العالم الرائع للتواصل تحت الأرض

الشكل 1: الصورة توضح ثلاثة أنواع من التفاعلات: (A) التفاعلات بين النباتات والميكروبات التي تعيش على سطح الجذور أو بالقرب منها، باستخدام الجزيئات القابلة للذوبان. (B) التفاعلات بين النباتات والميكروبات التي تعيش بعيدًا عن الجذور، باستخدام الجزيئات المتطايرة. (C) التفاعلات مع الميكروبات التي تعيش داخل الجذور، في اتصال مباشر مع خلايا الجذر. تحدث هذه التفاعلات في التربة، التي تتكون من الصخور، والمسامات الهوائية، والمواد العضوية.

الشكل 2: - تأثيرات تفاعلات النباتات-الريزوبيا على هيكل الجذر. (A) هيكل الجذر الطبيعي وبداية التواصل الكيميائي. أولاً، تنتج النباتات الإيزوفلافونات (1)، ثم تستجيب الريزوبيا بإنتاج عوامل العقد (2). (B) توجه الريزوبيا نحو الجذر وتلتصق بشعيرة الجذر، التي تتغير شكلها لتلتف حول البكتيريا بحيث يمكن للبكتيريا الدخول إلى الجذر. (C) تشكيل العقد الجذرية، وهي المساحة التي تتكاثر فيها البكتيريا ويتم تبادل السكر والنيتروجين.

الشكل 3: العوامل البيولوجية والبيئية المهمة التي تتفاعل في البيئة. - تؤثر هذه العوامل على نمو النباتات ويمكن أن تؤثر على التواصل الكيميائي بين النباتات والميكروبات في التربة. أيقونة الفطر من (Flaticon.com)

Hinweis für die Medien: Die von iDiv bereitgestellten Bilder dürfen ausschließlich für die Berichterstattung im Zusammenhang mit dieser Medienmitteilung und unter Angabe des/der Urhebers/in verwendet werden.

Open PDF in new window.

­­­­Cristiana Ariotti ¹, Elena Giuliano ¹, Paolina Garbeva ² and Gianpiero Vigani ^1,2*

¹ Plant Physiology Unit, Department of Life Sciences and Systems Biology, University of Turin, Turin, Italy
² Department of Microbial Ecology, Netherlands Institute of Ecology (NIOO-KNAW), Wageningen, Netherlands

إذا كنت ميكروبًا في التربة، كيف يمكنك التحدث إلى جيرانك؟ حسنًا، التحدث بالإنجليزية أو الفرنسية أو الإيطالية لن يفيدك تحت الأرض. بدلاً من ذلك، ستحتاج إلى استخدام الجزيئات ككلمات! تتواصل الميكروبات في التربة، مثل البكتيريا والفطريات، مع بعضها البعض ومع الكائنات الأخرى، مثل الحيوانات أو النباتات، عن طريق إنتاج أنواع مختلفة من الجزيئات. تستخدم العديد من الكائنات الحية هذه الجزيئات ككلمات كيميائية. يمكن أن تكون هذه الجزيئات متطايرة، مما يعني أنها تشبه الغازات، مثل الهواء. يمكنها التنقل بسهولة عبر الجيوب الهوائية الصغيرة في التربة ويمكنها أيضًا السفر لمسافات طويلة. إنه مثل الاتصال بعيد المدى.  بعض الجزيئات الأخرى قابلة للذوبان، بحيث يمكنها الذوبان في الماء، مما يسمح بالتواصل بين الكائنات القريبة من بعضها البعض. يمكن للكائنات التي تستقبل هذا الاتصال أن تستجيب بطرق مختلفة، مثل النمو بشكل أسرع أو إنتاج جزيئات أخرى كرد فعل. في هذا المقال، سنستكشف العالم المثير والغامض للتواصل الكيميائي تحت الأرض ودوره في التفاعلات التي تحدث بين الميكروبات والنباتات.

 الحياة في التربة

التربة هي واحدة من أكثر الأنظمة البيئية روعة وتعقيدًا على وجه الأرض. فهي ليست فقط السطح الخارجي لكوكبنا حيث تنمو النباتات، بل هي أيضًا عالم مذهل ومخفي تعيش فيه أنواع كثيرة من الكائنات الحية. تتكون التربة من قطع غير منتظمة من الصخور، جيوب هوائية صغيرة، ومادة عضوية (نباتات وحيوانات ميتة). هذا البيئة هي مكان رائع للميكروبات والحشرات والنباتات للعيش. هل يمكنك أن تصدق أن التربة مليئة بالحياة بهذا القدر؟ بناءً على خصائص التربة (حجم الصخور، نوعية الطعام، كمية الماء، إلخ)، يمكن أن تعيش كائنات مختلفة فيها. تبني هذه الكائنات المختلفة مجتمعًا محددًا، وهو مجموعة فريدة من الكائنات المختلفة التي تعيش معًا.

هل تعرف ما هي ميكروبات التربة؟ إنها كائنات صغيرة جدًا تعيش ملتصقة بجزيئات التربة أو كائنات حية أخرى. هناك فطريات لها شكل مشابه جدًا للجذور الرقيقة، بحيث يمكنها التلامس وتبادل المعلومات مع جيرانها. هناك أيضًا بكتيريا، وهي كائنات تتكون من خلية واحدة يمكن رؤيتها عادةً فقط باستخدام المجهر. إذا كانت هذه الكائنات تعيش في منطقة الجذور (الجزء من التربة المحيط بجذور النبات)، فإنها تسمى ميكروبات منطقة الجذور. يمكنها أيضًا أن تعيش على سطح الجذر أو داخل الجذور. في منطقة الجذور، يمكنك العثور على ميكروبات مفيدة (جيدة) تساعد النباتات على البقاء والنمو، أو ميكروبات ضارة (سيئة) تهاجم النباتات وتجعلها مريضة.

كيف تتواصل ميكروبات التربة والنباتات؟

ما هو مثير بشكل خاص هو قدرة ميكروبات التربة على التواصل فيما بينها وكذلك مع الكائنات الأخرى، بما في ذلك النباتات والحيوانات. لقد قام العديد من العلماء بدراسة هذا التواصل. يعتمد هذا التواصل على استخدام الجزيئات ككلمات، ويطلق عليه اسم التواصل الكيميائي.

يمكنك أن تتخيل الجزيء كمجموعة من الكرات الصغيرة (التي نطلق عليها الذرات)، المرتبطة ببعضها البعض. هذه الذرات هي قطع كيميائية مهمة، مثل الكربون (C)، والهيدروجين (H)، والأكسجين (O)، والنيتروجين (N)، التي تتحد معًا (مثل الأحجية) لتكوين جزيئات مثل الماء (H₂O) أو ثاني أكسيد الكربون (CO₂). التركيبة المحددة للذرات تخلق جزيئات ذات خصائص مختلفة.

يمكن لميكروبات التربة أن تنتج أنواعًا عديدة من الجزيئات، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين رئيسيتين: الجزيئات القابلة للذوبان والجزيئات المتطايرة. الجزيئات القابلة للذوبان، تذوب في الماء، مثل قطعة سكر تذوب في الشاي، ويمكن نقلها بواسطة الماء في التربة. تستخدم هذه الجزيئات للتواصل مع النباتات التي تنمو بالقرب من الميكروبات. الجزيئات المتطايرة، تُعرف أيضًا بالمواد العضوية المتطايرة (VOCs)، وتستخدم للتواصل على مسافات طويلة. هذه المركبات المتطايرة هي غازات، تنتقل بسهولة عبر الجيوب الهوائية في التربة. يمكن لجذور النباتات "شم" هذه الغازات، تمامًا كما يمكنك أن تشم رائحة زهرة أو خبز طازج [1] . تواصل الكيمياء لا يحدث في اتجاه واحد فقط (من الميكروبات إلى النباتات)، بل في اتجاهين؛ حيث تقوم النباتات أيضًا بإنتاج جزيئات يمكن للميكروبات فهمها.

ما هي آثار جزيئات التواصل؟

إليك بعض الأمثلة لما يحدث بين الميكروبات والنباتات عندما تبدأ في التواصل مع بعضها البعض:

النباتات والميكروبات يساعدون بعضهم البعض في الحصول على الغذاء:

توفير العناصر الغذائية، يمكن للعديد من ميكروبات التربة أن تساعد النباتات على النمو، لأن الميكروبات تجعل العناصر الغذائية الأساسية أكثر توفرًا للنباتات. على سبيل المثال، بكتيريا تُدعى  Rhizobium يمكنها تحويل النيتروجين في الهواء (N₂) إلى جزيء مختلف: الأمونيا (NH₃). تُعرف هذه العملية بـ "تثبيت النيتروجين" وتحدث في التربة. أهمية تثبيت النيتروجين، ثبيت النيتروجين مهم جدًا للنباتات لأنهم يحتاجون إلى النيتروجين للنمو، ولا يمكنهم الحصول على NH₃ من التربة إلا من خلال هذه العملية. بتحويل N2 إلى NH₃ ، يساعد Rhizobium النباتات على النمو ويجعلها أقوى!

ما هو أكثر إثارة هو أن Rhizobium يمكنه التحدث مع مجموعة محددة من النباتات، بما في ذلك الفاصوليا والبازلاء. لكن كيف يعمل هذا الحوار؟ جذب Rhizobium:أولاً، تطلق النباتات جزيئات تُعرف بالإيزوفلافونات إلى منطقة الجذور، والتي يمكن أن تجذب Rhizobium.البكتيريا "تسمع" نباتات "تتحدث" وتتحرك نحوها. إنتاج النود-فكتورز: أثناء رحلتها نحو النبات، تبدأ Rhizobium في إنتاج جزيئات أخرى تُعرف بالنود-فكتورز. هذه الجزيئات تخبر النبات بإنشاء مساحة في الجذور تُسمى "العقد الجذرية"، حيث يمكن للـ Rhizobium العيش تبادل المنافع: مقابل مكان للعيش والغذاء (السكر) من النبات، توفر Rhizobium للنبات كمية كبيرة من الأمونيا  (NH3) (شكل 2) نتيجة لذلك، تنمو النباتات التي تسمح لـ Rhizobium بالعيش معها بشكل أفضل. بالنسبة للنبات وRhizobium، العيش معًا هو ميزة لأن كلا الكائنين يحصلان على المزيد من الغذاء، مما يعزز نموهما بشكل أفضل مما لو كانا يعيشان بمفردهما [2].

الميكروبات يمكن أن تساعد في حماية النباتات من الأمراض والآفات

 العوامل البيولوجية، مثل النباتات والحيوانات والميكروبات (الشكل 3)، تؤثر على البيئة بشكل كبير. الإجهاد البيولوجي هو الضغط الذي يتعرض له الكائن الحي، مثل النبات، بسبب العوامل البيولوجية مثل الميكروبات الضارة (المسببة للأمراض) أو الحشرات الضارة (الآفات). يمكن للميكروبات المفيدة أن تساعد النباتات في مقاومة الأمراض والآفات بطرق متعددة: أولاً، عن طريق طرد المسببات المرضية أو قتلها، مثلما تفعل بعض الميكروبات بإنتاج مواد عضوية متطايرة (VOCs) التي تمنع نمو المسببات المرضية أو هجوم الآفات. ثانياً، عن طريق تحفيز النبات على تعزيز دفاعاته لمواجهة الأمراض، مشابهًا لما يحدث عندما نستهلك فيتامين C لزيادة مناعتنا ضد الأمراض. على سبيل المثال، الجزيئات التي تنتجها بكتيريا Pseudomonas fluorescens تساعد النباتات على مقاومة الهجمات المرضية بشكل أفضل (الشكل 3).

الميكروبات يمكن أن تساعد النباتات على البقاء في المناطق الصعبة

 العوامل غير الحية هي الأجزاء غير الحية من البيئة، مثل الضوء ودرجة الحرارة والماء (الشكل 3). الإجهاد غير الحي هو التأثير السلبي لهذه العوامل على الكائن الحي. تشمل أمثلة الإجهاد غير الحي الذي يضعف النباتات انخفاض توفر الماء وارتفاع مستويات الملح. يمكن للميكروبات المفيدة أن تساعد النباتات على العيش في المناطق ذات الظروف السيئة. على سبيل المثال، البكتيريا Pseudomonaschlororaphis O6 تساعد بعض النباتات على البقاء على قيد الحياة عندما يكون هناك نقص في الماء [4]. ميكروبات أخرى، مثل البكتيريا Bacillus subtilis، تساعد النباتات على البقاء في التربة التي تحتوي على تركيز عالٍ من الملح، من خلال تقليل كمية الملح التي تدخل إلى جذور النبات [5].

لماذا من المهم فهم التواصل الكيميائي؟

بدأ التواصل الكيميائي بين الميكروبات والكائنات الأخرى في التطور منذ ملايين السنين. قبل أربعمئة وخمسين مليون سنة، انتقلت النباتات من البحر وبدأت تعيش على اليابسة. يعتقد العلماء أن الفطريات التربة قد ساعدت النباتات في القيام بهذه الخطوة نحو اليابسة، حيث ساعدت النباتات على استخدام العناصر الغذائية الهامة للبقاء على قيد الحياة [6]. لذلك، على مدى ملايين السنين، كان التواصل الكيميائي بين الكائنات الحية في التربة مهمًا لرفاهية النباتات ونموها. في هذا المقال، شرحنا كيف يمكن لتفاعلات النباتات والميكروبات أن توفر للنباتات غذاءً إضافيًا أو تساعدها في مقاومة الأمراض أو العيش في المناطق الصعبة.

لسوء الحظ، هذه التفاعلات مهددة! الاستخدام العالي للمضادات الحيوية والمبيدات الحشرية والأسمدة في الزراعة يمكن أن يغير التربة، وبالتالي يمكن أن يغير مجتمع الكائنات الحية في التربة، مما يتسبب في موت بعض الكائنات ونمو أخرى. يمكن أن تكون التغيرات في المجتمع الميكروبي لها آثار كارثية على النباتات؛ على سبيل المثال، قد تكون الميكروبات التي تنمو من مسببات الأمراض!

تستمر الزيادة في عدد السكان البشريين، ومع الحاجة إلى الغذاء للبقاء، يجب إيجاد طرق جديدة لزيادة نمو النباتات وإنتاج الغذاء [2]. يتم استخدام الميكروبات بشكل متزايد كمساعدين طبيعيين لتحسين نمو النباتات وإنتاج الغذاء. دراسة التواصل بين الميكروبات والنباتات ضرورية لفهم أي الميكروبات يمكن استخدامها لمساعدة النباتات على النمو. يجب أن نولي اهتمامًا دقيقًا لاختيار الميكروبات المناسبة! على سبيل المثال، قد تعتقد أن استخدام الفطر  Fusarium culmorum سيكون فكرة جيدة، لأنه يساعد بعض النباتات على النمو في المناطق الصعبة ذات التركيز العالي من الملح. ومع ذلك، فإن  Fusarium culmorum هو كائن ضار بالنسبة للذرة - إنه مسبب للأمراض! لذلك، يسعى الباحثون لفهم أكبر قدر ممكن عن التواصل الكيميائي لزيادة معرفتنا بأنظمة التربة البيئية، وفهم كيفية تفاعل الكائنات الحية في هذه الأنظمة، ومساعدتنا في استخدام تفاعلات النباتات والميكروبات لزيادة نمو النباتات من أجل الغذاء مع حماية أنظمة التربة البيئية.

المصطلحات

النظام البيئي
مجموعة من الكائنات الحية المختلفة (النباتات والحيوانات والميكروبات) التي تتفاعل مع المادة غير الحية في منطقة معينة.

المنطقة الجذرية
الجزء من التربة المحيط بالجذور حيث تتواصل النباتات والميكروبات مع بعضها البعض باستخدام الجزيئات.

التواصل الكيميائي
التواصل الذي يحدث بين كائنين أو أكثر (نباتات وحيوانات وميكروبات) باستخدام الجزيئات.

والجزيئات المتطايرة
مادة تميل بسهولة لتتحول إلى غاز وتنتشر في الهواء، مثل رائحة الزهور.

القابلة للذوبان،
مادة تذوب في الماء، مثل الملح والسكر

VOCs
المركبات العضوية المتطايرة التي تنتجها كائنات حية مختلفة، مثل النباتات والميكروبات، للتواصل عن بُعد

العوامل البيولوجية
التواصل الذي يحدث بين كائنين أو أكثر (نباتات وحيوانات وميكروبات) باستخدام الجزيئات.

العوامل غير الحية
المكونات غير الحية في البيئة، مثل الصخور وضوء الشمس والماء.

المراجع

1] van Dam, N. M., Weinhold, A., and Garbeva, P. 2016. Calling in the dark: the role of volatiles for communication in the rhizosphere. ISME J. 12:1252–62. doi: 10.1007/978-3-319-33498-1_8

[2] Tomer, S., Suyal, D. C., and Goel, R. 2016. “Biofertilizers: a timely approach for sustainable agriculture,” in Plant-Microbe Interaction: An Approach to Sustainable Agriculture, eds D. Choudhary, A. Varma, and N. Tuteja (Singapore:  Springer). p. 375–95. doi: 10.1007/978-981-10-2854-0_17

[3] Van Wees, S. C. M., Van der Ent, S., and Pieterse, C. M. J. 2008. Plant immune responses triggered by beneficial microbes. Curr. Opin. Plant Biol. 11:443–8. doi: 10.1016/j.pbi.2008.05.005

[4] Garbeva, P., and Weisskopf, L. 2020. Airborne medicine: bacterial volatiles and their influence on plant health. New Phytol. 226:32–43. doi: 10.1111/nph.16282

[5] Ortíz-Castro, R., Contreras-Cornejo, H. A., Macías-Rodríguez, L., and López-Bucio, J. 2009. The role of microbial signals in plant growth and development. Plant Signal. Behav. 4:701–12. doi: 10.4161/psb.4.8.9047

[6] Field, K. J., Pressel, S., Duckett, J. G., Rimington, W. R., and Bidartondo, M. I. 2015. Symbiotic options for the conquest of land. Trends Ecol. Evol. 30:477–86. doi: 10.1016/j.tree.2015.05.007

الاستشهاد

Ariotti C, Giuliano E, Garbeva P and Vigani G (2020) The Fascinating World of Belowground Communication. Front. Young Minds. 8:547590. doi: 10.3389/frym.2020.547590

إدارة التحرير: ريمي بيوغنون 

الموجه العلمي: ماريا سغوفيا-ساليسيدو 

تناقض المصالح: يعلن المؤلفون أن البحث تم إجراؤه في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها كتناقض محتمل في المصالح

حقوق النشر © 2020 Ariotti, Giuliano, Garbeva and Vigani. : هذه مقالة مفتوحة الوصول موزعة وفقًا لشروط رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام المنسوب (CC BY). يُسمح بالاستخدام أو التوزيع أو إعادة الإنتاج في منتديات أخرى، بشرط أن يتم الإشارة إلى المؤلفين الأصليين ومالكي حقوق الطبع والنشر وأن يتم الاستشهاد بالمنشور الأصلي في هذه المجلة، وفقًا للممارسات الأكاديمية المعتمدة. لا يُسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يتوافق مع هذه الشروط.

المراجع الصغير

شاشي بريثام، العمر: 13 سنة
مرحبًا، اسمي شاشي، أبلغ من العمر 13 عامًا وأدرس في مدرسة بنغلايس. أستمتع بلعب كرة القدم وكرة السلة، ومادتاي المفضلتان هما الرياضيات وعلوم الحاسوب. أنا حاليًا في الصف الثامن. أنا حاصل على أربعة أرقام قياسية في موسوعة غينيس للأرقام القياسية في لعبة تُدعى Rocket League، وقد تم إدراج اسمي في إصدار "Gamers Edition" من موسوعة غينيس لعام 2018.

الباحثين

كريستيانا أريوتي
تخرجت مؤخرًا من جامعة تورينو بدرجة في علم الأحياء البيئي، وأنا الآن طالبة دكتوراه في الجامعة نفسها، حيث أدرس التواصل بين النباتات والميكروبات في التربة في ظروف نقص الحديد. في أوقات فراغي، أعشق تسلق الجبال (أعيش بالقرب من جبال الألب!) والغناء ضمن الجوقات.

إلينا جيوليانو
تخرجت مؤخرًا في تخصص علم الأحياء البيئي من جامعة تورينو. أرغب في التقدّم للحصول على درجة الدكتوراه في علوم النبات. أهتم بتفاعلات النبات مع الميكروبات وبحماية النبات من الضغوط الحيوية وغير الحيوية. أحب تبادل المعرفة والأفكار مع أشخاص من ثقافات مختلفة، كما أستمتع بالقراءة والتصوير في أوقات فراغي.

باولينا غاربيفا
أنا قائدة مجموعة بحثية في قسم البيئة الميكروبية في معهد NIOO بمدينة فاخنينغن. يركز بحثي الحالي على فهم الآليات الأساسية للتفاعلات الكيميائية بين الميكروبات وطرق تواصلها.

جيانبييرو فيغاني
أنا باحث في جامعة تورينو (إيطاليا). يركز بحثي على فهم كيفية امتصاص النباتات للعناصر الغذائية والماء من التربة، وكذلك على تفاعلات النبات مع الميكروبات في التربة.
البريد الإلكتروني: gianpiero.vigani@unito.it

المترجم

رغد س. محمد
رغد س. محمد هي باحثة بارزة في مجال بيولوجيا النبات، حاصلة على درجة الدكتوراه في التكنولوجيا الحيوية للنبات والتربة تركّز أبحاثها الحالية على فهم تأثير التغير المناخي على صحة التربة، تنوع الميكروبات، وديناميكيات الكربون العضوي في الترب العراقية.

التمويل

تُقدِّر فريق ترجمة التنوع البيولوجي في التربة دعم المركز الألماني للبحوث التكاملية في التنوع البيولوجي  في (iDiv) هاله-يينا-لايبزيغ، الممول من قبل المؤسسة الألمانية للبحث العلمي (DFG FZT 118 202548816).

الاستشهاد: هذه مقالة مفتوحة الوصول موزعة بموجب رخصة المشاع الإبداعي (CC-BY 4.0). يُسمح باستخدامها أو توزيعها أو إعادة إنتاجها في منتديات أخرى، بشرط الإشارة إلى المؤلف(ين) الأصلي(ين) ومالك(ي) حقوق النشر، والاستشهاد بالنشر الأصلي في هذه المجلة وفقًا للممارسات الأكاديمية المعتمدة. لا يُسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يمتثل لهذه الشروط.

تنسيق الاستشهاد الموصى به   :  Ariotti C, Giuliano E, Garbeva P and Vigani G (2020) The Fascinating World of Belowground Communication.الترجمة العربية: رغد س. محمد. (ترجمة التنوع الحيوي للتربة  & Front. Young Minds. نُشر لأول مرة في عام 2020، doi: 8:547590. 10.3389/frym.2020.547590.