ابتكر علماء جامعة كاليفورنيا في ديفيس قمحا يمكنه تسميد نفسه جزئيا عن طريق إطلاق مادة كيميائية تنشط البكتيريا المثبتة للنيتروجين في التربة.

وتستخدم النباتات المعدلة هذه المساعدة الميكروبية للاستفادة من النيتروجين الجوي، مما يقلل الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية. ومن الممكن أن يؤدي هذا الإنجاز إلى خفض التلوث، وخفض نفقات المزارع، وتحسين نمو المحاصيل في المناطق الفقيرة بالمغذيات. وقد يمهد الطريق أيضًا لتحقيق تقدم مماثل في محاصيل الحبوب الرئيسية الأخرى.

تم تصميم القمح للمساعدة في إنتاج الأسمدة الخاصة به

ابتكر علماء في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، نباتات قمح يمكنها تشجيع تكوين الأسمدة الطبيعية الخاصة بها. ومن الممكن أن يؤدي هذا التقدم إلى تقليل تلوث الهواء والماء في جميع أنحاء العالم مع خفض المبلغ الذي يحتاج المزارعون إلى إنفاقه على الأسمدة التقليدية.

أدار المشروع إدواردو بلوموالد، الأستاذ المتميز في قسم علوم النبات. استخدم فريقه أداة تحرير الجينات كريسبر لزيادة إنتاج نبات القمح لأحد مركباته الطبيعية. عندما يطلق النبات الكمية الإضافية من هذا المركب في التربة المحيطة، فإنه يدعم بكتيريا التربة التي تحول النيتروجين من الهواء إلى شكل يمكن للنباتات امتصاصه بسهولة. تُعرف هذه العملية بتثبيت النيتروجين.

ونشرت النتائج على الانترنت في مجلة التكنولوجيا الحيوية النباتية.

التأثير المحتمل على الأمن الغذائي العالمي

وفي العديد من المناطق النامية، يمكن أن يوفر هذا الاكتشاف دفعة كبيرة لموثوقية المحاصيل والإمدادات الغذائية.

وقال بلوموالد: “في أفريقيا، لا يستخدم الناس الأسمدة لأنهم لا يملكون المال، والمزارع صغيرة، لا يزيد حجمها عن ستة إلى ثمانية أفدنة”. “تخيل أنك تزرع محاصيل تحفز البكتيريا في التربة لتكوين الأسمدة التي تحتاجها المحاصيل بشكل طبيعي. واو! هذا فرق كبير!”

هذا النوع الجديد من القمح يعتمد على التقدم في وقت سابق وقد حقق الفريق هذا الإنجاز في مجال الأرز، وهناك دراسات إضافية تستكشف كيفية تطبيق هذا النهج على محاصيل الحبوب الأخرى.

تحدي الأسمدة

يعد القمح ثاني أكبر محصول حبوب في العالم من حيث المحصول ويمثل حوالي 18% من الاستخدام العالمي للأسمدة النيتروجينية. وتم إنتاج أكثر من 800 مليون طن من الأسمدة في جميع أنحاء العالم في عام 2020، وفقا لمنظمة الأغذية والزراعة التابعة للأمم المتحدة.

ومع ذلك، تمتص النباتات عادةً ما بين 30 إلى 50% فقط من النيتروجين الموجود في الأسمدة. وغالباً ما يصب الباقي في المجاري المائية، مما يساهم في إنشاء “المناطق الميتة” حيث تنخفض مستويات الأكسجين إلى درجة لا تسمح بدعم الحياة المائية. يمكن أيضًا أن يتولد النيتروجين الزائد المتبقي في التربة أكسيد النيتروز، أحد غازات الدفيئة القوية.

فهم الحاجز البيولوجي

تعتمد البكتيريا المثبتة للنيتروجين على إنزيم يسمى نيتروجيناز، وهو “المثبت” المركزي لتثبيت النيتروجين. يوجد هذا الإنزيم فقط داخل هذه البكتيريا ويمكن أن يعمل فقط في ظروف منخفضة جدًا من الأكسجين.

تحل البقوليات مثل البازلاء والفاصوليا هذه المشكلة بشكل طبيعي عن طريق تكوين عقيدات جذرية، مما يخلق بيئة منخفضة الأكسجين تحمي البكتيريا المثبتة للنيتروجين.

ولا يشكل القمح ومعظم المحاصيل الأخرى مثل هذه العقيدات، ولهذا السبب يعتمد المزارعون على الأسمدة النيتروجينية.

وقال بلوموالد: “على مدى عقود، كان العلماء يحاولون تطوير محاصيل الحبوب التي تنتج عقيدات جذرية نشطة، أو يحاولون استعمار الحبوب بالبكتيريا المثبتة للنيتروجين، دون نجاح كبير. لقد استخدمنا نهجا مختلفا”. “قلنا إن موقع البكتيريا المثبتة للنيتروجين ليس مهمًا، طالما أن النيتروجين الثابت يمكنه الوصول إلى النبات، ويمكن للنبات استخدامه”.

إيجاد طريقة جديدة لدعم البكتيريا المثبتة للنيتروجين

ولتحديد حل محتمل، قام فريق البحث بتقييم 2800 مادة كيميائية تنتجها النباتات بشكل طبيعي. وقد حددوا 20 نوعًا لا تفيد النبات فحسب، بل تساعد البكتيريا أيضًا على تكوين الأغشية الحيوية. تخلق هذه الطبقات الواقية اللزجة بيئة منخفضة الأكسجين تسمح للنيتروجيناز بالعمل. ثم حدد الباحثون كيفية صنع النباتات لهذه المركبات وأي الجينات تنظم إنتاجها.

وباستخدام تقنية كريسبر، قام الفريق بهندسة القمح لإنتاج مستويات أعلى من فلافون يسمى أبيجينين. ولأن النباتات المعدلة تولد كمية من الأبيجينين أكثر مما تحتاج إليه، فإن الفائض يتحرر من جذورها إلى التربة. وفي التجارب، شجع الأبيجينين الإضافي بكتيريا التربة على بناء أغشية حيوية تحمي النيتروجيناز، مما يسمح للبكتيريا بتثبيت النيتروجين في شكل يمكن أن يستخدمه القمح.

عندما تمت زراعته في ظل ظروف منخفضة للغاية من الأسمدة النيتروجينية، أنتج القمح المعدل غلات أعلى من النباتات الخاضعة للمراقبة.

الفوائد الاقتصادية الكبرى للمزارعين

وأنفق المزارعون في الولايات المتحدة ما يقرب من 36 مليار دولار على الأسمدة في عام 2023، وفقا لتقديرات وزارة الزراعة الأمريكية. ويشير بلوموالد إلى أن ما يقرب من 500 مليون فدان في البلاد مزروعة بالحبوب.

وفكر قائلاً: “تخيل لو كان بإمكانك توفير 10% من كمية الأسمدة المستخدمة في تلك الأرض”. “أنا أحسب بشكل متحفظ: يجب أن يكون ذلك توفيرًا لأكثر من مليار دولار كل عام.”

المرجع: “زيادة الأبيجينين في القمح السداسي الصبغي المُحرر بالحمض النووي، مما يعزز تثبيت النيتروجين البكتيري في التربة وتحسين إنتاجية الحبوب في ظل الحد من الأسمدة النيتروجينية” بقلم هيرومي تاجيما، وأخيليش ياداف، وخافيير هيدالجو كاستيلانوس، وداوي يان، وبنجامين بي بروكبانك، وإيجي نامبارا، وإدواردو بلوموالد، 6 أغسطس 2025، مجلة التكنولوجيا الحيوية النباتية.
دوى: 10.1111/pbi.70289

ومن بين المؤلفين الآخرين هيرومي تاجيما، وأخيليش ياداف، وخافيير هيدالغو كاستيلوس، وداوي يان، وبنجامين بي بروكبانك، وإيجي نامبارا.

تم تقديم طلب براءة اختراع من قبل جامعة كاليفورنيا وهو قيد الانتظار. وقد دعمت شركة Bayer Crop Science ومؤسسة UC Davis Will Lester Endowment البحث.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.