گیاهان نمیتوانند از خطر فرار کنند. زمانی که یک بذر جوانه میزند، گیاه تا پایان عمر خود در همان نقطه ریشه میماند.
گرما، سرما، خشکسالی و تغییر فصلها بدون هشدار از راه میرسند. بقای گیاه به توانایی آن در رشد، توقف رشد یا تولیدمثل در زمان مناسب بستگی دارد.
مطالعهای جدید از دانشگاه پنسیلوانیا نشان میدهد که برخی گیاهان چگونه این تعادل را در سطح سلولی مدیریت میکنند. آنها از یک سیگنال یکسان برای فعالسازی واکنشهای متفاوت در بخشهای مختلف گیاه استفاده میکنند.
این کشف توضیح میدهد که گیاهان چگونه انعطافپذیر باقی میمانند و میتواند راه را برای تولید محصولات کشاورزی مقاومتر در برابر تغییرات اقلیمی هموار کند.
انتخاب زمان مناسب برای گلدهی
هر گیاه در طول فصل رشد با یک تصمیم حیاتی روبهرو است. یک گزینه این است که خیلی سریع گل بدهد، بذر تولید کند و رشد خود را متوقف کند. محصولاتی مانند برنج از این الگو پیروی میکنند.
زمانی که ساقه اصلی به گل تبدیل میشود، دیگر برگ یا شاخه جدیدی شکل نمیگیرد. این روش زمانی کارآمد است که فصلها قابل پیشبینی باشند.
گزینه دوم کندتر اما ایمنتر است. گیاهانی مانند آرابیدوپسیس همزمان با رشد، در کنارههای ساقه گل تولید میکنند. نوک گیاه فعال باقی میماند و برای هفتهها یا حتی ماهها به رشد ادامه میدهد. این الگوی رشد «نامحدود» یا indeterminate نام دارد.
«اگر بازه شرایط بهینه در طول فصل جابهجا شود، گلدهی مداوم احتمال تولید دستکم بخشی از بذرها را افزایش میدهد.»
— دوریس واگنر، زیستشناس گیاهی و از نویسندگان مطالعه
برای مدت طولانی، دانشمندان نمیدانستند چگونه یک گیاه میتواند در برخی نقاط گل بدهد اما در نقاط دیگر مانع گلدهی شود، حتی زمانی که تمام بخشها سیگنالهای محیطی یکسانی دریافت میکنند.
مرکز کنترل رشد در نوک گیاه
پاسخ این پرسش در ساختاری بسیار کوچک به نام مریستم انتهایی ساقه نهفته است. این ناحیه در نوک گیاه قرار دارد و شامل سلولهای بنیادی است که رشد را ادامه میدهند. برگها، ساقهها و گلها همگی از همین نقطه آغاز میشوند.
با بلندتر شدن روزها و افزایش دما، گیاهان پروتئین کوچکی به نام فلوریژن تولید میکنند که با نام FT نیز شناخته میشود.
این پروتئین در سراسر گیاه حرکت میکند و به سلولها پیام میدهد که فرایند گلدهی را آغاز کنند. در بسیاری از گیاهان، FT نوک ساقه را به گل تبدیل میکند و رشد بهطور کامل متوقف میشود.
واگنر و همکارانش بر گیاهان با رشد نامحدود تمرکز کردند، جایی که این اتفاق رخ نمیدهد. آنها دریافتند که نوک ساقه نسبت به FT واکنشی متفاوت از سایر بخشهای گیاه نشان میدهد.
نقش پروتئین TFL1 در جلوگیری از گلدهی
در نوک ساقه، پروتئین دیگری به نام TFL1 فعال میشود که مانع گلدهی شده و از سلولهای بنیادی محافظت میکند. با افزایش سطح FT، میزان TFL1 نیز افزایش مییابد اما فقط در نوک گیاه.
این واکنش باعث میشود رشد ادامه پیدا کند، در حالی که سایر بخشهای گیاه وارد فاز گلدهی میشوند.
یک پروتئین گیاهی با دو نقش متفاوت
این پژوهش همچنین پروتئین سومی به نام LEAFY یا LFY را بررسی کرده است. در بیشتر بخشهای گیاه، LFY در پاسخ به FT فعال میشود و ژنهای گلدهی را روشن میکند. در نتیجه، گلها در کنارههای ساقه شکل میگیرند.
رفتار غیرمنتظره LFY در نوک ساقه
در نوک ساقه، LFY رفتاری شگفتانگیز دارد. اگرچه سطح آن افزایش مییابد، گلدهی آغاز نمیشود. در عوض، LFY باعث فعال شدن TFL1 میشود.
«بهطور somewhat غیرمنتظره متوجه شدیم که LFY در نوک ساقه TFL1 را فعال میکند و این دو یک حلقه بازخورد منفی تشکیل میدهند.»
— دوریس واگنر
این حلقه مانند یک ترموستات عمل میکند. سیگنالهای قوی گلدهی باعث افزایش LFY میشوند، LFY سطح TFL1 را بالا میبرد و TFL1 دوباره LFY را کاهش میدهد.
این رفتوبرگشت باعث میشود نوک ساقه درست زیر آستانه شروع گلدهی باقی بماند. سیستم حتی در شرایطی که آبوهوا بهسرعت تغییر میکند، پایدار میماند.
محافظت درونی در برابر خطاهای رشدی
برای بررسی کارایی این سیستم، تیم پژوهشی با مدلسازان ریاضی همکاری کرد.
مدلها نشان دادند که حلقه LFY-TFL1 در شرایط مختلف پایدار باقی میماند. دورههای کوتاه هوای گرم یا روزهای بلند، نوک ساقه را بهاشتباه وارد فاز گلدهی نمیکند.
«این سازوکار تضمین میکند که نوک ساقه حتی با تغییر سیگنالها به گل تبدیل نشود.»
— تیان هوانگ، از نویسندگان مطالعه
این پایداری به گیاه اجازه میدهد همزمان با رشد، برای مدت طولانی گل تولید کند. در نتیجه، شانس تولید بذر در زمان بهبود شرایط افزایش مییابد.
اهمیت این کشف برای آینده کشاورزی
یافتههای این پژوهش فراتر از یک درس زیستشناسی پایه هستند. تغییرات اقلیمی فصلهای غیرقابل پیشبینی، موجهای گرما و الگوهای بارش متغیر را به همراه دارد. محصولاتی که فقط یکبار گل میدهند، ممکن است در چنین شرایطی آسیبپذیر باشند.
درک نحوه تعامل این پروتئینها میتواند به دانشمندان کمک کند تا محصولاتی طراحی کنند که مدت طولانیتری رشد کنند و بهتر با محیطهای متغیر سازگار شوند.
«پاسخ به تغییرات اقلیمی نباید تبدیل زمینهای طبیعی بیشتر به زمین کشاورزی باشد. بلکه باید استفاده کارآمدتر از زمینهایی باشد که هماکنون کشت میکنیم.»
— دوریس واگنر
با یادگیری از گیاهانی که از پیش میدانند چگونه بین رشد و تولیدمثل تعادل برقرار کنند، کشاورزی میتواند بدون گسترش سطح زیر کشت، مقاومتر شود.
این مطالعه در مجله علمی Science منتشر شده است.
اگر به سازوکارهای هوشمند طبیعت علاقهمند هستید، مقالههای مرتبط ما درباره سازگاری گیاهان با تغییرات اقلیمی را بخوانید و دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید.
