كيف تدافع النباتات عن نفسها من المخلوقات الأكلة للجذر؟

الشكل 1: أمثلة على العواشب فوق الأرض وتحتها. (A) حشرات المن الملفوف ، (B) يرقة دودة الحشد البنجر ، (C) نيماتودا آكلة للنباتات ، و (D) يرقات ذبابة جذر الملفوف. (اعتمادات الصورة: أكسل تو).

الشكل2: توزيع الدفاعات الكيميائية على نظام الجذر، وكيف يؤثر ذلك على الحيوانات العاشبة تحت الأرض. يشير اللون الأحمر إلى أعلى مستوى دفاع في نظام الجذر ويشير اللون الأصفر إلى أدنى مستوى. تكون الدفاعات الكيميائية أعلى بشكل عام في الجذر الرئيسي (الأحمر)، تليها الجذور الجانبية (البرتقالية) والجذور الدقيقة (الصفراء). يمكن لبعض الحيوانات العاشبة للحشرات، مثل ذبابة جذر الملفوف، إلغاء تنشيط الدفاعات الكيميائية للنبات ويمكن أن تأكل الجذر الرئيسي حيث تكون الدفاعات أعلى. لا تستطيع الحيوانات العاشبة الأخرى، مثل خنفساء يونيو الأوروبية، إلغاء تنشيط دفاعات النبات وبالتالي فهي تأكل الجذور الدقيقة، حيث تكون مستويات الدفاع الكيميائي أقل. (التصوير من قبل جنيفر غابرييل).

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.

Axel J. Touw^{1, 2*},Nicole M. van Dam^1,2

¹ Molecular Interaction Ecology, German Center for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, Leipzig, Germany
² Friedrich Schiller University Jena, Jena, Germany

العالم تحت الأرض مليء بالكائنات التي تعتمد على النباتات كمصدر غذائي. يتغذى الحشرات تحت الأرض، أو الحشرات العاشبة، على الجذور وقد تسبب أضرارًا كبيرة للنباتات. الجذور هامة جدًا لأنها تساعد النباتات في امتصاص الماء والعناصر الغذائية من التربة. هذه الموارد مهمة جدًا لنمو النباتات. من أجل حماية جذورها، تقوم النباتات بإنتاج دفاعات كيميائية. إن إنتاج هذه الدفاعات يكلف النباتات، لأن العناصر الغذائية والطاقة التي تُستخدم في صنع الدفاعات لا يمكن استخدامها للنمو أو إنتاج الزهور والبذور. لذلك، يجب على النباتات أن تكون فعّالة في دفاعاتها. يثير اهتمام العلماء كثيرًا فهم كيفية دفاع النباتات عن أنفسها بكفاءة، لأن ذلك يمكن أن يساعدنا في تطوير طرق أكثر صداقة للبيئة لزراعة الفواكه والخضروات. في هذا المقال، نشرح كيف تدافع النباتات عن أنفسها بكفاءة، وكيف تؤثر دفاعات النبات على الحشرات العاشبة تحت الأرض.

النباتات: البقاء في عالم خطير

النباتات هي مصدر غذاء مهم للعديد من المخلوقات، بما في ذلك البشر. يمكن أن تكون حشرات الأكلة للنبات، أو العاشبة، حيوانات كبيرة مثل الأبقار والخراف والخيول، ولكن معظمهم في الواقع أصغر بكثير، مثل اليرقات أو الخنافس الصغيرة. نظرًا لأن هذه الحشرات الصغيرة عادة ما تكون بأعداد كبيرة، يمكن أن تتسبب في الكثير من الأضرار. الحشرات، على سبيل المثال، هي أكثر مجموعة متنوعة من الحيوانات على وجه الأرض. هناك حوالي مليون نوع معروف من الحشرات، ومن بينها حوالي نصفها حشرات عاشبة. بالمقارنة، هناك حوالي 5500 نوع من الثدييات تعيش على وجه الأرض. بالإضافة إلى الحشرات الكبيرة والصغيرة التي تتغذى على النباتات فوق سطح الأرض، هناك العديد من متغذي النباتات الذين يعيشون تحت سطح الأرض أيضًا. الأرض مليئة بالعديد من أنواع الحشرات العشبية التي تتغذى على جذور النبات، بما في ذلك يرقات الحشرات، الديدان الصغيرة المسماة النيماتودا، والمخلوقات المشابهة للعناكب تسمى المن.

غالبًا ما تكون أعداد كبيرة من الحشرات العاشبة موجودة في التربة، تمامًا كما هو الحال فوق سطح الأرض. على سبيل المثال، هناك حوالي 30,000 نوع من النيماتودا المعروفة، منها حوالي 10٪ هم منتجون للنباتات. تنتج نيماتودا أنثى واحدة تصل إلى 200 بيضة. وهذا يعني أن يمكن أن يتعرض نبات واحد لآلاف من النيماتودا بنفس الوقت. الحشرات القارضة هي خطر آخر. قد تقضم من خلال نظام نقل الماء لجذور النبات، مما قد يتسبّب في انزلاق الأوراق وموت النبات نتيجة لنقص المياه.

كيف تدافع النباتات عن أنفسها؟

مع وجود العديد من المخلوقات التي تحاول مهاجمتها، يمكنك تخيل أن النباتات تواجه صعوبة كبيرة في البقاء على قيد الحياة. نظرًا لعدم قدرة النباتات على الهروب من مهاجميها، اضطرت إلى تطوير وسائل للدفاع عن أنفسها. طوّرت النباتات عدة آليات دفاعية ضد الحشرات العاشبة. بعض دفاعات النباتات سهلة الرؤية، مثل الأشواك في وردة الورد، أو الشعر على أوراق القراص الحارقة، أو الجلد السميك للبنجر. بينما تكون دفاعات أخرى، مثل الدفاعات الكيميائية، أقل وضوحًا. تنتج كل نبات الآلاف من المواد الكيميائية المختلفة، جميعها مشاركة في العمليات الأساسية. توفر بعض المواد الكيميائية، مثل السكريات، الطاقة للنبات. وتساعد مجموعات أخرى من المواد الكيميائية على الدفاع عن النباتات ضد المهاجمين. يمكن أن تجعل هذه الدفاعات الكيميائية النبات يكون طعمه سيئًا، مما يمنع الحشرات من تناول أنسجة النبات. في بعض الحالات، يمكن أن تكون هذه المواد الكيميائية سامة حتى. يمكن للدفاعات الكيميائية أن تؤثر على البشر أيضًا. هناك العديد من النباتات التي ستجعلك تشعر بالمرض إذا أكلتها، على سبيل المثال توت الليل الأسود. بعض النباتات، مثل اللبلاب أو السماري البري(عشبة الخنزير)، يمكن أن تسبب لك طفح جلدي وحتى حروق عند الاتصال بها. ومع ذلك، فإن معظم الدفاعات الكيميائية ليست بهذه السوء. في الواقع، من المرجح أنك قد تعرضت لدفاعات النباتات الكيميائية أنت أيضًا.

العالم تحت الارض مليء بالمخلوقات التي تعتمد على النباتات كمصدر للغذاء. تتغذى هذه الكائنات النباتية الموجودة تحت الأرض، أو الحيوانات العاشبة، على الجذور ويمكن أن تسبب ضررًا كبيرًا للنباتات. الجذور مهمة جدًا لأنها تساعد النباتات على امتصاص الماء والمواد المغذية من التربة. هذه الموارد مهمة لنمو النبات. ولحماية جذورها، تقوم النباتات بتطوير دفاعات كيميائية. يعد إنتاج هذه الدفاعات مكلفًا للنبات لأن العناصر الغذائية والطاقة المستخدمة لإنشاء الدفاعات لا يمكن استخدامها لنمو أو إنتاج الزهور والبذور. ولذلك يجب على النباتات استخدام دفاعاتها بكفاءة. يهتم العلماء جدًا بفهم مدى فعالية حماية النباتات لنفسها، حيث يمكن أن يساعدنا ذلك في تطوير طرق أكثر صداقة للبيئة لزراعة الفواكه والخضروات. في هذه المقالة، نوضح كيف تدافع النباتات عن نفسها بشكل فعال وكيف تؤثر دفاعات النباتات على الحيوانات العاشبة في التربة.

كيف تدافع النباتات عن نفسها بكفاءة؟

تظهر أحافير الأوراق المتضررة من الأعشاب أن النباتات والأعشاب عاشت معًا على الأرض لأكثر من 400 مليون سنة. خلال هذا الوقت، طورت النباتات عدة طرق لإنتاج الدفاعات بطريقة فعّالة من حيث التكلفة. أحد هذه الطرق هو إنتاج الدفاعات فقط عند الضرورة، على سبيل المثال، عندما يبدأ الحشرات في الأكل. من خلال إنتاج الدفاعات فقط عند تعرضها للهجوم، توفر النباتات الطاقة عند عدم وجود أي خطر. لكن عيب هذا الاستراتيجية هو أن إنتاج الدفاعات سيبدأ فقط بعد أن تبدأ الحشرة في الأكل. نظرًا لأن إنتاج الدفاعات يستغرق وقتًا، يمكن أن يتعرض النبات لأضرار كبيرة قبل أن تغادر الحشرة أو تموت. استراتيجية أخرى هي دائمًا الاحتفاظ ببعض الدفاعات في متناول اليد ولكن بكميات محدودة. في هذه الحالة، تنقل النبات معظم الدفاعات إلى أجزاء النبات الأكثر أهمية للبقاء على قيد الحياة والتي تعرض للهجوم من قبل الأعشاب. يمكن أن يكون هذا مثل الدفاع عن قلعة عن طريق وضع الجنود على الجدار الخارجي، حيث سيحدث أول هجوم وحيث تكون القلعة الأكثر ضعفًا. بالطبع، سيتم حراسة الكنز في القلعة أيضًا، حيث يكون هذا هو الأكثر قيمة. فيما يتعلق بالأجزاء النباتية القيمة أعلى الأرض، تشمل هذه الأجزاء الأوراق الشابة والزهور والبذور، التي تلعب أدوارًا أساسية في إنتاج الطاقة أو إنتاج الجيل التالي تحت الأرض، لديها أجزاء مختلفة من جذامي النبات. تتكون أنظمة الجذور للنباتات مثل الطماطم أو الكرنب من ثلاثة أجزاء: الجذر الرئيسي، والجذور الجانبية، والجذور الدقيقة (الشكل 2). تساعد الجذور الجانبية والدقيقة النبات على امتصاص المواد الغذائية القيمة والماء من التربة. الجذر الرئيسي هو الجذر الرئيسي الذي يجمع بين جميع الماء والمواد.

كيف تؤثر دفاعات النبات على الحشرات العشارية في التربة؟

تقرر الحشرات العاشرة أي جزء من الجذر ستأكل بناءً على قيمته الغذائية وعلى كيفية مدى دفاعه عن نفسه. مُعظم الحشرات العاشرة ستفضل التغذية على الجذر الرئيسي لأنه الجزء الأكثر غذاءً في نظام الجذور. ومع ذلك، كما ذكر سابقًا، يُعتبر الجذر الرئيسي هو الجزء الأفضل دفاعًا. ليس جميع الحشرات العاشرة قادرة على التغلب على هذه الدفاعات الكيميائية. بعض الحشرات العاشرة، مثل يرقات ذبابة جذور الكرنب، يمكنها تعطيل الدفاعات الكيميائية والتغذية على الجذر الرئيسي. بينما الحشرات العاشرة الأخرى، مثل يرقات خنفساء يونيو الأوروبية، لا يمكنها التعامل مع مستويات الدفاع العالية في الجذر الرئيسي وبدلاً من ذلك تتغذى على الجذور الجانبية والدقيقة. توزيع الدفاعات الكيميائية عبر نظام الجذور وقدرة الحشرات العاشرة على التغلب على هذه الدفاعات يمكن أن يكون له تأثير قوي على موقع تواجد الحشرات العاشرة في التربة.

كيف يمكن للعلماء استخدام هذه المعرفة؟

المعرفة التي تم الحصول عليها من دراسة أنظمة دفاع النباتات تساعدنا على فهم كيفية تفاعل النباتات مع الحيوانات الأعشاب والحيوانات الأخرى في بيئتها. بالإضافة إلى ذلك، معرفة كيفية دفاع النباتات عن أنفسها يمكن أن تساعدنا في تطوير طرق أكثر صداقة للبيئة لزراعة المحاصيل. يمكن لتربية النباتات إنشاء أصناف جديدة من المحاصيل، مثل النباتات ذات الألوان الجميلة والنكهات المثيرة أو الفواكه الأكبر. بالمثل، يمكن لمربي النباتات إنشاء محاصيل تتمتع بدفاعات أفضل ضد المهاجمين. لكي يفعلوا ذلك، يجب على مربي النباتات فهم كيفية إنتاج النباتات للدفاع وأي المهاجمين تكون هذه الدفاعات فعالة ضدهم. يقوم العلماء الذين يدرسون دفاعات النباتات باستخدام التجارب المعملية والدراسات الميدانية بجمع هذا النوع من المعلومات. من خلال إنشاء محاصيل تتمتع بدفاعات أفضل، يمكننا مساعدة الفلاحين على تقليل كميات المبيدات الكيميائية التي يستخدمونها. هذا هو خبر سار لصحة الإنسان وصحة بيئتنا.

المصطلحات

العاشبة
حيوان يأكل النباتات.

الديدان الخيطية
حيوانات صغيرة تشبه الديدان تعيش في الغالب في التربة، ولكن أيضا في البحار أو البحيرات، وفي أمعاء الحيوانات، وحتى في أحشاء الحشرات.

دفاعات النبات
سمات النبات التي تؤثر على سلوك الحيوانات العاشبة أو نموها أو بقائها.

الجلوكوزينولات
مواد دفاعية مسؤولة عن الطعم المر الحاد للخردل والفجل الياباني. على الرغم من أن معظم البشر يستمتعون بمذاقهم، إلا أنهم سامون لمعظم الحشرات والديدان الخيطية والبكتيريا.

الجذر الرئيسي
الجذر الرئيسي الذي تنشأ منه الجذور الجانبية. يجمع الماء والمواد المغذية من بقية نظام الجذر ويوزعها فوق سطح الأرض. في الجزر والشمندر، يخزن النشا والمواد المغذية.

تربية النبات
علم إنشاء أصناف نباتية جديدة ذات خصائص مرغوبة مثل الذوق أو الرائحة أو اللون أو مقاومة العواشب أو بعض الظروف البيئية مثل الجفاف.

شكر وتقدير

نشكر جينيفر غابرييل (إيديف ، لايبزيغ) على مساعدتها الكبيرة في الأرقام. نحن ممتنون للدعم من محرري مجموعة التنوع البيولوجي للتربة أثناء عملية الكتابة وللملاحظات اللطيفة للمراجعين الشباب ومرشديهم الذين كانت نصيحتهم ضرورية لإكمال هذه الورقة. وأخيرا ، نود أن نشكر مؤسسة البحوث الألمانية (دفغ) لتمويل أبحاثنا على ذباب جذر الملفوف في إديف (دفغ–فت 118 ، 202548816) ، بالتعاون مع تشيمبيوسيس (سف 1127 ، 239748522).

المصادر

[1] Ehrlich, P. R., and Raven, P. H. 1964. Butterflies and plants-a study in coevolution. Evolution. 18:586–608.

[2] Karban, R. 2020. The ecology and evolution of induced responses to herbivory and how plants perceive risk. Ecol. Entomol. 45:1–9. doi: 10.1111/een.12771

[3] Meldau, S., Erb, M., and Baldwin, I. T. 2012. Defence on demand: mechanisms behind optimal defence patterns. Ann. Bot. 110:1503–14. doi: 10.1093/aob/mcs212

[4] Tsunoda, T., Grosser, K., and van Dam, N. M. 2018. Locally and systemically induced glucosinolates follow optimal defence allocation theory upon root herbivory. Funct. Ecol. 32:2127–37. doi: 10.1111/1365-2435.13147

[5] Tsunoda, T., and van Dam, N. M. 2017. Root chemical traits and their roles in belowground biotic interactions. Pedobiologia (Jena). 65:58–67. doi: 10.1016/j.pedobi.2017.05.007

تم التحرير بواسطة: هيلين فيليبس

المرشدون العلميون: روتشيرا شارما، رايان وير 

تعارض المصالح: يعلن المؤلفون أن البحث تم إجراؤه في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تعارض محتمل للمصالح.

حقوق الطبع والنشر © 2022 بواسطة تاو وفان دام. هذا المقال متاح الوصول إليه بشكل مفتوح بموجب شروط رخصة المشاع الإبداعي النسبية (CC BY). يُسمح باستخدام المقالة وتوزيعها أو إعادة إنتاجها في منتديات أخرى، شريطة أن يتم منح الفضل للمؤلفين الأصليين ومالك حقوق الطبع والنشر وأن يتم الاستشهاد بالنشر الأصلي في هذه المجلة، وفقًا للممارسات الأكاديمية المعترف بها. لا يُسمح باستخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج المقالة بما يتعارض مع هذه الشروط.

المراجع الصغير

هاريسون، العمر: 11
أحب ممارسة الرياضة مثل الهوكي والجري ومطاردة كلبي! كما أحب اكتشاف أشياء جديدة، ولكن ليس الطعام الجديد! نظرًا لأنني أذهب حاليًا إلى المدرسة الابتدائية، فأنا متحمس للبدء في المدرسة الثانوية الجديدة وتجربة العديد من المواد الجديدة. مادتي المفضلة في الوقت الحالي هي الرياضيات.

أفاني، العمر: 10 
مرحبًا، أنا أفاني. أستمتع بالجري والسباحة. أنا أيضًا راقصة. أحب الذهاب في نزهات مع كلبي أو جمع الأحجار. أحب الرياضيات والعلوم والرياضة. أستمتع بلعب ألعاب الفيديو والاتصال بالأصدقاء. أحب الطبيعة والطقس البارد والرياح.

كاثرين، العمر: 15
أحب الموسيقى والغناء، أعزف على الكمان والجيتار، وأستمتع أيضًا بالكتابة! أنا جزء من فرقة رقص مرتفعات وأتطوع مع الأطفال في النوادي المحلية ودليل الفتيات. أستمتع بحضور الفعاليات الشبابية في كنيستي وممارسة اللياقة البدنية. آمل أنه من خلال مراجعة هذه المقالات يمكنني التعرف على أشياء جديدة ومثيرة للاهتمام!

الباحثين

أكسل تاو
كان أكسل مفتونًا بالطبيعة منذ صغره. في ذلك الوقت، كان مهتمًا بشكل خاص بالديناصورات، والقطط، والكلاب، والسحالي، والضفادع، ولكن بشكل خاص بالطيور. في الواقع، كان أول شيء رسمه على الإطلاق هو بومة (مع قليل من الخيال). أثناء دراسته لعلم الأحياء، أصبح مهتمًا بكيفية تواصل النباتات، خاصةً مع الحشرات. اليوم، يدرس أكسل كيفية دفاع النباتات عن نفسها ضد الميكروبات والديدان الخيطية والحشرات. في وقت فراغه، يحب أن يكون في الخارج، يلعب كرة القدم، يقرأ، ويطبخ. كما يحاول استخدام المعرفة التي اكتسبها خلال أبحاثه في حديقته، مع نجاح متفاوت. axel.touw@idiv.de

نيكول إم. فان دام
ولدت نيكول ونشأت في هولندا مع والديها وأختيها الصغيرتين. عندما كانت طفلة، كانت تحب التجارب مع الحشرات. على سبيل المثال، كانت تختبر ما إذا كانت النمل يمكنه السباحة عن طريق وضعها في البرك (وللإجابة على تساؤلك، نعم، يسبحون بشكل جيد). درست علم الأحياء في مدينة فاخينينغين، هولندا، وهناك بدأت تهتم بكيفية دفاع النباتات عن نفسها وكيف يمكن للمزارعين استخدام هذه المعرفة لتقليل استخدام المبيدات الحشرية. بعد إجراء العديد من التجارب مع الحشرات والنباتات في أماكن مختلفة من العالم، أصبحت أستاذة. في وقت فراغها، تحب ممارسة اليوغا ومشاهدة الأفلام مع ابنيها (19 و21 عامًا). كما تحب مع زوجها زراعة الفواكه والخضروات العضوية في حديقتهم، حيث تجد أيضًا الإلهام لمشاريع بحثية جديدة.

التمويل (الترجمة)

يقر فريق ترجمة التنوع البيولوجي للتربة بدعم المركز الألماني لبحوث التنوع البيولوجي التكاملي هالي-جينا-لايبزيغ الممول من مؤسسة البحوث الألمانية (DFG FZT 118, 202548816).