Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

القطن أكثر من مجرد نسيج؛ إنه محرك زراعي عالمي، حيث تزرع الهند وحدها ما يقرب من نصف حقول القطن في العالم. ومع ذلك، يواجه هذا المحصول الحيوي عدوًا خفيًا تحت الأرض. فطر مجهري يسمى Rhizoctonia solani يعيش في التربة، منتظرًا مهاجمة شتلات القطن الصغيرة. يتسبب هذا الفطر في حالة تُعرف باسم "موت البادرات" (damping-off)، حيث تتعفن سيقان الشتلات عند القاعدة، مما يؤدي إلى انهيارها وموتها قبل أن تتمكن حتى من الاستقرار. لعقود من الزمن، حارب المزارعون هذا العدو بالمبيدات الفطرية الكيميائية، لكن هذه المواد الكيميائية يمكن أن تضر بالتربة والميكروبات المفيدة التي تعيش بداخلها، بينما يمكن للفطر نفسه أن يتعلم في النهاية مقاومتها. ومع ذلك، تقدم الطبيعة نوعًا مختلفًا من الحلول. فداخل أنسجة النباتات السليمة، تختبئ فطريات مجهرية تسمى "النباتات الداخلية" (endophytes). هذه ليست غزاة؛ بل هي سكان دائمون غير ضارين يعيشون داخل النبات دون التسبب في المرض. وفي كثير من الحالات، تعمل هذه الضيوف الداخلية كحراس، حيث تنتج مركبات تطرد الآفات أو تحفز الجهاز المناعي للنبات ليكون مستعدًا للهجوم.

وضع فريق من الباحثين في المعهد المركزي لأبحاث القطن في ناغبور، الهند، خطة لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام هؤلاء الحراس الداخليين لحماية القطن من الفطر القاتل في التربة. ركزوا على ثلاثة أنواع محددة من الفطريات الداخلية التي وجدوها سابقًا تعيش داخل نباتات القطن السليمة. أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم إيقاظ الدفاعات الطبيعية لنبات القطن قبل وصول العدو. وللقيام بذلك، أخذوا بذور القطن ونقعوها في سائل يحتوي على أبواغ هذه الفطريات المفيدة، وهي عملية تُعرف باسم "التحفيز الحيوي للبذور" (seed biopriming). هذه الخطوة منحت البذور انطلاقة مبكرة، حيث غلفتها بحلفائها المجهريين الجدد. ثم زرعوا هذه البذور المعالجة في تربة مصابة بالفطر المسبب للمرض، جنبًا إلى جنب مع بذور لم تتلقَ أي معالجة. كان الهدف هو مراقبة كيف ستصمد النباتات المعالجة ضد العدوى وفهم ما يحدث بالضبط داخل خلايا النبات لجعلها أقوى.

أظهرت النتائج أن هذه الاستراتيجية نجحت بشكل ملحويد. فقد نمت البذور المعالجة بالفطريات المفيدة لتصبح شتلات أكثر قدرة على النجاة من الهجوم مقارلة بالبذور غير المعالجة. في الواقع، أظهرت البذور المعالجة بنوع واحد محدد من الفطريات الداخلية، وهو Daldinia eschscholtz-ii، أعلى معدلات الإنبات، حيث نجحت نسبة 91 بالمائة منها في الإنبات بنجاح حتى في وجود المرض، مقارنة بـ 67 بالمائة فقط للبذور غير المعالجة في التربة المصابة. لكن القصة تمتد إلى ما هو أبعد من معدلات البقاء. فقد نظر الباحثون داخل أنسجة النباتات الناجية لمعرفة التغيرات البيوكيميائية التي حدثت. ووجدوا أن النباتات المعالجة كانت في حالة استنفار قصوى؛ فقد راكمت مستويات أعلى بكثير من البروتينات والسكريات، والتي تعمل كبنات بناء ووقود لآلية الدفاع في النبات. كما أنتجت النباتات المزيد من المركبات الفينولية، التي تعمل كمطهرات طبيعية وتساعد في تقوية جدران خلايا النبات، مما يجعل اختراق الفطر الغازي أصعب.

كما قاس الباحثون نشاط إنزيمات محددة، وهي الأدوات التي يستخدمها النبات للرد بقوة. أظهرت النباتات المعالجة طفرة في النشاط المضاد للأكسدة، مما يساعد في تحييد المواد الكيميائية الضارة التي يطلقها فطر المرض لإتلاف النبات. وكان أحد الإنزيمات، المسمى "كاتالاز" (catalase)، والذي يساعد في تكسير النواتج الثانوية السامة لاستجابة النبات المناعية، نشطًا بشكل خاص في النباتات المعالجة بـ Daldinia eschscholtz-ii. كما كان إنزيم "بيروكسيداز" (peroxidase)، المسؤول عن تصلب جدران خلايا النبات، نشطًا للغاية أيضًا، خاصة في النباتات المعالجة بفطر داخلي آخر يسمى Trichoderma sulphureum. ولعل الدليل الأكثر وضوحًا هو الدليل الجيني؛ فقد فحص الباحثون الجينات المسؤولة عن إنتاج "الكيتيناز" (chitinase) و"بيتا-1،3-جلوكاناز" (beta-1,3-glucanase)، وهما سلاحان قويان يستخدمهما النبات لتفكيك الجدران الخلوية الفطرية. في النباتات المعالجة بالفطريات المفيدة، تم تفعيل التعليمات الخاصة بصنع هذه الأسلحة بسرعة وكثافة مذهلتين. ففي غضون خمسة عشر يومًا من الزراعة، ارتفع نشاط جين "الكيتيناز" بمقدار ستة وعشرين ضعفًا في النباتات المعالجة بـ Daldinia eschscholtz-ii، بينما سجل جين "بيتا-1،3-جلوكاناز" زيادة قدرها تسعة أضعاف. وهذا يشير إلى أن الفطريات الداخلية لم تكتفِ بمحاربة المرض بشكل مباشر فحسب، بل علمت نبات القطن كيف يقاتل من أجل نفسه.

لاحظ الباحثون أن استجابة الدفاع هذه لم تكن حدثًا واحدًا، بل جهدًا منسقًا تطور بمرور الوقت. وبينما كانت الإشارات الجينية في ذروتها في الأيام الأولى من حياة النبات، استمرت الدفاعات البيوكيميائية، مثل تراكم السكريات والبروتينات، في التراكم مع نمو النباتات. وهذا يشير إلى أن الفطريات الداخلية قد هيأت النبات ليكون مستعدًا للهجوم فورًا، ثم ساعدت في استدامة هذا الدفاع مع نضوج النبات. لم تجد الدراسة أن الفطريات الداخلية قضت على فطر المرض تمامًا، بل أنها قللت بشكل كبير من الضرر الذي يمكن أن يسببه. لم تكن النباتات المعالجة بالفطريات الداخلية محصنة، لكنها كانت مرنة بما يكفي للنجاة والنمو حيث كانت النباتات غير المعالجة ستهلك. يقدم هذا النهج بديلًا واعدًا للرش الكيميائي، بالاعتماد على الشراكة الطبيعية بين النباتات والحياة المجهرية التي تستضيفها. فمن خلال مجرد نقع البذور في محلول من هذه الفطريات المفيدة، يمكن للمزارعين حماية محاصيلهم بطريقة فعالة ولطيفة على البيئة، محولين الحلفاء الداخليين لنبات القطن إلى خط دفاعه الأول ضد عدو مستمر ومدمر.