العملية التي تحول فيها البكتيريا والبرق النيتروجين الى مركبات مفيدة للنباتات
تعد عملية تثبيت النيتروجين المعروفة باسم تثبيت النيتروجين التكافلي، هي العملية التي يقوم فيها البرغوث والبكتيريا بتحويل النيتروجين الجوي إلى مركبات نيتروجينية مفيدة للنباتات، وتحدث هذه العملية لتعويض نقص النيتروجين في التربة.
حيث تعتبر قلة النيتروجين في الغلاف الجوي عملية معقدة تتطلب مدخلات كبيرة من الطاقة للمضي حتى يتم اصلاحها ، حيث يتكون جزيء النيتروجين من ذرتين من النيتروجين مرتبطة برابطة تساهمية ثلاثية ، مما يجعل الجزيء خامل للغاية وغير متفاعل ، لذا تقوم العديد من الكائنات الحية الدقيقة بإصلاح النيتروجين بشكل تكافلي من خلال الشراكة مع نبات مضيف، حيث يوفر النبات السكريات من عملية التمثيل الضوئي التي يستخدمها الكائن الدقيق المثبت للنيتروجين، وذلك للحصول على الطاقة التي يحتاجها لتثبيت النيتروجين، ويكون ذلك في مقابل مصادر الكربون هذه ، وفي المقابل يوفر الميكروب نيتروجينًا ثابتًا للنبات المضيف من أجل نموه.،
- أحد أمثلة هذا النوع من تثبيت النيتروجين هو تعايش سرخس الماء “أزولا” مع البكتيريا الزرقاء. تستعمر البكتيريا الزرقاء التجاويف التي تشكلت في قاعدة سرخس الأزولا. في هذه التجاويف، تقوم البكتيريا الزرقاء بإصلاح كميات كبيرة من النيتروجين في خلايا متخصصة تسمى الأكياس غير المتجانسة. تم استخدام هذا التعايش كسماد حيوي لمدة 1000 عام على الأقل في حقول المناطق الرطبة في جنوب شرق آسيا. عادة ما يتم تغطية حقول الأرز بزهور الأزولا التي تحتوي على ما يصل إلى 600 كجم من النيتروجين في العام الأول خلال موسم النمو .
- مثال آخر هو تعايش الأشجار الشعاعية والشجيرات، فتلك النباتات موطنها أمريكا الشمالية وتميل إلى الازدهار في البيئات الفقيرة بالنيتروجين.
وعلى الرغم من أن الشركاء التكافليين الموصوفين في الاعلي ( تعايش سرخس الماء “أزولا “مع البكتيريا الزرقاء، والتعايش بين الأشجار الشعاعية والشجيرات)، يلعبون دورًا مهمًا في البيئة العالمية لتثبيت النيتروجين ، إلا أن أهم الارتباطات التكافلية المثبتة للنيتروجين ، هي العلاقات بين البقوليات وبكتيريا الرايزوبيوم.
العلاقة بين البكتيريا المثبتة للنيتروجين وجذور البقوليات
تعرف البقوليات بأنها نباتات رائدة تستعمر التربة الهامشية وتحسن الحالة الغذائية في التربة المزروعة، وتفسر هذه الفائدة من خلال قدرتها على الانخراط في علاقة تكافلية مع ريزوبيا تثبيت النيتروجين، ولكن لا يقتصر التأثير المفيد لهذا التعاون على أصحاب البقوليات فقط، بل يمتد إلى المزارع المجاورة، ويعتبر هذا توضيحا لجزء من دورة النيتروجين في الطبيعة.
النيتروجين يعد من العناصر الغذائية الأساسية لنمو النبات وتطوره، ولكنه غير متوفر في أشكاله الأكثر انتشارا مثل النيتروجين في الغلاف الجوي، لذا يعتمد النبات على مركبات مركبة أو ثابتة من النيتروجين، مثل الأمونيا والنترات. يتم توفير الكثير من هذا النيتروجين لأنظمة المحاصيل عن طريق الأسمدة النيتروجينية المنتجة صناعيا. ومع ذلك، أدى استخدام هذه الأسمدة إلى مشاكل بيئية خطيرة في جميع أنحاء العالم، مثل تشكل المناطق الساحلية الميتة. من ناحية أخرى، يوفر التثبيت البيولوجي للنيتروجين وسيلة طبيعية لتوفير النيتروجين للنباتات دون الحاجة إلى استخدام المواد والأسمدة التي تضر التربة.
تم التعرف على نوعين من البكتيريا المثبتة للنيتروجين، وهما: النوع الأول الذي يتكون من البكتيريا الحية (غير المتكافئة) والتي تشمل البكتيريا الزرقاء (أو الطحالب الخضراء المزرقة)، والنوع الثاني الذي يتكون من البكتيريا المتبادلة (التكافلية)؛ والتي تتضمن بدورها بكتيريا الرايزوبيوم المرتبطة بالنباتات البقولية، حيث تغزو البكتيريا التكافلية المثبتة للنيتروجين الشعيرات الجذرية للنباتات المضيفة، وتبدأ العملية عندما تنجذب الريزوبيا إلى مركبات الفلافونويد التي تطلقها جذور البقوليات المضيفة.
ومن هنا تعمل على ان تتكاثر وتحفز تكوين العقيدات الجذرية ، وبالتالي تدخل الخلايا النباتية والبكتيريا في ارتباط وثيق داخل العقيدات، حيث تقوم البكتيريا بتحويل النيتروجين الحر إلى أمونيا ، والتي يستخدمها النبات المضيف لتطويرها، وذلك لضمان تكوين العقيدات الكافية مما يساعد على النمو الأمثل للبقوليات ، مثل ، (البرسيم ، وفول الصويا ) ، اما البقوليات مثل (الفاصوليا ، والبازلاء ، واللوبيا ، والترمس ، والفول السوداني)، فتتشكل العقيدات الخاصة بها بطرق أخرى، حيث تبدأ البكتيريا بعد ذلك في ربط نفسها بامتدادات من خلايا البشرة الجذرية ” شعيرات الجذر ” فيما يسمى بعملية التعلق، وهي في الواقع عملية من خطوتين حيث تلتصق البكتيريا أولاً باستخدام بروتين رابط ، وذلك بعد أن تتراكم البكتيريا وترسي نفسها على سطح شعر الجذر ، حيث يكون التعلق أكثر صلابة والذي يتضمن الليكتين أو السليلوز الناري والفيمبريا التي ينتجها النبات المضيف والبكتيريا ، على التوالي.
والخطوة الثانية هي عندما تشعر البقوليات المضيفة بعد ذلك بالمواد الكيميائية التي تنتجها الجذور، وتسمى هذه المواد بعوامل “التعاويض”، والتي تسبب تجعد شعر الجذر المستعمر وتشكيل ما يعرف بالإحاطة، ثم بعد ذلك تقوم الجذور بالتسلل إلى الشعيرات الجذرية وتشكيل خيطا أنبوبيا يسمى “العدوى”، وبمجرد وصول البكتيريا إلى الجذر نفسه، تحفز انقسامات الخلايا القشرية التي تؤدي إلى تكوين عقدة، ثم عندما تبدأ العقدة في التشكل، تحاط البكتيريا بغشاء يشتق من النبات وتطلق داخل الخلايا النباتية لتشكيل العقدة، وبعد ذلك تفقد البكتيريا جدرانها الخلوية وتتعرض لتغيير عميق في هيئة الخلية، لتشكيل خلايا متفرعة كبيرة غير منتظمة الشكل، حيث يعتمدون تماما على النبات المضيف لاحتياجاتهم من الطاقة، وفي المقابل، تقوم البكتيريا بإصلاح النيتروجين للنبات.
الرايزوبيوم
تعيش العديد من البكتيريا في التربة وتثبت مستويات كبيرة من النيتروجين دون التفاعل المباشر مع الكائنات الحية الأخرى ، و تشمل الأمثلة على هذا النوع من البكتيريا المثبتة للنيتروجين أنواعًا من الرايزوبيوم، و أزوتوباكتر و غيرهم حيث يعملون على ايجاد مصدر الطاقة الخاص بهم ، ويكون ذلك عادةً عن طريق أكسدة الجزيئات العضوية التي تطلقها الكائنات الحية الأخرى أو من التحلل، كما يوجد ايضا بعض الكائنات الحية الحرة التي تتمتع بقدرات كيميائية تمكنها استخدام المركبات غير العضوية كمصدر للطاقة.
الرايزوبيوم هو نوع من البكتيريا يستوطن جذور النباتات المضيفة ويساعدها في تكوين عقيدات جذرية، وذلك لتوفير النيتروجين اللازم للنبات. يتيح وجود النيتروجين الثابت للنبات إنتاج أوراق غنية بالنيتروجين يمكن إعادة استخدامها في جميع أجزاء النبات. وبفضل ذلك، يزداد قدرة النبات على التمثيل الضوئي وينتج بذور غنية بالنيتروجين. لذا، يمكن أن يكون تجاهل التعامل مع تكوين العقد الجذرية في البقوليات كارثيا، خاصة عند زراعتها في تربة فقيرة بالنيتروجين. ولذلك، يجب النظر إلى البكتيريا المثبتة للنيتروجين كضرورة لصحة النبات.