نباتات مصابة بارتفاع الضغط !

ارتفاع ضغط الدم هو حالة طبية خطيرة يمكن أن يؤدي إلى العديد من المشاكل الصحية، بما في ذلك النوبات القلبية والسكتة الدماغية وأمراض الكلى. ويأتي السؤال هنا هل تصاب النباتات بارتفاع الضغط أيضا؟ تصاب النباتات بما يسمى الضغط الإسموزي وهو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما يفصل غشاء شبه منفذ بين محلولين ذوي تركيز مختلف للأملاح المذابة، ويكون مصاحبا في العادة للإجهاد الملحي.

وتسبب الظروف البيئية غير المثلى لنمو وإنتاج النباتات الكثير من التحديات في الزراعة المستدامة. الإجهادات اللاحيوية أو البيئية مثل الملوحة والجفاف تعد من الأسباب الرئيسية لفقدان محصول الزراعة في جميع أنحاء العالم، حيث يمكن أن تزيد هذه الإجهادات من الضغط الإسموزي والذي يقلل من إنتاجية المحاصيل الرئيسية سنويا بأكثر من 50٪.

هذه العوامل وبشكل خاص، الملوحة العالية تشكل تهديدا خطيرا لإنتاج المحاصيل. وتؤدي تراكمات الأملاح في التربة إلى زيادة الضغط الإسموزي الخارجي للخلايا النباتية. ومع استمرار نمو سكان العالم، يجب زيادة إنتاج الغذاء من خلال زيادة المساحات المزروعة أو زيادة إنتاجية وحدة المساحة. ووفقا لمركز إدارة الأراضي والتغذية بمنظمة الأغذية والزراعة (FAO)، تتأثر أكثر من 6٪ من أراضي العالم بالملوحة أو القلوية. والنسبة المئوية للأراضي المزروعة التي تتأثر بالملوحة أكبر بكثير، حيث تعاني 23٪ من الأراضي المزروعة من الملوحة الأولية في حين تعاني 20٪ من الأراضي من الملوحة الثانوية. نمو السكان وتدهور الأرض بواسطة الملوحة دفع مربو النبات إلى مدى أهمية تطوير دراسة وتربية المحاصيل المتحملة للملوحة لتوضيح الآليات الفسيولوجية والكيميائية والجزيئية والتي تعد غير مفهومة بشكل كاف لتحمل الزيادة في الضغط الإسموزي في النبات والذي يشبه مجاز ارتفاع ضغط الدم لدي الإنسان.

البطاطس في سلطنة عمان مثالا

وتعاني العديد من المناطق في العالم وخاصة الجافة وشبه الجافة من تأثيرات ملوحة واسعة في الأراضي الزراعية. وتقع سلطنة عمان في منطقة شبه جافة، لذا تؤثر الملوحة بالإضافة إلى عوامل الإجهاد الأخرى مثل الجفاف والحرارة سلبًا على إنتاج المحاصيل الاقتصادية والمهمة. وقد قمنا بدراسة حول تعزيز آلية تحمل النبات للضغط الإسموزي الناتج عن الإجهاد الملحي مثال على ذلك نباتات البطاطس، والتي ستكون نقطة بداية جيدة للتقليل من فقدان الإنتاج الضخم تحت ظروف الإجهاد في هذه المناطق. ومع ذلك، يجب تربية أصناف متحملة للملوحة أو استخدام معالجات زراعية للتخفيف من أعراض الإجهاد والضغط الإسموزي. وعلى الرغم من أن البطاطس المنزرعة، والتي تتبع الجنس «سولانيم» والنوع «تيبروسيم»، تظهر حساسية نسبية للملوحة، فإن التحمل للملوحة قد تم توضيحه في عدة أنواع ذات القرابة الوراثية من الجنس «سولانيم». لذا يجب دراسة التباين الوراثي في الأنواع المختلفة حتى نتمكن من تربية أصناف جديدة متحملة للملوحة.

وتعيق الضغوط الإسموزية العالية المرتبطة بالملوحة نمو النبات بل وقد تتسبب في موته، وبالتالي فقدان محصوله ومع ذلك، قد تكون المعاملة ببعض الجزيئات أو المواد أحد الطرق التي يمكن تطبيقها لتحسين التحمل لمثل هذا النوع من الإجهاد البيئي. لذا كانت أهداف هذه الدراسة: 1- تحديد مدى التباين الوراثي لتحمل الضغط الإسموزي المصاحب للإجهاد الملحي بين أصناف البطاطس المنزرعة رباعية المجموعة الكروموسوية وسلالات البطاطس ثنائية المجموعة الكروموسوية داخل الزراعة النسيجية. 2- التحقق مما إذا كان يمكن المعاملة بمنظمات السموزية ومضادات الأكسدة مثل الجلايسين بيتاين والبرولين وحامض السالسيليك للتخفيف من الآثار الضارة للضغط الإسموزي على التراكيب الوراثية للبطاطس.

تعد البطاطس، إلى جانب القمح والأرز، واحدة من أهم المحاصيل الغذائية في العالم. ونشأت البطاطس رباعية المجموعة الكروموسوية، سولانيم تيبروسيم tbr (Solanum tuberosum L) في جبال الأنديز في أمريكا الجنوبية، حيث زرعت في الغالب على ارتفاعات تتراوح بين 2000 -4000 متر في بيئة تتسم بفترات نهار قصيرة وشدة إضاءة عالية ودرجات حرارة باردة ورطوبة نسبية عالية. وتم نقل البطاطس بعد ذلك إلى العالم، حيث أثرت العديد من العوامل البيئية على إنتاج الدرنات والتي تعد الجزء الاقتصادي للنبات. من ناحية أخرى، تعد البطاطس ثنائية المجموعة الكروموسوية «سولانيم تشاكوينسيس» chc (S. chacoense Bitt) واحدة من الأنواع البرية الأكثر شيوعا ومقاومة وقابلة للتكيف مع الظروف البيئية المعاكسة. يهتم مربو النباتات بالتنوع الوراثي الواسع، وقد أثارت البطاطس chc اهتمامهم بسبب المقاومة التي وجد أنها تتجاوز 20 آفة ومرضا.

تظهر أصناف البطاطس رباعية المجموعة الكروموسوية حساسية معتدلة إلى حساسية شديدة تبعًا للمعايير المستخدمة لتصنيف النباتات طبقا للتحمل للإجهاد الملحي وما يتسبب عنه من ضغط أسموزي. ترتبط هذه الحساسية بمرحلة نمو النبات، حيث تكون الحساسية أشد تأثيرًا في فترات النمو الأولى للنبات. هذا وقد تبين بصفة عامة أن إجهاد الملوحة يؤدي إلى تأخير إنبات البراعم وتأخير تطور نمو الجذور والسيقان الأرضية، وتقليل وزنها، بالإضافة إلى تقليل معدل نمو النبات ومحصول الدرنات، حيث تم اختبار تحمل الملوحة على أصناف البطاطس الأوروبية والشمال الأمريكية. لقد تم ملاحظة فروق في الحساسية في العديد من الأصناف المنزرعة، على الرغم من أنه لم يتم بعد إجراء تقييم واسع لهذه الأصناف مقارنةً بالأنواع والسلالات البرية. لذلك، من المهم جدًا فحص الأصناف المنزرعة وكذا البرية لتحملها للملوحة للتوصية بالتراكيب الوراثية التي يمكن زراعتها في ظروف تربة ملحية عالية أو استخدام أنماط وراثية متحملة للملوحة وبالتالي الضغط الأسموزي في برامج التربية.

تأثيرات ضارة بالنبات

ويمكن تحليل التأثير الضار لإجهاد الملوحة في ثلاث اتجاهات مختلفة: الإجهاد الأسموزي والإجهاد الأيوني والإجهاد التأكسدي، ويعدّ الإجهاد التأكسدي الأكثر ضررًا حيث يؤدي الإجهاد التأكسدي إلى تكوين جزيئات الأكسجين النشطة الضارة (ROS) في خلايا النبات. ووفقًا للنتائج السابقة، كان مزيج من التريكوديرما والفحم الحيوي الأكثر فعالية في تقليل التأثيرات الضارة للملوحة على نباتات السبانخ من خلال تعزيز التنظيم المضاد للأكسدة وخفض معدل تكوين جزيئات الأكسجين النشطة. في الأراضي الملحية، تمنع الضغوط الأسموزية العالية نمو وتطور النبات وبالتالي خفض الإنتاجية. كان العديد من الباحثين يعملون بجد لاستكشاف العمليات البيولوجية لتحمل النبات لإجهاد الملوحة. كانت إحدى الاستراتيجيات استخدام جزيئات معروفة بشكل خلوي لتحمل عوامل الإجهاد، مثل البيتاينات والبرولين ومضادات الأكسدة. الجلايسين بيتين والبرولين هما جزءان رئيسيان من منظمات الأسموزية العضوية التي تتراكم في مختلف أنواع النباتات للتكيف مع الإجهاد البيئي، بما في ذلك الجفاف والحرارة والملوحة. البرولين هو حمض أميني يلعب دورًا رئيسيًا في التنظيم والتحمل الأسموزي والذي يحمي الأغشية والبروتينات من التأثيرات الضارة للإجهاد. علاوة على ذلك، يمكنه التخلص من الشقوق الحرة أثناء التعرض لعوامل الإجهاد. على الجانب الآخر الجلايسين بيتين هو مشتق حمض أميني يشتهر بتأثيراته الوقائية في النباتات الكبيرة ضد إجهادات الملوحة، ليس فقط من خلال الحفاظ على التكيف الأسموزي، ولكن أيضًا من خلال تثبيت العديد من الوحدات الوظيفية، مثل مركب الأكسجين النشط PS-II. لذلك، يمكن للعديد من النباتات الدفاع عن أنفسها من إجهاد البيئة من خلال زيادة إنتاج الجلايسين بيتين وتراكمه. على الجانب الآخر حمض الساليسيليك، كمضاد للأكسدة، هو هرمون نباتي يُعدّ إشارة واضحة لحماية النباتات من عدة حالات من الإجهادات البيئية أو البيولوجية. وقد وجد أيضا أن حمض الساليسيليك يشارك في الأنشطة التنظيمية في العديد من العمليات الفيسيولوجية للنبات، مثل امتصاص الأيونات ونفاذية الخلايا ومعدل البناء الضوئي. علاوة على ذلك، يعد رش أو غمر درنات البطاطس بحمض الساليسيليك له تأثير معنوي على تحسين إنتاجية وجودة البطاطس.

تحت التجربة

في هذه الدراسة تم تحليل استجابات الملوحة بالإضافة إلى تأثير منظمات الأسموزية أو مضادات الأكسدة في ثلاثة عشر تركيبا وراثيا من البطاطس المنزرعة والبرية وتم استخدام الزراعة النسيجية من أجل الإكثار السريع لهذه التراكيب الوراثية. تمت زراعة العقد الساقية للتراكيب الوراثية على بيئة زراعة الأنسجة التي تحتوي على تركيزات مختلفة من الإجهاد الملحي: صفر، 100، 200 ، 300 ميللموز كلوريد الصوديوم، وتمثل مستويات المقارنة، والضغط الأسموزي المنخفض، والضغط الأسموزي المعتدل، والضغط الأسموزي العالي، على التوالي. أما بالنسبة لتجربة التطبيق الخارجي لمنظمات الأسموزية ومضادات الأكسدة، تم تحضير وسط النمو مع إضافة تركيزات من كلوريد الصوديوم بلغت 300 ميللموز (مستوى الضغط الأسموزي العالي) بالإضافة إلى الجلايسين بيتين بتركيز 400 ملليجرام/لتر أو البرولين بتركيز 200 ملليجرام/لتر أو حمض الساليسيليك بتركيز 100 ملليجرام/لتر. كما تم تعديل درجة الحموضة عند 5.7 وترك النبيتات plantlets للنمو لمدة 4 أسابيع داخل الزراعة النسيجية لاختبار تحملها أو حساسيتها تجاه الإجهاد بالملوحة. على ذلك، تمت دراسة خصائص النباتات المورفولوجية والفسيولوجية ونشاط الإنزيمات في غياب ووجود الضغوط الأسموزية المصاحبة للإجهاد الملحي بدون أو مع المعاملة بمنظمات الأسموزية ومضادات أكسدة لتقييم درجات التحمل لهذه التراكيب الوراثية.

وكانت أهم النتائج المتحصل عليها كالتالي، حيث أظهرت النتائج تحمل الملوحة، كما هو معبر عنه بمعدل تحمل الملوحة (STI) تحت ظروف الضغط الأسموزي العالي بدون أو مع المعاملة بالجلايسين بيتين والبرولين وحمض الساليسيليك. من المثير للاهتمام، من وجهة نظر تحمل الملوحة، الأصناف التي تظهر فيها المعايير المورفوفيزيولوجية مشابهة تقريبًا تحت ظروف الملوحة العالية مع إضافة الجلايسين بيتين والبرولين وحمض الساليسيليك مقارنة بظروف عدم الملوحة. في هذه التجربة، في المجمل، أظهرت معدلات تحمل الملوحة للصفات التي تمت دراستها أن التراكيب الوراثية للبطاطس البرية ثنائية المجموعة الكروموسومية chc كانت تتمتع بتحمل أعلى للملوحة مقارنة بأصناف البطاطس المنزرعة رباعية المجموعة الكروموسومية tbr. أشار معدل تحمل الملوحة إلى أن نمو الأجزاء النباتية (العقد الساقية)، ونسبة النبيتات التي أمكنها تكوين جذورًا في أصناف البطاطس المنزرعة والمساحة السطحية للجذر (سم²) في سلالات البطاطس البرية، كانت أبرز الصفات التي تأثرت بشكل أكبر بالإجهاد الملحي مقارنة بمعدل تحمل الملوحة للصفات الأخرى.

وكانت للمعاملة بمنظمات الأسموزية ومضادات الأكسدة، جلايسين بيتاين و برولين وحامض السالسيليك تحت ظروف الإجهاد تأثير إيجابي ومعنوي على نمو الجذور، و محتوى النبيتة للماء، والمحتوى الأيوني، والمحتوى الكلوروفيلي، ونشاط الإنزيمات لأنماط البطاطس الثلاثة عشر التي تم تقييمها في هذه الدراسة. ويرتبط تنفيذ النهج الزراعي الحديث بتصور زيادة إنتاجية المحاصيل، وإطالة مواسم الإنتاج، وتحسين الكفاءة في اتجاه مستدام ونظيف وترشيد استخدام الموارد الطبيعية. ويمكن أن يعطي ذلك أيضًا ردًا زراعيًا على الحد من الإجهاد وخاصة الملحي والذي يمكن أن يستغل أثناء البحث عن علاجات جينية وفسيولوجية لهذه المشكلة من جانب مربي المحاصيل ومتخصصي التقنية الحيوية. هذا وحسّنت المعاملات الخارجية المصحوبة بعوامل منظمة للأسموزية ومضادة للأكسدة الصفات المورفولوجية والفسيولوجية التي تمت دراستها في التراكيب الوراثية tbr وchc. وعمومًا، فاقت المعاملة بمنظمات الأسموزية المعاملة بمضادات للأكسدة في تحسين أداء هذه التراكيب الوراثية عند مقارنتها تحت ظروف عدم الإجهاد أو تحت مستويات الإجهاد المرتفعة. تؤكد نتائج هذه الدراسة على التأثيرات السلبية لزيادة الضغط الأسموزي على الأداء المختلف للتراكيب الوراثية للبطاطس. تشير النتائج إلى أن هناك تباينًا وراثيًا كبيرًا في تحمل الإجهاد الملحي بين وداخل أصناف البطاطس المنزرعة رباعية المجموعة الكروموسومية tbr والتراكيب الوراثية للبطاطس البرية ثنائية المجموعة الكروموسومية chc كما لوحظ وجود مستوى عال لتحمل الملوحة في بعض من هذه الأنماط الجينية التي تمت دراستها. وأظهرت السلالات البرية «A-6» و«C-8» و«D-2» أفضل تحمل للملوحة بشكل عام في حين كان صنف دياموند وصنف روسيت بوربانك الأكثر تحملًا بين الأصناف المنزرعة التي تم اختبارها. هذا وتعدّ هذه التراكيب الوراثية مرشح جيد للتربية في برامج تحمل الملوحة. علاوة على ذلك، كشفت نتائج البحث أن التأثيرات الضارة للملوحة قد يمكن تجنبها جزئيًا أو كليًا من خلال التطبيق الخارجي لـ جلايسين بيتاين وبرولين وحامض السالسيليك. وقد لوحظ أن جلايسين بيتاين قد يكون علاجًا مفيدًا لتحسين نمو الجذور ومحتوى الماء داخل الأنسجة وكذا محتوى الأيونات وتكوين الكالس ومحتوى الكلوروفيل وأنشطة الإنزيمات المقدرة لنباتات البطاطس في ظروف الإجهاد الملحي، ووفقًا لقيم معدل تحمل الملوحة فإن الوزن الطازج للجذور، وعدد الجذور، ومساحة سطح الجذر، والنسبة المئوية للنبيتات القادرة على تكوين الجذور متبوعة بطول الجذر الكلي ومحتوى البوتاسيوم قد تكون مؤشرات مهمة لقياس معدل تحمل نبات البطاطس للإجهاد الملحي. علاوة على ذلك، نظرًا لأن المعاملة بمنظمات الأسموزية مثل الجلايسين بيتاين والبرولين ومضادات الأكسدة مثل حامض السالسيليك لها آليات عمل خلوية متنوعة، كما أن هناك إمكانية كبيرة لخفض الإجهاد الملحي المتوسط إلى الشديد باستخدام هذه المعاملات، ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى إجراء دراسات تجريبية موسعة في الحقل وفي ظروف متعددة للتوصية بها. على هذا يمكن القول بأنه تتعرض النباتات لضغوط تسمى بالضغوط الأسموزية ناتجة أو مصاحبة للإجهاد بالعوامل البيئية خاصة الملحي تشبه لما يتعرض له الإنسان من ارتفاع ضغط الدم هذا وتعيق الضغوط الأسموزية العالية المرتبطة بالملوحة نمو النبات بل وقد تتسبب في موته وبالتالي فقدان محصوله لذا وجب التدخل السريع لتجنب أو معالجة هذه الضغوط.

أ.د. هيثم زكي أستاذ مشارك بقسم التقنية الحيوية التطبيقية ورئيس قسم البحوث والاستشارات-جامعة التقنية والعلوم التطبيقية بصور-عمان

المصدر: لجريدة عمان