اقلیم زمین با سرعت در حال تغییر است و دانشمندان در تلاش‌اند تا درک کنند گیاهان چگونه به این تغییرات واکنش نشان خواهند داد. با افزایش دما و سطح دی‌اکسید کربن، گیاهان با چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی مواجه می‌شوند.
برخی گیاهان ممکن است رشد بیشتری داشته باشند، در حالی که برخی دیگر برای حفظ فرآیندهای طبیعی خود دچار مشکل خواهند شد. درک این تغییرات برای پیش‌بینی میزان تولیدات کشاورزی آینده و پایداری اکوسیستم‌ها ضروری است.
بررسی متابولیسم گیاهان تحت شرایط HLHC
محققان آزمایشگاه شارکی در آزمایشگاه تحقیقات گیاهان MSU-DOE در حال بررسی واکنش متابولیسم گیاهان به شرایط نور زیاد و دی‌اکسید کربن بالا (HLHC) هستند.
نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که گیاهان در این شرایط فتوسنتز بیشتری انجام می‌دهند که می‌تواند منجر به رشد بیشتر گیاهان و افزایش محصولات کشاورزی شود. اما این فرآیند هزینه‌ای نیز به همراه دارد – گیاهان مقداری کربن را از دست می‌دهند که یکی از اجزای کلیدی تولید غذا است.
این یافته‌ها که در مجله Scientific Reports منتشر شده‌اند، پیچیدگی واکنش‌های گیاهان به تغییرات محیطی را برجسته می‌کنند.
آینده متابولیسم گیاهی
دانشمندان دو تغییر عمده محیطی را که بر متابولیسم گیاهان تأثیر خواهند گذاشت، پیش‌بینی کرده‌اند:
- افزایش سطح دی‌اکسید کربن جو که روند فعلی آن ادامه خواهد یافت.
- افزایش روشنایی جهانی که باعث می‌شود میزان بیشتری از تابش خورشیدی به سطح زمین برسد.
این تغییرات نحوه رشد گیاهان و پردازش کربن توسط آن‌ها را تحت تأثیر قرار خواهند داد. درک این اثرات برای برنامه‌ریزی‌های کشاورزی و اکولوژیکی آینده ضروری است.
افزایش نرخ فتوسنتز
یوان شو (Yuan Xu)، پژوهشگر فوق‌دکتری در آزمایشگاه شارکی و نویسنده اصلی این مطالعه، اظهار داشت:
“کار ما نشان می‌دهد که مطالعه فتوسنتز و متابولیسم کربن در گیاهان بسیار مهم است، به‌ویژه هنگامی که شرایط آینده را بر اساس پیش‌بینی‌ها در نظر می‌گیریم. اگر بخواهید در آینده مهندسی زیستی انجام دهید و گیاهانی بسازید که بتوانند بهتر با این شرایط سازگار شوند، باید روی این حوزه‌ها تمرکز کنید.”
محققان دریافتند که در شرایط آینده، میزان فتوسنتز افزایش می‌یابد اما نرخ تنفس نوری ثابت می‌ماند. این بدان معناست که گیاهان می‌توانند ساکارز و نشاسته بیشتری تولید کنند که برای بقای آن‌ها حیاتی است.
نحوه ذخیره‌سازی کربن در گیاهان
توماس دی. شارکی، استاد برجسته دانشگاه در آزمایشگاه PRL، درباره چگونگی ذخیره‌سازی کربن توسط گیاهان توضیح داد:
“بیشتر کربنی که در فتوسنتز تثبیت می‌شود یا به نشاسته (برای استفاده بعدی) تبدیل می‌شود – مانند پس‌انداز در یک حساب بانکی – یا به ساکارز (قند معمولی) تبدیل می‌شود که فوراً مصرف می‌شود – مانند خرید بستنی.”
یک یافته غیرمنتظره این بود که در شرایط نور زیاد و دی‌اکسید کربن بالا، مقدار کربن ذخیره‌شده در نشاسته 76% افزایش یافت، در حالی که ساکارز تنها 41% افزایش یافت. این امر می‌تواند به انعطاف‌پذیری بیشتر گیاهان کمک کند، زیرا کربن اضافی برای رشد یا دفاع در برابر تنش‌های محیطی در دسترس خواهد بود.
با افزایش فتوسنتز، گیاهان بزرگ‌تر شده و عملکرد محصولات افزایش خواهد یافت، اما همچنان چالش‌هایی وجود دارد: گیاهان در این فرآیند مقداری کربن را از دست می‌دهند که می‌تواند میزان غذای موجود را کاهش دهد.
انعطاف‌پذیری گیاهان آینده
در طول فتوسنتز، گیاهان از طریق فرآیندی به نام تنفس نوری (RL) دی‌اکسید کربن آزاد می‌کنند.
تحقیقات نشان داد که نرخ RL در شرایط فعلی و آینده ثابت می‌ماند. به این معنی که اگرچه فتوسنتز افزایش می‌یابد، اما میزان انتشار CO2 توسط گیاهان تغییر نمی‌کند.
این یافته نشان می‌دهد که اگرچه گیاهان ممکن است بزرگ‌تر شوند، اما همچنان مقدار ثابتی از کربن را از دست خواهند داد. درک این تعادل برای بهبود انعطاف‌پذیری گیاهان در محیط‌های در حال تغییر ضروری است.
اندازه‌گیری میزان از دست رفتن کربن در گیاهان
برای تحلیل RL تحت شرایط HLHC، محققان از رویکردی جدید استفاده کردند. روش‌های سنتی مانند تکنیک‌های Laisk یا Kok فقط در شرایط نور کم کار می‌کنند.
یوان شو در این باره توضیح داد:
“به همین دلیل این مطالعه منحصربه‌فرد است. ما از روشی جدید برای اندازه‌گیری RL در شرایط نور زیاد استفاده کردیم که با روش‌های قدیمی امکان‌پذیر نبود.”
وی از تکنیکی به نام تحلیل جریان متابولیکی ایزوتوپی غیرایستا (INST-MFA) استفاده کرد. این روش که معمولاً در مطالعات روی باکتری‌ها و قارچ‌ها کاربرد دارد، تاکنون به ندرت در تحقیقات گیاهی مورد استفاده قرار گرفته است.
مسیرهای تحقیقاتی آینده
آزمایشگاه شارکی قصد دارد با استفاده از تکنیک‌های تحقیقاتی پیشرفته، به بررسی بیشتر تنفس نوری بپردازد. هدف آن‌ها این است که درک عمیق‌تری از نحوه جذب و آزادسازی دی‌اکسید کربن توسط گیاهان داشته باشند.
یوان شو در پایان گفت:
“ما از این مطالعه دریافتیم که عوامل متعددی مانند فتوسنتز، تنفس نوری و تنفس در نور تغییر می‌کنند. این یافته‌ها مسیر تحقیقات آینده را مشخص می‌کند.”
این پژوهش توسط بخش علوم شیمی، زمین‌شناسی و زیست‌شناسی، دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده تأمین مالی شده است و نتایج آن در مجله Scientific Reports منتشر شده است.
