في الأراضي الزراعية القاسية في أفريقيا جنوب الصحراء، حيث يمكن أن تعني كل حصاد الفرق بين البقاء والجوع، تدور معركة صامتة تحت التربة. لقد دمرت الأعشاب الضارة الطفيلية – المتطفلون القساة من الطبيعة – المحاصيل الغذائية الأساسية منذ فترة طويلة عن طريق استنزافها من العناصر الغذائية قبل أن تتمكن من النمو بشكل صحيح. الآن، اكتشف الباحثون في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد استراتيجية بسيطة بشكل خادع قد تعطي المزارعين فرصة للقتال: خداع هذه المصاصات الزراعية للقيام بـ “الانتحار”.
تستغل التقنية، التي تم تفصيلها في منشور بتاريخ 17 يناير في مجلة Science، فئة فريدة من هرمونات النباتات تُعرف باسم الستريغولاكتونات التي تظهر سلوكًا غير عادي لا تشترك فيه معظم هرمونات النباتات.
قال عالم الأحياء النباتية بجامعة UCR ومؤلف الورقة ديفيد نيلسون: “معظم الوقت، لا تشع هرمونات النباتات خارجيًا – فهي لا تُخرج. لكن هذه تفعل”. “تستخدم النباتات الستريغولاكتونات لجذب الفطريات في التربة التي لها علاقة مفيدة مع جذور النبات.”
لقد تم اختطاف هذا الإشارة الخارجية بواسطة الأعشاب الضارة الطفيلية الغازية، التي تستخدم الستريغولاكتونات كمنارة كيميائية تشير إلى وجود مضيف محتمل قريب. يمكن أن تبقى بذور الأعشاب نائمة في التربة لسنوات، تنتظر هذه الإشارة قبل أن تنبت وتلتصق بجذور المحاصيل.
كانت رؤية فريق UCR بسيطة بشكل قاسي: استخدام بيولوجيا الأعشاب ضدها.
قال نيلسون: “هذه الأعشاب تنتظر إشارة للاستيقاظ. يمكننا إعطاؤهم تلك الإشارة في الوقت الخطأ – عندما لا يوجد طعام لهم – حتى ينبتوا ويموتوا”. “إنه مثل قلب مفتاحهم ضدهم، مما يشجعهم أساسًا على الانتحار.”
في المناطق غير الآمنة غذائيًا عبر أفريقيا وأجزاء من آسيا، شاهد المزارعون بلا حول ولا قوة كيف تستهلك هذه الطفيليات حقول كاملة من المواد الأساسية مثل الأرز والدخن. أثبتت الطرق التقليدية لمكافحة هذه الأعشاب أنها غير فعالة إلى حد كبير؛ حيث تؤسس الطفيليات نفسها تحت الأرض قبل أن يدرك المزارعون أنهم تعرضوا للاحتلال.
لفهم إنتاج الستريغولاكتون بشكل أفضل، طور فريق البحث بقيادة يانران لي (سابقاً في UCR والآن في UC San Diego) نظامًا مبتكرًا يحول الكائنات الدقيقة العادية إلى مصانع هرمونية. عن طريق هندسة خلايا E.coli والخميرة لإنتاج هذه المواد الكيميائية ، أعادوا إنشاء المسارات البيولوجية اللازمة لتخليق الهرمونات في بيئة محكومة.
لم يساعد هذا النهج الباحثين فقط على فهم كيفية عمل الهرمونات – بل قد يؤدي أيضًا إلى طرق فعالة من حيث التكلفة لإنتاج كميات كبيرة من هذه المواد الكيميائية القيمة للتطبيقات الحقلية.
كما أحرز الفريق تقدمًا لفهم الإنزيمات المسؤولة عن إنتاج الستريغولاكتونات ، وحدد نقطة فرع أيضي رئيسية يبدو أنها كانت حاسمةً في تطور هذه الهرمونات من المنظمات الداخلية للنباتات إلى جزيئات إشارية خارجية.
لاحظ نيلسون: “هذا نظام قوي للتحقيق في إنزيمات النباتات”. “يمكننا تصنيف الجينات التي لم يتم دراستها مسبقاً والتلاعب بها لنرى كيف تؤثر على نوع الستريغولاكتون الذي يتم تصنيعه.”
بينما يركز البحث أساساً على التطبيقات الزراعية ، فإن النتائج قد تكون لها آثار أوسع نطاقا. تشير بعض الدراسات إلى أن الستريغولاكتونات قد تكون لها إمكانيات كعوامل مضادة للسرطان أو مضادة للفيروسات. هناك أيضًا اهتمام بدورها المحتمل في مكافحة مرض اصفرار الحمضيات – وهو حالة تدمر حاليًا صناعة الحمضيات فلوريدا.
يأتي العمل وسط مخاوف متزايدة بشأن الأمن الغذائي العالمي ، مع توقع تأثير تغير المناخ على تحديات الإنتاج الزراعي عالميًا. تمثل الباحثة الطلابية آناليز كين ، التي كانت مؤلفة مشاركة أولى للدراسة ، الجيل القادم من العلماء الذين يتعاملون مع هذه المشكلات.
تم دعم البحث بواسطة برنامج تدريب Plants3D المدعوم ماليًا بواسطة NSF بجامعة UCR والذي تقوده الأستاذة المتميزة وعالمة الوراثة جوليا بايلي-سيريس.
قالت بايلي-سيريس: “البرنامج مثير للغاية لأنه يساعد الطلاب على تعلم استخدام أحدث التقنيات لزيادة غلة المحاصيل وقيمتها الغذائية بينما يساعد أنفسهم مهنيّاً”.
يبقى تطبيق استراتيجية “انتحار الأعشاب” سؤال مفتوح. يستمر الفريق بتطوير نهجهم قبل اختبار الحقل.
قال نيلسون: “نختبر ما إذا كان بإمكاننا ضبط الإشارة الكيميائية لتكون أكثر فعالية”. “إذا استطعنا ذلك ، فقد يكون هذا تغييراً لقواعد اللعبة للمزارعين الذين يكافحون ضد تلك الأعشاب.”
بالنسبة للمزارعين الذين يعانون عبر العالم النامي ، فإن مثل هذه الابتكارات لا يمكن أن تأتي بسرعة كافية. مع استمرار ارتفاع السكان العالميين وندرة الأراضي القابلة للزراعة, أصبح العثور على طرق مستدامة لمكافحة الآفات الزراعية أكثر إلحاحا مما كان عليه الحال أبداً . بتحويل نظم الإشارات الخاصة بالنباتات الطفيلية ضدها, ربما وجد هؤلاء الباحثون حلاً رائعاً مخبأً أمام أعين الجميع – داخل بيولوجيا تلك النباتات نفسها.
