Rhizobacterial genetic diversity associated with Paspalum atratum and Paspalum notatum by metagenomic analysis

تحت سطح كل نبات، تقبع مدينة صاخبة وغير مرئية. هذه هي "الريزوسفير" (المحيط الجذري)، وهي المنطقة الضيقة من التربة المحيطة بجذور النبات مباشرة، حيث تعيش مجتمعات معقدة من البكتيريا في شراكة وثيقة مع عائلها. هؤلاء السكان المجهريون ليسوا سلبيين؛ بل يساعدون النبات بنشاط في جمع العناصر الغذائية، والدفاع ضد الأمراض، ومقاومة الإجهاد البيئي. وفي المقபுل، يوفر لهم النبات السكريات والمأوى. ولأن هذه العلاقة حيوية جدًا للزراعة وصحة النظم البيئية، يهتم العلماء بشكل متزايد بفهم أي أنواع من البكتيريا تعيش أين ولماذا. إن تكوين هذه المجتمعات ليس عشوائيًا؛ بل يتم تشكيله بواسطة نوع النبات المحدد والطبيعة الكيميائية للتربة، ولا سيما عوامل مثل الحموضة وتوافر العناصر الغذائية. إن فهم هذه الشراكات الخفية يفتح مسارًا نحو زراعة أكثر استدامة، حيث يمكن لإدارة الحياة الميكروبية في التربة أن تقلل من الحاجة إلى الأسمدة الكيميائية وتحسن قدرة المحاصيل على الصمود.

في دراسة حديثة، وجه الباحثون اهتمامهم إلى نوعين محددين من الأعشاب الأصلية في أمريكا الجنوبية: Paspalum notatum و Paspalum atratum. وبينما ينتمي كلاهما إلى نفس الجنس ويعدان ذوي قيمة زراعية — أحدهما يُستخدم غالبًا كعشب للملاعب والآخر كعلف للماشية — لم يتم مقارنتهما جنبًا إلى جنب فيما يتعلق بالبكتيريا التي تعيش في جذورهما من قبل. وللتحقيق في ذلك، اختار الفريق أصنافًا جينية محددة من هذه الأعشاب، تُعرف باسم "الأصول الوراثية"، والتي يتم الحفاظ عليها في بنك للموارد الوراثية في مؤسسة "إمبرافا بيكواريا سوديستي" (Embrapa Pecuária Sudeste) في البرازيل. هذه الأصول، التي تحمل الرموز BGP 26 لـ P. notatum و BGP 308 لـ P. atratum، كانت تنمو في نفس الموقع لأكثر من عقد من الزمان، وتتلقى عناية ومياه وأسمدة متطابقة. كان هذا الإعداد المنضبط أمرًا بالغ الأهمية، لأنه يعني أن أي اختلافات يتم العثور عليها في بكتيريا التربة يمكن إرجاعها إلى النباتات نفسها وليس إلى الاختلافات في كيفية زراعتها.

قام الباحثون بجمع عينات من التربة من المنطقة المجاورة مباشرة لجذور هذه الأعشاب. ثم قاموا باستخراج الحمض النووي (DNA) الكلي من هذه العينات، مما مكنهم من التقاط المادة الوراثية لكل بكتيريا موجودة. وباستخدام تقنية تسمى "الميتاباركودينج" (Metabarcoding)، ركزوا على جزء محدد من جين الحمض النووي الريبوزي 16S، وهو علامة جزيئية تعمل بمثابة "باركود" لتحديد الأنواع المختلفة من البكتيريا. ومن خلال تسلسل هذا الحمض النووي، تمكنوا من عد وتصنيف آلاف المجموعات البكتيرية الموجودة في كل عينة. وقد كشف التحليل أنه بينما استضاف كلا العشبين مجتمعات بكتيرية متنوعة، فإن التكوين المحدد لهذه المجتمعات كان مختلفًا بشكل واضح لكل نوع.

حددت الدراسة واحد وثلاثين مجموعة رئيسية من البكتيريا التي كانت موجودة بأعداد كبيرة. تنتمي هذه المجموعات إلى تسع عائلات كبيرة أو "شعب" مختلفة من البكتيريا. وكانت المجموعتان الأكثر هيمنة عبر كلا العشبين هما "Proteobacteria" و "Acidobacteria"، اللتان شكلتا معًا غالبية الجمهرة البكتيرية. ومع ذلك، فإن التوازن بين هاتين المجموعتين يتغير بشكل كبير اعتمادًا على النبات. ففي التربة حول P. notum، كانت "Proteobacteria" هي الأكثر وفرة، بينما في التربة حول P. atratum، تصدرت "Acidobacteria" المشهد. وأكد التحليل الإحصائي أن تسع عشرة مجموعة من هذه المجموعات البكتيرية كانت أكثر شيوعًا بشكل ملحوظ في أحد النوعين مقارنة بالآخر، مما يشير إلى ارتباط قوي خاص بكل نوع.

بدا أن العامل الرئيسي وراء هذا الاختلاف هو حموضة التربة. فرغم أنه تمت إدارة القطع الأرضية بشكل متطابق، إلا أن التربة حول P. atratum كانت أكثر حموضة بشكل ملحوظ، حيث تراوح مستوى الأس الهيدروجيني (pH) فيها بين 5.0 و 5.6، مقارنة بالتربة الأكثر تعادلًا حول P. notatum، والتي تراوحت بين 6.4 و 7.0. وقد ارتبط هذا الاختلاف في الحموضة تمامًا مع الجمهرات البكتيرية. فالبكتيريا التي ازدهرت حول P. atratum الأكثر حموضة تنتمي إلى حد كبير إلى مجموعة فرعية من "Acidobacteria" التي تفضل بيئات الأس الهيدروجيني المنخفض. وعلى العكس من ذلك، فإن البكتيريا المهيمنة في تربة P. notatum شملت عائلات مثل "Nitrosomonadaceae"، التي تشارك في تحويل الأمونيا وتميل إلى تفضيل الظروف المتعادلة أو القلوية قليلاً. لاحظ الباحثون أيضًا أن التربة حول P. atratum كانت تحتوي على مستويات أقل من الكالسيوم والمغنيسيوم ومستويات أعلى من الحموضة المحتملة، مما ميز بيئتها الكيميائية عن النوع الآخر من العشب.

تشير النتائج إلى أن نوع العشب نفسه يلعب دورًا حاسمًا في تشكيل جيرانه الميكروبيين، ويرجح أن ذلك يتم عبر تغيير كيمياء التربة من خلال نشاط الجذور. بالنسبة لـ P. atratum، سلطت الدراسة الضوء على مجتمع غني من "Acidobacteria"، بما في ذلك عائلات معروفة بإنتاج إنزيمات قادرة على تحرير الفوسفور من التربة، وهو عنصر غذائي غالبًا ما يكون محبوسًا في الظروف الحمضية. أما بالنسبة لـ P. notatum، فإن وجود بكتيريا تشارك في دورة النيتروجين، مثل تلك الموجودة في عائلة "Nitrosomonadaceae"، يشير إلى تفاعلات أيضية مختلفة. لم تثبت الدراسة أن هذه البكتيريا ضرورية لبقاء النباتات على قيد الحياة، لكنها أظهرت أن النوعين من الأعشاب يخلقان بيئات ميكروبية متميزة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالظروف الكيميائية المحددة لجذورهما.

يوفر هذا البحث خريطة تأسيسية للحياة البكتيرية المرتبطة بهذه الأعشاب ذات الأهمية الاقتصادية. ومن خلال إظهار أن أنواعًا مختلفة من نفس الجنس تستضيف مجتمعات بكتيرية مختلفة حتى تحت ظروف نمو متطابقة، تؤكد الدراسة على تعقيد التفاعلات بين النبات والتربة. وتشير النتائج إلى أن درجة حموضة التربة (pH) هي محرك قوي لهذه الاختلافات، حيث تعمل كمرشح يختار مجموعات بكتيرية محددة. وبالنسبة للمديرين الزراعيين والمربين، توفر هذه المعرفة منظورًا جديدًا: إذ قد تتطلب إدارة صحة التربة لهذه الأعشاب تخصيص الممارسات لتناسب الاحتياجات الميكروبية لكل نوع. ويمكن للأعمال المستقبلية أن تستكشف ما إذا كان يمكن تسخير هذه المجتمعات البكتيرية المحددة لتحسين النمو في التربة الصعبة، لا سيما في الترب الحمضية حيث يبدو أن P. atratum يمتلك ميزة طبيعية.