گفت‌وگوی گیاهان با کشاورزان: آینده‌ای هوشمند در کشاورزی

1

تصور کنید در مزرعه‌ای قدم می‌زنید که گیاهان به شما می‌گویند کی تشنه‌اند. حالا تصور کنید کشاورزان هم بتوانند با ارسال سیگنال، به گیاهان هشدار دهند که یک دوره خشکسالی در راه است تا گیاه زودتر اقدام به صرفه‌جویی در مصرف آب کند.

این تصورات که تا پیش از این بیشتر شبیه داستان‌های علمی-تخیلی بودند، حالا به‌واسطه یک پروژه تحقیقاتی در دانشگاه کرنل به واقعیت نزدیک‌تر شده‌اند.

آغاز انقلابی در ارتباط گیاهان با انسان‌ها

مرکز تحقیقاتی CROPPS و پروژه‌ای پیشگام

در مرکز تحقیقاتی سیستم‌های گیاهی قابل برنامه‌ریزی (CROPPS) در دانشگاه کرنل، پژوهشگران گامی مهم برای ارتباط دوطرفه با گیاهان برداشته‌اند.

آخرین یافته‌های این تیم، که در مجله معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، به رمزگشایی از معمایی صد ساله درباره چگونگی ارسال سیگنال‌های درون‌گیاهی هنگام مواجهه با استرس پرداخته است.

این کشف می‌تواند زمینه‌ساز توسعه گیاهانی شود که نه‌تنها با انسان‌ها «صحبت» می‌کنند، بلکه به تغییرات محیطی خاص نیز پاسخ می‌دهند.

گیاهان چگونه صحبت می‌کنند؟

نقش فشار منفی درون گیاه

در داخل هر گیاه، فشار منفی آب را درون ساقه‌ها، ریشه‌ها و برگ‌ها نگه می‌دارد. این تعادل برای حفظ سلامت گیاه، به‌ویژه در شرایط خشکی، حیاتی است.

زمانی که عوامل استرس‌زا این فشار را بر هم می‌زنند، مایعات داخلی گیاه به حرکت درمی‌آیند. این حرکت‌ها حامل سیگنال‌های مکانیکی و شیمیایی هستند که به برقراری تعادل در کل گیاه کمک می‌کنند.

تحقیقات خانم وسنا باچوا

وسنا باچوا، پژوهشگر پسادکترا در CROPPS و عضو فلوشیپ علمی اشمیت، می‌گوید:

«ما در تلاش هستیم تا پایه‌ای علمی برای درک چگونگی ارتباط درون گیاهان بنا کنیم. چارچوب ما نشان می‌دهد که چگونه سیگنال‌ها از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر منتقل می‌شوند و نقش سیگنال‌های مکانیکی و شیمیایی در این فرآیند چیست.»

او در کنار پروفسور آب استروک، استاد مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی، و مارگارت فرانک، دانشیار زیست‌شناسی گیاهی، فعالیت می‌کند.

حل معمایی صد ساله در زیست‌شناسی گیاهی

تضاد تئوری‌های گذشته درباره سیگنال‌دهی گیاهان

سال‌هاست که دانشمندان درباره چگونگی ارسال سیگنال‌های استرس توسط گیاهان بحث می‌کنند. برخی بر این باور بودند که گیاهان از هورمون‌ها و مواد شیمیایی استفاده می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به نقش نیروهای مکانیکی اشاره داشتند. اما تاکنون پاسخ دقیقی وجود نداشت.

مدل پیش‌بینی فشار در گیاهان

تیم دانشگاه کرنل مدل پیش‌بینی‌ای توسعه داده که توضیح می‌دهد چگونه تغییرات فشار درون گیاه می‌تواند هم سیگنال‌های مکانیکی و هم شیمیایی را منتقل کند. یافته‌ها نشان می‌دهند که سیستم آوندی گیاه — شبکه‌ای از لوله‌های تحت فشار — در این روند نقش کلیدی دارد.

مثال: حمله کرم‌برگ‌خوار

وقتی گیاه زخمی می‌شود، مانند وقتی که کرمی برگ آن را می‌خورد، فشار در آن منطقه تغییر می‌کند. این تغییر باعث جریان سریع آب و حرکت مواد شیمیایی استرس‌زا به دیگر بخش‌های گیاه می‌شود. در نتیجه، ممکن است گیاه ماده‌ای سمی برای دفع حشرات تولید کند.

ترکیب فشار، کلسیم و واکنش‌های دفاعی

باز شدن کانال‌های حساس به فشار

تغییرات فشار نه‌تنها مواد شیمیایی را جابجا می‌کند، بلکه می‌تواند باعث باز شدن کانال‌های حساس به فشار در نزدیکی آوند گیاه شود.

زمانی که این کانال‌ها باز می‌شوند، یون‌هایی مانند کلسیم آزاد می‌شوند. این افزایش ناگهانی کلسیم — که به آن «شار کلسیم» گفته می‌شود — می‌تواند ژن‌های دفاعی را فعال کند.

سامانه‌ای هماهنگ از سیگنال‌ها

یافته‌های تیم کرنل، نشان‌دهنده وجود سامانه‌ای هماهنگ هستند که در آن نیروهای مکانیکی و سیگنال‌های شیمیایی با یکدیگر کار می‌کنند. این کشف، ابزارهای جدیدی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا سیستم دفاع طبیعی گیاهان را بهبود دهند.

گیاهانی که صحبت می‌کنند و گوش می‌دهند

گیاهان گزارشی؛ نسل جدید گیاهان آزمایشگاهی

به گفته باچوا:

«ما در حال توسعه گیاهانی گزارشی هستیم که بتوانند آنچه تجربه می‌کنند را به ما نشان دهند.»

برخی از این گیاهان ممکن است هنگام تشنگی تغییر رنگ دهند. برخی دیگر ممکن است تحت نور خاصی بدرخشند تا استرس خود را نمایش دهند.

ارتباط از سوی کشاورزان نیز ممکن خواهد شد

در آینده‌ای نه‌چندان دور، حتی امکان ارسال سیگنال از سوی کشاورز به گیاه نیز وجود خواهد داشت. برای مثال، کشاورز می‌تواند با ارسال هشدار، گیاه را از فرا رسیدن خشکسالی آگاه کند تا مصرف آب خود را کاهش دهد.

پروفسور استروک می‌گوید:

«ما در CROPPS در حال تحقیق هم‌زمان در حوزه‌های زیست‌شناسی مولکولی، بیوفیزیک، طراحی مهندسی و پیاده‌سازی عملی برای کشاورزی هستیم — با استفاده از مفاهیم و فناوری‌های کاملاً نو.»

گامی به‌سوی مزرعه‌های هوشمندتر و سالم‌تر

توانایی گیاهان در ارسال و دریافت سیگنال، فرصت‌های جذابی برای کشاورزی به وجود می‌آورد. اگر گیاهان بتوانند دقیقاً زمان نیاز خود را اعلام کنند، این به معنای محصولات سالم‌تر و کاهش هدررفت منابع خواهد بود.

مدیریت بهتر منابع برای کشاورزان

کشاورزان خواهند توانست سریع‌تر واکنش نشان دهند، آبیاری را بهینه کنند و از گیاهان قبل از وخیم‌تر شدن مشکلات، محافظت کنند.

این کشف تازه، امیدها برای راه‌های نوین ارتباط با گیاهان را افزایش داده است. با پیشرفت علم، رؤیای مزرعه‌هایی هوشمند که انسان و گیاه در آن در هماهنگی کامل کار می‌کنند، بیش از هر زمان دیگری در دسترس قرار گرفته است.