با افزایش دما، پژوهشگران مکانیسم‌های واکنش گیاهان به گرمایش را شناسایی کردند
با افزایش دما، پژوهشگران مکانیسم‌های واکنش گیاهان به گرمایش را شناسایی کردند
با افزایش دما، پژوهشگران مکانیسم‌های واکنش گیاهان به گرما را شناسایی می‌کنند
منافذ میکروسکوپی موجود بر روی سطح برگ‌ها که به نام استوماتا (یا روزنه) شناخته می‌شوند، به گیاهان کمک می‌کنند تا با کنترل میزان تبخیر آب، “نفس بکشند”. این روزنه‌ها همچنین نقش اساسی در ورود دی‌اکسید کربن به گیاه برای انجام فرآیند فتوسنتز و رشد دارند.
از قرن نوزدهم، دانشمندان متوجه شده بودند که گیاهان با بازکردن بیشتر روزنه‌های خود در دماهای بالاتر، آب بیشتری را از طریق تبخیر از دست می‌دهند که این فرآیند باعث خنک شدن گیاه می‌شود. این فرآیند که به تعریق یا “عرق کردن” گیاه نیز معروف است، یکی از مکانیسم‌های کلیدی گیاهان برای مقابله با گرما و جلوگیری از آسیب‌های ناشی از افزایش دماست.
اما برای بیش از یک قرن، دانشمندان در شناسایی کامل مکانیسم‌های ژنتیکی و مولکولی دقیق که در واکنش به دماهای بالاتر منجر به بازشدن روزنه‌های استوماتا و افزایش تعریق گیاه می‌شود، موفق نبودند.
یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو به سرپرستی ناتیوونگ پانکاسم، دانشجوی دکتری و پروفسور جولیان شرودر، موفق شدند این مکانیسم‌های پیچیده را به طور دقیق شناسایی و تحلیل کنند. یافته‌های آن‌ها که در مجله New Phytologist منتشر شده است، دو مسیر مجزا را نشان می‌دهد که گیاهان برای مقابله با افزایش دما از آن‌ها استفاده می‌کنند.
پروفسور جولیان شرودر در این باره می‌گوید: “با افزایش دمای جهانی، خطراتی برای کشاورزی و محصولات کشاورزی ناشی از گرما وجود دارد. این تحقیق نشان می‌دهد که دمای بالاتر باعث باز شدن روزنه‌های استوماتا از طریق یک مسیر ژنتیکی خاص می‌شود، اما وقتی دما بیش از حد افزایش یابد، یک مکانیسم دوم نیز فعال می‌شود که بازشدن بیشتر روزنه‌ها را تضمین می‌کند.”
چالش‌های پژوهش درباره مکانیسم بازشدن استوماتا در دماهای بالا
برای دهه‌ها، پژوهشگران در تلاش برای شناسایی مکانیسم‌های دقیق باز شدن استوماتا در واکنش به دماهای بالا با مشکلات بسیاری مواجه بودند. یکی از این چالش‌ها تنظیم دقیق میزان رطوبت هوا (که به آن تفاوت فشار بخار یا VPD نیز گفته می‌شود) در حین افزایش دما بود. این فرآیند پیچیده باعث شده بود که تمایز بین واکنش گیاه به دما و واکنش به رطوبت بسیار دشوار شود.
اما پانکاسم با توسعه یک روش جدید برای ثابت نگه داشتن VPD در برگ‌ها در هنگام افزایش دما توانست این چالش را برطرف کند. او توانست مکانیسم‌های ژنتیکی مربوط به واکنش‌های دمایی استوماتا را تحلیل کند. این مکانیسم‌ها شامل سنسورهای نور آبی، هورمون‌های مرتبط با خشکسالی، سنسورهای دی‌اکسید کربن و پروتئین‌های حساس به دما بودند.
فناوری‌های جدید برای مطالعه واکنش گیاهان به دما
یکی از مهم‌ترین ابزارهایی که به محققان کمک کرد تا این مکانیسم‌ها را کشف کنند، نسل جدیدی از دستگاه‌های تحلیل تبادل گاز بود که کنترل دقیق‌تری بر VPD فراهم می‌کند. این فناوری به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که آزمایش‌هایی را انجام دهند که به طور دقیق تأثیر دما بر بازشدن استوماتا را بدون نیاز به قطع برگ‌ها از گیاهان زنده بررسی کنند.
نتایج این تحقیقات نشان داد که واکنش گیاهان به گرما از طریق یک مکانیسم ژنتیکی مشترک در میان گونه‌های مختلف گیاهی انجام می‌شود. در این مطالعه، پانکاسم مکانیسم‌های ژنتیکی دو گونه گیاهی را مورد بررسی قرار داد: Arabidopsis thaliana که یک گونه گیاهی آزمایشگاهی پرکاربرد است و Brachypodium distachyon که یکی از گیاهان گل‌دار است و با محصولات کشاورزی اصلی مانند گندم، ذرت و برنج رابطه نزدیکی دارد و به همین دلیل به عنوان یک مدل مناسب برای مطالعه این محصولات انتخاب شده است.
نقش دی‌اکسید کربن در واکنش‌های گیاهی به گرما
این تحقیقات نشان داد که سنسورهای دی‌اکسید کربن در واکنش‌های دمایی استوماتا نقش اساسی دارند. این سنسورها تشخیص می‌دهند که وقتی برگ‌ها به سرعت گرم می‌شوند، فتوسنتز افزایش پیدا می‌کند که به نوبه خود باعث کاهش سطح دی‌اکسید کربن در برگ‌ها می‌شود. این کاهش سطح دی‌اکسید کربن باعث باز شدن روزنه‌های استوماتا می‌شود تا گیاه بتواند از افزایش جذب دی‌اکسید کربن برای فتوسنتز بهره‌مند شود.
مکانیسم دوم برای مقابله با دماهای بالا
یکی از یافته‌های جالب این مطالعه این بود که گیاهان تحت دماهای بسیار بالا از یک مسیر دوم برای باز شدن استوماتا استفاده می‌کنند. در این شرایط که فتوسنتز دچار اختلال می‌شود و به دلیل گرمای زیاد کاهش می‌یابد، این مکانیسم دوم فعال می‌شود که مستقل از سیستم سنسور دی‌اکسید کربن عمل می‌کند و باعث بازشدن بیشتر روزنه‌ها می‌شود تا گیاه بتواند با تعریق بیشتر خود را خنک کند.
پانکاسم توضیح می‌دهد: “تأثیر این مکانیسم دوم که باعث باز شدن روزنه‌ها بدون افزایش فتوسنتز می‌شود، می‌تواند منجر به کاهش کارایی مصرف آب در گیاهان زراعی شود. بر اساس یافته‌های ما، گیاهان احتمالاً در این شرایط نیاز به آب بیشتری نسبت به دی‌اکسید کربن جذب شده خواهند داشت. این موضوع می‌تواند تأثیرات مستقیمی بر برنامه‌ریزی‌های آبیاری برای محصولات کشاورزی و همچنین تأثیرات گسترده‌تری بر چرخه هیدرولوژیکی در اکوسیستم‌ها در مواجهه با گرمایش جهانی داشته باشد.”
پیامدهای این تحقیق برای آینده کشاورزی و محیط زیست
این مطالعه اهمیت تحقیقات بنیادی مبتنی بر کنجکاوی را در حل چالش‌های اجتماعی و کمک به ایجاد مقاومت در بخش‌هایی مانند کشاورزی و محیط زیست نشان می‌دهد. ریچارد سیر، مدیر برنامه در بنیاد ملی علوم آمریکا که بخشی از این پژوهش را تأمین مالی کرده است، می‌گوید: “درک بیشتر از پیچیدگی‌های مولکولی که عملکرد استوماتا را در دماهای بالاتر کنترل می‌کند، می‌تواند به استراتژی‌هایی منجر شود که نیاز به آب در کشاورزی را در مواجهه با افزایش دما کاهش دهد.”
پانکاسم و شرودر اکنون در حال بررسی مکانیسم‌های ژنتیکی و مولکولی پشت مکانیسم دوم هستند تا بهتر درک کنند که چگونه گیاهان به دماهای بسیار بالا واکنش نشان می‌دهند.
نتیجه‌گیری و پیامدها برای سیاست‌گذاری
این تحقیقات نشان می‌دهد که در مواجهه با تغییرات اقلیمی و افزایش دما، درک بهتری از مکانیسم‌های واکنشی گیاهان به گرما می‌تواند به توسعه استراتژی‌هایی برای کاهش آسیب‌های ناشی از گرما به محصولات کشاورزی و بهبود مدیریت منابع آبی کمک کند. با توجه به این یافته‌ها، سیاست‌گذاران و کشاورزان می‌توانند از اطلاعات به‌دست‌آمده در این مطالعات برای ایجاد برنامه‌های بهتر و کارآمدتر در زمینه کشاورزی و حفظ منابع آب استفاده کنند.
پژوهشگران و تأمین مالی
این پژوهش توسط ناتیوونگ پانکاسم، پو-کای شو، برین لوپز، پیتر فرانکس و جولیان شرودر انجام شده و توسط برنامه علمی مرزی انسان (RGP0016/2020) و بنیاد ملی علوم (MCB 2401310) تأمین مالی شده است.
دیدگاهتان را بنویسید