پوست درخت صنوبر سرشار از ترکیبات فنولی است؛ موادی شیمیایی که بهعنوان خط دفاعی درخت در برابر قارچهای مهاجم عمل میکنند. این ترکیبات در بافت فلوئم، یعنی لایه داخلی پوست درخت، قرار دارند؛ همان بخشی که سوسکهای پوستخوار هنگام تونلزنی از آن تغذیه میکنند.
پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای بومشناسی شیمیایی در شهر ینا آلمان، پرسشی تیزبینانه مطرح کردند: وقتی سوسکهای پوستخوار این سلاحهای شیمیایی درخت را میبلعند، آیا میتوانند آنها را به ابزاری برای دفاع از خود در برابر عوامل بیماریزای خودشان تبدیل کنند؟
ارتقای سموم گیاهی توسط سوسکها
پژوهشگران با استفاده از طیفسنجی جرمی با وضوح بالا و رزونانس مغناطیسی هستهای (NMR)، نقشه دقیقی از مولکولهای دفاعی تولیدشده توسط درخت صنوبر تهیه کردند و بررسی کردند که این ترکیبات پس از ورود به بدن سوسکها چه سرنوشتی پیدا میکنند.
یافته شگفتانگیز فقط این نبود که سوسکها این مواد شیمیایی را تحمل میکنند، بلکه آنها این ترکیبات را به شکل شیمیایی تغییر میدهند و به مواد ضدمیکروبی حتی قویتر تبدیل میکنند.
سوسکها با جدا کردن گروههای قندی، گلیکوزیدهای فنولی را به شکل بدون قند آنها یعنی «اگلیکون» تبدیل میکنند.
این اگلیکونها قدرت ضدقارچی بالاتری دارند و به سوسکها کمک میکنند تا در برابر قارچهای بیماریزا که در تونلهای آنها حضور دارند مقاومت کنند.
«ما انتظار نداشتیم سوسکها بتوانند دفاع شیمیایی صنوبر را بهاینحد هدفمند به مشتقاتی حتی سمیتر تبدیل کنند.»
روئو سان، نویسنده اصلی مطالعه
قارچها چگونه از سد دفاع سوسکها عبور میکنند
اما این داستان به شیمی هوشمندانه سوسکها ختم نمیشود. تیم پژوهشی به سراغ قارچ Beauveria bassiana رفت؛ قارچی بیماریزا برای حشرات که در برنامههای کنترل زیستی استفاده میشود، اما در میدان عمل سابقهای متناقض در کنترل سوسکهای پوستخوار دارد.
«اگرچه این قارچ در گذشته در کنترل سوسکهای پوستخوار چندان موفق نبوده، ما سویههایی را شناسایی کردیم که بهطور طبیعی سوسکها را آلوده کرده و از بین برده بودند. به همین دلیل خواستیم دقیقتر بررسی کنیم چگونه این قارچها موفق به آلودهسازی سوسکها میشوند.»
روئو سان
نتایج مطالعه نشان داد که این قارچ از یک مسیر سمزدایی دومرحلهای استفاده میکند که به آن اجازه میدهد از سد دفاع شیمیایی ارتقایافته سوسک عبور کند.
در مرحله نخست، قارچ دوباره یک قند به اگلیکونهای سمی اضافه میکند؛ فرآیندی که «گلیکوزیلاسیون» نام دارد. سپس در مرحله دوم، یک گروه متیل به این قند متصل میشود؛ فرآیندی موسوم به «متیلاسیون».
محصول نهایی، یک مشتق متیلگلیکوزیدی است که خاصیت سمی خود را از دست میدهد.
این ترکیب برای قارچ بیخطر است و نکته کلیدی اینجاست که در برابر آنزیمهای سوسک نیز مقاوم است؛ آنزیمهایی که معمولاً قندها را جدا کرده و ترکیب را دوباره به شکل ضدمیکروبی فعال برمیگردانند.
سوءاستفاده قارچ از استراتژی شیمیایی سوسک
جالبتر آنکه سوسکهایی که از بافتهای سرشار از ترکیبات فنولی صنوبر تغذیه کرده بودند، پس از انجام متیلگلیکوزیلاسیون توسط قارچ، آسیبپذیرتر شدند. این موضوع نشان میدهد که عامل بیماریزا میتواند از استراتژی شیمیایی خود سوسک علیه او استفاده کند.
برای اثبات رابطه علت و معلولی، پژوهشگران ژنهای مسئول متیلگلیکوزیلاسیون را در قارچ B. bassiana غیرفعال کردند.
سویههای جهشیافته که این مسیر سمزدایی را نداشتند، در آلودهسازی سوسکهای پوستخوار بهوضوح ناموفقتر بودند. این نتیجه نشان داد که سمزدایی یک عامل حاشیهای نیست، بلکه هسته اصلی موفقیت قارچ محسوب میشود.
دادههای ژنتیکی، بیوشیمی آنزیمی و نتایج عفونت همگییگر را تأیید کردند: متیلگلیکوزیلاسیون کلیدی است که زره شیمیایی سوسک را باز میکند.
یک رقابت تکاملی سهجانبه
آنچه از این پژوهش نمایان میشود، نمونهای کلاسیک از یک رقابت تسلیحاتی سهطرفه است. درخت صنوبر با ترکیبات فنولی پوست خود را در برابر قارچها محافظت میکند.
سوسک این ترکیبات را مصادره کرده و آنها را به ضدقارچهای قویتری تبدیل میکند تا از خود و نسلش محافظت کند. سپس قارچ با تکامل یک مسیر سمزدایی، این ترکیبات را خنثی کرده و دوباره دست بالا را به دست میآورد.
«ما نشان دادیم که سوسک پوستخوار میتواند ترکیبات دفاعی درخت را برای ساخت دفاع در برابر دشمنان خودش به کار بگیرد.»
جاناتان گرشنزون، نویسنده همکار مطالعه
«اما از آنجا که یکی از این دشمنان یعنی قارچ Beauveria bassiana توانایی سمزدایی این دفاعهای ضدمیکروبی را پیدا کرده، میتواند سوسکها را با موفقیت آلوده کند و در عمل به درخت در نبرد با سوسکهای پوستخوار کمک کند.»
از منظر بومشناسی، این پیچش اهمیت زیادی دارد. اگر عوامل قارچی بتوانند حتی زمانی که سوسکها از شیمی صنوبر بهعنوان سلاح استفاده میکنند آنها را آلوده کنند، درخت به یک متحد غیرمستقیم دست پیدا میکند.
در سالهای طغیان، زمانی که گونه Ips typographus میتواند جنگلهای صنوبر را نابود کند، شناخت سویههای قارچی که قادر به عبور از دفاع سوسکها هستند میتواند کفه مدیریت جنگل را به نفع درختان سنگین کند.
از یافتههای آزمایشگاهی تا ابزارهای میدانی
پیامدهای کاربردی این پژوهش کاملاً روشن است.
«اکنون که میدانیم کدام سویههای قارچ میتوانند ترکیبات فنولی ضدمیکروبی سوسک پوستخوار را تحمل کنند، میتوانیم از این سویهها برای مقابله مؤثرتر با سوسکها استفاده کنیم.»
روئو سان
برنامههای کنترل زیستی میتوانند مجموعههای B. bassiana را از نظر توان متیلگلیکوزیلاسیون غربال کرده و این سویهها را در مناطقی بهکار گیرند که صنوبرها غنی از ترکیبات فنولی هستند.
این مطالعه همچنین یادآور یک اصل مهم است: اگر آفت هدف بتواند شیمی میزبان را به نفع خود تغییر دهد، هر آفتکش زیستی باید پیش از رهاسازی در طبیعت از نظر توان شکستن مقاومت بررسی شود.
بررسی عمیقتر ماشین سمزدایی
گامهای بعدی تیم پژوهشی بر گستره و همافزایی این سازوکار متمرکز است. آنها قصد دارند بررسی کنند مسیر متیلگلیکوزیلاسیون تا چه اندازه در میان سویههای مختلف B. bassiana و سایر قارچهای کشنده سوسکها رایج است.
علاوه بر این، پژوهشگران تعامل این ماشین سمزدایی را با ویژگیهای دیگر عوامل بیماریزا بررسی خواهند کرد؛ ویژگیهایی مانند چسبندگی اسپورها، نفوذ به کوتیکول، سرعت رشد که همگی در موفقیت عفونت نقش دارند.
نقشهبرداری از این چشمانداز میتواند به فرمولی برای کنسرسیومهای کنترل زیستی با کارایی بالا منجر شود؛ کنسرسیومهایی که بهطور خاص برای جنگلهای صنوبر در معرض حمله طراحی شدهاند.
درسهای گستردهتر بومشناسی شیمیایی
این پژوهش یک اصل کلی در بومشناسی شیمیایی را برجسته میکند: مولکولهای دفاعی سپرهای ایستا نیستند. آنها در شبکههای غذایی جریان پیدا میکنند، متابولیزه میشوند، تقویت یا خنثی میشوند و در این فرآیند مسیر تکامل میزبان، گیاهخوار و عامل بیماریزا را شکل میدهند.
در اینجا، ترکیبات فنولی صنوبر زنجیرهای از تبدیلها را رقم میزنند؛ از گلیکوزیدها به اگلیکونها و سپس به متیلگلیکوزیدها؛ زنجیرهای که تعیین میکند چه کسی در مرز تعامل سوسک پوستخوار و قارچ پیروز میشود.
درک این تبادلات شیمیایی، راه را برای راهکارهای هوشمندانهتر و قابلاعتمادتر جهت کمک به جنگلها در برابر یکی از سرسختترین دشمنانشان هموار میکند.
این مطالعه در نشریه علمی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
اگر به تعاملات شگفتانگیز میان گیاهان، حشرات و قارچها علاقهمند هستید، نظر خود را بنویسید یا این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید.
