Construction of a Four-Strain Synthetic Bacillus Consortium and Evaluation of Its Biocontrol Efficacy Against Tomato Fusarium Wilt Caused by Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici

في العالم الخفي تحت التربة، تُشن حرب صامتة باستمرار. في جانب هناك النباتات، وفي الجانب الآخر، غزاة مجهريون يسعون لسرقة مغذياتها وإيقاف أنظمة دعم الحياة لديها. بالنسبة للمزارعين الذين يزرعون الطماطم، يعد أحد الأعداء الأكثر استمراراً هو فطر يسمى Fusarium oxysporum. يعيش هذا الكائن في التراب، منتظراً فرصة لدخول نبات الطماطم عبر جذوره. وبمجرد دخوله، ينتقل عبر السباكة الداخلية للنبات، مما يؤدي إلى سد تدفق الماء والمغذيات حتى تذبل النبتة وتموت. هذا المرض، المعروف باسم ذبول الفيوزاريوم، يمثل مشكلة كبيرة لمزارعي الطماطم في كل مكان، خاصة أولئك الذين يزرعون محاصيلهم في البيوت الزجاجية حيث تُستخدم التربة مراراً وتكراراً. ولأن هذا الفطر عنيد للغاية ويصعب قتله دون الإضرار بالبيئة، فقد بحث العلماء طويلاً عن حل من نوع مختلف: استخدام كائنات حية أخرى لمحاربته.

لسنوات، حاول الباحثون العثور على سلالات منفردة من البكتيريا النافعة التي يمكن أن تعمل كحراس للنباتات. هذه كائنات دقيقة تعيش بشكل طبيعي في التربة أو داخل النبات نفسه، وبعضها ينتج مواد توقف نمو الفطريات الضارة. ومع ذلك، فإن الاعتماد على نوع واحد فقط من البكتيريا غالباً ما يفشل في العالم الحقيقي. فقد تنجح سلالة واحدة جيداً في المختبر، لكنها قد تكافح من أجل البقاء في الظروف المعقدة والمتغيرة في الحقول الزراعية. الفكرة التي اكتسبت زخماً مؤخراً هي استخدام فريق، أو "كونسورتيوم" (مجموعة)، من بكتيريا مختلفة تعمل معاً. تماماً كما أن النظام البيئي المتنوع يكون عادةً أكثر استقراراً من النوع الواحد، فإن مجموعة من البكتيريا المختلفة قد تكون أفضل في حماية النبات مما يمكن لأي منها فعله بمفردها. التحدي، مع ذلك، يكمن في معرفة أي البكتيريا يجب اختيارها بالضبط وما هي النسب لخلطها بحيث تعمل معاً دون أن تتصارع فيما بينها.

قام فريق من الباحثين في جامعة جيلين الزراعية في الصين ببناء مثل هذا الفريق خصيصاً للطماطم. بدأوا بجمع عينات من مكانين مختلفين: التربة المحيطة بجذور نباتات الطماطم، والأنسجة الداخلية لنباتات الطماطم السليمة نفسها. ومن التربة، عزلوا مئات السلالات البكتيرية، ومن داخل النباتات، وجدوا عدداً أكبر. ثم أخضعوا هذه البكتيريا لسلسلة من الاختبارات لمعرفة أي منها كان الأفضل في إيقاف نمو فطر الفيوزاريوم. وبعد تضييق نطاق مجموعة كبيرة من المرشحين، اختاروا أربع سلالات محددة أظهرت أقوى قدرة على تثبيط الفطر في طبق مخبري. جاءت اثنتان من هذه البكتيريا من التربة، ووجد الاثنتان الأخريان تعيشان داخل نباتات الطماطم.

حدد الباحثون هذه السلالات الأربع كأنواع مختلفة من بكتيريا Bacillus، وهي مجموعة شائعة وقوية من البكتيريا. وقبل أن يتمكنوا من خلطها، كان عليهم التأكد من أن البكتيريا ستنسجم مع بعضها البعض. اختبروا ما إذا كانت البكتيريا ستهاجم بعضها البعض إذا وضعت في حاوية واحدة، ووجدوا أنها لم تفعل ذلك. بدلاً من ذلك، تعايشت بسلام، مما يعني أنه يمكن دمجها في خليط واحد. الخطوة التالية كانت الجزء الأكثر صعوبة في اللغز: تحديد الوصفة المثالية. كان على الفريق معرفة مقدار كل نوع من أنواع البكتيريا الأربعة لإدراجها للحصول على أفضل نتيجة. استخدموا طريقة متطورة لاختبار تركيبات مختلفة، مع تغيير كميات كل سلالة لمعرفة أي خليط سينتج أقوى دفاع ضد الفطر.

من خلال هذه العملية، اكتشفوا أن إحدى البكتيريا، والتي أطلقوا عليها اسم F-29، كانت العضو الأهم في المجموعة. لقد عملت كقائدة أو سلالة مهيمنة، حيث ساهمت بأكبر قدر في قدرة الفريق على محاربة الفطر. لعبت البكتيريا الثلاث الأخرى أدواراً داعمة، لكنها كانت لا تزال ضرورية. حسب الباحثون النسبة المثالية للخليط لتكون حوالي جزأين من سلالة التربة الأولى، وجزأين من سلالة النبات الأولى، وجزأين من سلالة التربة الثانية، وخمسة أجزاء ونصف من سلالة النبات المهيمنة. بهذا الوصفة المحددة، صنعوا مرق تخمير، وهو في الأساس ثقافة سائلة حيث نمت البكتيريا وأطلقت موادها الواقية.

عندما اختبروا هذا الخليط الأمثل، كانت النتائج واعدة. استطاع المرق السائل إيقاف نمو الفطر بفعالية، وظلت هذه القوة قوية حتى عند تخفيف السائل بشكل كبير، مما يشير إلى أن البكتيريا أنتجت دفاعاً قوماً ومستقراً. لكن الفريق أراد معرفة ما إذا كان هذا الخليط يمكنه فعل أكثر من مجرد قتل الفطر في طبق؛ أرادوا رؤية ما إذا كان بإمكانه حقاً مساعدة نبات الطماطم على النمو والبقاء صحياً. قاموا بتطبيق المرق على بذور الطماطم والشتلات الصغيرة. ووجدوا أن المعالجة ساعدت البذور على الإنبات بشكل أسرع ونمو شتلات أقوى بجذور أطول وأوراق أكثر اخضراراً. كما أظهرت النباتات المعالجة مستويات أعلى من الكلوروفيل، وهو الصبغة الخضراء الضرورية لعملية التمثيل الضوئي، وكانت إنزيماتها الداخلية التي تساعد في معالجة النيتروجين أكثر نشاطاً.

ولعل الأهم من ذلك، أن الباحثين نظروا في كيفية تفاعل النباتات عندما تتعرض للهجوم الفعلي من الفطر. وجدوا أن النباتات المعالجة بالخليط البكتيري كانت أكثر استعداداً للمعركة. فعندما حاول الفطر الغزو، قامت النباتات المعالجة بتنشيط أنظمة دفاعها الطبيعية بشكل أسرع وأقوى من النباتات غير المعالجة. لقد أنتجت مستويات أعلى من إنزيمات محددة تعمل كدرع، مما يساعد في تحييد الضرر الناتج عن الغازي. وهذا يشير إلى أن البكتيريا لم تقاتل الفطر مباشرة فحسب، بل علمت النبات أيضاً كيف يدافع عن نفسه بشكل أفضل.

ولرؤية ما إذا كان هذا سيعمل في بيئة واقعية، أجرى الفريق تجربة في أصص مليئة بالتربة. أصابوا بعض نباتات الطماطم بالفطر ثم عالجوا غيرها بخليطهم البكتيري. أظهرت النتائج أن الخليط كان فعالاً في منع المرض عند تطبيقه قبل العدوى، وكان أكثر فعالية في علاج النباتات عند بدء العدوى بالفعل. كانت النباتات المعالجة تعاني من شدة مرض أقل بكثير مقارنة بتلك غير المعالجة. وحسب الباحثون أن الخليط وفر تأثيراً وقائياً بنسبة 53 بالمائة وتأثيراً علاجياً بنسبة 60 بالمائة.

بينما تعد هذه النتائج مشجعة، يلاحظ الباحثون بحذر أن هذا العمل تم في بيئة محكومة. الاختبار الحقيقي سيأتي عندما يتم تجربة هذا الخليط في حقول مفتوحة مع أنواع مختلفة من التربة، وظروف جوية متنوعة، وسلالات مختلفة من الفطر. كما أشاروا إلى أنه بينما يعرفون أن الخليط يعمل، إلا أنهم لم يحددوا بعد المواد الكيميائية المحددة التي تنتجها البكتيريا لمحاربة الفطر. إن فهم كيفية قتل البكتيريا للفطر بدقة وكيفية تعزيزها لجهاز المناعة لدى النبات سيكون الخطوة التالية في أبحاثهم. أما الآن، فإن هذه الدراسة تقدم مثالاً ملموساً على كيفية دمج أنواع مختلفة من البكتيريا النافعة لخلق أداة قوية لحماية المحاصيل، مما يوفر بديلاً محتملاً للمبيدات الكيميائية لواحد من أهم الخضروات في العالم.