هل تزيد محاصيل التبغ مع الإستغناء عن واقيات الشمس؟

 

 

إن مجرد خضوع النباتات لعملية التمثيل الضوئي لا يعني أنها من الممكن أن تتعرض لبعض الأضرار الناجمة عن حروق من الشمس بسبب كثرة التعرض لأشعة الضوء. ولهذا السبب نجد بأن جميع النباتات تعتمد على إحدى الآليات التي تحميها ضد أشعة الشمس المفرطة عن طريق تحويل الفوتونات إلى حرارة غير ضارة. ولكن تمامًا كما الشخص الذي يبطء في خلع النظارات الشمسية داخل المنزل، فإن واقيات الشمس النباتية تُعتبر بطيئة في التوقف عندما يمر ظلٌ ما على إحدى أوراق الشجر. النتيجة: التمثيل الضوئي يبقى منحصرًا.

لقد استطاع علماء الأحياء النباتية في وقتنا الحالي ممن يسعون إلى تحسين عملية التمثيل الضوئي – وفي مرحلة أخرى إلى الحصول على المزيد من المحاصيل – التلاعب بالنباتات بذكاء لجعلها أسرع في التأقلم مع الظل. لقد تمّ تطبيق هذه الهندسة الوراثية على نباتات التبغ، بحيث وصلت النتيجة الأعلى إلى حدّ 20٪ زيادة في الكتلة الحيوية. ويقول عالم الأحياء في مجال النبات المتكامل في الجامعة الوطنية الاسترالية في كانبيرا، روبرت فوربانك، بأنه من الممكن اعتبار الدراسة التي أجريت لإثبات صحة المفهوم، والتي تُنشر اليوم في صحيفة ساينس، بأنها رائدة من نوعها وبأنها أول تجربة ميدانية مقنعة تُجرى في مجال هندسة التمثيل الضوئي. لقد عززت تربية النباتات التقليدية غلة المحاصيل المتعارف عليها بشكل كبير. على سبيل المثال، في خلال الثورة الخضراء استطاع نورمان بورلوغ وغيره من الخبراء من زيادة غلال القمح بنسبة الضعف تقريبًا من خلال استحداث النباتات ذات سيقان قصيرة وقوية قادرة على حمل كمية أكبر من الحبوب. في الوقت الحاضر، يمكن للمحاصيل أن تمنح المزارعين ما بين 50٪ إلى 60٪ من كتلتها الحيوية على شكل بذور. ولكن المكاسب ظلت ثابتة عند أقل من 1٪ سنويًا لأن نمو النبات بات محدودًا بسبب كفاءة التمثيل الضوئي نفسه.

ويحاول الباحثون الخروج من عنق الزجاجة بطرق متعددة. فواحد من الأحلام التي تراود العلماء منذ سنوات خلت هو اخذ نوع من التمثيل الضوئي العالي الطاقة والموجود أصلاً في الذرة وثلاثة محاصيل أخرى، يُطلق عليها تسمية "مسار C4" من أجل نقله إلى الأرز. وأحد الأهدف الآخرى هو تحسين جودة RuBisCO روبيسكو، أو الانزيم الخمول الشهير الذي يحفز المراحل المبكرة في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى الجزيئات العضوية المفيدة. وفي الآونة الأخيرة، قام عدد محدود من الباحثين بالتفكير في إمكانية تبسيط واحد من جوانب عملية التمثيل الضوئي والذي يدعا الحماية بفعل الضوء. فالنباتات تعتمد من أجل المحافظة على نفسها من أشعة الضوء القوية – وكذلك من أجل موازنة التمثيل الغذائي – على آلية تسمى التبريد اللا ضوكيميائي، حيث تحوّل الصانِعات اليَخْضُورية الفوتونات إلى جزيئات جذب الضوء وتتخلص منها ببساطة على شكل حرارة. في الأجواء المعتمة، يمكن للنباتات إيقاف التبريد اللا ضوكيميائي لزيادة كفاءة التمثيل الضوئي، ولكن على الرغم من أنها قادرة على رفع هذا الواقي في خلال بضع دقائق، إلا أن خفض الدفاعات يمكن أن يستغرق ساعات، مما يحد من عملية التمثيل الضوئي في الظل.

لا يطرح هذا الفارق الزمني أية مشكلة بالنسبة إلى النباتات البرية، والتي يُعتبر البقاء والتكاثر بالنسبة إليها غاية في الأهمية ولكن هذا وضع ليس مؤاتيًا للمزارعين الذين يرغبون في زيادة الكتلة الحيوية. في العام 2004، احتسب العالم الفيزيولوجي الزراعي ستيفن لونغ، من جامعة إلينوي في أوربانا ومعه زملائه، أن التبريد اللا ضوكيميائي الذي يعمل في ظل الظروف النموذجية التي تمتاز بها المزرعة الواقعة عند خطوط العرض الوسطى من الممكن أن يقلل من كمية ثاني أكسيد الكربون التي تتحول إلى سكريات بنسبة تصل إلى 30٪.

بعد قراءة البحث الذي قدّمه لونغ، طرأت لعالم الوراثة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، كريشنا نييوغي فكرة عن كيفية إيقاف التبريد اللا ضوكيميائي بصورة أسرع. ولقد اقتضت هذه الاستراتيجية بإضافة نسخ إضافية من ثلاثة جينات حيث أن البروتينات الموجود فيها هي المسؤولة عن تخفيف الحماية، وحيث من المفترض أن تسرّع مستويات البروتين العالية من الاستجابة إلى الظل. استخرج نييوغي ولونغ والباحثين في مرحلة ما بعد الدكتوراه العاملين معهما هذه الجينات من خردل الأرابيدوبسيس ثاليانا التي خضعت لدراسات معمّقة وزرعوها في نباتات التبغ، التي يسهل تعديلها نوعًا ما. بعد إجراء التجارب المخبرية والتجارب في البيوت البلاستيكية، تمّ زرعها في حقل اختبار بالقرب من جامعة إلينوي. بالمحصلة تضاعفت أحجام أوراق التبغ التي خضعت للتعديل وسيقانها وجذورها، بحيث بلغ وزنها نسبة 14٪ إلى 20٪ أكثر من النباتات غير المعدلة بعد 22 يومًا. يقول نييوغي: "كان من المذهل أن نرى شيئًا من قبيل هذه الزيادة ضمن تجربة ميدانية". ولقد جاءت هذه النتائج المذهلة دون آثار جانبية واضحة، على الرغم من أنه لم يتسنى للباحثين في إطار مثل هذه التجربة الميدانية الصغيرة إجراء إختبارات حول إمكانية خسارة قدرة النبتة على مقاومة الأمراض أو تحمل الإجهاد.

إلا أن السؤال الأهم يبقى ما إذا كانت هذه التعديلات المماثلة على المحاصيل الغذائية تعني إنتاج غلة استهلاكية أكبر. لمعرفة الجواب، بدأ نييوغي ولونغ بالفعل زرع هذه الجينات داخل أنواع عالية الجودة من الأرز والذرة، ومن الممكن أن تستتبعها غيرها من المحاصيل. كما ويتوقع لونغ أن يكتشف الباحثون طرق لإيقاف التبريد اللا ضوكيميائي بشكل أسرع، وربما توليد المزيد من الكتلة الحيوية: "نعتقد بأنه يمكن للمحاصيل أن تكون أكبر مما حصلنا عليه الآن."

ومن الممكن أيضا الحصول على هذه النتائج نفسها من دون نقل الجينات في ما بين مختلف الأنواع، وهو الأمر القادر على تسهيل الحصول على موافقة الجهات التنظيمية أو تسهيل تقبّل الأمر من جانب المستهلك. في العادة، توقف النباتات أية نسخ إضافية من جيناتها، ولكن من الممكن أن يتعدى تعديل الجينات أو المعززات باستخدام الكريسبر أو أي أسلوب آخر هذا الحاجز، مما يسمح للباحثين العمل على المادة الوراثية الخاصة بكل نوع. ويقول داريو ليستير، عالم الأحياء الجزيئية النباتية في جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونخ في ألمانيا أنه بغض النظر عن كيفية تطبيق التقنية، فإن تعزيز عملية التمثيل الضوئي يساعد الباحثين في الردّ على منتقدي التكنولوجيا الحيوية النباتية الذين يشتكون بأن النباتات المعدلة وراثيًا لم تعزّز المحاصيل: "يجب أن يكون الجميع سعيدًا بالوصول إلى النباتات التي تقدّم المحاصيل الأكبر."

بقلم إيريك ستوكستاد: صحافي في صحيفة ساينس، يُعنى بالقضايا البيئية والأبحاث التي تجرى حول المملكة المتحدة

17 تشرين الثاني 2016​