يؤثر الحديد على مناعة النبات وقد يعزز المرونة ضد تغير المناخ

يؤثر الحديد على مناعة النبات وقد يعزز المرونة ضد تغير المناخ

اكتشف باحثو سالك أن جزيء IMA1 يربط بين تغذية الحديد النباتي والمناعة، مما يوفر هدفًا محتملاً جديدًا للمساعدة في تحسين مرونة النبات

لا جولا - تعتمد النباتات والحيوانات على حد سواء على الحديد لنمو وتنظيم الميكروبات - مجموعات من البكتيريا والفطريات وغيرها التي تتعايش في أماكن مثل الأمعاء البشرية أو التربة المحيطة بجذور النباتات. تواجه النباتات تحديًا خاصًا عند الحصول على الحديد، نظرًا لأن الاستراتيجيات التي تستخدمها النباتات لزيادة توافر الحديد تغير ميكروبيوم الجذر ويمكن أن تفيد البكتيريا الضارة التي تعيش في التربة عن غير قصد.

الآن، اكتشف علماء سالك كيف تدير النباتات نقص الحديد دون مساعدة البكتيريا "السيئة" على النمو - عن طريق القضاء على IMA1، الإشارة الجزيئية لنقص الحديد في الجذور المعرضة لخطر الهجوم البكتيري. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن وجود المزيد من IMA1 في الأوراق يمكن أن يجعلها أكثر مقاومة للهجوم البكتيري، مما يشير إلى أن مسار إشارات نقص الحديد والجهاز المناعي للنبات متشابكان بعمق.

تم نشر النتائج في الطبيعة في يناير 10، 2024.

يقول أحد كبار الباحثين: "هناك علاقة طويلة الأمد بين تغذية النبات بالحديد والبكتيريا". فولفغانغ بوش، أستاذ والمدير التنفيذي لمبادرة سالك لتسخير النباتات. "إن استكشاف هذه العلاقة بمزيد من الدقة سمح لنا بإيجاد مسار إشارات جديد مدهش تستخدمه النباتات لإيقاف امتصاص الحديد كاستراتيجية دفاع ضد البكتيريا المهددة التي تحدث أيضًا لتغيير الاستجابة المناعية للنبات."

نظرًا لأن الحديد المتوفر بيولوجيًا (الحديد في الحالة التي يمكن للنباتات والحيوانات استخدامها) هو عنصر غذائي نادر نسبيًا، فإن نقص الحديد - وما يترتب على ذلك من توقف نمو النبات - ليس أمرًا غير شائع. نظرًا لأن إيقاف النمو ليس أمرًا مثاليًا، فقد طورت النباتات تقنيات لتشجيع امتصاص الحديد في البيئات منخفضة الحديد. لسوء الحظ، يمكن لهذه التقنيات تغيير الميكروبيوم بأكمله حول الجذور وزيادة توافر الحديد ليس فقط للنبات، ولكن للبكتيريا الضارة التي تعيش بالقرب منه أيضًا.

ولكشف العلاقة المعقدة بين صحة النبات ومستويات الحديد والتهديد البكتيري، لجأ الباحثون إلى نبات نموذجي صغير يسمى Arabidopsis thaliana. لقد قاموا بزراعة النبات في ركيزة نمو منخفضة الحديد وعالية الحديد (التربة)، ثم أضافوا أجزاء من الأسواط (ذيول صغيرة تستخدمها البكتيريا للتحرك) لتقليد وجود البكتيريا.

يقول المؤلف الأول مين كاو، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر بوش: "لقد افترضنا أنه سيكون هناك نوع من المنافسة بين النبات والبكتيريا على الحديد. لكننا وجدنا أنه عندما تشعر النباتات بالتهديد من البكتيريا الضارة، فإنها تكون على استعداد لقتلها". توقفوا عن الحصول على الحديد وتوقفوا عن النمو، سيحرمون أنفسهم من أجل حرمان العدو.

عندما تعرضت الجذور للسوط في بيئات منخفضة الحديد، قامت النباتات برد فعل غير متوقع: فبدلاً من المعركة المتوقعة على الحديد بين النبات والبكتيريا، خسر النبات على الفور عن طريق القضاء على إشارة نقص الحديد IMA1. عندما تعرضت الجذور للسوط في بيئات عالية الحديد، لم يتم القضاء على IMA1، ولكن لم تكن هناك حاجة للتعبير عنه لأن مستويات الحديد كانت كافية.

في النباتات التي تخلصت من IMA1 استجابة لانخفاض الحديد والسوط، واجه الباحثون مفاجأة أخرى: كلما زاد IMA1، كانت أوراق النبات أكثر مقاومة للهجوم البكتيري. أدت هذه الملاحظة إلى استنتاج مفاده أن توافر الحديد وإشارات نقص الحديد يساعدان في تنسيق الاستجابة المناعية للنبات.

يعتقد بوش أن IMA1 قد يكون هدفًا مفيدًا لتحسين مناعة النباتات، الأمر الذي سيصبح ذا أهمية متزايدة مع استمرار تغير مناخ الكوكب وبدء الأمراض في التطور بسرعة أكبر. اكتشاف أن النباتات ستوقف امتصاص الحديد وتوقف نموها في مواجهة يحتمل البكتيريا الضارة هي بداية قصة أطول بكثير حول مرونة النباتات، والميكروبات النباتية والحيوانية، وتغير المناخ.

يقول بوش، الذي يشغل أيضًا منصب رئيس قسم علوم النبات في جامعة سالك: "تحدد الميكروبات مصير الكربون في التربة، لذا فإن الكشف عن كيفية تفاعل النباتات مع البيئة الدقيقة للتربة وتأثيرها عليها يمكن أن يعلمنا الكثير عن تحسين تخزين الكربون النباتي". "وبالتالي، فإن فهم كيفية تنظيم النباتات للإشارات والاستجابات المناعية في مواجهة الندرة البيئية، مثل نقص الحديد، سيكون أمرًا بالغ الأهمية حيث يعمل العلماء على تحسين صحة النبات في مناخنا المتغير باستمرار."

في المستقبل، سوف يستكشف الباحثون ما إذا كان استهداف IMA1 يمكن أن يغير مقاومة النبات للأمراض، وكيف تقوم الخلايا الفردية في جذور النباتات بإغلاق مسار إشارات IMA1. إن التعرف على جذور النباتات يمكن أن يعلم العلماء المزيد عن الأنسجة الممتصة الأخرى، مثل الأمعاء البشرية، حتى يتمكنوا من فهم تقاطع الميكروبات الحيوية في الثدييات، وأجهزة المناعة، والحديد بشكل أفضل لتحسين الصحة.

ومن بين المؤلفين الآخرين ماتيو بيير بلاتر، ولينغ تشانغ، وتاتسويا نوبوري، ويينغتون تشين، ووينرونج هي، ولوكاس برنت، وجوزيف إيكر من سالك؛ وهوي-هسوان تساي ونيكو جيلدر من جامعة لوزان؛ ولايا أرمنجوت ونوريا كول من مركز أبحاث الجينوم الزراعي في بيلاتيرا بإسبانيا.

تم دعم العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01GM127759، NCI CCSG: P30 014195)، وبرنامج علوم الحدود البشرية (LT000661/2020-L)، ومؤسسة تشابمان، وصندوق هيلمسلي الخيري، ووزارة الجامعات، والاتحاد الأوروبي. ووزارة العلوم والابتكار والوكالة الحكومية للتحقيقات (PID2019-108595RB-I00، 10.13039/501100011033، TED2021-1311457B-I00)، وزارة العلوم والتكنولوجيا التايوانية (111-2917-I-564-021)، و مراكز البحث في كاتالونيا.

دوى: 10.1038 / s41586-023-06891 ذ