تمكن فريق دولي من علماء الهندسة الوراثية النباتية، بقيادة جامعة ساوثهامبتون البريطانية، من هندسة الميكروبيوم في النباتات لأول مرة، وذلك من خلال تفعيل جين يزيد من إنتاج مركب حيوي يؤثر إيجابيا على تركيبة البكتيريا الميكروبية المفيدة في النبات ويحسن من نوعيتها.
وأظهرت نتائج الدراسة التطبيقية المنشورة في دورية نيتشر كومنيكيشنز، أن الميكروبيوم الذي الذي صُمم، أدى إلى زيادة مقاومة الأرز لمرض البقعة البكتيرية، وقلّل بشكل كبير من الحاجة إلى المبيدات الحشرية المدمرة للبيئة، وفقا للبيان الصادر عن الدراسة.
أهمية الميكروبيوم النباتي
يُقصد بالميكروبيوم النباتي مجموع الميكروبات المتعايشة على أوراق الشجر وغيرها من الأعضاء النباتية، ويشمل ذلك البكتيريا والفطريات والفيروسات والعتائق (البكتريا القديمة).
ويوجد الميكروبيوم النباتي في مختلف أجزاء النبات، بما في ذلك الجذور والأوراق والسيقان، ويساهم في صحة النبات وعمله اليومي، ويُقدر احتواء سطح ورقة نباتية متوسطة الحجم على نحة 10 ملايين ميكروب، وهي مجموعة سكانية مماثلة عدديا لعدد سكان المدن الكبرى.
ويلعب الميكروبيوم النباتي دورا هاما في صحة النبات ونموه، كما يمكّن العلماء من تطوير طرق جديدة لتحسين الزراعة والحفاظ على البيئة، وذلك من خلال فهم أفضل لكيفية عمل الميكروبيوم النباتي، حيث تتفاعل الكائنات الدقيقة في الميكروبيوم النباتي مع بعضها البعض ومع النبات بطرق مختلفة، ويمكن أن تنتج عن هذه التفاعلات مواد مفيدة للنبات، مثل مضادات الميكروبات والمواد الكيميائية التي تحفز النمو.
ومن الأمثلة على تفاعلات الميكروبيوم النباتي؛ البكتيريا الموجودة في جذور النباتات القادرة على تثبيت النيتروجين، وهو عنصر غذائي أساسي للنباتات. كما تساعد بعض الفطريات في تحسين امتصاص النباتات للمياه والمعادن من التربة، وتنتج بعض البكتيريا مواد مضادة للميكروبات تساعد في حماية النبات من الأمراض.
ويبحث العلماء أيضا في دور الميكروبيوم النباتي في صحة الإنسان، وأظهرت بعض الدراسات أن الميكروبيوم النباتي يمكن أن يؤثر على صحة الجهاز الهضمي والمناعة لدى الإنسان.
ويدرس العلماء أيضا تأثير تغير المناخ عليه، وقد بينت بعض الدراسات أن تغير المناخ يمكن أن يغير تكوين الميكروبيوم النباتي، مما قد يؤثر على صحة النبات.
تغيير تركيبة الميكروبيوم في النبات
وعلى مدى العقد الماضي، أجرى العلماء أبحاثا مكثفة على الميكروبات النباتية لفهم كيفية تأثيرها على النبات وقابلية تعرضه للأمراض. فعلى سبيل المثال يبحث العلماء عن طرق لتحسين الميكروبيوم النباتي للتأثير على صحة النبات.
وتشمل الأبحاث على الميكروبات تطوير طرق لتطعيم النباتات بالبكتيريا المفيدة واختيار الأصناف النباتية التي تحتوي على ميكروبيوم نباتي قوي، مثل تطعيم النباتات بالبكتيريا المفيدة، وأظهرت بعض الدراسات أن التطعيم يمكن أن يزيد من مقاومة النبات للأمراض ويحسن نموه.
وعن الدراسة التي قام بها الباحثون في الميكروبيوم النباتي لحماية المحاصيل من الأمراض، يقول الأستاذ المشارك في جامعة ساوثهامبتون والمؤلف المشارك في هذه الدراسة الدكتور توميسلاف سيرنافا “للمرة الأولى تمكنا من تغيير تركيبة الميكروبيوم في النبات بطريقة ممنهجة، مما أدى إلى زيادة أعداد البكتيريا المفيدة التي يمكنها حماية النبات من البكتيريا الضارة الأخرى”.
وأضاف سيرنافا: “هذا الاكتشاف الجديد يمكن أن يقلل من الاعتماد على المبيدات الحشرية الضارة بالبيئة، حيث حققنا ذلك في محاصيل الأرز، ولكن الإطار الذي أنشأناه يمكن تطبيقه على النباتات الأخرى وفتح فرص أخرى لتحسين الميكروبيوم الخاص بها، فعلى سبيل المثال، الميكروبات التي تزيد من توفير المغذيات للمحاصيل يمكن أن تقلل من الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية”.
وفي تجربتهم على الأرز اكتشف فريق البحث الدولي أن جينا محددا موجودا في مجموعة التخليق الحيوي للجنين في نبات الأرز يشارك في تشكيل الميكروبيوم الخاص به.
وكانت عملية التجريب والاختبار التي تمت على الأرز قد بينت للباحثين أنه عندما عُطل هذا الجين، كان هناك انخفاض في عدد بعض البكتيريا المفيدة، مما يؤكد أهميتها في تكوين مجتمع الميكروبيوم.
ثم قام الباحثون بعكس التجربة، حيث قاموا بالإفراط في التغيير الجيني بحيث أنتج أكثر من نوع واحد محدد من المستقلبات (وهو جزيء صغير ينتجه النبات المضيف أثناء عمليات التمثيل الغذائي)، وبالتالي أدى ذلك إلى زيادة نسبة البكتيريا المفيدة في الميكروبيوم النباتي.
نتائج الاختبارات على الأرز
من ناحية أخرى بينت نتائج الاختبارات على محصول الأرز، أنه عندما تتعرض هذه النباتات المهندسة جينيا لبكتيريا تدعى إكسانتهامسوناز أوريازا -وهي نوع من البكتيريا الشائعة التي تصيب محاصيل الأرز وتعتبر عاملا ممرضا للأرز حيث يصيب المحاصيل بما يعرف باللفحة البكتيرية في محاصيل الأرز- فإن المحاصيل ستكون أقوى وأكثر مقاومة للبكتيريا.
واللفحة البكتيرية شائعة في آسيا ويمكن أن تؤدي إلى خسارة كبيرة في محصول الأرز، وعادة ما يتم التحكم بها عن طريق نشر المبيدات الحشرية الملوثة للبيئة، لذا فإن إنتاج محصول يحتوي على ميكروبيوم وقائي يمكن أن يساعد في تعزيز الأمن الغذائي ومساعدة البيئة.
وبالإضافة الى ذلك فإن من أبرز نتائج هذه الدراسة اكتشاف وجود ميكروبات مفيدة أخرى لفتح فوائد صحية نباتية مختلفة في المستقبل.
