نموذج محسّن قد يساعد العلماء على التنبؤ بشكل أفضل بغلة المحاصيل وآثار تغيّر المناخ

يتضمن نموذج حاسوبي جديد كيفية انفتاح المسام المجهرية الموجودة على الأوراق استجابةً للضوء - وهو تقدم قد يساعد العلماء في إنشاء نباتات افتراضية للتنبؤ بكيفية تأثير درجات الحرارة المرتفعة ومستويات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة على المحاصيل الغذائية، وفقاً لدراسة نُشرت في عدد خاص من مجلة Photosynthesis Research اليوم.

 

قال Johannes Kromdijk، الذي قاد العمل كجزء من مشروع بحثي دولي يسمى Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE): «هذا نموذج حاسوبي جديد ومثير يمكن أن يساعدنا في تقديم تنبؤات أكثر دقة عبر مجموعة واسعة من الظروف».

 

يقوم مشروع RIPE، الذي تقوده جامعة إلينوي، بهندسة المحاصيل لتكون أكثر إنتاجية دون استخدام المزيد من المياه عن طريق تحسين التمثيل الضوئي، وهي العملية الطبيعية التي تستخدمها جميع النباتات لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة لتعزيز النمو وإنتاجية المحاصيل. يحظى مشروع RIPE بدعم من مؤسسة Bill & Melinda Gates، والمؤسسة الأمريكية لأبحاث الأغذية والزراعة (FFAR)، ووزارة التنمية الدولية التابعة للحكومة البريطانية (DFID).

 

ركز العمل الحالي على محاكاة سلوك ما يعرف بالثغور - وهي مسام مجهرية في الأوراق تنفتح استجابةً للضوء للسماح للماء وثاني أكسيد الكربون والأكسجين بالدخول والخروج من النبات. في عام 2018، نشر فريق RIPE ورقة بحثية في Nature Communications أظهرت أن زيادة بروتين معين يمكن أن يحفز النباتات على إغلاق ثغورها جزئياً - إلى نقطة لا يتأثر فيها التمثيل الضوئي، ولكن ينخفض فقدان الماء بشكل كبير. تم استخدام البيانات التجريبية لهذه الدراسة لإنشاء نموذج الثغور المحسن حديثاً والذي تم تقديمه اليوم.  

 

 

قال Stephen Long، رئيس جامعة Ikenberry الموقر لعلوم المحاصيل وبيولوجيا النبات في جامعة إلينوي: «لقد عرفنا منذ عقود أن التمثيل الضوئي وانفتاح الثغور منسقان بشكل وثيق، ولكن كيفية عمل ذلك ظلت غير مؤكدة. مع هذا النموذج الحاسوبي الجديد، لدينا أداة أفضل بكثير لحساب حركات الثغور استجابةً للضوء».

 

وقال Long إن الهدف النهائي هو تحديد الفرص للتحكم في حراس بوابات الثغور هذه لإنتاج محاصيل متحملة للجفاف. «الآن نحن نقترب من الحلقة المفقودة: كيف يخبر التمثيل الضوئي الثغور متى تنفتح».

 

لقد كان النمذجة الحاسوبية تقدماً كبيراً في تربية المحاصيل. حقق والد الوراثة الحديثة، Gregor Mendel، اكتشافه الرائد بأن نباتات البازلاء ترث الصفات من والديها من خلال زراعة وتربية أكثر من 10,000 نبات بازلاء على مدار ثماني سنوات. اليوم، يمكن لعلماء النبات زراعة آلاف المحاصيل افتراضياً في غضون ثوانٍ باستخدام هذه النماذج الحاسوبية المعقدة التي تحاكي نمو النبات.

 

تُستخدم نماذج الثغور جنباً إلى جنب مع نماذج التمثيل الضوئي لإجراء تنبؤات واسعة النطاق، بدءاً من إنتاجية المحاصيل المستقبلية وصولاً إلى إدارة المحاصيل، مثل كيفية استجابة المحاصيل عند وجود نقص في المياه. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه النماذج أن تعطي العلماء نظرة مسبقة حول كيفية تأثر محاصيل مثل القمح أو الذرة أو الأرز بارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون ودرجات الحرارة المرتفعة.

 

قال Kromdijk، المحاضر الجامعي الحالي في جامعة كامبريدج: «استخدم الإصدار السابق من نموذج الثغور علاقة لم تكن متوافقة مع فهمنا الحالي لحركات الثغور. لقد وجدنا أن إصدارنا الجديد يحتاج إلى ضبط أقل بكثير لإجراء تنبؤات دقيقة للغاية».

 

 

ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لإثبات أن هذا النموذج المعدل يعمل في مجموعة واسعة من التطبيقات ولتعزيز العلاقة بين الثغور والتمثيل الضوئي بشكل أكبر.

 

قالت Katarzyna Glowacka، العضو السابق في RIPE والأستاذ المساعد الحالي في جامعة نبراسكا لينكولن: «علينا أن نثبت أن هذا النموذج يعمل مع مجموعة متنوعة من الأنواع والمواقع. تربط نماذج المحاكاة واسعة النطاق بين نماذج الاضطرابات الجوية، واعتراض الضوء، وتوافر مياه التربة، وغيرها - لذا يتعين علينا إقناع العديد من المجتمعات البحثية بأن هذا تحسين يستحق التنفيذ».