در یک پیشرفت چشمگیر، محققان دانشگاه ویسکانسین-مادیسون کشف کرده‌اند که یک گیرنده نوری حیاتی، کریپتوکروم-1 (CRY1)، در کدام بخش از ساقه‌های نهال گیاهان عمل می‌کند.
این کشف می‌تواند تأثیرات عمیقی بر بهبود تاب‌آوری و عملکرد محصولات کشاورزی داشته باشد، به‌ویژه برای محصولاتی حیاتی مانند سویا.
این کشف، نور جدیدی بر نحوه تعامل نهال‌های گیاهان با محیط خود، شناسایی نور خورشید و تصمیم‌گیری در مورد استراتژی‌های رشدی آن‌ها می‌اندازد.
برای کشاورزان و محققان، درک این فرآیندها در مراحل آسیب‌پذیر اولیه زندگی یک گیاه می‌تواند کلیدی برای ترویج محصولات قوی‌تر و سالم‌تر باشد.
چگونه گیرنده‌های نوری بر نهال‌های گیاهان تأثیر می‌گذارند
گیرنده‌های نوری پروتئین‌هایی هستند که گیاهان برای حس کردن نور و اتخاذ تصمیمات مربوط به رشد از آن‌ها استفاده می‌کنند. این گیرنده‌ها نقش حیاتی در تعیین زمان متوقف شدن رشد طولی نهال، شروع فتوسنتز و هدایت انرژی به سمت بقا و توسعه دارند.
تا پیش از این، دانشمندان این عملکردهای کلی را می‌فهمیدند، اما اطلاعات دقیقی در مورد اینکه این گیرنده‌ها در کدام بخش از نهال عمل می‌کنند، نداشتند.
“برای اولین بار، ما متوجه شدیم که اثر این گیرنده‌های نوری در تمام ساقه وجود ندارد و گیرنده‌های نوری مختلف مناطق مختلف ساقه را کنترل می‌کنند”، ادوگار اسپالدینگ، استاد بازنشسته گیاه‌شناسی در دانشگاه ویسکانسین-مادیسون توضیح داد.
برای کشف این معما، اسپالدینگ، دانشجوی دکتری جولیان بوستامانت و دانشمند داده‌ها ناتان میلر از ترکیبی از تکنیک‌ها شامل دستکاری ژنتیکی، تصویربرداری با وضوح بالا و یادگیری ماشین استفاده کردند.
این تیم رشد نهال‌های کوچک را با دوربین‌های حساس به نور عکاسی کرده و داده‌ها را با استفاده از منابع پیشرفته محاسباتی دانشگاه ویسکانسین-مادیسون تجزیه و تحلیل کردند. این روش به آن‌ها این امکان را داد که مشخص کنند چگونه گیرنده‌های نوری خاص بر بخش‌های مختلف ساقه گیاه تأثیر می‌گذارند.
تشخیص نور و بقا گیاهان
یکی از کشفیات جالب این تحقیق نقش حیاتی گیرنده نوری CRY1 در کمک به نهال‌ها برای بقا در برابر چالش‌های محیطی است.
وقتی که یک نهال برای اولین بار از خاک بیرون می‌آید، از انرژی ذخیره‌شده برای کشش ساقه‌اش استفاده می‌کند تا به نور خورشید برسد، جایی که می‌تواند فتوسنتز را آغاز کند.
با این حال، گاهی اوقات نهال‌ها دوباره به‌دلیل باد، حیوانات یا دیگر عوامل محیطی توسط خاک پوشیده می‌شوند. بدون نور خورشید، آن‌ها دیگر نمی‌توانند انرژی را از طریق فتوسنتز تولید کنند.
CRY1 به عنوان یک مکانیزم بقا عمل می‌کند. در ابتدا، این گیرنده از کشش بیش از حد ساقه گیاه جلوگیری می‌کند، انرژی را حفظ کرده و بخشی از پتانسیل رشد را در ذخیره نگه می‌دارد. اگر نهال دوباره دفن شود، CRY1 به گیاه علامت می‌دهد که ساقه خود را بیشتر بسط دهد تا از خاک عبور کرده و دوباره به نور خورشید برسد.
این کشف به‌ویژه برای “ایجاد ایستگاه” – مرحله‌ای که در آن نهال‌ها ریشه می‌زنند و شروع به رشد می‌کنند – اهمیت دارد. ایجاد ایستگاه عامل مهمی در موفقیت محصول است و درک نحوه عملکرد CRY1 در این دوره می‌تواند به کشاورزان کمک کند تا تاب‌آوری گیاهان خود را تقویت کنند.
محصولات کشاورزی آینده
پیامدهای این تحقیق فراتر از کنجکاوی علمی است. با تقویت نقش CRY1 در دانه‌ها از طریق مهندسی ژنتیک، محققان می‌توانند محصولاتی تولید کنند که بهتر بتوانند با مشکلات محیطی مقابله کنند.
این نوآوری می‌تواند برای کشاورزان، به‌ویژه در مناطقی که شرایط خاک یا حوادث جوی بقای نهال‌ها را دشوارتر می‌سازد، بی‌نهایت ارزشمند باشد.
“با ایزوله کردن اثرات گیرنده‌های نوری خاص مانند CRY1، ما قادر به تمرکز بر روی راه‌هایی برای ایجاد گیاهانی هستیم که به محیط خود بیشتر تطبیق‌پذیر باشند”، اسپالدینگ اشاره کرد.
“این تحقیق نه تنها درک ما از زیست‌شناسی گیاهان را بهبود می‌بخشد، بلکه درهای جدیدی را برای کاربردهای عملی که می‌تواند به کشاورزی در سراسر جهان کمک کند، باز می‌کند.”
روش‌های کشاورزی کارآمد و مقاوم
با رشد جمعیت جهان، نیاز به روش‌های کشاورزی کارآمدتر و مقاوم‌تر اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. این مطالعه در مورد گیرنده‌های نوری گیاهان و تأثیر آن‌ها بر رشد نهال‌ها، بینش‌هایی را ارائه می‌دهد که می‌تواند کشاورزی را با ایجاد محصولاتی که بهتر می‌توانند چالش‌های محیطی را تحمل کنند، متحول کند.
با تقویت عملکرد گیرنده‌های نوری، به‌ویژه CRY1، دانشمندان می‌توانند دانه‌هایی مهندسی کنند که به گیاهان کمک کنند از موانعی مانند دفن شدن زیر خاک بهبود یابند. این نوآوری پتانسیل افزایش بازده، کاهش ضررهای محصول و تأمین غذای پایدار را دارد و هم برای کشاورزان و هم برای مصرف‌کنندگان مفید است.
این تحقیق قدرت ترکیب ویرایش ژنتیکی پیشرفته، یادگیری ماشین و زیست‌شناسی گیاهی سنتی را نشان می‌دهد. این تحقیق نشان می‌دهد که چگونه درک تعاملات گیاه و محیط می‌تواند به توسعه محصولاتی کمک کند که نه تنها زنده می‌مانند، بلکه در شرایط نامساعد نیز رشد می‌کنند.
یافته‌ها می‌تواند راه را برای آینده‌ای هموار کنند که کشاورزی پایدارتر، سازگارتر و قادر به برآورده کردن نیازهای جهانی غذایی باشد.
این مطالعه در نشریه Current Biology منتشر شده است.
