Exogenous putrescine enhances fruit set and yield in tomato under drought through improved water status and antioxidant defense

تُعد الطماطم من الأطعمة المفضلة عالمياً، وهي عنصر أساسي في المطابخ من مومباي إلى ميونيخ، وتُقدر لِلونها النابض بالحياة وقيمتها الغذائية. ومع ذلك، بالنسبة للنباتات التي تنتجها، غالباً ما تكون الحياة عبارة عن عملية توازن محفوفة بالمخاطر. فعندما تشح المياه، لا تذبل نبتة الطماطم فحسب؛ بل تمر بسلسلة من الانهيارات الداخلية. إذ يؤدي نقص الماء إلى تراكم جزيئات ضارة داخل الخلايا، مما يتسبب جوهرياً في جعل النبات "يصدأ" من الداخل إلى الخارج. هذا الضرر التأكسدي يمزق أغشية الخلايا ويعطل الآليات الدقيقة اللازمة لتحويل ضوء الشمس إلى غذاء. وبينما تكافح النبتة من أجل البقاء، فإنها غالباً ما تضحي بمستقبلها، فتُسقط الأزهار وتفشل في إنتاج الثمار، تاركةً المزارعين مع عروش فارغة. ولعقود من الزمن، بحث العلماء عن طرق لمساعدة المحاصيل على تحمل فترات الجفاف هذه، باحثين عن مواد يمكن أن تعمل كدرع، يعمل على تثبيت الكيمياء الداخلية للنبات عندما تصبح البيئة معادية.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثون حلاً محدداً: وهو مركب طبيعي يسمى "بوتريسين" (putrescine). يوجد البوتريسين بشكل طبيعي في جميع الكائنات الحية، وهو جزيء صغير يساعد الخلايا على الحفاظ على هيكلها وإدارة الإجهاد. تساءل العلماء عما إذا كان رش هذا المركب على نباتات الطماطم عند بدئها في مرحلة التزهير يمكن أن يساعدها على البقاء على قيد الحياة أثناء الجفاف. ولاختبار ذلك، قاموا بزراعة نباتات الطماخ في بيئة دفيئة (صوبة زجاجية) خاضعة للرقابة. واختاروا صنفاً معيناً يُعرف باسم "كاشي أنوبام" (Kashi Anupam) وتركوا النباتات تنمو حتى وصلت إلى مرحلة التزهير، وهي لحظة حرجة يقرر فيها النبات ما إذا كان سيحتفظ بأزهاره أم يسقطها. وفي هذه المرحلة، أخضع الباحثون النباتات لنقص شديد في المياه، حيث خفضوا الرطوبة في التربة إلى مستوى قد يسبب عادةً ضرراً كبيًرا.

صُممت التجربة لمعرفة ما إذا كانت كميات مختلفة من البوتريسين يمكن أن تعكس الضرر. قام الفريق برش أوراق نباتات الطماطم التي تعاني من الجفاف بمحاليل تحتوي على تركيزات متفاوتة من المركب، تتراوح من كمية صغيرة جداً إلى جرعة أعلى بكثير. كما احتفظوا بمجموعة من النباتات تحت ظروف ري عادية كخط أساس، ومجموعة أخرى لم تتلقَ أي رش على الإطلاق لمعرفة مدى سوء حالة الجفاف بدون مساعدة. وعلى مدار ستة أيام، راقب الباحثون النباتات عن كثب، وقاسوا كل شيء بدءاً من كيفية نمو النباتات وصولاً إلى عدد الثمار التي تمكنت من إنتاجها. كما تعمقوا في بيولوجيا النبات، وفحصوا صحة الأوراق، وكمية الماء المحتجزة داخل الخلايا، ونشاط أنظمة الدفاع الداخلية للنبات.

كانت النتائج مذهلة. فالنباتات التي عانت من الجفاف دون أي علاج عانت كثيراً؛ فقد نمت بشكل أقصر، وفقدت عدداً كبيراً من الأوراق، وانخفضت قدرتها على الاحتفاظ بالماء بشكل حاد. والأهم من ذلك، أن نجاحها التكاثري انهار؛ حيث انخفض عدد الأزهار التي تحولت إلى ثمار بشكل هائل، وانخفض إجمالي المحصول بأكثر من ثلاثة أرباع مقارنة بالنباتات السليمة جيدة الري. كانت الخلايا في هذه النباتات المجهدة تسرب محتواها، حيث تضررت أغشيتها بسبب التراكم السام للجزيئات الضارة. ومع ذلك، حكت النباتات المعالجة بالبوتريسين قصة مختلفة؛ فقد عمل الرش كعازل قوي ضد الإجهاد. وبدت النباتات التي تلقت أعلى جرعة من المركب، وهي عشرة ميليمول لكل لتر، أقرب بكثير في مظهرها وأدائها إلى النباتات السليمة جيدة الري منها إلى النباتات غير المعالجة والمتضررة من الجفاف.

احتفظت النباتات المعالجة بمائها بشكل أفضل بكثير، وحافظت على أوراقها مشدودة وخضراء عندما كانت الأخرى تذبل. وفي داخل خلاياها، كان الضرر أقل حدة بكثير. فقد ساعد الرش النباتات على الحفاظ على سلامة أغشية خلاياها، مما منع التسرب الذي يشير إلى الموت الخلوي. كما عزز أيضاً آليات الدفاع الطبيعية للنبات. ووجد الباحثون أن النباتات المعالجة أنتجت مستويات أعلى من الإنزيمات الواقية، والتي تعمل مثل "فريق تنظيف"، حيث تقوم بتحييد الجزيئات الضارة التي تتراكم أثناء الإجهاد. وكان هذا التنظيف الداخلي فعالاً للغاية لدرجة أن النباتات استطاعت مواصلة عملية التمثيل الضوئي والنمو، حتى بينما كانت التربة حولها جافة.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية هو التأثير على المحصول. فبينما أنتجت نباتات الجفاف غير المعالجة ثماراً قلي קليل جداً، تمكنت النباتات المعالجة بأعلى تركيز من البوتريسين من إنتاج ضعف عدد الثمار تقريباً. فقد زاد عدد حبات الطماطم لكل نبات بشكل كبير، وكانت الثمار نفسها أثقل وزناً. ومن حيث إجمالي الإنتاج، أنتجت النباتات المعالجة ما يقرب من ثلاثة أضعاف كمية الثمار التي أنتجتها النباتات المجهدة من الجفاف وغير المعالجة. لقد سمح الرش للنبات جوهرياً بتجاهل إشارة الاستسلام، والحفاظ على عملياتها التكاثرية جارية رغم نقص الماء. وتشير الدراسة إلى أن هذا التأثير يعتمد على الجرعة، مما يعني أن التركيزات الأعلى من الرش أدت عموماً إلى نتائج أفضل، حيث وفرت جرعة العشرة ميليمول الحماية الأكثر قوة.

كما نظر الباحثون على المستوى الجيني لفهم كيفية حد حدوث ذلك. ووجدوا أن الرش لم يكتفِ بحماية النبات بشكل سلبي، بل قام بتنشيط الجينات المسؤولة عن صنع تلك الإنزيمات الواقية بشكل نشط. لقد تمت إعادة كتابة التعليمات الداخلية للنبات لإعطاء الأولوية للدفاع، مما يضمن إنتاج الآلات اللازمة لمحاربة الإجهاد بكميات كبيرة. وهذا يشير إلى أن البوتريسين يعمل من خلال التواصل مع الشفرة الجينية للنبات، ليخبره بتفعيل وضع البقاء. وتشير الدراسة إلى أن هذا النهج فعال بشكل خاص عند تطبيقه في مرحلة التزهير، وهي الفترة التي يكون فيها النبات أكثر عرضة للخطر والأكثر عرضة للإجهاض لثمارها.

يقدم هذا العمل لمحة واعدة حول كيفية تكيف الزراعة مع مستقبل أكثر جفافاً. فهو يوضح أن مركباً بسيطاً موجوداً في الطبيعة يمكن استخدامه لتعزيز قدرة المحاصيل على الصمود، وتحويل نبات يحتضر إلى نبات منتج حتى في ظل إجهاد مائي شديد. وبينما أُجريت هذه الدراسة في بيئة دفيئة خاضعة للرقابة، فإن النتائج تشير إلى طريقة عملية للمزارعين لحماية محاصيل الطماطم الخاصة بهم. فمن خلال رش النباتات بالكمية المناسبة من البوتريسين في الوقت المناسب، قد يكون من الممكن تأمين حصاد كان سيضيع لولا ذلك بسبب الجفاف. وتؤكد الأبحاث أنه مع الدعم الكيميائي المناسب، يمكن لنباتات الطماطم الحفاظ على توازنها المائي، وحماية خلاياها، والاستمرار في إنتاج الغذاء حتى عندما لا تهطل الأمطار.