یک قاشق چای‌خوری از خاک سالم می‌تواند تا یک میلیارد باکتری، چندین متر رشته‌های قارچی و مجموعه‌ای از جانداران میکروسکوپی را در خود جای دهد. این ارگانیسم‌ها مجموعه‌ای به‌نام میکروبیوم ریشه را شکل می‌دهند که به گیاه کمک می‌کند مواد غذایی و آب دریافت کند و در برابر خشکسالی و بیماری‌ها مقاوم بماند.
گیاهان، مدیران فعال میکروبیوم ریشه
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که گیاهان صرفاً ساکنان منفعل این محیط نیستند، بلکه مدیرانی فعال هستند که به‌طور انتخابی، ترکیبی از میکروارگانیسم‌های زیرزمینی را سازمان می‌دهند. پژوهشگران این فرآیند را گزینش تیم عملکردی یا FTS (Functional Team Selection) نام‌گذاری کرده‌اند.
این مطالعه توسط پروفسور نانسی کالینز جانسون از دانشگاه ایالتی آریزونای شمالی به همراه سزار مارین از دانشگاه سانتو توماس شیلی انجام شده است.
چگونه گیاهان میکروبیوم خود را می‌سازند؟
میکروبیوم چیست؟
میکروبیوم، مجموعه ژن‌ها و فعالیت‌های باکتری‌ها، قارچ‌ها، ویروس‌ها و سایر موجودات ریز است که درون یا اطراف یک میزبان زندگی می‌کنند.
در گیاهان، این تعامل‌ها بیشتر در ریزوسفر (لایه نازکی از خاک اطراف ریشه) رخ می‌دهد؛ جایی که تبادل مواد شیمیایی بین گیاه و میکروب‌ها در جریان است.
تبادل بین ریشه و میکروب‌ها
در این ناحیه، میکروب‌ها مواد مغذی، هورمون‌های رشد و سیگنال‌ها را با گیاه میزبان تبادل می‌کنند؛ معمولاً از طریق معامله‌ای مثل ارائه نیتروژن یا فسفر در ازای قندها.
در شرایط خشکسالی، برخی باکتری‌ها فیلم‌های چسبنده‌ای ترشح می‌کنند که به ریشه‌ها کمک می‌کند آب را حفظ کنند و در نتیجه عملکرد گیاه افزایش یابد.
اما این اجتماع میکروبی بی‌در و پیکر نیست؛ پاتوژن‌های فرصت‌طلب در کمین‌اند و گونه‌های مفید ممکن است به دلیل شانس یا مصرف زیاد کود شیمیایی حذف شوند.
اهمیت شناخت مدیریت گیاه
درک چگونگی مدیریت ترکیب میکروبیوم ریشه توسط گیاه برای کشاورزی پایدار حیاتی است. دانشمندان با توالی‌یابی ژن 16S rRNA از نمونه‌های ریزوسفر، بیش از ۵۰۰۰ واحد آرایه‌ای عملیاتی (OTU) را تنها روی یک گیاه ذرت شناسایی کرده‌اند.
این تنوع میکروبی با تنوع کل میکروبیوم روده برخی حیوانات برابری می‌کند و پتانسیل ژنتیکی فوق‌العاده‌ای را در نوک ریشه‌ها نشان می‌دهد.
تاثیر فشارهای محیطی بر میکروبیوم گیاه
یافته‌های میدانی نانسی جانسون
تحقیقات پیشین جانسون نشان داد که افزودن کود شیمیایی به مدت هشت سال، قارچ‌های مایکوریز آربوسکولار را به سوی گونه‌هایی سوق داد که بیش از آنکه به چمنزارهای بلند کمک کنند، آن‌ها را تحت فشار قرار دادند.
این یافته نشان می‌دهد که فشار ناشی از کمبود مواد مغذی نه‌تنها قابل تحمل است، بلکه برای حفظ همزیستی صادقانه ضروری است.
مثال‌هایی از دیگر پژوهش‌ها
مطالعات دیگر نیز همین الگو را تکرار کرده‌اند: در شرایط کم‌آبی، ریشه ذرت فلاونوئیدهایی ترشح می‌کند که میکروب‌های مقاوم به خشکسالی را جذب می‌کنند. اما وقتی آب کافی باشد، چنین تلاشی صورت نمی‌گیرد.
فشار انتخابی به‌مثابه آزمون ورودی
این نوع فشار زیستی مانند آزمون ورودی برای جامعه میکروبی ریشه عمل می‌کند. تنها میکروب‌هایی که با نیاز گیاه هماهنگ‌اند باقی می‌مانند و ژن‌های سودمند خود را منتشر می‌کنند. با گذشت زمان، خاک به حافظه زنده‌ای از تنش‌های گذشته تبدیل می‌شود.
ارتباط شیمیایی میان گیاه و میکروب‌ها
ترشحات ریشه
گیاهان تا ۴۰ درصد از کربنی را که تثبیت می‌کنند، به‌صورت ترشحات ریشه وارد خاک می‌کنند. این ترشحات هم به‌عنوان هزینه و هم به‌عنوان پیام برای میکروب‌ها عمل می‌کنند.
ترکیبات شیمیایی موثر
- اسید مالیک: جذب باکتری‌های رشددهنده مانند باسیلوس
- ترپن‌ها: دفع مهاجمان ناخواسته
نظریه FTS یا گزینش تیم عملکردی
چهار عنصر اصلی FTS
جانسون و مارین چهار عامل اصلی برای شکل‌گیری تیم‌های عملکردی در میکروبیوم را معرفی می‌کنند:
- نیروی انتخاب
- ویژگی‌های میزبان
- تنوع میکروبی
- زمان
اگر این عوامل به‌درستی ترکیب شوند، گیاه و میکروب‌های منتخب آن به‌صورت یک سیستم تطبیقی واحد عمل می‌کنند، نه اجزای جداگانه.
دلیل شکست محصولات میکروبی آماده
جانسون معتقد است که تیم‌های عملکردی در محیط‌های بی‌تنش با منابع فراوان شکل نمی‌گیرند، زیرا فشار انتخابی لازم برای تنظیم ترکیب میکروبی وجود ندارد. همین نکته توضیح می‌دهد که چرا بسیاری از محصولات میکروبی آماده در خاک‌های حاصلخیز و آبیاری‌شده عملکرد مناسبی ندارند.
قانون افزایش اطلاعات عملکردی
قانون علمی جدید
این نظریه به قانون افزایش اطلاعات عملکردی متکی است؛ قانونی که می‌گوید سیستم‌های پیچیده در مواجهه با تغییر، به‌سمت پیکربندی‌های بهینه‌تر پیش می‌روند.
کاربرد در جهان طبیعی
این قانون در مورد ریشه‌ها و میکروب‌ها، ستارگان و مواد معدنی صدق می‌کند؛ تنها تفاوت در اجزای سازنده است.
هیزن و همکارانش نشان داده‌اند که این قانون از سنتز عناصر سنگین در ستارگان گرفته تا تکامل آنزیم‌ها در زمین کاربرد دارد. این قانون، مرز بین فیزیک و زیست‌شناسی را از میان برمی‌دارد.
درس‌هایی برای کشاورزی
بازنگری در کودهای زیستی
فروش جهانی کودهای زیستی میکروبی در حال رشد است، اما بسیاری از این محصولات نتوانسته‌اند در مزرعه عملکرد مناسبی داشته باشند.
FTS پیشنهاد می‌کند که موفقیت زمانی حاصل می‌شود که محصولات با تنش‌های محیطی و محدودیت‌های مواد مغذی خاص میکروبیوم ریشه هماهنگ شوند.
اصلاح نژاد گیاهان
اصلاح‌گران باید به‌جای تمرکز بر پاسخ‌های کوتاه‌مدت به کودها، به‌دنبال انتخاب گیاهانی باشند که همزیستی با میکروب‌های بومی را تقویت می‌کنند.
این رویکرد، هماهنگی بین اصلاح ژنتیکی و شکل‌گیری تدریجی تیم‌های میکروبی بومی را فراهم می‌سازد.
کاهش گازهای گلخانه‌ای
پذیرش تفکر FTS می‌تواند منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای شود؛ زیرا تیم‌های موفق میکروبی اغلب به جذب نیتروژن از هوا و بازیافت کربن خاک کمک می‌کنند و نیاز به کودهای پرانرژی را کاهش می‌دهند. این کاهش در مصرف کود به‌معنای انتشار کمتر گاز اکسید نیتروژن است؛ گازی که یکی از عوامل قوی گرمایش زمین محسوب می‌شود.
FTS از خاک تا سایر سامانه‌ها
کاربردهای گسترده‌تر
نویسندگان مقاله معتقدند که نظریه FTS می‌تواند در بررسی روده حیوانات، صخره‌های مرجانی و حتی راکتورهای زیستی انسانی نیز به‌کار رود؛ زیرا همه این سامانه‌ها شامل گروه‌هایی هستند که عملکرد جمعی آن‌ها از تک‌عضوها بهتر است.
الگوبرداری از میکروبیوم‌های موفق
منطق مشابهی در پیوند میکروبیوم‌های مدفوعی (FMT) نیز وجود دارد؛ جایی که ترکیب‌های میکروبی طراحی‌شده عملکردی بهتر از پروبیوتیک‌های تک‌سویه دارند.
همکاری میان حوزه‌های مختلف می‌تواند فرآیند انتقال نظریه FTS از سطح مفهومی به سطح کاربردی را تسریع کند.
آینده تحقیق
آزمایش‌های میدانی نسل‌به‌نسل
جانسون و مارین خواهان آزمایش‌های میدانی در دوره‌های چندنسلی هستند که در آن‌ها از کود کم استفاده شده و در کنار عملکرد گیاه، ژنوم میکروبی نیز ردیابی شود.
چنین مطالعاتی می‌توانند اعتبار نظریه FTS را بررسی کنند؛ اینکه آیا تیم‌های طراحی‌شده در برابر تغییرات اقلیمی و مدیریتی پایدار و سودمند باقی می‌مانند یا نه.
مدل‌سازی اکولوژیکی
در همین حال، بوم‌شناسان در حال توسعه مدل‌های شبکه‌ای هستند که پیش‌بینی می‌کنند کدام میکروب‌ها تحت تنش‌هایی مانند خشکسالی، شوری یا موج‌های گرمایی، همکاری‌های کلیدی شکل می‌دهند.
اگر این مدل‌ها معتبر باشند، ممکن است در آینده گیاهان کشاورزی با ترکیب بذرهای میکروبی متناسب با پروفایل تنش منطقه‌ای عرضه شوند، نه صرفاً بر اساس برنامه‌های ورودی شیمیایی.
منبع: این مطالعه در ژورنال ISME Journal منتشر شده است.
