في العقود القادمة، سيتعين على البشرية إطعام مليارات أخرى من الناس على كوكب يتعرض لضغوط كبيرة. موجات حر شديدة، وجفاف حاد، وتدهور التربةفي ضوء هذا السيناريو، فإن الطريقة التي نزرع بها النباتات ونفهمها تتغير بسرعة، وأحد أكثر خطوط البحث إثارة للاهتمام هو ما يسمى بالعامية "النباتات التي تتنفس النيتروجين".
وراء هذه الفكرة المذهلة يكمن تحدٍّ هائل: جعل المحاصيل قادرة على استخلاص النيتروجين من الهواء وتقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائيةفي ظل التكيف مع مناخ أكثر دفئًا وجفافًا وتقلبًا، فإن المراكز الرائدة مثل مركز التكنولوجيا الحيوية النباتية وعلم الجينوم (CBGP) منخرطة بالفعل بشكل كامل في هذا التحدي، حيث تجمع بين التكنولوجيا الحيوية وعلم البيئة والزراعة المستدامة للحفاظ على إنتاج الغذاء في عالم دائم التغير.
لماذا يُعدّ النيتروجين مهماً جداً للنباتات؟
قد يبدو الأمر مبالغًا فيه، ولكن بدون النيتروجين لن تكون هناك حياة كما نعرفها، لأن هذا العنصر أساسي لتكوين النباتات. البروتينات والإنزيمات والأصباغ الضرورية لعملية التمثيل الضوئيبدون مصدر كافٍ من النيتروجين، لا يمكن للمحصول أن ينمو بشكل جيد، أو ينتج كتلة حيوية، أو يقدم غلة مقبولة.
على الرغم من أن الهواء الذي نتنفسه يتكون من حوالي 78% غاز النيتروجين (N₂)لا تستطيع النباتات استخدامه مباشرة. النيتروجين الجوي مستقر للغاية، ومعظم الكائنات الحية تفتقر إلى الأدوات الكيميائية الحيوية اللازمة لتحليل هذا الجزيء وتحويله إلى مركبات قابلة للاستخدام مثل الأمونيوم أو النترات.
في الظروف الطبيعية، تحصل النباتات على النيتروجين بشكل أساسي من التربة، على شكل أيونات النترات (NO₃⁻) والأمونيوم (NH₄⁺)تأتي هذه العناصر الغذائية من تحلل المواد العضوية أو من عمليات التثبيت البيولوجي التي تقوم بها الكائنات الدقيقة. عندما تكون التربة فقيرة بالنيتروجين، تعاني النباتات من اصفرار الأوراق، وتنمو بشكل ضعيف، وينخفض إنتاجها بشكل حاد.
ولتعويض هذا القصور، اعتمدت الزراعة الحديثة على الأسمدة الكيميائية التي توفر كميات كبيرة من النيتروجين. تكمن المشكلة في أن هذا النموذج أصبح غير مستدام بسبب ارتفاع استهلاك الطاقة، وانبعاثات الكربون، والتلوث من التربة والمياه والغلاف الجوي المرتبطة بالإفراط في استخدام الأسمدة الكيميائية.
يركز جزء كبير من الأبحاث الحالية على فهم وتسخير الاستراتيجيات الطبيعية التي تمكّن بعض الكائنات الحية وبعض العلاقات بين النباتات والميكروبات من لتثبيت النيتروجين الجوي وجعله متاحاً للنظم البيئية.
تثبيت النيتروجين البيولوجي: خدعة البكتيريا
بينما لا تستطيع النباتات استخدام غاز النيتروجين بشكل مباشر، تستطيع بعض أنواع البكتيريا ذلك بفضل... إنزيم متخصص للغاية يسمى النيتروجينازهذا البروتين قادر على تحليل النيتروجين الجوي وتحويله إلى مركبات نيتروجينية تصبح بمرور الوقت جزءًا من السلسلة الغذائية.
توجد هذه البكتيريا المثبتة للنيتروجين بحرية في التربة، كما توجد مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بجذور أنواع نباتية معينة. بعضها يستوطن علاقات تكافلية وثيقة للغاية مع النباتات، حيث تعيش داخل هياكل خاصة. التي تتشكل في الجذور وتسمح بتبادل دقيق للغاية للموارد.
في ما يسمى بالنباتات المثبتة للنيتروجين التكافلية، يستضيف النبات البكتيريا ويزودها بالسكريات التي يتم الحصول عليها من خلال عملية التمثيل الضوئي، بينما يقوم الكائن الحي الدقيق برد الجميل. توفير النيتروجين "الجديد" من الغلاف الجويهذا التبادل فعال للغاية لدرجة أنه يستطيع تغطية جزء كبير من احتياجات المحصول وإثراء التربة للنباتات المستقبلية.
عندما تُكمل هذه النباتات المرتبطة بالبكتيريا دورة حياتها وتُدمج بقاياها في التربة، يتم إطلاق النيتروجين الذي تراكم في أنسجتها من خلال عملية تُعرف باسم تمعدن النيتروجينتتحلل المادة العضوية ويتحول النيتروجين العضوي إلى أمونيوم ونترات، وهي أشكال يمكن للنباتات الأخرى امتصاصها بسهولة.
وبالتالي، تلعب المجتمعات النباتية التي تضم نباتات مثبتة للنيتروجين دورًا حاسمًا في الخصوبة الطبيعية للعديد من النظم البيئية والنظم الزراعيةمما يقلل الحاجة إلى توفير كميات كبيرة من الأسمدة الخارجية.
النباتات التي "تتنفس" النيتروجين: البقوليات، والعُقيدات، والتكافل
تُعد البقوليات أشهر مجموعة من النباتات المرتبطة بالبكتيريا المثبتة للنيتروجين، وهي عائلة ضخمة تضم محاصيل يومية مثل البازلاء، الفاصوليا، العدس، الحمص، الفول العريض أو البرسيمطورت هذه الأنواع، عبر التطور، القدرة على تكوين عقيدات على جذورها لتوفير المأوى لأنواع معينة من البكتيريا.
في هذه العلاقة، تُطلق النبتة إشارات كيميائية في منطقة الجذور تجذب أنواعًا معينة من بكتيريا التربة القادرة على تثبيت النيتروجين. وبمجرد حدوث التلامس، يبدأ الجذر في التكوّن. تراكيب متخصصة تسمى العُقيداتوالتي تعمل كمفاعلات بيولوجية صغيرة محمية، حيث تعيش البكتيريا وتعمل في ظل ظروف مناسبة.
داخل هذه العُقيدات، تُثبّت البكتيريا النيتروجين الجوي وتحوله إلى مركبات نيتروجينية تتدفق إلى النبات، بينما يرسل النبات السكريات ومركبات أخرى إلى البكتيريا للحفاظ على نشاطها. على الرغم من أن هذه الكائنات الدقيقة لا تقوم بعملية التمثيل الضوئي، إلا أنها تعتمد على... الطاقة الكيميائية التي تولدها النبتة بفضل ضوء الشمس.
والنتيجة العملية هي أن المحصول يحصل على مصدر مستمر من النيتروجين دون الحاجة إلى الكثير من الأسمدة الخارجية، وسيبقى بعض هذا النيتروجين في التربة عندما يموت النبات أو عندما تُدمج بقايا النبات من خلال الممارسات الزراعية. في الواقع، يؤدي تحلل بقايا البقوليات إلى زيادة محتوى النيتروجين في التربة بشكل ملحوظ.
تُفسر هذه الآلية سبب استخدام البقوليات بكثرة في دورات المحاصيل أو كأسمدة خضراء: فهي لا تنتج الغذاء فحسب، بل تساعد أيضاً على لتحسين خصوبة الأرض ودعم أنظمة زراعية أكثر استدامة على المدى المتوسط والطويل.
توزيع وتنوع النباتات المثبتة للنيتروجين
يُعدّ الدور البيئي للنباتات المرتبطة بالبكتيريا المثبتة للنيتروجين بالغ الأهمية، لدرجة أن العديد من الفرق العلمية درست توزيعها على نطاق واسع بالتفصيل. في الولايات المتحدة، قام باحثون من مراكز مختلفة، مثل... متحف فلوريدا للتاريخ الطبيعي وجامعات لويزيانا وميسيسيبيلقد قاموا بتحليل سجلات الأنواع المحلية والغازية في عشرات المواقع لفهم هذا النمط بشكل أفضل.
للوهلة الأولى، قد يعتقد المرء أنه في التربة الفقيرة بالنيتروجين ينبغي أن يكون هناك وفرة وتنوع أكبر للنباتات المثبتة للتربةلأن ميزتها التنافسية ستكون أكبر في البيئات التي تعاني من نقص هذا العنصر الغذائي. ومع ذلك، فإن التحليل المفصل يُضعف هذه الفكرة التي تبدو منطقية.
لاحظ الباحثون، عند مقارنة المناطق المختلفة، أن عدد النباتات المثبتة للنيتروجين يميل إلى زيادة في المناطق التي تقل فيها نسبة النيتروجين المتاح في التربةيتوافق هذا مع الفرضية الكلاسيكية. لكنهم لاحظوا أيضاً أنه مع ازدياد جفاف البيئات، انخفض التواجد الإجمالي لهذه النباتات.
وكانت النتيجة الأكثر إثارة للدهشة هي أنه عندما نظروا إلى تنوع مثبتات النيتروجين الأصلية، اكتشفوا نمطًا مختلفًا: ازداد تنوع الأنواع المحلية المثبتة للتربة بشكل ملحوظ في المناطق القاحلةبغض النظر عن كمية النيتروجين الموجودة في التربة. أي أنه في المناطق التي تكون فيها ظروف المياه قاسية، يمكن أن يكون نطاق النباتات المحلية المثبتة للنيتروجين واسعًا جدًا.
تُظهر هذه النتائج أن توزيع النباتات التي تؤوي البكتيريا المثبتة للنيتروجين، على نطاق واسع، لا يعتمد فقط على نيتروجين التربة، بل على مجموعة معقدة من العوامل مثل توافر المياه، والتاريخ التطوري، وديناميات المجتمعات النباتيةيُعد فهم هذه الأنماط أمراً أساسياً لتصميم أنظمة زراعية أكثر ملاءمة لكل منطقة.
دور برنامج CBGP: التكنولوجيا الحيوية النباتية في مواجهة تغير المناخ
على الرغم من التقدم المحرز في الفهم البيئي للنباتات المثبتة للجذور، فإن مراكز الأبحاث مثل مركز التكنولوجيا الحيوية النباتية وعلم الجينوم (CBGP)وتركز هذه الأبحاث، المرتبطة بجامعة البوليتكنيك في مدريد، على جبهة أخرى: تكييف المحاصيل مع المناخ القاسي الذي نشهده بالفعل والذي سيزداد حدة في العقود القادمة.
تشير التوقعات إلى أنه بحلول منتصف القرن، تقريبًا 9.700 مليون شخص على كوكبٍ أكثر حرارةً وجفافاً، وأكثر عرضةً لظواهر جوية متطرفة. كان عام 2024 بالفعل من بين أكثر الأعوام حرارةً على الإطلاق، وفي أوروبا، ارتبطت عشرات الآلاف من الوفيات بموجات الحر، وكانت إسبانيا من بين أكثر الدول تضرراً.
في ضوء هذا السيناريو، يدرسون في CBGP بطريقة شاملة كيف تنمو النباتات، وكيف تتفاعل مع الكائنات الدقيقة في بيئتها وكيف تستجيب للتغيرات البيئية مثل ارتفاع درجة الحرارة، والجفاف المطول، أو تملح التربة الزراعية.
يتمثل أحد الأهداف الرئيسية للمركز في تطوير أصناف جديدة من المحاصيل، أو اختيار الأصناف القادرة على ذلك من بين الأصناف الموجودة. الحفاظ على غلة مقبولة في ظل الضغوط البيئيةوهذا لا يعني فقط تحمل الظروف المعاكسة، بل يعني القيام بذلك دون الاعتماد بشكل كبير على المدخلات الخارجية مثل الأسمدة والمياه.
ولتحقيق ذلك، يحلل الباحثون الآليات الجزيئية التي تسمح لبعض النباتات بتحمل الضغوط البيئية بشكل أفضل. ويحددون البروتينات الدفاعية، ومسارات الإشارات، والجينات الرئيسية والتي يتم تفعيلها في ظل ظروف قاسية، وتستخدم تلك المعلومات لتوليد ما يسمونه "إثباتات المفهوم".
في هذه الاختبارات، يقومون بإنتاج نباتات معدلة وراثيًا تتراكم فيها بروتينات معينة أو تنشط آليات تحمل محددة، وذلك للتحقق مما إذا كانت هذه النباتات تُحسّن بالفعل من أدائها في مواجهة الجفاف أو الحرارة أو الملوحة. وبهذه الطريقة، يقومون بالتحقق تجريبياً من الاستراتيجيات الأكثر فعالية. قبل التفكير في تطبيق واسع النطاق.
محاصيل أكثر مرونة: الطماطم، والكرنب، والأمن الغذائي
من أبرز نتائج هذا النهج تطوير نباتات الطماطم ذات القدرة العالية على تحمل الملوحةتُعدّ هذه مشكلة متزايدة الانتشار في المناطق الزراعية حيث يؤدي الري والتبخر الشديد إلى تركيز الأملاح في التربة. وقد طوّر فريق مركز أبحاث النباتات والنباتات (CBGP) أصنافًا معدلة وراثيًا أكثر مقاومة لهذه المستويات من الأملاح.
وقد أدت هذه الطماطم القوية بالفعل إلى ظهور طلب براءة اختراع أوروبيةتتمثل الفكرة في توسيع نطاق هذه التقنية لتشمل محاصيل أخرى حساسة بشكل خاص للملوحة، مثل البازلاء والفاصوليا والذرة والفراولة. وإذا تكللت هذه الجهود بالنجاح، فسيمثل ذلك ميزة هائلة في المناطق التي تعاني من محدودية جودة مياه الري أو تدهور التربة.
وفي الوقت نفسه، تعمل المجموعة على نقل هذه التطورات إلى ما يسمى بالكرنب، وهي عائلة نباتية تشمل الملفوف والبروكلي والخضراوات الأساسية الأخرى في النظام الغذائي. إن زيادة قدرة هذه الخضراوات الأساسية على الصمود تعني حماية جزء مهم للغاية من الأمن الغذائي في بيئة مناخية غير مستقرة.
لكن الأمر ليس بهذه البساطة، فلا يكفي مجرد إدخال بروتينات دفاعية وانتهى الأمر. فالعديد من هذه البروتينات تنتمي إلى العائلات التي تحتوي أيضًا على مسببات الحساسية الغذائيةهذا يستلزم اتخاذ احتياطات إضافية. ليست كل البروتينات المناعية مسببة للحساسية، ولكن بعضها قد يثير ردود فعل لدى الأشخاص ذوي الحساسية.
لهذا السبب، يضم مركز علم الأحياء الجزيئي والبيولوجيا الجزيئية فريقًا متخصصًا في مسببات الحساسية يقوم بتقييم هذه البروتينات بدقة. ويركز عملهم على تحديد ما هي الخصائص البنيوية التي تجعل البروتين مادة مسببة للحساسية؟ وأيها ليس كذلك، حتى يتسنى تصميم حلول بيوتكنولوجية آمنة للاستهلاك البشري.
يُعد هذا النهج الدقيق ضروريًا لكي تحظى الابتكارات في المحاصيل المعدلة وراثيًا أو المحسّنة بمكانة حقيقية في السوق، مما يضمن... سلامة الغذاء والتطوير المسؤول للأصناف الجديدة التي تساعد في معالجة تغير المناخ دون خلق مشاكل إضافية.
نحو الحبوب التي "تتنفس" النيتروجين من الهواء
من بين أكثر المشاريع طموحًا التي يتم تنفيذها في مركز أبحاث علم الأحياء الجزيئي والجينوم، يبرز المشروع الذي يقوده الباحث. لويس روبيوبتمويل من مؤسسة غيتس. هدفها بسيط في شرحه بقدر ما هو صعب التحقيق: جعل الحبوب قادرة على لالتقاط واستقلاب النيتروجين من الهواءمما يقلل بشكل كبير من الاعتماد على الأسمدة الكيميائية.
بخلاف البقوليات، لا تُكوّن المحاصيل الأساسية مثل الأرز والقمح والذرة بشكل طبيعي علاقات تكافلية قوية مع البكتيريا المثبتة للنيتروجين. كما أنها لا تمتلك الآلية الداخلية لتثبيت النيتروجين بنفسها، لأن إنهم يفتقرون إلى إنزيم النيتروجيناز تمتلكها بعض أنواع البكتيريا.
يستخدم فريق روبيو كنموذج بكتيريا مثبتة للنيتروجين مرتبطة بخميرة الخباز، والمعروفة باسم آزوتوباكتر فينلاندي (غالباً ما يتم تحريفها في بعض وسائل الإعلام)، وهي قادرة على تثبيت النيتروجين بكفاءة. والفكرة هي نقل الجينات المسؤولة عن تثبيت النيتروجين من هذه البكتيريا إلى النباتات.
في المختبر، يعمل الباحثون على إدخال هذه الجينات البكتيرية والتعبير المنسق عنها في الخلايا النباتية، بهدف تمكين الحبوب من تفعيل نظام تثبيت النيتروجين الوظيفي داخليًاإنه تحدٍ كبير، لأن إنزيم النيتروجيناز معقد للغاية وحساس للغاية للأكسجين، لذا فهو يتطلب ظروفًا محددة للغاية لكي يعمل.
إذا تحقق هذا الهدف، ولو جزئياً، فقد يمثل ثورة في الزراعة العالمية: إذ يمكن للحبوب أن تغطي جزءاً كبيراً من احتياجاتها من النيتروجين بمفردها، مما يقلل من استخدام الأسمدة الكيميائية، وبالتالي، تلوث التربة والمياه والهواء المرتبط بإنتاجه وتطبيقه.
الأسمدة الكيميائية والاستدامة الزراعية
تُعد الأسمدة النيتروجينية حالياً ضرورية للحفاظ على غلة عالية من إنتاج الحبوب العالميبفضلهم، أصبح من الممكن إطعام عدد سكان متزايد باستمرار، لكن هذا الاعتماد له تكلفة بيئية يصعب تحملها بشكل متزايد.
تستهلك عملية تصنيع الأسمدة على نطاق صناعي كميات كبيرة من الطاقة وتنبعث منها غازات دفيئة؛ كما أن استخدامها المكثف في الحقول يتسبب في تلوث الهواء الناتج عن انبعاثات أكاسيد النيتروجين والأمونياويحمل الجريان السطحي النترات إلى الأنهار والخزانات الجوفية والبحار، مما يؤدي إلى عمليات مثل التخثث.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الإفراط في استخدام الأسمدة وبعض الممارسات الإدارية إلى تسريع عملية تدهور التربة الزراعيةيؤدي ذلك إلى تقليل قدرتهم على الاحتفاظ بالمياه والمغذيات، وإيقاع المزارعين في حلقة مفرغة من الاعتماد على المدخلات الخارجية.
بحسب باحثين من مشروع الحبوب ذاتية التسميد، فإن الانخفاض الكبير في استخدام هذه الأسمدة قد يفتح الباب أمام... زراعة أكثر استدامة بكثيراستخدام كميات أقل من الأسمدة يعني انبعاثات أقل مرتبطة بتصنيعها، وتلوثًا أقل للمياه، وفرصة أكبر لاستعادة التربة المتدهورة.
الهدف النهائي هو تطوير أصناف من الأرز والقمح والذرة قادرة على يتم تخصيبها ذاتيًا إلى حد كبيرباستخدام النيتروجين من الهواء كمصدر أساسي. ومع ذلك، يُقرّ الفريق نفسه بأن هذا هدف ذو تعقيد تقني هائل، والذي من المرجح أن يتطلب عقودًا من البحث قبل تطبيقه على نطاق واسع في الميدان.
بنية تحتية متطورة: بيوت زجاجية ووحدات زراعة الجذور
ولتنفيذ هذه المشاريع، يمتلك مركز الدراسات السياسية والاقتصادية مرافق تبلغ مساحتها حوالي 1.900 متر مربع مخصصة لزراعة النباتات في ظروف مُتحكم بهايُعدّ البيت الزجاجي الذي تبلغ مساحته حوالي 1.200 متر مربع والمجهز بأنظمة متطورة للتحكم في المناخ والإضاءة، جزءًا أساسيًا من هذه البنية التحتية.
تتيح هذه البيوت الزجاجية زراعة أنواع مختلفة من الأنواع ذات الأهمية الزراعية أو النماذج التجريبية في ظل ظروف منظمة تمامًا. درجة الحرارة، والضوء، والرطوبة، وتكوين الركيزةوهذا يسمح بإعادة إنتاج سيناريوهات الإجهاد الناجمة عن الحرارة أو الجفاف أو الملوحة لتقييم سلوك النباتات المعدلة أو المختارة.
يضم المرفق وحدات احتواء من النوع P2 مصممة خصيصًا للعمل مع النباتات المعدلة وراثيًا. ويمكن التحكم في درجة الحرارة داخل هذه المساحات ضمن نطاق واسع، يتراوح تقريبًا بين 10 و 45 درجة مئوية، وهو أمر أساسي لمحاكاة موجات الحر أو الظروف الباردة المعتدلة.
بالإضافة إلى ذلك، يشتمل البيت الزجاجي على نظام من النمط الظاهري الرقمي الآلي باستخدام روبوتات تتحرك بين الممرات لالتقاط الصور والبيانات من النباتات. يتيح هذا النظام مراقبة دقيقة وواسعة النطاق لجوانب مثل النمو، وحالة المياه، وشدة أعراض الإجهاد.
ومن العناصر الأخرى المثيرة للاهتمام في البنية التحتية ما يسمى بالريزوترونات، وهي هياكل تتكون من أطباق شفافة تكشف نظام الجذروبفضلها، يمكن الحصول على صور مفصلة للجذور، ويمكن قياس نموها وسمكها، ويمكن تحليل كيفية استجابتها للمنتجات المختلفة أو الظروف البيئية.
إن الجمع بين هذه البيوت الزجاجية المُتحكم بها، وأنظمة التحليل الآلية، وأجهزة الريزوترون يجعل المركز بيئة مثالية لـ اختبر الأصناف والتقنيات الجديدة قبل توسيع نطاق استخدامهاعلاوة على ذلك، فإن هذه المرافق ليست مخصصة فقط للفرق الداخلية: فهي مفتوحة أيضًا للمشاريع من المنظمات العامة والخاصة الأخرى المهتمة بالاستجابة للتحديات الزراعية المستقبلية.
تشير كل هذه الأبحاث حول بروتينات المقاومة، والتكافل المثبت للنيتروجين، والحبوب القادرة على استخدام النيتروجين الجوي، إلى نموذج زراعي تكون فيه النباتات إنهم يعملون بشكل أوثق مع الكائنات الدقيقة ومع بيولوجيتهم الخاصة. إنتاج المزيد بموارد خارجية أقل. ورغم أن العديد من هذه الأهداف سيستغرق سنوات أو عقودًا ليصبح واقعًا على نطاق واسع، إلا أن كل تقدم يقربنا خطوةً نحو إمكانية زراعة محاصيل، مجازيًا، "تتنفس" النيتروجين من الهواء وتدعم الإمدادات الغذائية العالمية على كوكب يتعرض لضغوط مناخية.
