گیاهان محیط خود را حس می کنند. آنها می دانند که چه مقدار مواد مغذی در خاک موجود است و در هر زمان به چه مقدار نیاز دارند. در بیشتر موارد، گیاهان می‌توانند با ارگانیسم‌های میکروبی در محیط خود روابط همزیستی برقرار کنند تا یک منبع طبیعی ایجاد کنند: کربن من برای فسفات، آب یا نیتروژن شما. این روابط می تواند کمبود مواد مغذی را کاهش دهد، مقاومت پاتوژن را ایجاد کند و عملکرد را افزایش دهد.
سدروف (پیش‌زمینه) با پروفسور مارسلا روجاس پیرس (پس‌زمینه) در طی بازدید از آرکیپا، پرو، برای ایجاد همکاری در دانشگاه ملی سن آگوستین د آرکیپا (UNSA) و آموزش اساتید، کارکنان و دانشجویان در تکنیک‌های مولکولی پایه برای ژن محصول. ویرایش برای بهبود انعطاف پذیری در برابر آفات و کاهش اجزای نامطلوب در لوپین و کینوا.
هایکه سدروف، پروفسور ممتاز ویلیام نیل رینولدز که اخیراً در گروه زیست شناسی گیاهی و میکروبی نامیده شده است، برای درک این مسیر همزیستی تلاش کرده است. او و تیمش از دانشجویان و دانش پژوهان فوق دکترا بررسی می‌کنند که گیاهان چگونه محیط خود را حس می‌کنند، چگونه منابع را با سایر ارگانیسم‌ها مبادله می‌کنند، و چگونه بین اندام‌های مختلف گیاه ارتباط برقرار می‌کنند تا منابع مناسب را در جایی که نیاز دارند، به دست آورند.
به طور خاص، سدروف و تیمش همزیستی گیاهان با قارچ ها و باکتری ها را مطالعه می کنند. خاک ها حاوی باکتری ها و قارچ های خاصی هستند که از طریق ریشه با گیاهان رابطه همزیستی برقرار می کنند. وقتی نیتروژن کم است، باکتری ها می توانند آن را از هوا تثبیت کرده و در دسترس گیاه قرار دهند، در حالی که قارچ ها می توانند فسفر و آب را به سلول های گیاهی منتقل کنند. در عوض، این گیاه به قارچ ها و باکتری ها کربنی که جذب می کند می دهد و از طریق فتوسنتز به قند تبدیل می شود. اما همه گیاهان توانایی همکاری با میکروب ها را به این روش ندارند.
دانشجویان فارغ التحصیل که در آزمایشگاه سدروف کار می کنند: (از چپ به راست) مگان فرانکلین، دلسیا اوتلی و آسا بودنیک.
سدروف می‌گوید: «یک گروه از گونه‌های گیاهی واقعاً مهم وجود دارد که ویژگی همزیستی را در تکامل از دست داده‌اند، و آن براسیکاها هستند». “Brassicaceae واقعاً برای ما محصولات مهمی هستند. روغن کلزا، کلم، خردل و بسیاری دیگر از ماست.”
سدروف می گوید که براسیکاهای اجدادی زمانی توانایی ایجاد روابط همزیستی با میکروارگانیسم ها را داشتند. در مقطعی از تاریخ، این نظریه مطرح شده است که یک عامل بیماری زا مسیر همزیستی را ربوده است، مانند ویروسی که به سیستم کامپیوتری حمله می کند. تنها راه برای زنده ماندن این گیاه این بود که مسیر را به طور کامل قطع کرد. سدروف و تیمش در تلاش هستند تا آن مسیر گمشده را به براسیکا بازگردانند.
آنها این تحقیق را بر روی جلبک ها برای ارزیابی مسیرهای ارتباطی در یک ارگانیسم تک سلولی آغاز کردند و از آن زمان تاکنون ژن های مسئول مسیر همزیستی را شناسایی کردند. آنها برخی از این “ژن های گم شده” را به Arabidopsis، یک گیاه مرجع Brassicaceae، و camelina، یکی از بستگان نزدیک کلزا، تبدیل کرده اند تا بتوانند توانایی خود را برای تبادل مواد مغذی با قارچ ها و باکتری ها در محیط خود بازسازی کنند.
Camelina sativa، محصول دانه روغنی Sederoff و تیمش در تولید سوخت جت از نظر عملکرد و ترکیب روغن بهبود یافتند.
کاملینا ساتیوا.
Camelina sativa با ژن ویرایش شده (سمت چپ) و Camelina sativa از نوع وحشی (راست).
اصلاح مسیر همزیستی و معرفی آن به brassicas می‌تواند به آنها اجازه دهد تا از طریق باکتری‌ها و قارچ‌ها به نیتروژن و فسفات موجود در خاک دسترسی داشته باشند، در حالی که همچنان می‌توانند به کود مورد استفاده کشاورزان دسترسی داشته باشند. این مسیر دوباره معرفی شده می تواند استفاده از کود نیتروژن و فسفر را در کشاورزی براسیکا کاهش دهد و کل سیستم را کارآمدتر کند.
بهره وری کلیدی است زیرا این تبادل مواد مغذی برای گیاه گران است. برای به دست آوردن نیتروژن و فسفر از باکتری ها و قارچ ها، گیاه باید برگ ها را رشد دهد تا کربن بیشتری جذب کند و آن را به ریشه ها بفرستد تا مواد مغذی را تجارت کند.
Lotus japonicus، یک گیاه حبوبات مدل. در اینجا در یک محیط استریل و تنها در حضور قارچ های همزیست رشد می کند.
سدروف می گوید: «گیاهان اقتصاددان هستند. “اگر آنها بتوانند نیتروژن ارزان را از خاک دریافت کنند زیرا کشاورز آن را بارور کرده است، کربن را به باکتری ها نمی پردازند. فسفر هم همین طور است.”
برای اینکه همه گیاهان عملکرد بهتری داشته باشند، سدروف و تیم او به دنبال کاهش فرآیندهای بیهوده در کارخانه هستند. با استفاده از آنزیم های باکتریایی، آنها میانبری را برای تنفس نوری معرفی کرده اند که گیاه را در مهار و استفاده از انرژی بسیار کارآمدتر می کند.
سدروف می‌گوید: «وقتی این مسیر کنارگذر را وارد می‌کنیم، این گیاهان اقتصاد کربنی بسیار بهتری دارند، بنابراین می‌توانند مقدار بیشتری از آنچه را که از طریق فتوسنتز ثابت می‌کنند حفظ کنند. همچنین به این معنی است که از نیتروژن بسیار کمتری استفاده می‌کنند، زیرا مقدار زیادی از دست نمی‌دهند.»
Lotus japonicus در حضور باکتری های همزیست رشد می کند که آنها را قادر می سازد نیتروژن هوا را تثبیت کنند. گره های کوچک تیره روی ریشه ها باکتری ها را در خود جای می دهند.
از طریق این تحقیق، تیم سدروف نشان داده است که مسیرهای حسی درون گیاه را می توان اصلاح کرد – که گیاهان را می توان فریب داد تا فکر کنند تقاضا بیشتر از عرضه است و در نتیجه کارایی جذب و تعادل مواد مغذی در سیستم آن تغییر می کند.
اما سدروف هنوز در شگفت است که چگونه ریشه‌ها به شاخه‌ها می‌گویند که چه نیازی دارند و چگونه دوست را از دشمن یا بیماری‌زا را از همزیست تشخیص می‌دهد. و هنگامی که یک همزیست را شناسایی می کند، چگونه مسیر همزیستی را آغاز می کند؟ او به دنبال مولکول های سیگنالینگ جدید در مسیر است به این امید که آنها این پاسخ ها را آشکار کنند.
کار سدروف نشان می دهد که، همانطور که در مورد هر رابطه همزیستی در زندگی صادق است، ارتباط کلیدی است. درک ماهیت آن ارتباط قطعه بعدی پازل است. brassicas می توانند بعداً از او تشکر کنند.
برای اطلاعات بیشتر:
دانشگاه ایالتی NC
www.news.ncsu.edu