علماء جامعة نيويورك يحددون إشارة جزيئية تنظم استهلاك النباتات للنيتروجين

حدد علماء الأحياء في جامعة نيويورك الآلية الجزيئية المحددة المسؤولة عن إرسال إشارات إلى النباتات عندما تمتص كميات كافية من النيتروجين من التربة. ويوفر هذا الاكتشاف خريطة خلوية مفصلة لكيفية مراقبة النباتات لحالتها المغذية وإرسال إشارات داخلية بحالة من التشبع البيولوجي، حيث تعمل الآلية عمل مستشعر يخبر الكائن الحي عندما يمتص ما يكفي من العناصر المغذية.

وتقدم هذه النتائج لعلماء الزراعة هدفاً جديداً لتحسين المحاصيل. ويرى الباحثون أنه من خلال التلاعب بحلقة التغذية الراجعة التنظيمية هذه أو تجاوزها، قد يكون من الممكن هندسة أصناف من المحاصيل تستمر في امتصاص النيتروجين بكفاءة أكبر من التربة، مما قد يسمح للمزارعين بتحقيق إنتاجية عالية مع استخدام كميات أقل بكثير من الأسمدة التجارية.

## التنظيم الجزيئي لتغذية النبات

يُعد النيتروجين لبنة بناء بيولوجية أساسية مطلوبة لنمو النبات، حيث يعمل كمكون رئيسي للأحماض الأمينية والبروتينات والكلوروفيل. وفي البيئات الطبيعية وأنظمة الزراعة التقليدية، تمتص الجذور النيتروجين من التربة المحيطة بشكل أساسي على شكل أيونات النترات أو الأمونيوم. وبمجرد دخولها إلى النبات، تُعالج هذه الجزيئات عبر مسارات أيضية معقدة توزع العناصر المغذية على الأوراق والساق والأعضاء التناسلية.

ومع ذلك، طورت النباتات آليات تنظيمية صارمة لمنع التراكم المفرط للعناصر المغذية، والذي يمكن أن يسبب إجهاداً أيضياً أو إهداراً للطاقة. ووفقاً لما أورده موقع phys.org، نجح فريق جامعة نيويورك في تحديد الجهات الجزيئية الفاعلة المحددة التي تتوسط آلية التغذية الراجعة الداخلية هذه. وعندما تصل تركيزات النيتروجين الداخلية إلى حد بيولوجي معين، تبدأ هذه المكونات الجزيئية تسلسلاً بيوكيميائياً يوقف أو يبطئ المزيد من الامتصاص من الجذور.

ومن خلال تحديد هذه المنظمات الخلوية الدقيقة، سلط الباحثون الضوء على نقطة تحكم رئيسية في فسيولوجيا النبات كانت غير مفهومة جيداً في السابق. ويسهم فهم كيفية عمل هذه المفاتيح الكيميائية في تمكين علماء وراثة النبات من دراسة كيفية تفاعل مسارات إشارات العناصر المغذية مع الوظائف الخلوية الأوسع خلال المراحل المختلفة لتطور المحاصيل.

## الأثر البيئي للأسمدة الزائدة

لعقود من الزمن، اعتمدت الزراعة الحديثة بشكل كبير على الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية لزيادة إنتاج المحاصيل وتلبية الطلب العالمي على الغذاء. وغالباً ما تتضمن ممارسات الزراعة الحديثة ذات الإنتاجية العالية إضافة النيتروجين بفائض لضمان عدم معاناة المحاصيل من نقص المغذيات خلال فترات النمو الحرجة. ومع ذلك، لا تمتص النباتات عادةً سوى جزء بسيط من إجمالي النيتروجين المضاف إلى الحقول.

ويشكل السماد غير الممتص تحديات بيئية خطيرة. فالنيتروجين الزائد غالباً ما ينحرف عن الأراضي الزراعية أثناء هطول الأمطار أو يتسرب عبر التربة السطحية إلى طبقات المياه الجوفية والمياه السطحية. وفي النظم البيئية المائية، يغذي الجرف النيتروجيني ظاهرة التثري الغذائي الشديد، مما يحفز التكاثر الانفجاري للطحالب التي تستهلك الأكسجين المذاب وتؤدي إلى تدهور جودة المياه. وتخلق هذه العملية بيئات مائية منخفضة الأكسجين، تُعرف باسم المناطق الميتة، حيث لا يمكن للأسماك والحياة البحرية الأخرى البقاء على قيد الحياة.

بالإضافة إلى ذلك، تفكك الميكروبات الموجودة في التربة مركبات النيتروجين المتبقية، مما يؤدي إلى إطلاق أكسيد النيتروس في الغلاف الجوي. وأكسيد النيتروس هو أحد غازات الاحتباس الحراري وتصل قدرته على إحداث الاحترار العالمي إلى ما يقرب من 300 ضعف قدرة ثاني أكسيد الكربون على مدى نطاق زمني يمتد لـ 100 عام. وتستحوذ إدارة التربة الزراعية على الغالبية العظمى من انبعاثات أكسيد النيتروس الناجمة عن الأنشطة البشرية عالمياً.

## الأعباء الاقتصادية على الزراعة التجارية

بعيداً عن التدهور البيئي، يفرض الاعتماد الكثيف على الأسمدة تحديات مالية كبيرة على المنتجين الزراعيين. إذ يتطلب تصنيع الأسمدة النيتروجينية كثافة عالية من الطاقة، وتعتمد بشكل أساسي على عملية "هابر-بوش" (Haber-Bosch)، التي تستخدم الغاز الطبيعي لتحويل النيتروجين الجوي إلى أمونيا. ونتيجة لذلك، ترتبط أسعار الأسمدة ارتباطاً وثيقاً بأسواق الطاقة العالمية المتقلبة.

وتؤدي التقلبات في أسعار الوقود والغاز الطبيعي إلى ارتفاعات حادة في تكاليف الأسمدة، مما يضع ضغوطاً مالية هائلة على المزارعين، وخاصة في الدول النامية حيث تكون فرص الحصول على رأس المال والائتمان محدودة. وتمثل تكاليف مدخلات الأسمدة الاصطناعية واحدة من أكبر النفقات التشغيلية المنفردة لمنتجي المحاصيل الحقلية حول العالم.

ومن خلال تطوير سلالات من المحاصيل يمكنها استخلاص النيتروجين من التربة بكفاءة أعلى، يمكن للمنتجين الزراعيين الحفاظ على أحجام الحصاد الحالية مع استخدام كميات أقل بكثير من الأسمدة. ومن شأن خفض حجم الأسمدة أن يقلل بشكل مباشر من تكاليف الإنتاج لكل فدان، مما يقدم تخفيفاً اقتصادياً كبيراً للمزارعين ويحد في الوقت نفسه من المخاطر المالية المرتبطة بتقلب أسعار المدخلات.

## تداعيات ذلك على تربية المحاصيل والتكنولوجيا الحيوية

يفتح تحديد العوامل الجزيئية المسؤولة عن تشبع المغذيات آفاقاً جديدة لكل من تربية المحاصيل التقليدية والهندسة البيولوجية الجينية. ويمكن لمربي النباتات الآن البحث في قواعد بيانات الأصول الوراثية للمحاصيل الحالية عن التباينات الجينية الطبيعية التي تعدل حساسية آلية استشعار النيتروجين هذه.

وكبديل، يمكن استخدام أدوات التعديل الجيني الحديثة مثل CRISPR لتعديل الشفرة الجينية المسؤولة عن إنتاج هذه البروتينات التنظيمية بدقة. ومن خلال إضعاف الإشارة التي تبلغ النبات بأنه شبعان، يمكن للعلماء تصميم محاصيل تحافظ على نشاط ناقلات المغذيات في أجهزتها الجزرية لفترات أطول، حتى عندما تكون مستويات المغذيات في التربة منخفضة.

وقد تثبت هذه التعديلات قيمة خاصة لأنظمة الزراعة منخفضة المدخلات أو المناطق ذات التربة المتدهورة حيث تكون إضافة الأسمدة غير عملية اقتصادياً أو لوجستياً. ويمكن للمحاصيل المجهزة بآليات محسنة لامتصاص النيتروجين أن تنتج كتلة حيوية وإنتاجاً أعلى من حبوب الغلال في التربة الفقيرة، مما يساعد على تعزيز الأمن الغذائي في المناطق الزراعية الهشة.

## النظرة المستقبلية لأبحاث النبات

وفي حين يمثل تحديد هذه المكونات الجزيئية إنجازاً نظرياً رئيسياً، فإن ترجمة الاكتشافات المعملية إلى أصناف محاصيل جاهزة للحقول تتطلب سنوات من الاختبارات الإضافية والتقييم الزراعي. ويجب على الباحثين تحديد ما إذا كان تعديل آليات استشعار النيتروجين يؤثر على الوظائف الحيوية الأخرى للنبات، مثل تحمل الجفاف أو مقاومة الآفات أو عمر النبات الإجمالي.

وفي الظروف الحقلية، تتفاعل النباتات مع ميكروبيومات التربة المعقدة والظروف الجوية المتغيرة والتغيرات الكيميائية في التربة. وسيحتاج علماء المحاصيل إلى إجراء تجارب حقلية واسعة النطاق للتأكد من أن المحاصيل المعدلة تظهر كفاءة محسنة في استخدام النيتروجين دون التعرض لانخفاضات غير مقصودة في الإنتاجية أو أشكال ضعف هيكلي.

ومع ذلك، يمثل رسم خرائط نظام التحكم في المغذيات هذا خطوة تأسيسية نحو أنظمة زراعية أكثر استدامة. ويمكن لدمج علم الوراثة النباتية الفعال في استخدام المغذيات مع أدوات الزراعة الدقيقة أن يقلل بشكل كبير من الأثر البيئي لإنتاج المحاصيل العالمي خلال العقود القادمة.

أُعد هذا المقال باستخدام أبحاث وسياق نُشرا في الأصل بواسطة phys.org.