درختان کریسمس برای بقا در زمستان‌های یخبندان راهبردهای منحصربه‌فردی دارند

1

با نزدیک شدن به فصل تعطیلات، خانه‌ها در سراسر جهان با درختان همیشه‌سبز مانند کاج و صنوبر تزئین می‌شوند. این درختان مقاوم نه تنها به عنوان درختان کریسمس گرما و شادی را پخش می‌کنند، بلکه در محیط‌های طبیعی سخت نیز رشد می‌کنند و از زمستان‌های یخ‌زده تا تابش شدید نور خورشید در جنگل‌های بوریال جان سالم به در می‌برند.

دانشمندان دانشگاه اومئا در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه این درختان شگفت‌انگیز در برابر چنین شرایط دشواری مقاومت می‌کنند و در تمام طول سال سبز و شاداب باقی می‌مانند.

متخصصان دریافتند که درختان سوزنی‌برگ دارای تطابق‌های منحصربه‌فردی هستند که به آنها امکان می‌دهد در برخی از چالش‌برانگیزترین محیط‌های زمین دوام بیاورند.

این یافته‌ها نه تنها درک ما از درختان سوزنی‌برگ را عمیق‌تر می‌کند، بلکه کاربردهای احتمالی در حفاظت از محیط زیست و تقویت مقاومت محصولات کشاورزی نیز ارائه می‌دهد.

راهبردهای فتوسنتزی درختان سوزنی‌برگ

فرآیند فتوسنتز در بیشتر گیاهان به‌طور کلی مشابه است، اما درختان سوزنی‌برگ راهبردهای متمایزی دارند که آنها را از سایر گیاهان متمایز می‌کند.

یکی از این تطابق‌ها، تغییر ساختاری در غشاهای تیلاکوئید، محل وقوع فتوسنتز است. در طول زمستان، فتوسیستم I (PSI) و فتوسیستم II (PSII)، که معمولاً در بیشتر گیاهان جدا از هم هستند، به هم نزدیک می‌شوند. این پدیده که به آن «سرریز» (spill-over) گفته می‌شود، اتفاق می‌افتد.

استفان یانسون، استاد مرکز علوم گیاهی اومئا، توضیح می‌دهد: «این فرآیند به درختان کمک می‌کند تا انرژی اضافی را به‌طور ایمن از بین ببرند و از آسیب نور شدید در هوای سرد جلوگیری کنند.»

این سازوکار از غرق شدن سیستم فتوسنتزی توسط نور اضافی جلوگیری می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد تا زمستان‌های سخت را بدون آسیب سپری کنند.

پیش‌تر محققان این فرآیند را «خاموشی پایدار» (sustained quenching) می‌نامیدند و آن را به نوعی قفل شدن فتوسنتزی تشبیه می‌کردند. با این حال، مکانیسم دقیق این فرآیند همچنان ناشناخته باقی مانده بود.

جریان الکترون جایگزین

علاوه بر سرریز، درختان سوزنی‌برگ راهبرد دیگری برای بقا دارند: جریان الکترون جایگزین، که یکی از عوامل کلیدی مقاومت آنها در محیط‌های سرد زمستانی است.

این روش شامل استفاده از پروتئین‌های فلاوودی‌آیرون است که الکترون‌ها را در طول فتوسنتز هدایت می‌کنند. این انحراف الکترون‌ها باعث می‌شود که سیستم فتوسنتزی حتی در برابر تابش شدید نور خورشید و دمای انجماد متعادل باقی بماند.

جریان الکترون جایگزین به عنوان یک سازوکار پشتیبان عمل می‌کند تا از بروز انرژی اضافی جلوگیری کند و مانع از آسیب به سیستم فتوسنتزی شود. این موضوع در زمستان، زمانی که نور خورشید قوی است اما شرایط یخ‌زده امکان دفع انرژی را دشوار می‌سازد، بسیار حیاتی است.

همراه با سرریز، که در آن فتوسیستم I و II با همکاری هم انرژی اضافی را دفع می‌کنند، این راهبردها یک سیستم دفاعی دوگانه را تشکیل می‌دهند.

سرریز خطر آسیب ناشی از نور را کاهش می‌دهد، در حالی که جریان الکترون جایگزین پایداری سیستم را حفظ می‌کند.

تطابق‌های منحصربه‌فرد درختان سوزنی‌برگ

سامانه فتوسنتزی درختان سوزنی‌برگ از جهات دیگر نیز با گیاهان گلدار (آنگیوسپرم‌ها) تفاوت‌های مهمی دارد.

به عنوان مثال، آنها فاقد برخی از پروتئین‌های جذب‌کننده نور هستند که در آنگیوسپرم‌ها یافت می‌شود. این پیکربندی منحصربه‌فرد ممکن است توضیح دهد که چرا درختان سوزنی‌برگ در محیط‌های فقیر از نظر مواد مغذی، سرد و کم‌آب رشد می‌کنند.

پوشان باگ، نویسنده اصلی مطالعه، خاطرنشان کرد: «این عوامل در مجموع می‌تواند توضیح دهد که چرا درختان سوزنی‌برگ گونه‌های غالب در جنگل‌های بوریال هستند و در جاهایی که معدود گونه‌های دیگر می‌توانند رشد کنند، موفق‌اند، اگرچه شاید در شرایط کمتر چالش‌برانگیز مزایایی نداشته باشند.»

پیامدهایی برای مقاومت محصولات کشاورزی

درک مکانیسم‌های بقا درختان سوزنی‌برگ فراتر از کنجکاوی علمی است. با تغییرات اقلیمی، بینش‌هایی درباره چگونگی تطابق درختان سوزنی‌برگ با شرایط شدید می‌تواند استراتژی‌های حفاظتی را اطلاع‌رسانی کند و واکنش جنگل‌ها به چالش‌های محیطی جدید را پیش‌بینی کند.

این یافته‌ها همچنین می‌توانند راهنمایی برای توسعه محصولات کشاورزی مقاوم به شرایط آب‌وهوایی شدید باشند و امنیت غذایی را در آینده‌ای نامطمئن تضمین کنند.

الکساندر ایوانوف، یکی از نویسندگان مطالعه، اظهار داشت: «این مقاله تطابق‌های پیچیده درختان سوزنی‌برگ با شرایط سخت زمستانی را برجسته می‌کند. با ترکیب بینش‌های ساختاری، مولکولی و تکاملی، این مطالعه به درک ما از اینکه چگونه این درختان توانسته‌اند بر برخی از سخت‌ترین اکوسیستم‌های زمین غالب شوند، کمک می‌کند.»

مقاومت شگفت‌انگیز درختان سوزنی‌برگ

توانایی درختان سوزنی‌برگ برای تطابق و رشد در شرایط سخت، نشان‌دهنده نبوغ طبیعت است. راهبردهای فتوسنتزی منحصربه‌فرد آنها که در طول هزاران سال پالایش یافته‌اند، بقای آنها را در محیط‌هایی که بیشتر گیاهان قادر به رشد نیستند، تضمین می‌کند.

با ادامه تحقیقات در این زمینه، دانشمندان نه تنها رازهای این درختان مقاوم را کشف می‌کنند، بلکه مسیرهایی را برای حل چالش‌های فوری مانند تغییرات اقلیمی و ناامنی غذایی نیز شناسایی می‌کنند.

این فصل تعطیلات، هنگام تحسین زیبایی یک درخت کریسمس، لحظه‌ای به مقاومت شگفت‌انگیز و درخشش تکاملی درختان سوزنی‌برگ فکر کنید.

آنها فقط نمادهای شادی و جشن نیستند، بلکه شواهد زنده‌ای از توانایی طبیعت در غلبه بر دشواری‌ها هستند.

این مطالعه در مجله Trends in Plant Science منتشر شده است.