مثل أي كائن حي آخر، يمكن أن تتعرض النباتات للتوتر. عادة ما تكون الظروف مثل الحرارة والجفاف هي التي تؤدي إلى هذا الإجهاد، وعندما تتعرض للإجهاد، قد لا تنمو النباتات بشكل كبير أو تنتج الكثير. يمكن أن يكون هذا مشكلة بالنسبة للمزارعين، لذلك حاول العديد من العلماء تعديل النباتات وراثيًا لتكون أكثر مرونة.
لكن النباتات المعدلة لإنتاج محاصيل أعلى تميل إلى أن تكون أقل تحملاً للإجهاد لأنها تضع طاقة أكبر في النمو مقارنة بالحماية من الإجهاد. وبالمثل، فإن تحسين قدرة النباتات على تحمل الإجهاد يؤدي غالبًا إلى إنتاج نباتات أقل لأنها تستهلك طاقة أكبر في الحماية مقارنة بالنمو. وهذا اللغز يجعل من الصعب تحسين إنتاج المحاصيل.
لقد كنت أدرس كيف ينظم هرمون الإيثيلين النباتي النمو واستجابات الإجهاد في النباتات. في دراسة نشرت في يوليو 2023، قام مختبري بملاحظة مثيرة وغير متوقعة. لقد وجدنا أنه عندما تنبت البذور في الظلام، كما هي عادة تحت الأرض، فإن إضافة الإيثيلين يمكن أن يزيد من نموها وتحملها للإجهاد.
الإيثيلين هو هرمون نباتي
لا تستطيع النباتات التحرك، لذلك لا يمكنها تجنب الظروف البيئية المسببة للتوتر مثل الحرارة والجفاف. إنهم يتلقون مجموعة متنوعة من الإشارات من بيئتهم مثل الضوء ودرجة الحرارة التي تشكل كيفية نموهم وتطورهم والتعامل مع الظروف العصيبة. وكجزء من هذا التنظيم، تنتج النباتات هرمونات مختلفة تشكل جزءًا من شبكة تنظيمية تسمح لها بالتكيف مع الظروف البيئية.
تم اكتشاف الإيثيلين لأول مرة كهرمون نباتي غازي منذ أكثر من 100 عام. ومنذ ذلك الحين، أظهرت الأبحاث أن جميع النباتات البرية التي تمت دراستها تنتج الإيثيلين. بالإضافة إلى التحكم في النمو والاستجابة للإجهاد، فإنه يشارك أيضًا في عمليات أخرى مثل التسبب في تغيير لون الأوراق في الخريف وتحفيز نضج الثمار.
الإيثيلين كوسيلة لتجهيز النباتات
يركز مختبري على كيفية استشعار النباتات والبكتيريا للإيثيلين وكيفية تفاعله مع مسارات الهرمونات الأخرى لتنظيم نمو النبات. أثناء إجراء هذا البحث، توصلت مجموعتي إلى اكتشاف عرضي.
كنا نجري تجربة حيث كانت لدينا بذور تنبت في غرفة مظلمة. إن إنبات البذور هو فترة حرجة في حياة النبات، عندما تتحول البذرة، في ظل ظروف مواتية، من حالة سبات إلى شتلة.
في هذه التجربة، قمنا بتعريض البذور لغاز الإيثيلين لعدة أيام لمعرفة التأثير الذي قد يحدثه ذلك. ثم قمنا بإزالة الإيثيلين. عادة، هذا هو المكان الذي تنتهي فيه التجربة. ولكن بعد جمع البيانات عن هذه الشتلات، قمنا بنقلها إلى عربة خفيفة. هذا ليس شيئًا نفعله عادةً، لكننا أردنا زراعة النباتات حتى مرحلة البلوغ حتى نتمكن من الحصول على بذور للتجارب المستقبلية.
بعد عدة أيام من وضع الشتلات تحت الضوء، لاحظ بعض أعضاء المختبر ملاحظة غير متوقعة ومذهلة مفادها أن النباتات التي تم تسخينها بالغاز لفترة وجيزة كانت أكبر بكثير. كان لديهم أوراق أكبر بالإضافة إلى أنظمة جذر أطول وأكثر تعقيدًا من النباتات التي لم تتعرض للإيثيلين. استمرت هذه النباتات في النمو بمعدل أسرع طوال حياتها.
أردنا أنا وزملائي معرفة ما إذا كانت الأنواع النباتية المتنوعة أظهرت تحفيزًا للنمو عند تعرضها للإيثيلين أثناء إنبات البذور. وجدنا أن الجواب هو نعم. لقد اختبرنا تأثيرات المعالجة قصيرة الأمد بالإيثيلين على إنبات بذور الطماطم والخيار والقمح والجرجير، وجميعها نمت بشكل أكبر.
ولكن ما جعل هذه الملاحظة غير عادية ومثيرة هو أن معالجة الإيثيلين القصيرة زادت أيضًا من تحمل الضغوط المختلفة مثل الإجهاد الملحي وارتفاع درجة الحرارة وظروف الأكسجين المنخفضة.
غالبًا ما تسمى التأثيرات طويلة المدى على النمو وتحمل الإجهاد الناتج عن التعرض القصير للمحفز بالتأثيرات الأولية. يمكنك التفكير في هذا الأمر مثل تحضير المضخة، حيث يساعد التحضير على بدء تشغيل المضخة بشكل أسهل وأسرع. لقد بحثت الدراسات في كيفية نمو النباتات بعد التهيئة في مختلف الأعمار ومراحل التطور. لكن تحضير البذور بمواد كيميائية وضغوط مختلفة ربما كان الأكثر دراسة لأنه سهل التنفيذ، وإذا نجح، فيمكن استخدامه من قبل المزارعين.
كيف يعمل؟
منذ تلك التجربة الأولى، حاول فريقي في المختبر معرفة الآليات التي تسمح لهذه النباتات المعرضة للإيثيلين بالنمو بشكل أكبر وتحمل المزيد من الضغط. لقد وجدنا بعض التفسيرات المحتملة.
الأول هو أن تحضير الإيثيلين يزيد من عملية التمثيل الضوئي، وهي العمليات التي تستخدمها المصانع لإنتاج السكريات من الضوء. يتضمن جزء من عملية التمثيل الضوئي ما يسمى تثبيت الكربون، حيث تأخذ النباتات ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتستخدم جزيئات ثاني أكسيد الكربون كوحدات بناء لصنع السكريات.
أظهر فريقي في المختبر أن هناك زيادة كبيرة في تثبيت الكربون – مما يعني أن النباتات تمتص كمية أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.
ترتبط الزيادة في عملية التمثيل الضوئي بزيادة كبيرة في مستويات الكربوهيدرات في جميع أنحاء النبات. ويشمل ذلك زيادات كبيرة في النشا، وهو جزيء تخزين الطاقة في النباتات، واثنين من السكريات، السكروز والجلوكوز، التي توفر طاقة سريعة للنباتات.
تم ربط المزيد من هذه الجزيئات في النبات بزيادة النمو وقدرة أفضل للنباتات على تحمل الظروف العصيبة.
تظهر دراستنا أن الظروف البيئية أثناء الإنبات يمكن أن يكون لها تأثيرات عميقة وطويلة الأمد على النباتات التي يمكن أن تزيد من حجمها وقدرتها على تحمل الإجهاد في نفس الوقت. إن فهم آليات ذلك أصبح أكثر أهمية من أي وقت مضى ويمكن أن يساعد في تحسين إنتاج المحاصيل لإطعام سكان العالم.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: براد بيندر، جامعة تينيسي.
اقرأ أكثر:
يتلقى براد بيندر تمويلًا من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.