Endophytic entomopathogenic fungi remodel phyllosphere microbiome and metabolome to suppress Spodoptera frugiperda and enhance parasitoid biocontrol

في الحقول الزراعية الشاسعة، لا تُعد النباتات مجرد ضحايا سلبية للحشرات الجائعة؛ بل هي مشارك نشط في حرب كيميائية معقدة. فعندما تتعرض النبتة للهجوم، غالباً ما تستجيب من خلال إنتاج مركبات دفاعية أو عبر تغيير كيميائها الداخلية لجعل نفسها أقل استساغة أو أكثر سمية للغازي. ومع ذلك، فإن النباتات لا تخوض هذه المعارك بمفردها، فهي تستضيف مجتمعات من الكائنات الحية الدقيقة على أوراقها وداخل أنسجتها، والمعروفة باسم "الميكروبيوم". يمكن لهؤلاء السكان الصغار التأثير على صحة النبات، حيث يساعدونه أحياناً في تعزيز نموه أو مساعدته على مقاومة الأمراض. وقد تساءل العلماء منذ فترة طويلة عما إذا كان بإمكاننا تسخير هؤلاء الحلفاء الطبيعيين لحماية المحاصيل دون الاعتماد على الرشاشات الكيميائية القاسية. ويتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام الفطريات النافعة التي تعيش داخل النباتات دون إلحاق الضرر بها، والمعروفة باسم "النهايات الداخلية" (endophytes). يمكن لهذه الفطريات أن تعمل كحراس غير مرئيين، حيث تغير البيئة الداخلية للنبات بطرق تضلل الآفات أو تضعفها.

استكشف دراسة حديثة من باحثين في جامعة غويتشو في الصين كيف يمكن لسلالتين محددتين من هذه الفطريات الصديقة أن تساعدا في حماية الذرة، وهي محصول عالمي حيوي، من دودة الحشد الخريفية. وتعد هذه الآفة من آكلات النباتات الشرهة التي انتشرت بسرعة في جميع أنحاء العالم، مسببة أضراراً جسيمة لحقول الذرة. أراد الباحثون فهم ليس فقط ما إذا كانت هذه الفطريات قادرة على إيقاف الديدان، بل كيف تفعل ذلك أيضاً. لقد نظروا إلى النظام بأكمله: نمو نبات الذرة، والبكتيريا والفطريات الدقيقة التي تعيش على أوراقه، والمركبات الكيميائية التي ينتجها النبات، وكيف أثرت هذه التغييرات على كل من الآفة وعدو طبيعي لها، وهو دبابير صغيرة تضع بيضها داخل الدودة. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان بإمكان هذه الفطريات جعل النبات حصناً أفضل وحليفاً أفضل للدبور، مما يخلق شراكة ثلاثية للسيطرة على الإصابة.

بدأ الباحثون بإدخال سلالتين فطريتين مختلفتين، أُطلق عليهما اسم GL-5 وH8، في شتلات ذرة صغيرة. وقد فعلوا ذلك عن طريق سكب سائل يحتوي على أبواغ فطرية على التربة حول الجذور، مما سمح للفطريات بالنمو داخل النبات. وبينما كانت الشتلات تنمو، قام الفريق بقياس حجمها وصحتها. ساعدت كلتا السلالتين الفطريتين النباتات على النمو بشكل أطول وتطوير جذور وأوراق أطول مقارنة بالنباتات التي لم تتلقَ أي علاج. كانت النباتات المعالجة بالفطريات تبدو أكثر حيوية بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن هؤلاء الضيوف المجهريين لم يكونوا يعيشون هناك فحسب، بل كانوا يساعدون عائلهم بنشاط على الازدهار. وقد مهدت هذه الدفعة الأولية في النمو الطريق للمرحلة التالية من التجربة، حيث أدخل الباحثون يرقات دودة الحشد الخريفية إلى النباتات المعالجة.

عندما أكلت ديدان الحشد أوراق النباتات المعالجة بالفطريات، اختل تطورها تماماً. فالديدان التي تغذت على النباتات المعالجة بسلالة GL-5 استغرقت وقتاً أطول بكثير لتمر عبر مراحل نموها المبكرة، ومات الكثير منها قبل أن تصبح بالغة. كما عانت الديدم التي أكلت النباتات المعالجة بـ H8، لا سيما في مراحل اليرقات المتأخرة وفي مرحلة العذراء. وكان الحجم الفيزيائي للديدان التي نجت أصغر حجماً، ووزنها أقل بكثير من تلك التي أكلت أوراقاً غير معالجة. أما بالنسبة للديدان التي تمكنت من أن تصبح بالغة، فقد تعطلت قدرتها على التكاثر بشكل كبير؛ فالديدان التي تغذت على النباتات المعالجة بـ GL-5 وضعت بيضاً أقل بكما، واستغرقت وقتاً أطخل للبدء في وضع البيض. وجوهر الأمر هو أن الفطريات حولت نباتات الذرة إلى غذاء صعب، مما أبطأ حركة الديدو، وعرقل نموها، وقلل من قدرتها على التكاثر.

بحثت الدراسة أيضاً فيما يحدث داخل النبات وداخل الآفة لتفسير هذه النتائج. وجد الباحثون أن الفطريات غيرت التركيبة الكيميائية لأوراق الذرة؛ حيث تسببت سلالة GL-5 في تراكم مستويات أعلى من مركبات كيميائية دفاعية معينة، وتحديداً الفلافونويد والأحماض الفينولية، المعروفة بقدرتها على ردع الحشرات. وفي الوقت نفسه، غيرت الفطريات مجتمع البكتيريا الذي يعيش على سطح الورقة؛ إذ شجعت سلالة GL-5 نمو نوع معين من البكتيريا يسمى "Enterobacter"، المرتبط بإنتاج هذه المركبات الدفاعية. وفي المقابل، شجعت سلالة H8 نوعاً مختلفاً من البكتيريا يسمى "Chryseobacterium" وغيرت عملية التمثيل الغذائي للسكر في النبات. هذه التغييرات في كيمياء النبات وفي جيرانها المجهريين أدت إلى تعطيل الأنظمة الداخلية للديدان؛ حيث واجهت الديدم التي أكلت النباتات المعالجة صعوبة في معالجة السموم، فإما أن إنزيمات إزالة السموم لديها كانت مثقلة بالعمل أو تم تثبيطها، مما تركها ضعيفة وغير قادرة على النمو بشكل صحيح.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو كيف أثرت هذه التغييرات على العدو الطبيعي لدودة الحشد الخريفية: دبور طفيلي يسمى "Microplitis manilae". يصطاد هذا الدبور الديدان عن طريق وضع بيضه داخلها، مما يؤدي في النهاية إلى قتل المضيف. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت النباتات المعالجة بالفطريات ستساعد أو تضر هذه الدبابير المفيدة. ووجدوا أن سلالة GL-5 جعلت الدبابير أكثر فعالية؛ فعندما سمح للديابير بالصيد في الديدم التي كانت تتغذى على نباتات معالجة بـ GL-5، نجحت في التطفل على عدد أكبر منها، وكانت شرانق الدبابير التي أنتجتها أثقل وأقوى. يشير هذا إلى أن التغييرات في النبات جعلت الديدم أهدافاً أسهل للدبابير، ربما من خلال إضعاف الديدم أو تغيير الإشارات التي ترسلها. ومع ذلك، لم توفر سلالة H8 نفس الفائدة للدبابير، مما يسلط الض الضوء على أن السلالات الفطرية المختلفة يمكن أن يكون لها تأثيرات محددة ومتميزة على النظام البيئي بأكلمه.

تخلص الدراسة إلى أن هذه الفطريات "النهايات الداخلية" هي أدوات قوية لإدارة الآفات، لكنها تعمل بطرق مختلفة اعتماداً على السلالة المستخدمة. وتظهر سلالة GL-5 أنها الخيار الأفضل لاستراتيجية مشتركة، لأنها لا تكتفي بإضعاف الآفة بشكل مباشر فحسب، بل تعزز أيضاً أداء المفترسات الطبيعية التي تساعد في السيطرة عليها. ومن خلال إعادة تشكيل الكيمياء الداخلية للنبات ومجتمع الميكروبات على أوراقه، تخلق هذه الفطريات بيئة تجعل الآفة تكافح من أجل البقاء والتكاثر، بينما يزدهر أعداؤها الطبيعيون. يقدم هذا البحث لمحة عن مستقبل قد يستخدم فيه المزارعون هؤلاء الحلفاء المجهريين لحماية محاصيلهم، بالاعتماد على العلاقات المعقدة بين النباتات والفطريات والحشرات والبكتيريا للحفاظ على حقول صحية دون الحاجة إلى التدخل الكيميائي الكثيف. وتوفر النتائج آلية واضحة لكيفية عمل هذه التفاعلات، مما يمهد الطريق لطرق أكثر استدامة وفعالية لمحاربة واحدة من أكثر الآفات تدميراً للزراعة.