Optimization of Culture Medium Composition for Increase the Phosphate-Solubilizing Activity of Penicillium waksmanii UCM F-2729

يعد الفوسفور عنصراً غذائياً حيوياً لكل نبات، فهو يعمل كوقود للنمو، ومحرك للطاقة، وإشارة للتطور. وبدونه، تعاني المحاصيل في ترسيخ جذورها أو إنتاج الثمار. ومع ذلك، في العديد من التربة حول العالم، يظل هذا العنصر الأساسي محبوساً في أشكال لا تستطيع النباتات الوصول إليها، حيث يظل عالقاً في المعادن أو مرتبطاً بقوة بعناصر أخرى. ولإطعام العالم، غالباً ما يلجأ المزارعون إلى إضافة الأسمدة الكيميائية لتحرير هذا الفوسفور، لكن هذه الحلول تأتي بثمن باهظ؛ فمعظم الأسمدة المضافة لا تصل أبداً إلى النبات، بل تظل عالقة في التربة أو تنجرف بعيداً، مما يؤدي إلى تلوث المجاري المائية وخلق مناطق ميتة لا يمكن لشيء أن يعيش فيها. ومع ذلك، فإن الطبيعة لديها حلها الخاص؛ إذ تمتلك كائنات دقيقة تعيش في التربة، بما في ذلك أنواع معينة من الفطريات، قدرة فريدة على إذابة هذه المعادن المحبوسة، وتحويلها إلى غذاء يمكن للنباتات استخدامه بالفعل. تقدم هؤلاء العمال المجهريون مساراً نحو زراعة أنظف وأكثر استدامة، ولكن لجعلهم فعالين حقاً، يجب على العلماء أولاً فهم كيفية مساعدتهم على العمل بأفضل حالاتهم.

في دراسة حديثة، ركز الباحثون على فطر محدد يسمى Penicillium waksmanii، وهي سلالة تم عزلها من مجموعة في أوكرانيا. وبينما كان هذا الفطر معروفاً بالفعل بقدرته على إذابة الفوسفور، أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم جعله أكثر كفاءة بشكل ملحوظ. لقد عاملوا الفطر كعامل في مصنع، متسائلين عن المكونات المحددة في غذائه التي ستساعده على إنتاج أكبر قدر من المخرجات. بدأ الفريق باختبار خليط غذائي مخبري قياسي، يُعرف باسم NBRIP، والذي يحتوي على شكل من أشكال فوسفات الكالسيوم الذي يجب على الفطر تفكيكه. وعلى هذا النظام الغذائي القياسي، نجح الفطر في إطلاق كمية قابلة للقياس من الفوسفور الذائب، مما أثبت إمكاناته. ومع ذلك، اشتبه الباحثون في أنه من خلال تعديل الوصفة، يمكنهم إطلاق قدر أكبر بكثير من الأداء.

للعثور على الوصفة المثالية، اختبر الفريق أولاً مجموعة واسعة من المكونات لمعرفة أي منها يفضله الفطر. فقد استبدلوا مصدر السكر القياسي بأنواع مختلفة من الكربوهيدرات، تتراوح من السكريات البسيطة مثل الجلوكوز إلى المعقدة مثل النشا، واستبدلوا مصدر النيتروجين القياسي بخيارات مثل مستخلص الخميرة، واليوريا، والكازين. كانت النتائج واضحة: أدى الفطر أفضل أداء عندما غُذي بالجلوكوز ومستخلص الخميرة. فعند نموه مع هذه المكونات المحددة، أطلق الفطر كمية أكبر بكثير من الفوسفور مقارنة بأي تركيبة أخرى. وقد قلص هذا المسح الأولي المجال، محدداً المكونين الأكثر أهمية للمرحلة التالية من التجربة.

بعد تحديد أفضل المكونات، انتقل الباحثون إلى مرحلة أكثر دقة من التحسين. لم يكتفوا بالتخمين بشأن الكميات الصحيحة، بل استخدموا طريقة منهجية لاختبار خمسة عشر مزيجاً مختلفاً من الجلوكوز، ومستخلص الخميرة، ومصدر الفوسفور في وقت واحد. سمح لهم هذا النهج برسم خريطة لكيفية تأثير تغيير تركيز كل مكون على النتيجة النهائية. واكتشفوا أن كمية الجلوكوز كانت محركاً رئيسياً؛ حيث أدت زيادة الجلوكوز عموماً إلى إطلاق المزيد من الفوسفور، دون العثور على حد واضح ضمن النطاق الذي اختبروه. أما مستخلص الخميرة، فقد تصرف بشكل مختلف؛ إذ كان له "نقطة مثالية"، فكانت كميته القليلة جداً أو الكثيرة جداً تقلل من كفاءة الفطر، بينما سمح تركيز متوسط محدد له بالعمل في ذروة أدائه. أما كمية مصدر الفوسفور نفسه، فقد كان لها تأثير ضئيل بشكل مفاجئ على النتيجة. ومن خلال إيجاد التوازن الدقيق لهذه المكونات الثلاثة، خلق الفريق بيئة محسنة عززت قدرة الفطر على إذابة الفوسفور بنسبة 64 بالمائة مقارنة بالطريقة القياسية.

كما بحثت الدراسة في الآليات الكامنة وراء هذا النجاح. فبينما كان الفطر يعمل، جعل السائل المحيط أكثر حموضة، وهي عملية تساعد في إذابة المعادن. ووجد الباحثون ارتباطاً قوًا بين انخفاض الحموضة هذا وكمية الفوسفور المنطلق، مما أكد أن إنتاج الحمض هو جزء رئيسي من العملية. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنهم رصدوا إنتاج "السيدروفورات" (siderophores)، وهي مركبات تصنعها الفطريات عادةً للإمساك بالحديد. ووجدت الدراسة صلة قوية بين إنتاج هذه المركبات الجاذبة للحديد وإطلاق الفوسفور، مما يشير إلى أن الفطر قد يستخدم استراتيجية مزدوجة لفتح المغذيات. ويعد هذا اكتشافاً لافتاً، حيث لم يسبق الإبلاغ عن إنتاج هذه المركبات المحددة بواسطة هذا الفطر بعينه.

أظهرت النتائج النهائية أنه من خلال ضبط الإمداد الغذائي بعناقة، استطاع الباحثون تحويل فطر قادر إلى حلّال فوسفور عالي الكفاءة. فقد أطلقت السلالة المحسنة أكثر من 6,000 وحدة من الفوسفور الذائب، وهو تحسن هائل مقارنة بالاختبارات الأولية. وتخلص الدراسة إلى أن هذه السلالة المحددة من Penicillium waksmanii هي مرشح واعد للاستخدام الزراعي المستقبلي. فمن خلال فهم ما يحتاجه هذا الميكروب بالضبط ليزدهر، يمكن للعلماء تطوير أسمدة أفضل وصديقة للبيئة تساعد النباتات على الوصول إلى المغذيات التي تحتاجها دون الضرر البيئي الناتج عن الجريان الكيميائي. ويبرهن هذا العمل على أنه مع توفر الظروف المناسبة، يمكن توجيه مساعدي الطبيعة المجهريين لحل بعض التحديات الأكثر إلحاحاً في الزراعة الحديثة.