رازهای گیاهان کوچک در افزایش کارایی محصولات کشاورزی

کشف توانایی‌های منحصر به فرد گیاهان هورن‌ورت

دانشمندان مدت‌هاست به دنبال راه‌هایی هستند که به گیاهان کمک کنند تا دی‌اکسید کربن (CO2) بیشتری را به بیومس تبدیل کنند، که می‌تواند به افزایش عملکرد محصولات کشاورزی و حتی مقابله با تغییرات اقلیمی کمک کند. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که گروهی از گیاهان منحصر به فرد و غالباً نادیده گرفته شده به نام هورن‌ورت‌ها ممکن است کلید این مسئله باشند.

تَنر رابیسون، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در مؤسسه بویس تامپسون (BTI) و نویسنده اصلی مقاله‌ای که به تازگی در نشریه Nature Plants منتشر شده، گفت: “هورن‌ورت‌ها دارای یک توانایی شگفت‌انگیز هستند که در میان گیاهان خشکی‌زی بی‌نظیر است: آن‌ها یک توربو شارژر طبیعی برای فتوسنتز دارند.” او ادامه داد: “این ویژگی خاص که به آن مکانیسم تمرکز CO2 می‌گویند، به آن‌ها کمک می‌کند تا نسبت به اکثر گیاهان دیگر، از جمله محصولات غذایی حیاتی ما، به طور مؤثرتری فتوسنتز کنند.”

در قلب این مکانیسم، ساختاری به نام پیرنوئید وجود دارد که به عنوان یک محفظه میکروسکوپی برای تمرکز CO2 درون سلول‌های گیاه عمل می‌کند. پیرنوئید یک محفظه مایع‌مانند است که با آنزیم روبیسکو پر شده است؛ این آنزیم CO2 را جذب کرده و در حین فتوسنتز آن را به قند تبدیل می‌کند. اطراف پیرنوئید، کانال‌ها و آنزیم‌های تخصصی وجود دارند که CO2 را به داخل پمپ می‌کنند و روبیسکو را با ماده اولیه کلیدی‌اش اشباع می‌کنند.

لورا گان، استاد یار در دانشکده علوم گیاهی یکپارچه دانشگاه کرنل، گفت: “این مکانیسم تمرکز CO2 به هورن‌ورت‌ها یک مزیت قابل توجه می‌دهد.” او افزود: “روبیسکو یک آنزیم به شدت ناکارآمد است، بنابراین اکثر گیاهان انرژی زیادی را صرف مقابله با تمایل آن به واکنش با اکسیژن می‌کنند.”

بهینه‌سازی کارایی فتوسنتز در گیاهان با استفاده از هورن‌ورت‌ها

با تمرکز دی‌اکسید کربن (CO2) در اطراف آنزیم Rubisco، هورن‌ورت‌ها می‌توانند کارایی این آنزیم را به حداکثر رسانده و فرآیند هدررفتی به نام «فتو تنفس» را به حداقل برسانند.

با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته تصویربرداری و تحلیل ژنتیکی، تیم تحقیقاتی دریافت که هورن‌ورت‌ها احتمالاً از یک سیستم بسیار ساده‌تر برای تمرکز CO2 استفاده می‌کنند. بر خلاف جلبک‌ها که برای پمپاژ CO2 به درون سلول‌های خود به ماشین‌آلات پیچیده نیاز دارند، هورن‌ورت‌ها به احتمال زیاد از یک رویکرد غیرفعال استفاده می‌کنند که به اجزای متحرک کمتری نیاز دارد.

فای-وی لی، استاد همکار در BTI و نویسنده همکار این مطالعه، توضیح داد: «این مانند یافتن یک طراحی ساده‌تر و کارآمدتر برای موتور است.» او افزود: «این سادگی می‌تواند مهندسی سیستم‌های مشابه در سایر گیاهان، مانند محصولات کشاورزی ضروری، را آسان‌تر کند.»

تأثیر بالقوه بر کشاورزی

تأثیر این تحقیق بسیار قابل توجه است. تیم تحقیقاتی تخمین می‌زند که نصب یک مکانیزم مشابه برای تمرکز CO2 در محصولات کشاورزی می‌تواند فتوسنتز را تا 60 درصد افزایش دهد که منجر به افزایش قابل توجهی در تولید بدون نیاز به زمین یا منابع بیشتر خواهد شد.

بینش‌های جدید در تکامل گیاهان

این تحقیق همچنین بینش‌های جدیدی در مورد تکامل گیاهان ارائه می‌دهد. دانشمندان دریافتند که ماشین‌آلات لازم برای تمرکز CO2 احتمالاً در جد مشترک تمام گیاهان خشکی وجود داشته است، اما تنها هورن‌ورت‌ها توانسته‌اند این قابلیت را در طول میلیون‌ها سال تکامل حفظ و بهبود دهند.

در حالی که ما با چالش‌های دوگانه تغییرات اقلیمی و امنیت غذایی روبرو هستیم، این گیاه کوچک ممکن است الگوی مناسبی برای نوآوری‌های معنادار در کشاورزی فراهم کند. هرچند هنوز کارهای زیادی باقی مانده است تا این فناوری طبیعی در سایر گیاهان مورد استفاده قرار گیرد، اما این کشف یک جهت‌گیری جدید و امیدوارکننده برای کشاورزی پایدار ارائه می‌دهد.

این تحقیق با حمایت بنیاد ملی علوم و بنیاد تریاد انجام شده است.