The effect of Rhizobium-field pea symbiosis on host plant quality and subsequent herbivory by the pea leaf weevil, Sitona lineatus (Coleoptera: Curculionidae)

في العالم الخفي القابع تحت التربة، تشكل شراكة هادئة صحة عالم النباتات في الأعلى. فالعديد من النباتات، لا سيما تلك التي تنتمي إلى الفصيلة البقولية مثل البازلاء والفاصوليا، تعقد اتفاقاً متبادلاً مع بكتيريا دقيقة تسمى "الريزوبيا". تعيش هذه البكتيريا داخل نتوءات صغيرة على جذور النبات، تُعرف باسم العقد الجذرية. وفي مقابل الحصول على مكان للعيش وسكر من النبات، تؤدي البكتيريا خدمة حيوية: فهي تسحب غاز النيتروجين من الهواء وتحوله إلى شكل يمكن للنبات استخدامه للنمو. هذه العملية، المعروفة باسم تثبيت النيتروجين، تعمل كسماد طبيعي، مما يسمح للنبات بالازدهار دون الحاجة إلى مغذيات إضافية من الأرض. ومع ذلك، فإن هذا التحالف تحت الأرض لا يوجد في فراغ؛ إذ يغير النيتروجين الإضافي من كيمياء النبات وتركيبته الغذائية، وهو ما يؤثر بدوره على الحشرات التي تتغذى عليه. وبالنسبة للمزارعين وعلماء البيئة، يعد فهم هذا التفاعل المتسلسل أمراً بالغ الأهمية؛ فإذا كانت البكتيريا تجعل النبات أكثر تغذية، فقد يجذب ذلك المزيد من الآفات، وإذا جعلته أكثر دفاعاً، فقد يصدها. إن التوازن بين النمو والحماية هو ما يحدد مقدار المحصول الذي ينجو حتى الحصاد.

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة ألبرتا في استكشاف هذا التوازن الدقيق باستخدام البازلاء الحقلية وآفة شائعة تُعرف باسم "سوسة أوراق البازلاء". تمتلك هذه الخنافس الصغيرة دورة حياة معقدة تتغير احتياجاتها على مدار العام. في الربيع، تخرج الخنافس البالغة من سباتها الشتوي، وتتزاوج، وتضع بيضها في التربة. ثم تفقس يرقاتها وتتغذى حصرياً على العقد الجذرية، آكلةً ذات البكتيريا التي تساعد النبات على النمو. لاحقاً في العام، يظهر جيل جديد من البالغين. هذه الخنافس الخريفية لا تتكاثر، بل تتغذى بدلاً من ذلك على أوراق أنواع مختلفة من البقوليات لبناء احتياطيات الطاقة قبل عودة الشتاء. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان وجود البكتيريا المثبتة للنيتروجين في الجذور يغير جودة الأوراق، وبالتالي، ما إذا كانت الخنافس تفضل أكل النباتات التي تحتوي على هذه البكتيريا المفيدة أو تلك التي لا تحتوي عليها. كما تساءلوا عما إذا كان سلوك الخنافس يتغير اعتماداً على ما إذا كانت في مرحلة التكاثر الربيعية أو مرحلة التغذية الخريفية.

ولإيجاد الإجابة، قام العلماء بزراعة نباتات البازلاء الحقلية في بيئة محكومة وعاملوها بأربع طرق مختلفة. تلقت بعض النباتات سلالة من البكتيريا التي تثبت النيتروجين، بينما تلقت أخرى سلالة طافرة تشكل عقدًا جذرية ولكنها لا تستطيع تثبيت النيترجم. كما عملت مجموعتان أخريان كمجموعات ضابطة؛ حيث تلقت إحداهما سماد نيتروجين اصطناعي، بينما تلقت الأخرى الماء فقط. أدخل الفريق خنافس البالغة في أقفاص تحتوي على هذه النباتات، وأجروا هذه الاختبارات في أوقات مختلفة من السنة لتتوافق مع الدورات الطبيعية للخنافس، حيث اختبروها عند خروجها للتو من الشتاء، وعندما كانت نشطة في الربيع، وعندما كانت تستعد لقضاء الشتاء في الخريف. قام الباحثون بعدّ آثار العضات، أو الثلمات، التي تركتها الحشرات على الأوراق لقياس مقدار ما أكلته. كما قاموا بقياس طول النباتات، وعدّ العقد الجذرية، وتحليل التركيب الكيميائي للأوراق، وتحديداً البحث في محتوى النيتروجين ومستويات الكلوروفيل، التي تشير إلى مدى اخضرار النبات وصحته.

كشفت النتائج عن نمط واضح يعتمد كلياً على الحالة الجسدية للخنفساء. فالخنافس الربيعية، التي كانت مشغولة بالتكاثر، لم تظهر أي تفضيل لأي من النباتات؛ فقد أكلت كميات متساوية تقريباً من النباتات المثبتة للنيتروجين، والنباتات غير المثبتة، والمجموعات الضابطة. وبالمثل، لم تظهر الخنافس التي استيقظت للتو من الشتاء أي تفضيل قوي. ومع ذلك، حكت الخنافس الخريفية قصة مختلفة؛ فهذه الحشرات، التي لم تكن تتكاثر وتركز على جمع الطاقة للأشهر الباردة القادمة، فضلت بشدة النباتات التي تحتوي على البكتيريا المثبتة للنيتروجين، حيث تركت علامات عض أكثر بكثير على النباتات التي تحتوي على البكتيريا المفيدة مقارنة بالمجموعات الأخرى.

لم يكن هذا التفضيل لغزاً بالنسبة للباحثين، حيث أن النباتات نفسها كانت تروي القصة؛ فقد نمت البازلاء التي تم تلقيحها بالبكتيريا المثبتة للنيتروجين بشكل أطول وطورت أوراقاً ذات مستويات أعلى من الكلوروفيل والنيتروجين مقارنة بالنباتات الأخرى. وجوهرياً، جعلت البكتيريا النباتات أكثر تغذية وحيوية. وقد اختارت الخنافس الخريفية، المدفوعة بالحاجة إلى تخزين الطاقة، المصدر الغذائي الأكثر جودة المتاح. يتحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن البكتيريا المفيدة تحمي النباتات دائماً بجعل مذاقها سيئاً أو عبر تطوير دفاعات كيميائية ضد الحشرات؛ ففي هذه الحالة المحددة، جعلت البكتيريا النبات وجبة أفضل للآفة. ويشير البحث إلى أنه بالنسبة لجيل الخريف من سوسة أوراق البازلاء، فإن الدافع لإيجاد تغذية عالية الجودة يتجاوز أي دفاعات كيميائية محتملة قد يكون النبات قد طورها. كما لاحظ الباحثون أنه رغم أن سماد النيتروجين ساعد النباتات أيضاً على النمو، إلا أنه لم ينتج نفس مستوى التفضيل لدى الخنافس كما فعلت الشراكة البكتيرية الطبيعية، مما يشير إلى أن العلاقة بين النبات والبكتيريا تتضمن ما هو أكثر من مجرد النيتروجين نفسه.

يسلط هذا العمل الضوء على كيفية تحديد احتياجات الحشرة لعلاقتها مع النبات. فعندما كانت الخنافس تركز على التكاثر في الربيع، لم يبدُ أن الاختلافات الغذائية بين النباتات تهم. ولكن عندما تغير هدفها إلى البقاء وتخزين الطاقة في الخريف، أصبح الجودة الفائقة للنباتات المغذاة بالبكتيريا هو العامل الحاسم. يضيف هذا المنظور طبقة جديدة لفهمنا لكيفية تأثير ميكروبات التربة على العالم فوق سطح الأرض؛ فهو يشير إلى أن إدارة الآفات قد تتطلب النظر في مرحلة الحياة المحددة للحشرة والحالة الغذائية للمحصول. ومن خلال فهم أن البكتيريا التي من المفترض أن تساعد النبات يمكن أن تجعله أيضاً أكثر جاذبية للآفات الجائعة المستعدة للشتاء، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل متى وأين ستسبب هذه الحشرات أكبر قدر من الضرر. لا تقدم الدراسة حلاً بسيطاً، لكنها تقدم صورة أوضح للقوى الخفية التي تشكل التفاعلات بين التربة والنباتات والحشرات التي تتغذى عليها.