10 سبتمبر 2020 الساعة 02:57 ص

تعديل جيني يساعد النباتات لتحويل النيتروجين من الأوراق القديمة إلى الأوراق الجديدة

...
09 سبتمبر 2020

إن جعل النباتات تستخدم النيتروجين بشكل أكثر كفاءة ، وبالتالي السيطرة على التأثيرات الملوثة للأسمدة الزائدة ، هو أحد أكبر تحديات الزراعة. الآن ، توصل الباحثون إلى طريقة جديدة محتملة للقيام بذلك: لقد صمموا نباتات يمكنها إعادة توجيه النيتروجين الزائد المخزن في أنسجتها إلى أجزاء من النبات التي هي في أمس الحاجة إليها - مما يؤدي إلى زيادة الغلة وتقليل الحاجة إلى زيادة النيتروجين في النهاية الأسمدة المطبقة على الأراضي الزراعية.

يعتبر النيتروجين عنصرًا غذائيًا أساسيًا مطلوبًا لنمو النبات ، ولهذا السبب يتم استخدامه بكثافة وثبات في المزارع حول العالم كسماد. لكن من الصعب على المزارعين أن يحكموا بدقة على مقدار ما تحتاجه نباتات الأسمدة ، الأمر الذي يؤدي في كثير من الأحيان إلى الإفراط في الاستخدام ، وتأثيرات تلوث التربة ، وتلوث أجسام المياه العذبة ، والجريان السطحي في المحيطات حيث يتسبب في مستويات خطيرة من المغذيات الزائدة. . علاوة على ذلك ، فإن الأسمدة النيتروجينية الزائدة في التربة تطلق غازات الاحتباس الحراري القوية ، أكسيد النيتروز. 

لمواجهة هذا التحدي في سياق تزايد عدد سكان العالم الذين سيحتاجون إلى المزيد من الغذاء وزيادة غلة المحاصيل في المستقبل - ولكن من الناحية المثالية مع تقليل الخسائر البيئية - قام الباحثون في دراسة Nature Plants الجديدة بتأسيس آلية طبيعية في النباتات ، ووجدت طريقة لاختراقها من أجل الصالح البيئي الأكبر.

يدور اكتشافهم حول حقيقة أن النباتات تحصل جزئيًا على النيتروجين عن طريق امتصاصه في صورة تسمى النترات ، مباشرة من التربة. يتحكم النتح في حركة النترات في النبات ، مما يعني عادةً أن المزيد من النترات ينتهي في المناطق الأكثر نضحًا ، مثل الأوراق الأكبر والأقدم ، بينما يصل القليل إلى الأوراق الأحدث والأصغر أو الأنسجة التناسلية النامية للنبات ، مثل البذور. 

لمعالجة هذا الخلل ، تحتوي النباتات على بروتين ناقل خاص يسمى NRT1.7 ، لنقل تلك النترات الأساسية إلى الأجزاء المحتاجة من النبات. ولكن حتى مع وجود نظام إعادة التدوير هذا ، يمكن أن يكون بطيئًا وغير فعال ، مما يعني أن النباتات ليست بالضرورة جيدة جدًا في استخدام النترات المخزنة في أوراقها. في هذا ، اكتشف الباحثون فرصة لتحسين العملية ، من خلال زيادة إعادة توزيع النيتروجين الزائد عبر النباتات. 

للقيام بذلك ، صمموا نوعًا جديدًا "مفرط النشاط" من البروتين الناقل يسمى NC4N ، وهو قادر على إعادة توزيع المزيد من النترات ، وبسرعة أكبر من البروتين الموجود مسبقًا. كما قاموا بالتأكد من أن هذا الناقل الجديد قد تمت ترقيته بواسطة نفس الجينات مثل الأصلي ، مما يعني أنه سيتم التعبير عنه في نفس الخلايا كما كان من قبل ، وبالتالي الاستمرار في توصيل النترات إلى أكثر أجزاء النبات احتياجًا. 

عندما قاموا بتربية الناقل الجديد في نباتات الرشاد - الأنواع التي استخدمها الباحثون لاختبار إثبات المبدأ - سجلوا العديد من التغييرات المثيرة للاهتمام. الأوراق الأصغر ، وكذلك البذور الموجودة في حب الرشاد الهندسي ، تحتوي على كميات أكبر من النيتروجين من تلك الموجودة في النباتات غير المعالجة. يبدو أن توفر النيتروجين المحسن يعزز النمو أيضًا: فقد كان إنتاج البذور أعلى بنسبة تصل إلى 20٪ في نبات الرشاد المصمم هندسيًا مقارنة بالضوابط ، كما نمت هذه النباتات بشكل عام بشكل أفضل من الضوابط. 

عندما قام الباحثون بعد ذلك بتربية NC4N مفرط النشاط في نوعين زراعيين آخرين - التبغ ومحاصيل الأرز - لاحظوا تأثيرات مماثلة. أظهرت نباتات التبغ المهندسة وزن نمو أكبر بنسبة 40٪ تقريبًا مقارنة بالضوابط. في الأرز المُصمم هندسيًا ، زادت غلات الحبوب بنسبة تتراوح بين 8 و 10٪ - وهو أمر بالغ الأهمية لتداعياته على الأمن الغذائي. 

يشير هذا إلى أن آلية التسليم الجديدة والمحسّنة هذه تعمل في جميع مصانع الاختبار ، وترفع المزيد من النترات غير المستخدمة من أرفف التخزين المزدحمة للأوراق القديمة ، وتحملها إلى أجزاء جديدة من المصنع حيث يتم استخدامها بشكل جيد ، مما يؤدي إلى نمو جديد . يوضح الباحثون: "تمامًا كما يقوم البشر بإعادة التدوير للتخفيف من استنفاد الموارد الطبيعية ، يمكن للنباتات إعادة استخدام وإعادة تعبئة [النيتروجين] المخزن في الأوراق وتحويله إلى الأنسجة المتطلبة".

تشير الفوائد الموضحة عبر مجموعة متنوعة من الأنواع النباتية إلى أن هذا التعديل الهندسي يمكن أن يكون له أيضًا استخدامات واسعة النطاق في محاصيل أخرى ، مما يساعدهم على استخدام شواطئهم من النيتروجين بشكل أكثر كفاءة - تحسين الغلات ، وتعزيز الأمن الغذائي. في المستقبل ، يمكن أن يساعد ذلك المزارعين على تخصيص كمية الأسمدة التي يطبقونها في حقولهم والحد منها ، مما يوفر تكاليفهم ويحمي البيئة من أسوأ آثار فائض النيتروجين.

يعد إنتاج النيتروجين للأسمدة عملاً مكلفًا يمثل حاليًا 2 ٪ من استخدام الطاقة العالمي. ومع ذلك ، فإن الكثير من هذا مجرد إهدار ، حيث يتم استخدام 30 إلى 50 ٪ فقط من هذا النيتروجين بواسطة المحاصيل.

بالنظر إلى حجم المشكلة ، ليس من المستغرب أن يكون هذا الاكتشاف الجديد مجرد واحدة من العديد من الغزوات التي يقوم بها الباحثون لزيادة كفاءة استخدام النيتروجين في النباتات: النتائج ترمز إلى أداة واحدة فقط من بين العديد من الأدوات في صندوق الأدوات. على الرغم من ذلك ، فإن جعل النباتات تقوم بالتنظيم الذاتي لاستخدامها للنيتروجين قد يكون أمرًا جديدًا وذا قيمة بشكل خاص لأنظمتنا الغذائية المستقبلية.