با افزایش دمای زمین، گیاهان نمیتوانند وسایلشان را جمع کنند و به مکانی خنکتر بروند. در عوض، آنها خود را با شرایط جدید سازگار میکنند؛ ساقههایشان را بلندتر میسازند، برگهایشان را تغییر زاویه میدهند، زودتر گل میدهند تا بتوانند با گرمایی که راه فراری از آن ندارند، کنار بیایند.
مطالعهای جدید، سازوکار مولکولی پشت این واکنشها را آشکار کرده است و نشان میدهد این سیستم بسیار انعطافپذیرتر، مقاومتر از آن چیزی است که دانشمندان تصور میکردند.
این کشف میتواند به تلاشها برای مهندسی محصولات کشاورزی مقاوم در برابر گرمایش جهانی کمک کند.
این پژوهش به سرپرستی «یونگجیان کیو»، دانشیار زیستشناسی دانشگاه میسیسیپی انجام شد.
تیم تحقیقاتی پنج سال را صرف بررسی این موضوع کرد که گیاهان چگونه در سطح مولکولی خود را با شرایط گرمتر سازگار میکنند.
سیستم کنترلی گیاهان در برابر افزایش دما
وقتی دما بالا میرود، گیاهان فقط منفعلانه پژمرده نمیشوند یا به رشد خود ادامه نمیدهند، بلکه بهطور فعال الگوی رشدشان را بازآرایی میکنند. ساقهها بلندتر میشوند، برگها برای دفع گرما به سمت بالا متمایل میشوند، گلدهی نیز سرعت میگیرد.
این واکنشها تصادفی نیستند، بلکه هماهنگشدهاند. بخش بزرگی از این هماهنگی ظاهراً از طریق پروتئینی به نام PIF4 انجام میشود.
کیو گفت: «دلیل اینکه میگوییم PIF4 اهمیت دارد این است که اگر آن را حذف کنید، گیاهان جهشیافته دیگر نمیتوانند به دما پاسخ دهند. فقط کافی است PIF4 را حذف کنید تا نقص شدیدی در واکنش به دما مشاهده شود.»
PIF4 یک فاکتور رونویسی است؛ پروتئینی که با اتصال به DNA میتواند ژنها را روشن یا خاموش کند و مولکولهای دیگری را برای آغاز ساخت RNA فرا بخواند.
پژوهشگران این پروتئین را شبیه مدیر یک خط تولید توصیف میکنند؛ کسی که کارگران مناسب را جذب میکند و به آنها میگوید چه چیزی بسازند.
کیو توضیح داد: «مثل یک خط تولید است که در آن PIF4 کارگران را فرا میخواند و میگوید: بیایید اینجا و ساخت RNA را آغاز کنید.»
او افزود: «اگر اتصال به DNA یا جذب آنزیم را مختل کنیم، این پروتئین دیگر عملکردی نخواهد داشت. انگار کارگران دیگر سر کار حاضر نمیشوند.»
نتیجهای که هیچکس انتظارش را نداشت
اما در اینجا اتفاق جالبی رخ داد. تیم تحقیقاتی در PIF4 جهش ایجاد کرد و بهطور مشخص توانایی اتصال آن به DNA یا ظرفیت جذب سایر مولکولها را از بین برد.
سپس این پروتئین آسیبدیده را دوباره وارد گیاهان جهشیافتهای کردند که بهطور کامل فاقد PIF4 بودند.
با این حال، گیاهان همچنان بهصورت طبیعی به گرما واکنش نشان دادند.
این اتفاق نباید رخ میداد. اگر عملکردهای حیاتی PIF4 غیرفعال شده بودند، پاسخ به دما باید از بین میرفت. اما گیاهان طوری سازگار شدند که گویی هیچ مشکلی وجود ندارد.
کیو گفت: «نکته شگفتانگیز این بود که PIF4 را جهش دادیم، ویژگی اتصال به DNA یا ویژگی جذب مولکولها را حذف کردیم، دوباره آن را به گیاهان جهشیافته بازگرداندیم، اما همچنان کار میکرد. گیاهان جهشیافته هنوز قادر بودند به دما پاسخ دهند.»
این یافته به پژوهشگران نشان داد که PIF4 کمتر شبیه مدیری است که شخصاً همه کارها را انجام میدهد، بیشتر شبیه مدیری ارشد است که وظایف را واگذار میکند. وقتی خودش نتواند کاری انجام دهد، پروتئینهای دیگری را برای انجام آن وظیفه به کار میگیرد.
این سیستم بهطور ذاتی دارای افزونگی است، به همین دلیل حذف عملکردهای منفرد PIF4 کل سامانه را از کار نمیاندازد.
«هایبو شیونگ»، از نویسندگان این مطالعه، گفت: «این یافته نشان میدهد که سامانههای گیاهی در سطح مولکولی بسیار سازگار هستند.
حتی زمانی که برخی عملکردهای کلیدی PIF4 مانند اتصال به DNA یا فعالسازی ژن مختل میشوند، گیاه همچنان میتواند پاسخ رشدی خود به دماهای بالا را حفظ کند. دلیلش این است که پروتئینهای شریک دیگر میتوانند این کمبود را جبران کرده، نقشهای مشابهی را بر عهده بگیرند.»
اهمیت این کشف برای کشاورزی
همه واکنشهای گیاهان به گرما از دیدگاه کشاورزی مطلوب نیستند. همان سازوکار مولکولی که به گیاه کمک میکند در دمای بالا زنده بماند، ممکن است در برخی محصولات مفید، در برخی دیگر مشکلساز باشد.
کیو گفت: «از منظر کشاورزی، درباره غلات، سبزیجات ممکن است این واکنش را دوست داشته باشید یا نداشته باشید.
آیا بلند شدن ساقهها برای کشاورزان اتفاق خوبی است؟ شاید نه، زیرا اگر باد شدید یا بارندگی رخ دهد، ساقههای بلندتر بهراحتی سقوط میکنند.»
او ادامه داد: «اما مثلاً در مورد سبزیجات میدانیم که پاسخ به دمای بالا باعث بزرگتر شدن برگها میشود. اگر سبزیجات برگی پرورش میدهید، شاید این موضوع مزیت محسوب شود.»
اهداف دقیقتر برای اصلاحگران گیاهی
درک عوامل محرک این واکنشها، همچنین شناخت نحوه حفظ عملکرد سیستم حتی هنگام اختلال در اجزای منفرد، اهداف دقیقتری را در اختیار اصلاحگران گیاهی، متخصصان ژنتیک قرار میدهد.
شیونگ گفت: «بهجای تمرکز صرف بر ژنهای منفرد یا فعالیتهای بیوشیمیایی خاص، ممکن است مؤثرتر باشد که پروتئینهایی را در اولویت قرار دهیم که نقش سازماندهنده دارند یا چندین شریک را برای کنترل رشد گرد هم میآورند.
هدف قرار دادن این نوع پروتئینها میتواند شناسایی تنظیمکنندههای کلیدی را سادهتر کند، زیرا آنها در نقاط مرکزی شبکه قرار دارند. این موضوع در نهایت ممکن است توسعه محصولاتی را آسانتر کند که در شرایط گرمتر نیز رشد پایداری داشته باشند.»
او افزود: «گیاهان پایه و اساس سیستم غذایی ما هستند، اما برخلاف جانوران نمیتوانند برای فرار از شرایط دمای بالای محیط جابهجا شوند.
با ادامه افزایش دمای جهانی، درک نحوه پاسخ گیاهان به شرایط گرمتر برای تضمین تولید پایدار محصولات کشاورزی، امنیت غذایی ضروری است.»
آیا انسان میتواند از ترفندهای گیاهان درس بگیرد؟
انعطافپذیری مولکولی آشکارشده در این مطالعه، از یک جهت امیدوارکننده است. گیاهان مدتهای طولانی راههای جایگزین مقابله با تنشهای محیطی را پیدا کردهاند.
اکنون پرسش اصلی این است که آیا انسانها میتوانند این ترفندها را بهاندازه کافی سریع بیاموزند و از آنها برای مقابله با چالشهای آینده استفاده کنند یا نه.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
جمعبندی
این پژوهش نشان میدهد گیاهان برای مقابله با افزایش دما به سامانهای انعطافپذیر و پشتیبان مجهز هستند؛ دانشی که میتواند آینده کشاورزی مقاوم به تغییرات اقلیمی را متحول کند.
اگر به آینده کشاورزی، امنیت غذایی، تأثیر تغییرات اقلیمی علاقهمند هستید، این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید.
