فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه UC Davis نوعی گندم با توانایی خودباروری ابداع کرده‌اند که با ترشح ماده‌ای شیمیایی، باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن در خاک را فعال می‌کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این دستاورد می‌تواند به کاهش آلودگی هوا و آب در سراسر جهان کمک کند و نیاز کشاورزان به کودهای شیمیایی را کاهش دهد. پروژه تحت هدایت ادواردو بلوموالد، استاد برجسته دپارتمان علوم گیاهی انجام شد. تیم تحقیقاتی با استفاده از ابزار ویرایش ژن CRISPR، تولید یکی از ترکیبات طبیعی گندم را افزایش دادند. زمانی که گیاه این ترکیب اضافی را در خاک اطراف آزاد می‌کند، باکتری‌های خاک را فعال می‌نماید تا نیتروژن هوا را به شکلی تبدیل کنند که گیاه بتواند به راحتی آن را جذب کند؛ این فرایند به «تثبیت نیتروژن» معروف است.
نتایج این تحقیق در مجله Plant Biotechnology به صورت آنلاین منتشر شده است.
تاثیر بالقوه گندم خودبارور بر امنیت غذایی جهانی
در بسیاری از مناطق در حال توسعه، این کشف می‌تواند جهشی بزرگ در پایداری محصولات کشاورزی و تامین غذای مردم ایجاد کند. بلوموالد بیان کرد: «مردم در آفریقا از کود استفاده نمی‌کنند، چرا که توان مالی ندارند و مزارع بسیار کوچک هستند. تصور کنید محصولاتی می‌کارید که به طور طبیعی باکتری‌های خاک را تحریک می‌کنند تا کود مورد نیاز خود را تولید نمایند. این واقعا تفاوت عظیمی ایجاد می‌کند!» این گونه جدید گندم خودبارور بر دستاوردهای پیشین تیم در زمینه برنج متکی است و مطالعات تکمیلی در حال بررسی امکان اعمال این روش بر سایر غلات هستند.
چالش کود شیمیایی
گندم دومین محصول غله‌ای پرمحصول جهان است و تقریبا ۱۸ درصد از مصرف جهانی کود نیتروژنی را به خود اختصاص می‌دهد. بر اساس آمار سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد، در سال ۲۰۲۰ بیش از ۸۰۰ میلیون تن کود در سراسر جهان تولید شد. با وجود این، گیاهان به طور معمول تنها ۳۰ تا ۵۰ درصد از نیتروژن موجود در کود را جذب می‌کنند و مابقی اغلب وارد آبراه‌ها می‌شوند و «مناطق مرده» را شکل می‌دهند، جایی که سطح اکسیژن برای ادامه حیات آبزیان کافی نیست. همچنین نیتروژن اضافی در خاک می‌تواند گاز گلخانه‌ای قوی نیتروز اکسید تولید کند.
موانع بیولوژیکی
باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن برای عملکرد خود به آنزیمی به نام نیتروژناز وابسته هستند؛ آنزیمی کلیدی در فرایند تثبیت نیتروژن که تنها در درون این باکتری‌ها یافت می‌شود و فقط در شرایط کم‌اکسیژن قادر به فعالیت است. حبوبات مانند نخود و لوبیا به‌طور طبیعی این محدودیت را با ایجاد گره‌های ریشه‌ای برطرف می‌کنند، محیطی با اکسیژن پایین که از باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن محافظت می‌کند. گندم و اکثر دیگر غلات فاقد چنین گره‌هایی هستند، از این رو کشاورزان مجبور به استفاده از کودهای نیتروژنی هستند.
بلوموالد توضیح داد: «دهه‌ها است که دانشمندان در تلاش هستند غلاتی با گره‌های ریشه فعال بسازند، یا غلات را با باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن کلون کنند، اما موفقیت چندانی نداشته‌اند. ما مسیر متفاوتی را انتخاب کردیم؛ معتقد هستیم محل حضور باکتری‌ها اهمیت ندارد، به شرط آنکه نیتروژن تثبیت‌شده به گیاه برسد و گیاه توان بهره‌برداری از آن را داشته باشد. با کمک این روش موفق شدیم گندم خودبارور را ابداع کنیم.»
حتما بخوانید: کشاورزی ارگانیک کد ژنتیکی گیاهان را تغییر می‌دهد
بیشتر بخوانید: ساخت پلاستیک زیست‌‌تخریب‌‌پذیر از پسماندهای کشاورزی
روشی نوین برای تقویت باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن
تیم تحقیقاتی برای یافتن راه‌حل، ۲۸۰۰ ترکیب شیمیایی طبیعی تولیدشده توسط گیاهان را مورد بررسی قرار داد. آنها ۲۰ ترکیب را شناسایی کردند که علاوه بر فواید مستقیم برای گیاه، به باکتری‌ها در شکل‌گیری بیوفیلم کمک می‌کنند. این لایه‌های محافظ چسبنده، محیطی با اکسیژن پایین ایجاد می‌کنند که امکان فعالیت آنزیم نیتروژناز را فراهم می‌سازد. سپس پژوهشگران نحوه سنتز این ترکیبات توسط گیاه و ژن‌های مسئول کنترل تولید آنها را تعیین کردند.
با بهره‌گیری از ابزار ویرایش ژن CRISPR، گندم مهندسی شد تا میزان بالاتری از فلاون «آپیژنین» تولید کند. از آنجایی که گیاهان اصلاح‌شده بیش از نیاز خود آپیژنین تولید می‌کنند، مازاد آن از ریشه‌ها وارد خاک می‌شود. در آزمایش‌ها، این آپیژنین اضافی باکتری‌های خاک را به ساخت بیوفیلم واداشت، بیوفیلمی که از نیتروژناز محافظت می‌کند و اجازه می‌دهد باکتری‌ها نیتروژن را به فرم قابل استفاده برای گندم تثبیت کنند. این گندم خودبارور، حتی در شرایط محدودیت شدید کود نیتروژنی، عملکردی بالاتر از گیاهان کنترل نشان داد.
مزایای اقتصادی چشمگیر گندم خودبارور برای کشاورزان
بر اساس برآوردهای وزارت کشاورزی ایالات متحده، کشاورزان در سال ۲۰۲۳ نزدیک به ۳۶ میلیارد دلار صرف خرید کود کردند. بلوموالد تاکید کرد که تقریبا ۵۰۰ میلیون هکتار از زمین‌های کشاورزی کشور به غلات اختصاص دارد. او در ادامه گفت: «تصور کنید که اگر بتوانیم تنها ۱۰ درصد از مصرف کود را در این زمین‌ها کاهش دهیم. حتی با احتساب محافظه‌کارانه، این اقدام می‌تواند سالانه بیش از یک میلیارد دلار صرفه‌جویی اقتصادی به همراه داشته باشد.»
