با تغییر الگوهای اقلیمی و کمتر قابل‌پیش‌بینی شدن فصل‌ها، درختان باید به شیوه‌هایی سازگار شوند که علم تنها به‌تازگی در حال درک آن‌هاست. زیر پوست تنه و شاخه‌های آن‌ها، سیستمی نیرومند و ناپیدا قرار دارد: ساعت زیستی یا ساعت شبانه‌روزی.
ساعت زیستی درخت چیست؟
درست مانند ساعتی که چرخه خواب انسان را تنظیم می‌کند، ساعت زیستی درخت فعالیت‌های روزانه و فصلی آن را مدیریت می‌کند. این ساعت به درخت می‌گوید چه زمانی رشد کند، چه زمانی جوانه بزند و چه زمانی انرژی ذخیره نماید.
اکنون، پژوهشگران دانشگاه اومئو (Umeå) ابعاد بیشتری از این دنیای درونی را کشف کرده‌اند. مطالعه اخیر آن‌ها نشان می‌دهد که تغییرات ژنتیکی در این ساعت می‌تواند به درختان کمک کند تا بهتر با ریتم محیط اطراف خود هماهنگ شوند.
درختان چگونه از ساعت درونی برای رشد استفاده می‌کنند؟
تفاوت شرایط گلخانه‌ای و طبیعت
اکثر مطالعات قبلی، ریتم شبانه‌روزی گیاهان را در شرایط گلخانه‌ای بررسی کرده‌اند. هرچند مفید، این شرایط توان بازتاب هرج‌ومرج طبیعت – مانند نوسانات دمایی، تغییر در طول روز، بارندگی و تهدیدات حشرات – را ندارند.
در طبیعت، درختان باید با تمام این عوامل مقابله کنند و در عین حال رشد و رفتارهای فصلی خود را حفظ کنند.
پژوهش میدانی روی گونه‌های دستکاری‌شده
برای بررسی دقیق‌تر، پژوهشگران مرکز علوم گیاهی اومئو ۶۸ درخت صنوبر (Populus) دستکاری‌شده ژنتیکی را در دو محیط کنترل‌شده و طبیعی مطالعه کردند. طی چند سال، آن‌ها بررسی کردند که تغییرات در ژن‌های مرتبط با ساعت زیستی چه تأثیری بر رشد، پیر شدن برگ‌ها و فعالیت جوانه‌ها دارد.
این تیم از مدل‌سازی آماری پیشرفته و زیست‌شناسی تجربی گیاهان بهره گرفت. هر درخت دستکاری‌شده دارای پروفایل ژنتیکی منحصربه‌فردی بود که اجزای ساعت زیستی مانند TOC1، LHY، GI یا EBI1 را هدف قرار می‌داد.
هدف این بود که مشخص شود زمان‌بندی درونی چگونه عملکرد بیرونی درخت را شکل می‌دهد. آزمایش‌های میدانی زمینه مهمی فراهم کردند تا تأثیر تغییر ژن‌ها در مواجهه با نشانه‌های واقعی فصلی بررسی شود.
نقش ساعت زیستی در رشد درختان
یافته‌های کلیدی پژوهش
برتولد ماریین، نویسنده اصلی مقاله، گفت: «مطالعه ما اولین تحقیقی است که داده‌های محیط گلخانه‌ای و میدان را ترکیب کرده تا نشان دهد جنبه‌های مختلف سیستم ساعت زیستی بر رشد درختان و زمان رویدادهای چرخه زندگی تأثیر می‌گذارد.»
در هر دو محیط، برخی از درختان با ژن‌های دستکاری‌شده ساعت زیستی، به‌طور قابل‌توجهی بلندتر یا سریع‌تر رشد کردند. برخی دیگر زمان پیری برگ‌ها یا جوانه‌زنی را به تأخیر انداختند و بدین ترتیب دوره رشد را طولانی‌تر کردند.
اهمیت ویژه در عرض‌های جغرافیایی بالا
این اثرات در شمال سوئد – جایی که تابستان‌های کوتاه رشد درخت را محدود می‌کنند – آشکارتر بودند. پژوهشگران دریافتند ساعت زیستی فقط ریتم درونی درخت را تنظیم نمی‌کند، بلکه چگونگی واکنش درخت به طول روز و نشانه‌های محیطی را نیز دقیق تنظیم می‌نماید.
برای مثال، واریانت‌های ژنی lhy-10 و toc1-5 رشد سریع‌تری در محیط بیرونی نشان دادند. این امر حاکی از آن است که ساعت‌های تغییر‌یافته آن‌ها به درختان کمک کرده تا از فصل‌های کوتاه، بیشترین بهره‌برداری را داشته باشند.
دستکاری ژن‌ها برای رشد قوی‌تر درختان
گسترش فصل رشد
ماریا اریکسون، نویسنده دیگر مقاله، توضیح داد: «این مطالعه اثباتی است بر این‌که درختان عادت‌داده‌شده به طول روز خاص در یک عرض جغرافیایی مشخص، می‌توانند برای عرض‌های جدیدی تطبیق یابند و عملاً فصل رشدشان را گسترش دهند.»
این موضوع به‌ویژه در عرض‌های شمالی مانند شمال سوئد مفید است که فصل رشد کوتاه، تولید چوب را محدود می‌کند.
نقش کلیدی ژن EBI1
یکی از یافته‌های مهم، نقش ژن EBI1 بود که قبلاً با مقاومت به تنش در گیاه عربیدوپسیس مرتبط شده بود. درختانی که EBI1 آن‌ها تغییر یافته بود، رشد سریع‌تر و شاخص محتوای کلروفیل بالاتری داشتند؛ نشانه‌ای از تأخیر در پیر شدن برگ‌ها.
این درختان فقط سریع‌تر رشد نکردند، بلکه سبزتر هم باقی ماندند. این سبز ماندن طولانی‌تر می‌تواند فتوسنتز و ذخیره‌سازی کربن را افزایش دهد.
در عین حال، برخی از درختان حتی با فصل رشد کوتاه‌تر، رشد بیشتری داشتند که نشان می‌دهد «زمان‌بندی» می‌تواند مهم‌تر از «مدت‌زمان» باشد.
هماهنگی ساعت در برگ‌ها و ریشه‌ها
بازنگری در مدل‌های رشد گیاه
این پژوهش همچنین موجب تغییر نگرش نسبت به رشد درختان شده است. دیدگاه‌های سنتی بیشتر بر محدودیت منبع کربن تأکید داشتند، اما این مطالعه مدل جایگزینی را تقویت می‌کند: رشد زمانی اتفاق می‌افتد که شرایط درونی – مانند فشار آب و سطح هورمون‌ها – به آستانه مناسب برسند.
ساعت زیستی به‌نظر می‌رسد همانند دروازه‌بان عمل می‌کند و پنجره‌های رشد را بر اساس شرایط محیطی باز یا بسته می‌کند.
رشد ناهم‌زمان برگ و ریشه
پژوهشگران دریافتند تقسیم سلولی و تکثیر DNA بیشتر در شب – زمانی که خطر آسیب DNA کمتر و رطوبت هوا برای فشار تورژسانس بهتر است – انجام می‌شود.
حتی ساعت زیستی ریشه ممکن است با ساعت برگ متفاوت باشد که به رشد ناهم‌زمان بین بافت‌ها منجر می‌شود. این زمان‌بندی خاص بافتی می‌تواند مدل‌های رفتاری درختان را پیچیده‌تر کند، اما همچنین فرصت‌هایی نو برای بهبود جنگلداری با هدف‌گیری این دینامیک‌های درونی فراهم می‌آورد.
بهره‌برداری از ساعت درونی برای جنگلداری هوشمند
آینده‌ای هماهنگ با طبیعت
اریكسون گفت: «در آینده، مدیریت جنگل می‌تواند با ادغام ساعت زیستی درختان و چرخه رشد طبیعی آن‌ها با روش‌های سنتی بهبود یابد. بدین ترتیب، رشد و مقاومت درختان در دنیای در حال تغییر بهینه خواهد شد.»
ادغام این دانش می‌تواند منجر به برنامه‌ریزی کاشت هوشمندتر، استفاده مؤثرتر از منابع و توسعه درختانی مناسب مناطق در حال گرم شدن سریع شود.
تأثیر جهانی بر مدل‌سازی پوشش گیاهی
افزون بر این، یافته‌ها ممکن است نحوه ساخت مدل‌های پوشش گیاهی جهانی را دگرگون کند. بسیاری از مدل‌های موجود، درختان را صرفاً پاسخ‌دهنده منفعل به نور و دما می‌دانند و ساعت‌های درونی را در نظر نمی‌گیرند.
با افزودن این لایه از پیچیدگی، می‌توان پیش‌بینی جذب کربن و سلامت جنگل‌ها را به‌طور چشمگیری بهبود بخشید.
مدیریت زمان درختان: گامی به سوی «زمان‌جنگلداری»
این تحقیق تنها یک دستاورد علمی نیست، بلکه گامی است به‌سوی نوع جدیدی از جنگلداری که پژوهشگران آن را «زمان‌جنگلداری» (Chronosilviculture) می‌نامند – هماهنگ‌سازی مدیریت جنگل با ساعت زیستی طبیعت.
به‌جای وادار کردن درختان به چرخه‌های کاشت سختگیرانه، ممکن است روزی جنگلبانان گونه‌هایی را انتخاب کنند که صفات ساعت زیستی آن‌ها با اقلیم یا عرض جغرافیایی خاصی تطبیق یافته باشد.
با روشن کردن نقش ساعت زیستی به‌عنوان رهبر ارکستر طبیعت، تیم اومئو ابزار جدیدی قدرتمند در اختیار جنگلبانان و بوم‌شناسان قرار داده است. با توجه به این‌که تغییرات اقلیمی اکوسیستم‌ها را تا مرزهای تحمل خود سوق داده‌اند، درک نحوه رشد طبیعی درختان شاید هوشمندانه‌ترین راه پیش رو باشد.
این مطالعه در مجله npj Biological Timing and Sleep منتشر شده است.
