هزاران سال است که کشاورزان از لوبیا تنها برای تغذیه استفاده نمی‌کنند، بلکه به خاطر تأثیری که بر خاک می‌گذارد نیز به آن توجه داشته‌اند. یونانیان باستان متوجه نکته‌ای عجیب شدند: خاکی که پس از برداشت لوبیا باقی می‌ماند، حاصلخیزتر به نظر می‌رسید. آنها علت دقیق آن را نمی‌دانستند، اما امروز علم پاسخ را یافته است.
لوبیا و برخی گیاهان دیگر ترفندی طبیعی دارند. ریشه‌های آنها میزبان باکتری‌هایی هستند که می‌توانند نیتروژن هوا را به شکلی تبدیل کنند که برای گیاهان قابل استفاده باشد. این همان فرآیندی است که کشاورزی را به سطحی تازه می‌برد.
چرا نیتروژن برای زندگی حیاتی است؟
هر موجود زنده برای بقا به نیتروژن نیاز دارد. این عنصر در DNA، پروتئین‌ها و تقریباً در تمام سلول‌های بدن ما وجود دارد. گیاهان هم برای رشد به آن نیاز دارند. اما نوع نیتروژنی که در هوا فراوان است (دی‌نیتروژن) قفل شده و دارای یکی از قوی‌ترین پیوندهای شیمیایی طبیعت است. شکستن آن تقریباً غیرممکن است.
در میلیاردها سال پیش، زندگی اولیه روی زمین به دلیل نبود منابع کافی نیتروژن با مشکل روبه‌رو بود. تنها رعدوبرق یا برخورد شهاب‌سنگ می‌توانست این قفل را بشکند. این کافی نبود، اما سرانجام میکروب‌هایی پدید آمدند که توانستند آن را حل کنند.
این میکروب‌ها آنزیمی به نام نیتروژناز ساختند که از آهن و مولیبدن تشکیل شده بود و می‌توانست دی‌نیتروژن را به آمونیاک (شکل قابل استفاده نیتروژن) تبدیل کند. همین نوآوری زیستی باعث گسترش و تکامل زندگی شد. با این حال گیاهان، جانوران و قارچ‌ها هرگز یاد نگرفتند این آنزیم را بسازند. به جای آن، برخی گیاهان مانند لوبیا با باکتری‌های تولیدکننده نیتروژناز همزیستی برقرار کردند.
معامله ریشه‌ها با باکتری‌ها
وقتی گیاهان لوبیا رشد می‌کنند، از ابتدا باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن در ریشه ندارند. آنها باید به دنبال این شریک باشند. ریشه‌ها سیگنال‌های شیمیایی خاصی به بیرون می‌فرستند، مثل یک آگهی استخدام. باکتری‌هایی مانند Rhizobium یا Frankia با ارسال یک رمز شیمیایی پاسخ می‌دهند.
اگر این رمز درست باشد، گیاه اجازه ورود می‌دهد. مویچه‌های ریشه دور باکتری می‌پیچند و آنها را به داخل می‌برند. سپس مجموعه‌ای از واکنش‌ها منجر به شکل‌گیری غده‌های ریشه‌ای می‌شود. در این غده‌ها، باکتری‌ها دی‌نیتروژن را به آمونیاک تبدیل می‌کنند. در عوض، گیاه به آنها پناهگاه و قند می‌دهد. این یک رابطه برد-برد است، اما در همه گیاهان اتفاق نمی‌افتد.
معمای غده‌های لوبیا
یکی از پرسش‌های اساسی دانشمندان این بوده که آیا توانایی تشکیل غده‌های تثبیت نیتروژن فقط یک بار در تکامل پدید آمد یا چندین بار در گروه‌های گیاهی مختلف شکل گرفت. از میان حدود ۳۰ هزار گونه گیاهی در گروه تثبیت‌کننده نیتروژن، تنها ۸ هزار گونه غده تولید می‌کنند. پس آیا بقیه این توانایی را از دست داده‌اند یا اینکه چند مسیر تکاملی متفاوت وجود داشته است؟
پژوهشگران موزه تاریخ طبیعی فلوریدا و دیگر مراکز علمی سرانجام پاسخی مهم یافتند. آنها نشان دادند ژن‌های شناسایی باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن دست‌کم سه بار به طور مستقل تکامل یافته‌اند.
«این تحقیق برای نخستین بار نشان می‌دهد راه‌های مختلفی برای رسیدن به همزیستی تثبیت نیتروژن وجود دارد» — داگلاس سولتیس، استاد برجسته دانشگاه فلوریدا
الهام لوبیا برای کشاورزی سبزتر
انسان‌ها در قرن بیستم توانستند با فناوری صنعتی نیتروژن هوا را بشکنند. این همان چیزی است که در تولید کود شیمیایی اتفاق می‌افتد. اما این فرایند گران است و محیط‌زیست را آلوده می‌کند. میلیاردها تُن کود وارد خاک شده تا نیاز غذایی جمعیت رو به رشد تأمین شود.
حالا تصور کنید اگر بتوانیم ذرت، گندم یا برنج را هم مانند لوبیا به گونه‌ای مهندسی کنیم که غده‌های تثبیت نیتروژن بسازند، دیگر نیاز به کود شیمیایی تا این حد نخواهد بود. این یعنی صرفه‌جویی مالی برای کشاورزان و کاهش آلودگی محیط‌زیست.
رمزهای ژنی و گذرواژه‌های تکاملی
در پژوهشی به سرپرستی کریستینا فینیگان از دانشگاه فلوریدا، دانشمندان ژن‌هایی را بررسی کردند که گیاهان برای شناسایی باکتری‌های همکار استفاده می‌کنند. این ژن‌ها از هیچ پدید نیامده‌اند. آنها از ژن‌هایی مشتق شده‌اند که در گذشته برای شناسایی قارچ‌های مایکوریزا (کمک‌کننده به جذب مواد معدنی) به کار می‌رفتند. در طول زمان، نسخه‌های تکراری این ژن‌ها تغییر کرده و نقشی تازه گرفتند.
همین انعطاف ژنتیکی امکان داد که تکامل با آن بازی کند و آن را برای تشکیل غده‌ها بازآفرینی کند.
راه‌های متفاوت، نتایج مشابه
دانشمندان با بررسی DNA بیش از ۱۲ هزار گونه گیاهی، دریافتند ژن‌های کلیدی ۹ بار تکثیر شده‌اند و در سه مورد برای تشکیل غده‌ها استفاده شده‌اند. در خانواده لوبیا، گونه‌هایی که این تکثیر ژنی را نداشتند، غده نیز تشکیل نمی‌دادند. این نشان می‌دهد غده‌ها بیش از یک بار تکامل یافته‌اند.
اما گونه‌هایی مانند توسکا و کاج مردابی غده‌های تثبیت نیتروژن دارند، در حالی‌که هیچ‌گونه تکثیر ژنی مشابه دیده نمی‌شود. این گیاهان با باکتری Frankia همزیستی می‌سازند و احتمالاً از سیستم ژنتیکی کاملاً متفاوتی استفاده می‌کنند.
از لوبیا تا زیست‌فناوری
این کشف هم امید و هم چالش به همراه دارد. اگر غده‌ها فقط یک بار تکامل یافته بودند، دانشمندان شاید فقط نیاز داشتند یک مسیر ژنتیکی خاص را بازسازی کنند. اما حالا که مسیرهای متعددی وجود دارد، راه دشوارتر است. با این حال، همین تنوع نشان می‌دهد گزینه‌های بیشتری برای مهندسی زیستی وجود دارد.
«تکامل همگرا به ما کمک می‌کند عناصر ضروری را شناسایی کنیم، چون یک نتیجه مشابه از مسیرهای مستقل به دست آمده است.» — فینیگان
شاید لوبیا از ابتدا راز را می‌دانست. اکنون این دانش در دست بشر است تا کشاورزی آینده را پایدارتر کند.
این مطالعه کامل در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
نتیجه‌گیری: آینده کشاورزی با راز لوبیا
گیاهان لوبیا نشان دادند که همکاری با میکروب‌ها می‌تواند راهی سبز و کم‌هزینه برای تأمین نیتروژن باشد. کشف مسیرهای متفاوت تکاملی برای این فرآیند، فرصت بزرگی برای مهندسی زیستی و کشاورزی پایدار فراهم کرده است. اگر بتوانیم این راز را به دیگر محصولات منتقل کنیم، کشاورزی جهانی وارد عصر تازه‌ای خواهد شد.
نظر شما درباره آینده کشاورزی بدون کود شیمیایی چیست؟ دیدگاه خود را در بخش نظرات ثبت کنید یا این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید.
