نقش همسایه های زیر زمینی در رشد گیاهان

چندی پیش سرکار خانم دکتر حاجی بلند استاد دانشگاه تبریز با همکاری چند دانشگاه خارجی موفق به تعیین نقش همسایگان زیر زمینی گیاهان در رشد آن‌ها شده‌اند. این تیم تحقیقاتی تمرکز خودشان را بر فعال شدن مسیرهای دفاعی گیاهی و تاثیر آن بر رشد گیاه قرار داده‌اند.  

۱- لطفاً شرح حال مختصری از خود و همکاران محترمتان برای آشنایی خوانندگان به همراه سوابق علمی و پژوهشی این تیم تحقیقاتی ارائه بفرمایید.

این‌جانب استاد دانشگاه تبریز و رشته تخصصی‎ام فیزیولوژی گیاهی است. همکار دیگرم خانم دکتر سارا بهرامی راد دانشجوی پست دکترای این‌جانب بود که کارهای پژوهشی خود را در زمینه فیزیولوژی گیاهی با من در دوره کارشناسی ارشد و دکتری نیز انجام داده است. خانم دکتر نرگس مراد طلب دانش آموخته دکترای فیزیولوژی گیاهی دانشگاه تبریز تحت راهنمایی من و در حال حاضر دانشجوی پست دکتری در دانشگاه هوهنهایم آلمان هستند. آقای بین چن (Bin J. W. Chen) از چین، رساله دکتری خود را در زمینه اکولوژی گیاهی و تاثیر گیاهان مجاور بر روی یکدیگر در شرایط محیط طبیعی به انجام رسانده و دارای مقالات پژوهشی و مقالات مروری قابل اعتنایی در این موضوع است. آقای نیلس آنتن (Niels P. R. Anten) استاد دانشگاه واخنینگن هلند نیز اکولوژیست هستند و در همان زمینه‎ی آقای بین چن مطالعات زیادی اجرا و مقالات متعددی منتشر کرده‎اند.

۲- به صورت مختصر موضوعی که توسط این تیم پژوهشی مورد بررسی قرار گرفته را شرح دهید.

این‌جانب مدتی بود به اثرات متقابل بین گیاهان علاقه‌مند شده بودم. اولین کارمان یک سال پیش منتشر شد که مربوط به اثر متقابل بین دو گونه متفاوت بود. چون در آن بررسی، گونه‌های مورد نظر سرعت رشد متفاوت داشتند تاثیر متقابلی که ما مشاهده کرده بودیم چندان مورد توجه داوران و خوانندگان مقاله قرار نگرفت. ولی با توجه به این‌که تصور می‌کردم اثرات متقابل مهم‌تر و گسترده‌تر از آن است که تنها به سرعت رشد متفاوت دو گیاه که در کنار هم زندگی می‌کنند، نسبت داده شود، تصمیم گرفتم مدلی در کشت گیاهان اجرا کنم که مستقیماً نشان دهد گیاهان قادر به تشخیص افراد مجاور خود هستند. در واقع قصد داشتم نشان دهم گیاهان متناسب با ماهیت (ساختار ژنتیکی) همسایه خود پاسخ متفاوتی به آن نشان می‌دهند و در واقع روشی برای تشخیص خودی از غیر خودی دارند. نتیجه این آزمایش همین داده‌هایی بود که در مقاله اخیر ما با عنوان:

Presence of Below ground Neighbors Activates Defense Pathways at the Expense of Growth in Tobacco Plants

منتشر شده است.

۳- در دید اکثر افراد گیاهان موجوداتی ثابت هستند که واکنش‌پذیری کمتری نسبت به محیط اطراف خود در مقایسه با جانوران دارند. آیا این دیدگاه درست است؟ کمی راجع به کلیت واکنش گیاهان به محرک‌های محیطی، نحوه دریافت محرک ‌ها مخصوصاً توسط ریشه، مکانیسم‌هایی که در این زمینه در گیاه مورد استفاده قرار می‌گیرد، انواع پاسخ‌ها و… برای ما توضیح بفرمایید.

گیاهان مانند همه موجودات زنده از باکتری تا انسان قابلیت درک (Sensing) و پاسخ (Response) به محرک‌های محیطی را دارند و اگر در گیاهان پاسخ به برخی عوامل محیطی بیشتر و یا کمتر از سایر موجودات است، به دلیل تفاوت در نیاز آن‌ها به حسگری این عوامل جهت تنظیم رشد و غلبه بر محیط است. در واقع همه موجودات زنده مجهز به امکانات مولکولی و بیوشمیایی حسگری آن عده از عوامل محیطی هستند که روی زندگی آن‌ها و بقایشان موثر است و گرنه حسگری عواملی که روی زندگی آن‌ها موثر نیست نوعی اتلاف انرژی و منابع است و در طی انتخاب طبیعی محافظت نمی‌شود.

گیاهان به عوامل محیطی که شناخته شده‌ترین آن‌ها نور و حرارت است پاسخ‌های بسیار پیچیده با واسطه مسیرهای متعدد ترارسانی علامت (Signal transduction pathways) می‌دهند و قادرند همواره موقعیت مکانی خود در یک زیستگاه، موقعیت زمانی خود در یک روز و یا در یک فصل معین از سال را تشخیص دهند. با این حال نور یا حرارت تنها علامت‌های (Signal)‌ محیطی نیستند که گیاهان آن‌ها را حسگری می‌کنند. گیاهان قادرند از برخی عناصر موجود در خاک به عنوان علامت بهره جسته و وضعیت رشد ریشه و اندام هوایی و نسخه برداری از ژن‎های رمزکننده انتقال دهنده‌های این عناصر را تنظیم کنند. تشخیص مانع مکانیکی در محیط ریشه و دور زدن آن و یا پاسخ به تحریک مکانیکی توسط برگ‌ها یا اندام‌های ویژه دیگر (از جمله در گیاهان گوشتخوار) که در برخی جنس‌های گیاهی توسعه بیشتری یافته و کاملا سریع است نیز از جمله این حسگری‌های جالب در گیاهان است. جالب است بگویم که آب به عنوان عامل مهم رشد گیاهان نیز به صورت یک علامت عمل می کند. در واقع گیاهان هم از طریق صدا و هم ترکیب شیمیایی آب، این ماده حیاتی را در اطراف محیط ریشه حسگری کرده و ریشه خود را به سمت آن می‌گسترانند تا آن را جذب کنند.

این تغییر در مورفولوژی ریشه مستلزم عمل مسیرهای ترارسانی علامت پیچیده‌ای متشکل از هورمون‌ها و عوامل نسخه‌برداری و ژن‌های نموی متعددی است. این‌جانب سابقاً در پاسخ سوال دانشجویان در مورد مکانیسم تاثیر موسیقی بر روی رشد گیاهان، براساس دانش و بضاعت خود آن را به تاثیر امواج صوتی بر پتانسیل‌های غشایی نسبت می‌دادم که البته درست هم بود و چنان‌چه می‌دانیم هر نوع تغییری در پتانسیل غشاء می‌تواند (مشابه سلول‌های عصبی در جانوران) مسیرهای علامتی خاصی را راه اندازی کند. با این‌حال هیچگاه تصور نمی‌کردم که گیاهان هم ممکن است گیرنده‌های صوتی داشته باشند (۱) که به صورت اختصاصی‌تر امواج را حسگری نمایند. پژوهش‌های اخیر نه تنها وجود این گیرنده‌ها را در گیاهان اثبات کرده بلکه طرح‌های آزمایشی جالب نشان داده است که گیاهان “صدای آب” را نیز حس می‌کنند و ریشه به سمت آن جهت می‌گیرد (۲).  

۴- ظاهراً در این پژوهش از کشت هیدروپونیک استفاده کرده‌اید. کمی راجع به این نوع کشت و مزیت‌های آن نسبت به سایر روش‌ها توضیح بفرمایید و اینکه توضیح دهید آیا دلیل خاصی داشته که از این نوع کشت استفاده کردید؟ آیا با کشت درون خاک هم می‌شد این تحقیق را انجام داد؟

کشت هیدورپونیک به دلیل این که از پیچیدگی‌های خاک برخوردار نیست برای مطالعات فیزیولوژیکی مناسب‌تر است. خاک محیط پیچیده‌ای است و در مورد کار ما چون بررسی حسگری وجود همسایه و ماهیت این همسایه در محیط ریشه به واسطه ترکیبات شیمیایی آزاد شده از ریشه است ممکن بود این تراواشات در خاک با میکروب‌ها تجزیه شده و یا روی اجزای کانی و آلی خاک تثبیت شود و کمتر به گیاه همسایه برسد، به همین دلیل از محیط هیدروپونیک استفاده کردیم.

البته باید بگویم که نقش ماهیت همسایه (درجه نزدیکی یا دوری ژنتیکی با یک گیاه مورد نظر) در مطالعاتی که در بستر خاک انجام شده نیز دیده شده است ولی اولاً تنها تولید ماده خشک و یا تشکیل میوه و گل بررسی شده است، ثانیا نتایج پژوهشگران مختلف معمولاً متضاد و ناهمخوان هستند.

در مورد اثرات متقابل بین گیاهان این نکته لازم است گفته شود که شناخت اینکه رشد هر گیاه تحت تاثیر گیاهان محیط اطراف است به سال‌های اخیر بر نمی‌گردد. در واقع دو پدیده مهم موسوم به رقابت و آللوپاتی (دگر آسیبی) از اثرات شناخته شده بین گیاهان هستند ولی موضوع مورد نظر ما به هیچکدام از این دو پدیده مربوط نبود. در واقع در سیستم آزمایشی ما رقابت حذف شده بود و آللوپاتی به معنای خاص آن وجود نداشت.

۵- به صورت مختصر راجع به مراحل انجام این پژوهش توضیح بفرمایید.

ما در واقع پنج بار کشت این گیاهان را انجام دادیم و چون در ابتدای کار به نتایجی که به دست آوردیم مطمئن نبودیم آن را دقیقاً تکرار کردیم ولی جالب این‌که همیشه به نتیجه یکسانی رسیدیم. این مقاله نتیجه آخرین کشت ماست.

۶- حضور همسایگان در کنار گیاهان مختلف چه تأثیراتی بر روی گیاه می‌تواند داشته باشد؟

همسایه گیاه هم از طریق ریشه و هم اندام هوایی بر آن موثر است. امروزه روش حسگری همسایه از طریق اندام هوایی که به واسطه تغییر در نسبت طیف‌های نوری است و نحوه تنظیم مورفولوژی گیاه در پاسخ به آن در مطالعات بسیار جالبی نشان داده شده است. کار ما معطوف به حسگری همسایه از طریق ریشه بود.

۷- آیا پژوهش‌های مشابهی در سطح کشوری و بین‌المللی بر روی این موضوع انجام شده؟ اگر پژوهش شما دارای جنبه‌های نواورانه و یا نتایج خاصی هست ذکر بفرمایید.

قطعاً کار ما اولین کار در زمینه تشخیص ماهیت همسایه (neighbor detection; Identity recognition) در گیاهان نبود. قبلاً در محیط خاک با استفاده از گیاهانی که به روش رویشی تکثیر می‌شوند، شواهدی دال بر اثر متقابل بین گیاهان با مشابهت ژنتیکی زیاد (Sibling) با شباهت ژنتیکی کم (Cousins) و بیگانه (Stranger) انجام شده بود ولی تنها بیومس و رشد زایشی مورد بررسی قرار گرفته بود؛ در حالی که تحریک سیستم دفاعی و افزایش تولید هورمون‌های مرتبط با دفاع آن هم در پاسخ به غیر خودی (Self-non self recognition) در مطالعه ما نشان داده شد.

نتایجی هم در بررسی ما بدست آمد که نقش نیتریک اکسید و سیستم دفاع آنتی اکسیداتیو را در این دفاع نشان می‌داد ولی نویسندگان همکار خارجی پیشنهاد دادند به دلیل دور شدن از جنبه اکولوژیک کار، این داده‌ها در متن مقاله نیاید که این‌جانب نیز پذیرفتم.

۸- ضمن توضیحی مختصر راجع به ترکیبات اولیه گیاهی و ترکیبات دفاعی در گیاهان راجع به نحوه و روش اندازه‌گیری این مواد در این پژوهش توضیح بفرمایید.

روش‌های اندازه‌گیری در مقاله آمده است. در بررسی ما متابولیسم اولیه گیاه از جمله فتوسنتز و جذب و تحلیل ازت و متابولیسم ثانویه یعنی سنتز ترکیبات دفاع شیمیایی (فنل ها) و دفاع ساختاری (لیگنین) هر دو در گیاهانی که در مجاورت گیاه دیگر (غیر خودی) رشد می‌کنند، تحت تاثیر قرار گرفت و دفاع به هزینه کاهش رشد و فتوسنتز، تحریک شد.

۹- کمی راجع به فیتوهورمون‌ها توضیح بفرمائید.

فیتوهورمون‌ها را می‌توان علامت‌های شیمیایی نامید که مانند آن چه در جانوران نیز وجود دارد، در بخشی از گیاه ساخته می‌شود و بعد از انتقال به بخش دیگر موجب راه اندازی زنجیره‌ای از وقایع مولکولی و شیمیایی می‌شود که رشد را در نهایت تحت تاثیر قرار می‌دهد. علاوه بر پنج فیتوهورمون عمده (اکسین، سیتوکینین، جیبرلین، اتیلن و آبسیزیک اسید) امروزه فهرست این ترکیبات در حال بزرگ شدن است و شامل جاسمونیک اسید، سالیسیلیک اسید، براسینواستروئید‌ها و استریگولاکتون‌ها نیز می‌شود. ما در کار مورد بحث، افزایش تولید جاسمونات و سالیسیلات را که گیاهان در پاسخ به آفت‌ها و عوامل بیماری‌زا می‌سازند در پاسخ به غیر خودی مشاهده کردیم.

۱۰- ترکیبات فنیل‌پروپانوئیدی که در این تحقیق از آن‌ها نام بردید چه هستند؟ چه کاربردی در گیاهان دارند و در این پژوهش چه نتایجی در رابطه با این مواد بدست آمد؟ برای بررسی عملکرد مسیر فنیل‌پروپانوئید از چه روشی استفاده کردید؟

روش سنجش در مقاله آمده است. مسیر فنیل پروپانوئید یکی از مهم‌ترین مسیرهای متابولیسمی است که منجر به سنتز ترکیبات ثانویه موسوم به ترکیبات فنلی و مشتقات آن‌ها می‌شود و نقش زیادی در سازگاری گیاهان با شرایط نامساعد و پاسخ به عوامل بیماری زا و آفت ها دارد.

۱۱- آیا این پژوهش دارای جنبه‌های کاربردی برای کشاورزان و… نیز هست یا فقط دارای جنبه‌های آکادمیک و پژوهشی است؟

از دیدگاه پایه‌ای، این پژوهش موجب عمیق‌تر شدن دانش ما در مورد اثرات متقابل بین گیاهان شده است ولی از دیدگاه کاربردی تا حد زیادی با کشت توآم (intercropping) که روشی برای افزایش بهره‌وری از خاک و آب بوده و برای کشاورزی پایدار (Sustainable agriculture) ترویج می‌شود نیز مرتبط است که توضیح در این مورد مجالی جداگانه می‌طلبد.

۱۲- موانع و مشکلات شما در اجرای این طرح چه بوده است؟

متاسفانه کم بودن اعتبارات برای کارهای پژوهشی چالش مهم ما دانشگاهیان است که در هر دوره‌ای کم و بیش سایه خود را بر روی فعالیت‌های پژوهشی ما افکنده است.

۱۳- لطفاً نام سازمان و یا نهادهایی که پروژه شما را حمایت کرده‌اند بیان کنید.

دانشگاه تبریز تامین مالی اجرای این پروژه را انجام داده است ولی هزینه بالای چاپ مقاله در این مجله را دانشگاه نانجینگ چین تامین نموده است.

۱۴- ضمن تشکر و قدردانی از وقتی که به ما اختصاص دادید، به عنوان بخش پایانی اگر صحبتی برای خوانندگان دارید بفرمایید.

از همه پژوهشگران به ویژه جوانان تقاضامندم زیاد مطالعه کنند، به دنبال پژوهش‌های اصیل و خلاقانه باشند و برای برداشتن الگو از کار دیگران هم، سراغ کارهای پیشرو بروند و دنباله روی دیگرانی نباشند که خود دنباله روی عده دیگری بوده‌اند. به‌طوری که در پایان کار بتوانند ادعا نمایند که در وسع خود با گذاشتن آجری بر روی آجر دیگران، در بالا بردن دیوار دانش انسان در این جهان نقشی هرچند کوچک داشته اند.

منابع:

(۱) Jung J, Kim SK, Kim JY, Jeong MJ, Ryu CM. Beyond chemical triggers: evidence for sound-evoked physiological reactions in plants. Frontiers in plant science. 2018 Jan 30;9:25.

(۲) Gagliano M, Grimonprez M, Depczynski M, Renton M. Tuned in: plant roots use sound to locate water. Oecologia. 2017 May 1;184(1):151-60.