الكشف عن لغز تنفس النبات - يكتشف العلماء آلية تستخدمها النباتات للتحكم في "الأفواه"

منظر مكبّر لفُغرة على ورقة أ Tradescantia albiflora albovittata النبات ، المعروف باسم نبات بوصة بيضاء عملاقة. الائتمان: دوغلاس كلارك

يمكن أن يؤدي الاكتشاف الهام حول الآليات التي تفتح من خلالها النباتات وتغلق ثغورها إلى طرق جديدة لحماية المحاصيل من تأثيرات تغير المناخ ، وخاصة ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

في حين أن التنفس غالبًا ما يعتبر أمرًا مفروغًا منه كعملية لا إرادية ، إلا أنه في الواقع آلية معقدة. يكتسب علماء الأحياء الآن فهمًا أعمق لتعقيدات استنشاق النباتات ، مع تداعيات مهمة على تلبية الاحتياجات الغذائية المستقبلية للعالم.


فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا في سان دييغوبالتعاون مع علماء من إستونيا وفنلندا وبتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، اكتشفت مسارًا جزيئيًا غير معروف سابقًا تستخدمه النباتات للتحكم في تناولها لثاني أكسيد الكربون. يعتقد الباحثون أنه من خلال استخدام هذه الآلية ، قد يكون من الممكن تحسين كفاءة استخدام المياه وتناول الكربون للنباتات ، وهو أمر بالغ الأهمية مع استمرار ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. في ضوء ذلك ، قدم الفريق براءة اختراع ويستكشف طرقًا لتطبيق النتائج التي توصلوا إليها لتطوير أدوات لمربي المحاصيل والمزارعين.

تم نشر البحث مؤخرًا في المجلة علم السلف.

منظر مكبّر للعديد من ثغور النبات على ورقة أ بيجونيا ريكس كالتوروم مصنع. عرض كل فغرة حوالي 80 ميكرون. الائتمان: دوغلاس كلارك

Stomata ، وماذا في ذلك؟

تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء ثم تستخدم الضوء لتحويلهما إلى العناصر الغذائية التي تحتاجها للنمو. تنبعث من هذه العملية أيضًا الأكسجين الذي يتنفسه البشر والحيوانات الأخرى. هذا هو الملخص الأساسي لـ التركيب الضوئي. لكن كيف تعمل بالضبط؟

تصبح العملية أكثر وضوحًا على المستوى المجهري. على الجانب السفلي من الأوراق وفي أي مكان آخر ، اعتمادًا على النبات ، توجد فتحات صغيرة تسمى الثغور - الآلاف منها لكل ورقة مع وجود اختلافات حسب الأنواع النباتية. مثل بوابات القلعة الصغيرة ، تفتح أزواج من الخلايا على جوانب مسام الفم - المعروفة باسم الخلايا الحامية - مسامها المركزية لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، عندما تكون الثغور مفتوحة ، يتعرض الجزء الداخلي من النبات للعناصر ويضيع الماء من النبات في الهواء المحيط ، مما قد يؤدي إلى جفاف النبات. لذلك ، يجب على النباتات موازنة امتصاص ثاني أكسيد الكربون مع فقدان بخار الماء من خلال التحكم في المدة التي تظل فيها الثغور مفتوحة.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

فيديو مكبّر للغاية لفتحة واحدة تفتح وتغلق على ورقة نبات Tradescantia spathacea ، المعروف باسم زنبق القارب. الائتمان: دوغلاس كلارك

قال جوليان شرودر ، رئيس معهد توري ميسا للأبحاث في علوم النبات بجامعة كاليفورنيا سان دييغو ، الذي قاد البحث الجديد.


مع تغير المناخ ، يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ودرجة الحرارة ، مما يؤثر على التوازن بين دخول ثاني أكسيد الكربون وفقدان بخار الماء من خلال الثغور. إذا لم تتمكن النباتات ، خاصة المحاصيل مثل القمح والأرز والذرة ، من تحقيق توازن جديد ، فإنها تخاطر بالجفاف ، ويخاطر المزارعون بفقدان الإنتاج القيّم ، ويخاطر المزيد من الناس في جميع أنحاء العالم بالجوع. حتى مع التقدم في الزراعة ، وجدت دراسة ممولة من مؤسسة العلوم الوطنية ونُشرت في عام 2021 أن الإنتاجية الزراعية العالمية على مدار الستين عامًا الماضية لا تزال أقل بنسبة 60٪ مما كان يمكن أن تكون عليه بدون تغير المناخ.

لقد فهم العلماء منذ فترة طويلة الثغور والتوازن بين تناول ثاني أكسيد الكربون وفقدان الماء. ما لم يعرفوه حتى الآن هو كيف تشعر النباتات بثاني أكسيد الكربون للإشارة إلى فتح وإغلاق الثغور استجابة لتغير مستويات ثاني أكسيد الكربون. إن معرفة ذلك سيمكن الباحثين الآن من تعديل هذه الإشارات - حتى تتمكن النباتات من تحقيق التوازن الصحيح بين امتصاص ثاني أكسيد الكربون مقابل فقدان المياه - والسماح للعلماء ومربي النباتات بإنتاج محاصيل قوية بما يكفي لبيئة المستقبل.

نداء الحراس

حدد الباحثون سلسلة من البروتينات التي تعمل مثل سلسلة من الجنود الذين يستشعرون مستوى ثاني أكسيد الكربون ويطلبون "أغلق البوابات!" لجعل الخلايا الحامية تسترخي وتغلق الثغور.

قال شرودر: "إن اكتشاف أن مستشعر ثاني أكسيد الكربون في النباتات يتكون من بروتينين كان مفيدًا وقد يكون سببًا لعدم تحديد الآلية حتى الآن". "دعم جبهة الخلاص الوطني على مدى العقدين الماضيين كان حاسمًا لتحديد موقع هذا المسار المراوغ."


قال ماثيو: "هذا العمل هو مثال رائع للبحث الذي يحركه الفضول والذي يجمع بين العديد من التخصصات - من علم الوراثة إلى النمذجة إلى بيولوجيا الأنظمة - وينتج عنه معرفة جديدة مع القدرة على مساعدة المجتمع ، في هذه الحالة عن طريق صنع محاصيل أكثر قوة". بوشنر ، مدير البرنامج في مديرية العلوم البيولوجية في NSF.

في بيئة منخفضة ثاني أكسيد الكربون حيث يحتاج النبات إلى إبقاء الثغور مفتوحة لفترة أطول للحصول على الكمية التي يحتاجها لعملية التمثيل الضوئي ، ينشط البروتين المعروف باسم HT1 إنزيمًا يجبر الخلايا الحامية على الانتفاخ ، مما يبقي الفغرة مفتوحة.

عندما يشعر النبات بمستويات متزايدة من ثاني أكسيد الكربون ، فإن البروتين الثاني يمنع البروتين الأول من إبقاء الثغور مفتوحة ، وتغلق الثغور. إذا أغلقت الثغور قبل أن يتمكن النبات من الحصول على موارد كافية لعملية التمثيل الضوئي ، فقد يكون المحصول الزراعي أقل أو غير موجود.

قال ريتشارد سير ، مدير برنامج مؤسسة العلوم الوطنية الذي درس بيولوجيا الخلايا النباتية قبل الانضمام إلى الوكالة .



المرجع: “Stomatal CO₂/ يتألف مستشعر البيكربونات من حركتين بروتينيتين متفاعلتين ، وهما Raf-like HT1 ونشاط غير كيناز يتطلب MPK12 / MPK4 ″ بواسطة Yohei Takahashi و Krystal C. Bosmans و Po-Kai Hsu و Karnelia Paul و Christian Seitz و Chung-Yueh Yeh ، يوه-شوه وانغ ، دميتري يارمولينسكي ، مايا سيرلا ، تراين فاهيسالو ، ج.أندرو ماكامون ، جاكو كانغاسجارفي ، لي زانغ ، هانس كوليست ، ثين تراك وجوليان شرودر ، 7 ديسمبر 2022 ، علم السلف.
DOI: 10.1126 / sciadv.abq6161

تم تمويل الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية