گیاهان برای رشد به نیتروژن به فرم آمونیوم احتیاج دارند. برای تغذیه مناسب بسیاری از گیاهان زراعی، کشاورزان بایستی به مزرعه خود، کود آمونیوم بدهند. تولید آمونیوم، فرآیندی انرژی بر و پر هزینه است و روش های تولیدی امروزی مقدار زیادی Co2 به محیط زیست وارد میکند. به طور کلی تعداد انگشت شماری از محصولات قادر به تولید نیتروژن مورد نیاز خود هستند. ریشه لوبیا، نخود فرنگی، شبدر و سایر حبوبات، بدلیل همزیستی با باکتری ریزوبیا میتواند نیتروژن هوا را تثبیت و به آمونیوم تبدیل کنند. این همزیستی به نفع هر دو موجود است. باکتری آمونیوم مورد نیاز گیاه را فراهم میکند و گیاه مولکولهای اسید کربوکسیلیک کربن دار را برای باکتری تولید میکند.
تعاملی پیچیده و شگفت آور
محققان بخش زیست شناسی مولکولی موسسه ETH، تعامل پیچیده و شگفتآور باکتری و گیاه را مورد بررسی قرار دادهاند. مطابق این پژوهش، گیاه علاوه بر کربن، اسید آمینه آرژنین غنی شده با نیتروژن را به باکتری ارائه میدهد. اگرچه چندین سال است که تثبیت نیتروژن به کمک ریزوبیا مورد مطالعه قرار میگیرد، برخی مکانیسمهای این فرآیند ناشناخته باقی مانده است. به نظر میرسد، یافتههای جدید پژوهشگران میتواند منجر به کاهش استفاده از کودهای نیتروژنی توسط کشاورزان و تحقق اهداف کشاورزی پایدار شود. محققان با استفاده از روشهای بیولوژی سیستم، فرآیند متابولیکی همزیستی رایزوبیا با شبدر و سویا را رمزگشایی کرده اند. به نظر میرسد نتایج مطالعه مذکور قابل تعمیم به سایر گیاهان خانواده لگومینه نیز باشد.
جنگ سلطنتی، نه همزیستی داوطلبانه
تاکنون همزیستی گیاه و باکتری اغلب به صورت یک داد و ستد داوطلبانه معرفی شده است. این در حالی است که هر دو طرف تمام تلاش خود را برای بهره برداری انجام میدهند. نتایج نشان میدهند که نه تنها سویا و کلزا برای باکتری رایزوبیا فرش قرمز پهن نمیکنند بلکه آن را به صورت یک پاتوژن تلقی میکنند. گیاه تلاش میکند تا اکسیژن مورد نیاز باکتری را قطع کند و آن را در شرایط اسیدی قرار دهد. در همین حال، باکتریها برای زنده ماندن در این محیط خصمانه بیوقفه زحمت میکشند آنها از آرژنین موجود در گیاهان استفاده میکنند، زیرا آنها را قادر میسازد به متابولیسمی وارد شوند که به اکسیژن زیادی احتیاج ندارد. برای خنثی سازی محیط اسیدی، باکتریها پروتونهای اسیدی را به مولکولهای نیتروژن گرفته شده از هوا منتقل میکنند. این امر باعث تولید آمونیوم میشود که باکتری با انتقال آن به گیاه از شر آن خلاص میشود. بنابراین آمونیوم که تا این حد برای گیاه ضروری است، صرفا یک ماده زائد حاصل از مبارزه باکتری برای زنده ماندن است. تبدیل مولکول نیتروژن به آمونیوم یک فرآیند انرژی بر نه تنها برای کارخانه بلکه برای ریزوبیاست. اکنون واضح است که چرا باکتریها انرژی زیادی را برای این فرآیند صرف میکنند: این فرآیند بقای آنها را تضمین میکند.
زیست فناوری: هموار کردن راه کشاورزی پایدار
کشاورزی و بیوتکنولوژی قادر خواهند بود از این بینش جدید برای انتقال فرآیند تثبیت نیتروژن باکتریایی به محصولات غیر لگوم، مانند گندم، ذرت یا برنج استفاده کند. دانشمندان تابحال تلاشهای بسیاری برای دستیابی به این انتقال انجام دادهاند، اما همیشه با موفقیت محدودی روبرو شدهاند زیرا بخش مهمی از معمای متابولیسم مجهول بوده است. بیت کریستن میگوید: "اکنون که ما سازوکار را تا آخرین جزئیات نقشه برداری کردیم، احتمالاً شانس بیشتری برای دستیابی به نتیجه مطلوب خواهیم داشت."
با استفاده از بیوتکنولوژی میتوان روشهایی برای قرار دادن مستقیم تمام ژن های مورد نیاز مسیر متابولیک به گیاهان یافت. راه دیگر میتواند انتقال این ژنها به باکتریهای در تعامل با ریشههای گندم یا ذرت باشد. این باکتریها در حال حاضر نیتروژن موجود در هوا را به آمونیوم تبدیل نمیکنند، اما بیوتکنولوژی ابزارهایی برای تحقق آن دارد.
Flores-Tinoco CE, Tschan F, Fuhrer T, Margot C, Sauer U, Christen M, Christen B: Co catabolism of arginine and succinate drives symbiotic nitrogen fixation. Molecular Systems Biology 2020, DOI: 10.15252/msb.199419