی هماهنگی قویتری با تاریخچههای میکروبی محلی داشته باشند.
او میگوید: «ما فکر میکنیم این موضوع با تاریخچه فرگشت همزمان آن گیاهان ارتباط دارد. گاماگرس در دورههای بسیار طولانی با همین جوامع میکروبی زندگی کرده است؛ اما ذرت چنین سابقهای ندارد. ذرت در آمریکای مرکزی اهلی شده و تنها چند هزار سال است که در این منطقه حضور دارد.»
افزون بر بررسی عملکرد گیاهان، پژوهشگران فعالیت ژنی در میکروبها و گیاهان را نیز مطالعه کردند تا سازوکارهای بالقوه اثرات میراثی را در سطح مولکولی بررسی کنند.
واگنر میگوید: «ژنی که بیش از همه ما را هیجانزده کرد، ژن «نیکوتیآنامین سنتاز» (nicotianamine synthase) بود. این ژن مولکولی تولید میکند که عمدتا برای جذب آهن از خاک به کار میرود؛ اما در برخی گونهها با تحمل خشکسالی نیز مرتبط گزارش شده است. در تجزیه و تحلیل ما، گیاه این ژن را در شرایط خشکسالی تنها زمانی بیان کرد که در حضور میکروبهایی رشد کرده بود که خاطره خشکسالی داشتند. پاسخ گیاه به خشکسالی به حافظه میکروبها بستگی داشت و این برای ما بسیار جالب بود».
واگنر یادآور میشود که گاماگرس بهعنوان منبعی بالقوه از ژنهای مفید برای بهبود مقاومت ذرت در برابر تنشهای محیطی در حال بررسی است.
او میگوید: «ژنی که پیشتر به آن اشاره کردم میتواند مورد توجه قرار گیرد. برای شرکتهای زیستفناوری که بر افزودن میکروبهای مفید به محصولات تمرکز دارند، این پژوهش سرنخهایی درباره محل یافتن میکروبهای سودمند ارائه میدهد. تجاریسازی میکروبها در کشاورزی یک صنعت چندمیلیارددلاری است که همچنان در حال رشد است.»
واگنر میافزاید: «یکی از جنبههایی که این پژوهش را ارزشمند میکند، میانرشتهای بودن آن است. ما ژنتیک، فیزیولوژی گیاه و میکروبیولوژی را با هم ترکیب کردیم تا بتوانیم به پرسشهایی پاسخ دهیم که پیشتر نمیتوانستیم به آنها پاسخ دهیم.»
انتهای پیام/