یک مطالعه اخیر روشن کرده است که چگونه برخی گیاهان توانایی تولید نیتروژن خود را از طریق روابط همزیستی با باکتری‌ها به دست آورده‌اند. این کشف برای تلاش‌ها جهت توسعه گیاهانی که می‌توانند نیتروژن را تثبیت کنند، کاهش وابستگی به کودها، حیاتی است.
راه‌های ژنتیکی متعدد
به گفته نویسنده اصلی، هدر رز کیتس، که تحقیق را در موزه تاریخ طبیعی فلوریدا انجام داده است، این درک می‌تواند بهبود محصولات زراعی را با در نظر گرفتن راه‌های ژنتیکی متعدد، به جای تمرکز بر یک گونه مدل واحد، تقویت کند.
وی گفت: “تلاش‌های اصلاح و بهبود محصولات زراعی اغلب بر یک گونه مدل واحد تمرکز می‌کند که می‌تواند زمینه تکاملی صفات را نادیده بگیرد.” به جای تمرکز صرف بر یک روش، این مطالعه نشان می‌دهد که روش‌های ژنتیکی متعدد می‌توانند مؤثر باشند.
وی افزود: “فقط نگاه کردن به آنچه که می‌توان به عنوان یک نسخه از صفت در نظر گرفت، می‌تواند اثربخشی مهندسی آن صفت را در گیاهان دیگر محدود کند.”
میکروب‌های تثبیت کننده نیتروژن
نیتروژن، که برای تمام زندگی روی زمین ضروری است، به دلیل رقابت شدید در محیط‌های طبیعی، به دست آوردن آن چالش‌برانگیز است، با وجود اینکه در جو بسیار فراوان است.
تا ۷۸ درصد هوایی که تنفس می‌کنیم از نیتروژن تشکیل شده است، اما در فرمی مولکولی که بیشتر موجودات زنده نمی‌توانند مستقیماً از آن استفاده کنند. دیازوتروف‌ها تنها میکروب‌هایی هستند که قادر به تثبیت نیتروژن جوی هستند.
حدود ۱۷۰۰۰ گونه گیاهی روابط همزیستی با دیازوتروف‌ها تشکیل می‌دهند. این میکروب‌ها ریشه‌های گیاه را آلوده می‌کنند و باعث تشکیل ساختارهای گره‌مانند به نام ندول‌ها می‌شوند. درون این ندول‌ها، باکتری‌ها از گیاه شکر دریافت می‌کنند و در عوض نیتروژن قابل استفاده فراهم می‌کنند.
این رابطه همزیستی عمدتاً در گروهی از گیاهان نزدیک به هم به نام کلاد تثبیت کننده نیتروژن یافت می‌شود، اگرچه حتی در این گروه نیز، این صفت به طور ناسازگار وجود دارد.
تشکیل ندول‌های ریشه
بیشتر گیاهان تثبیت کننده نیتروژن لگوم‌ها هستند، مانند سویا، بادام زمینی و شبدر. تثبیت‌کننده‌های نیتروژن غیرلگوم شامل گونه‌هایی از خانواده توس، خانواده رز و برخی از اقوام کدو می‌باشند.
ایجاد ندول‌ها از نظر ژنتیکی پیچیده است و محققان تئوری دادند که این قابلیت در این گروه گیاهی یک بار تکامل یافته است. این نشان می‌دهد که یک کلید ژنتیکی واحد ممکن است بتواند ندول‌سازی را در گونه‌هایی که در حال حاضر این صفت را ندارند، از جمله بسیاری از محصولات کشاورزی، فعال کند.
کیتس توضیح داد: “وقتی یک صفت شامل تعداد زیادی ژن است و همچنین هزینه انرژی بالایی برای گیاه دارد، که ما می‌دانیم تشکیل ندول‌های ریشه اینگونه است، انتظار می‌رود فشار انتخابی قوی برای تکامل آن صفت وجود داشته باشد. بنابراین، در این زمینه، فرضیه منشأ واحد منطقی به نظر می‌رسد.”
گیاهان ندول‌ساز و خویشاوندان آنها
دانشمندان این فرضیه را با بازسازی تاریخ تکاملی گیاهان ندول‌ساز و خویشاوندان آنها با استفاده از داده‌های ژنتیکی از نزدیک به ۱۵۰۰۰ گونه آزمایش کردند. آنها بزرگترین درخت زندگی را برای این گروه ایجاد کردند. حجم زیاد داده‌ها آنها را مجبور به توسعه روش‌های جدید سازماندهی کرد.
رابرت گورالنیک، نویسنده همکار و متصدی اطلاعات تنوع زیستی در موزه فلوریدا گفت: “ما اساساً دو سال وقت داشتیم تا ۱۵۰۰۰ نمونه بافت از کلاد تثبیت کننده نیتروژن جمع‌آوری کنیم، آنها را توالی‌یابی کنیم و یک درخت بسازیم.”
بسیاری از نمونه‌ها قدیمی بودند و دارای DNA تخریب شده بودند، اما روش‌های استخراج و توالی‌یابی تیم این مسائل را برطرف کرد. گورالنیک افزود: “ما از کیفیت و کمیت بالای بازیابی و داده‌های ژنتیکی قابل استفاده از نمونه‌های خود بسیار شگفت‌زده شدیم.”
تکامل تثبیت نیتروژن
نتایج نشان می‌دهند که ندول‌سازی در دو مرحله تکامل یافته است. ابتدا، نیاکان گروه یک مجموعه ابزار ژنتیکی پایه برای تولید ندول‌ها توسعه دادند و آن را به فرزندانشان منتقل کردند.
با این حال، دستورالعمل‌های ژنتیکی اضافی برای فعال‌سازی ندول‌سازی لازم بود که حداقل ۱۶ بار به طور مستقل تکامل یافت. برخی از گونه‌ها نیز توانایی ندول‌سازی را در ۱۰ مورد جداگانه از دست دادند.
این یافته‌ها نشان می‌دهند که ندول‌سازی توسط یک کلید ژنتیکی واحد کنترل نمی‌شود، بلکه توسط یک مدار شکن پیچیده که نیاز به چندین کلید دارد کنترل می‌شود. محققان بسیاری از ژن‌های مرتبط با ندول‌سازی را شناسایی و توالی‌یابی کردند و تحقیقات آینده بر روی عملکردها و صفات آنها متمرکز خواهد شد.
ژنتیک تثبیت نیتروژن
پام سولتیس، متصدی در موزه فلوریدا و نویسنده همکار، گفت: “هدف کلی این است که از آنچه از این مطالعات تکاملی آموخته‌ایم استفاده کنیم تا به ما کمک کند ژنتیک و فرآیندهای زیرساختی تثبیت نیتروژن همزیستی را درک کنیم و سپس از آن اطلاعات برای مهندسی استفاده کنیم.”
بیشتر محصولات تجاری، مانند گندم و برنج، نمی‌توانند ندول‌ها را تشکیل دهند و به کودهای نیتروژنی وابسته‌اند. بسیاری از مطالعات مهندسی زیستی بر لگوم‌ها تمرکز دارند، اما داگ سولتیس، نویسنده همکار، معتقد است که این ممکن است بهترین رویکرد نباشد.
وی نتیجه‌گیری کرد: “درخت فیلوژنتیکی ما نشان می‌دهد که ممکن است بخواهید به مدل‌های دیگر نگاه کنید. تثبیت نیتروژن ممکن است به طور متفاوتی در لگوم‌ها نسبت به خانواده رز یا خانواده توس تکامل یافته باشد، بنابراین ممکن است نقشه‌های راه متفاوتی وجود داشته باشد.”
این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
