Growth physiological biochemical and antioxidant responses of rice to exogenous proline and ascorbic acid under salt stress

يعد الأرز شريان الحياة لمليارات البشر، فهو محصول أساسي يغذي أكثر من نصف سكان العالم. ومع ذلك، فإن هذه الحبوب الحيوية حساسة للغاية لبيئتها، لا سيها عندما تصبح التربة مالحة. فعندما تتراكم الأملاح في الأرض، فإنها تخلق تهديداً مزدوجاً للنبات؛ أولاً، تعمل كإسفنجة تسحب الماء بعيداً عن الجذور، مما يجعل من الصعب على النبات الشرب حتى عندما تكون التربة رطبة. ثانياً، تخل الأملاح بالتوازن الكيميائي الدقيق داخل خلايا النبات، مما يسمح بتراكم الصوديوم السام مع طرد العناصر الغذائية الأساسية مثل البوتاسيوم. هذا الفوضى الداخلية تضر بقدرة النبات على صنع الغذاء من خلال ضوء الشمس، وتضعف بنيته، وغالباً ما تمنعه من إنتاج البذور تماماً. ومع مواجهة المناطق الساحلية لارتفاع مستويات البحار وتغير أنماط الطقس، أصبح إيجاد طرق لمساعدة الأرز على البقاء في الظروف المالحة مسأية تتعلق بالأمن الغذائي العالمي.

لطالما عرف العلماء أن النباتات لديها آليات دفاع خاصة بها ضد مثل هذا الإجهاد. يمكنها إنتاج مركبات طبيعية تعمل كدروع، مما يساعد الخلايا على التمسك بالماء وتحييد النواتج الضارة للإجهاد. اثنان من هذه المركبات الواقية هما البرولين، وهو حمض أميني يساعد في موازنة الماء داخل الخلايا، وحمض الأسكوربيك، وهو شكل من أشكال فيتامين (ج) الذي يعمل كمضاد أكسدة قوي. وبينما درس الباحثون هذه المواد بشكل فردي، ظل من غير الواضح أي منها يعمل بشكل أفضل، أو عدد مرات تطبيقها، أو ما إذا كان خلطهما معاً سيوفر أي فائدة إضافية. وقد وضع فريق من الباحثين في جامعة باتواخالي للعلوم والتكنولوجيا في بنغلاديش نصب أعينهم الإجابة على هذه الأسئلة من خلال اختبار هذه المعالجات على نباتات الأرز التي تنمو في تربة مالحة.

قام الباحثون بزراعة الأرز في أصص مملوءة بتربة تم جعلها مالحة إلى مستوى معين، لمحاكاة الظروف القاسية الموجودة في الأراضي الزراعية الساحلية. وقسموا النباتات إلى عدة مجموعات لاختبار استراتيجيات مختلفة. تلقت بعض النباتات أي معالجة، لتكون بمثابة خط أساس لمعرفة مدى سوء تأثير الملح عليها. بينما تلقت مجموعة أخرى رذاذاً يحتوي على البرولين، بينما تلقت مجموعة مختلفة رذاذاً من حمض الأسكوربيك. كما اختبر الفريق ما إذا كان تطبيق هذه الرشاشات مرة واحدة أو مرتين سيحدث فرقاً، وما إذا كان خلط المادتين معاً سيعطي نتيجة أفضل من استخدام كل منهما على حدة. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان بإمكان هذه التطبيقات الخارجية مساعدة النباتات على النمو بشكل أطول، وإنتاج المزيد من الأوراق، والأهم من ذلك، إنتاج حصاد من الحبوب رغم التربة المالحة.

كانت النتائج مذهلة، حيث كشفت أن رشة واحدة من البرولين كانت العلاج الأكثر فعالية على الإطلاق. فقد عانت النباتات غير المعالجة في التربة المالحة معاناة شديدة؛ حيث كانت أقصر، ولديها سيقان أقل، ولم تنتج أي حبوب تقريباً. في الواقع، قللت التربة المالحة من كمية الحبوب التي أنتجتها هذه النباتات بنسبة تزيد عن تسعين بالمائة مقارم النباتات الصحية التي تنمو في تربة عادية. ومع ذلك، أظهرت النباتات التي تلقت تطبيقاً ورقياً واحداً للبرولين تعافياً دراماتيكياً؛ فقد نمت بطول يقارب طول النباتات الصحية، وأنتجت مجموعة كاملة من السيقان، وجمعت حصاداً أكبر بثماني مرات تقريباً من النباتات غير المعالجة في التربة المالحة. لقد استعاد هذا العلاج الواحد عدد الحبوب الممتلئة إلى مستويات قريبة من مجموعة التحكم غير المالحة.

بينما قدمت العلاجات الأخرى بعض المساعدة، إلا أنها لم تضاهِ أداء رشة البرولين المنفردة. فقد نمت النباتات المعالجة بحمض الأسكوربيك بشكل أفضل من النباتات المالحة غير المعالجة، لكنها ظلت أقل بكثير من مجموعة البرولين. وبالمثل، فإن تطبيق الرشاشات مرتين لم يؤدِ إلى تحسين النتائج؛ بل في الواقع، تفوق التطبيق الواحد للبرولين على التطبيق المزدوج. كما أن خلط البرولين وحمض الأسكوربيك معاً فشل في تقديم ميزة على استخدام البرولين وحده. أشارت البيانات إلى أن إضافة المزيد من العلاج أو دمج مواد كيميائية مختلفة لم يؤدِ بالضرورة إلى حماية أفضل. بدلاً من ذلك، كان توقيت واختيار المركب المحدد هما الأكثر أهمية.

بعيداً عن مجرد النظر في حجم النباتات وكمية الحبوب، نظر الباحثون داخل الأوراق لفهم سبب عمل البرولين بشكل جيد جداً. وجدوا أن النباتات المعالجة كانت تمتلك مستويات أعلى من مضادات الأكسدة الطبيعية، وهي مواد كيميائية تحمي الخلايا من الضرر الناتج عن الإجهاد. كما حافظت النباتات المرشوشة بالبرولين على توازن أفضل للمعادن. فعادة ما يتسبب إجهاد الملح في تراكم الصوديوم السام وفقدان البوتاسي_الأساسي في النباتات، لكن النباتات المعالجة بالبرولين تمكنت من الاحتفاظ بمزيد من البوتاسيوم وأقل من الصوديوم في أنسجتها. هذا التوازن أمر بالغ الأهمية لتعمل الآلات الداخلية للنبات بشكل صحيح. كما ساعد العلاج النباتات على الاحتفاظ بمزيد من صبغتها الخضراء، وهي ضرورية لالتقاط ضوء الشمس، وزيادة إنتاجها الخاص من فيتامين (ج)، مما عزز قدرتها على محاربة الإجهاد.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن ليس كل جوانب النبات استجابت بنفس الطريقة. فبينما تحسن إنتاج الحبوب وعدد السيقان بشكل كبير مع معالجة البرولين، لم يتغير طول الأوراق بشكل ملحوظ عبر المجموعات المختلفة. وهذا يشير إلى أن إجهاد الملح أثر على القدرة التناسلية للنبات وبنيته العامة بشكل أكثر حدة مما أثر على طول الأوراق الفردية. وأشار الباحثون إلى أنه بينما حسن علاج البرولين صحة النبات بوضوح، فإن الآليات الجزيئية الدقيقة - مثل كيفية تشغيل أو إيقاف جينات النبات - لم يتم قياسها في هذه الدراسة. لذلك، بينما كانت النتائج قوية، إلا أنها تمثل ملاحظة فسيولوجية وليست تفسيراً جينياً كاملاً.

في النهاية، يشير هذا البحث إلى حل بسيط وعملي لمشكلة معقدة. فبالنسبة لمزارعي الأرز الذين يواجهون تربة مالحة، يبدو أن رشة واحدة من البرولين تُطبق في مرحلة محددة من النمو هي أداة قوية لإنقاذ المحصول. فهي تساعد النبات على التمسك بالماء، والحفاظ على توازن كيميائه الداخلية، وحماية خلاياه من الضرر، مما يسمح له بإنتاج الحبوب حتى عندما تكون البيئة معادية. ومع ذلك، يحذر الباحثون من أن هذه النتيجة تأتي من تجربة محكومة في بيئة محمية. وقبل أن يمكن التوصية بهذه الطريقة للاستخدام الواسع في الحقول، يجب اختبارها عبر أصناف مختلفة من الأرز وفي ظروف الزراعة الواقعية. ويتضمن المسار المستقبلي التحقق من هذه النتائج الواعدة في الحقول، لضمان أن هذه الرشة الواحدة يمكنها تحويل محصول فاشل إلى حصاد ناجح للمزارعين في جميع أنحاء العالم.