ال‌نینو و کشاورزی؛ فرصتی برای شناخت بهتر ظرفیت‌های گیاهان مقاوم

در روزهای اخیر، تغییرات آب‌وهوا، بارندگی‌های شدید و نوسان دمای هوا را تجربه کرده‌ایم. یکی از پدیده‌های اقلیمی که می‌تواند بر الگوی بارندگی و دمای هوا در نقاط مختلف جهان اثر بگذارد، ال‌نینو است. این پدیده در برخی مناطق با افزایش بارندگی و در مناطق دیگر با خشکسالی یا افزایش دما همراه می‌شود.

تغییر این شرایط جوی، مستقیماً بر محیط زندگی گیاهان اثر می‌گذارد و می‌تواند فرایندهایی مانند فتوسنتز، جذب آب و رشد آن‌ها را دستخوش تغییر کند. گیاهان در مواجهه با گرما، کم‌آبی یا رطوبت بیش از حد، واکنش‌های مختلفی در سطح سلول‌ها و بافت‌های خود نشان می‌دهند و برخی سازوکارهای دفاعی را برای ادامه رشد فعال می‌کنند. با این حال، توانایی سازگاری همه گیاهان یکسان نیست و همین تفاوت می‌تواند بر میزان رشد، کیفیت و عملکرد محصولات کشاورزی اثر بگذارد.

آناتک برای بررسی تاثیر این پدیده آب‌وهوایی بر گیاهان با دکتر سارا عابدی؛ استاد دانشکده علوم نوین دانشگاه علوم پزشکی آزاد تهران، پژوهشگر و متخصص حوزه فیزیولوژی گیاهی گفت‌وگو کرده است.

دکتر سارا عابدی

تغییر دما و میزان بارندگی در اثر ال‌نینو چه تأثیری بر رشد و عملکرد گیاهان دارد؟

سارا عابدی: اثر ال‌نینو به شدت و زمان وقوع تغییرات اقلیمی و حساسیت گونه گیاهی بستگی دارد و می‌تواند از طریق اختلال در فتوسنتز، تعادل آبی و متابولیسم، عملکرد محصولات کشاورزی را کاهش یا در برخی مناطق و شرایط حتی بهبود دهد

ال‌نینو با تغییر الگوهای دما و بارندگی می‌تواند تعادل فیزیولوژیک گیاهان را برهم بزند و بر رشد و عملکرد آن‌ها تأثیر بگذارد. برای مثال، افزایش دما باعث افزایش تعرق و تنفس سلولی می‌شود و اگر آب کافی در دسترس نباشد، گیاه برای کاهش اتلاف آب، روزنه‌های خود را می‌بندد. در نتیجه، ورود دی‌اکسیدکربن کاهش می‌یابد و فتوسنتز و تولید مواد آلی افت می‌کند.

از طرف دیگر، کاهش یا نامنظم شدن بارندگی می‌تواند باعث تنش خشکی، کاهش جذب آب و عناصر غذایی و اختلال در رشد ریشه و اندام‌های هوایی شود. در شرایط رطوبت بیش از حد نیز کمبود اکسیژن در خاک ممکن است تنفس ریشه را مختل کند. این تغییرات همچنین می‌توانند تعادل هورمون‌هایی مانند آبسزیک اسید (ABA) و اتیلن را تغییر دهند و بر رشد، گل‌دهی، تشکیل دانه و رسیدگی محصول اثر بگذارند.

در مجموع، اثر ال‌نینو به شدت و زمان وقوع تغییرات اقلیمی و حساسیت گونه گیاهی بستگی دارد و می‌تواند از طریق اختلال در فتوسنتز، تعادل آبی و متابولیسم، عملکرد محصولات کشاورزی را کاهش یا در برخی مناطق و شرایط حتی بهبود دهد.

تغییرات آب‌وهوایی ناشی از ال‌نینو، در صورت کاهش دسترسی گیاه به آب، چه تأثیری بر جذب آب، روزنه‌های برگ و غذاسازی گیاه دارد؟

وقتی شرایط مرتبط با ال‌نینو باعث کاهش دسترسی گیاه به آب می‌شود، گیاه دچار تنش خشکی (Drought Stress) می‌شود. در این شرایط، پتانسیل آب خاک کاهش می‌یابد و جذب آب از طریق ریشه دشوارتر می‌شود. در نتیجه، فشار تورژسانس سلول‌ها کاهش پیدا می‌کند و گیاه برای جلوگیری از اتلاف بیشتر آب، هورمون آبسزیک اسید (ABA) را افزایش می‌دهد.

افزایش ABA باعث بسته شدن روزنه‌ها (Stomatal Closure) می‌شود و در نتیجه تعرق کاهش می‌یابد. اما هم‌زمان ورود دی‌اکسیدکربن به برگ نیز محدود می‌شود و سرعت فتوسنتز افت می‌کند. اگر تنش خشکی ادامه پیدا کند، علاوه بر محدودیت ورود CO₂، فعالیت آنزیم‌های فتوسنتزی و عملکرد کلروپلاست‌ها نیز آسیب می‌بیند و ممکن است تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) افزایش یابد.

در نهایت، این شرایط باعث کاهش تولید مواد آلی، اختلال در رشد و کاهش عملکرد محصول می‌شود. بنابراین، بسته شدن روزنه‌ها در ابتدا یک پاسخ دفاعی برای حفظ آب است، اما در صورت تداوم تنش، هزینه آن کاهش فتوسنتز و رشد گیاه خواهد بود.

تغییرات دما و رطوبت چگونه می‌توانند بر فعالیت آنزیم‌ها، تولید انرژی و فرایند‌های متابولیکی گیاه اثر بگذارند؟

تغییرات دما و رطوبت می‌توانند با تأثیر بر فعالیت آنزیم‌ها و سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی، متابولیسم گیاه را تغییر دهند. افزایش دما تا محدوده بهینه، معمولاً فعالیت آنزیم‌ها و سرعت تنفس سلولی را افزایش می‌دهد و مصرف قندها برای تولید ATP بیشتر می‌شود؛ اما دمای بیش از حد می‌تواند باعث اختلال در ساختار پروتئین‌ها، کاهش فعالیت آنزیمی و آسیب به غشاهای سلولی شود. دمای پایین نیز سرعت واکنش‌های آنزیمی، تنفس و تولید انرژی را کاهش می‌دهد.

از طرف دیگر، کاهش رطوبت و کمبود آب باعث ایجاد تنش خشکی، بسته شدن روزنه‌ها و کاهش ورود دی‌اکسیدکربن می‌شود؛ در نتیجه فتوسنتز و تولید قند کاهش می‌یابد. همچنین تنش شدید می‌تواند تعادل متابولیکی سلول را برهم بزند و تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) را افزایش دهد. بنابراین، دما و رطوبت از طریق تنظیم فعالیت آنزیم‌ها، تنفس سلولی، تولید ATP و فتوسنتز، نقش مهمی در رشد و عملکرد گیاه دارند.

گیاهان در زمان کم‌آبی یا گرمای شدید ناشی از ال‌نینو، چه تغییراتی درون خود ایجاد می‌کنند تا بتوانند در برابر این شرایط مقاومت کنند؟

گیاهان در شرایط کم‌آبی و گرمای شدید، مجموعه‌ای از سازوکارهای دفاعی سلولی و بیوشیمیایی را فعال می‌کنند تا آسیب‌های ناشی از تنش را کاهش دهند. یکی از مهم‌ترین پاسخ‌ها افزایش هورمون آبسزیک اسید (ABA) است که باعث بسته شدن روزنه‌ها و کاهش تعرق می‌شود و به حفظ آب کمک می‌کند.

همچنین تجمع ترکیباتی مانند پرولین و قندهای محلول به تنظیم فشار اسمزی سلول و حفظ آب و پایداری غشاها کمک می‌کند. در شرایط گرمایی نیز پروتئین‌های شوک حرارتی (Heat Shock Proteins) تولید می‌شوند که از ساختار پروتئین‌ها محافظت می‌کنند.

از طرف دیگر، فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT) و پراکسیداز (POD) افزایش می‌یابد تا گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) را خنثی کنند و از آسیب به غشاها، پروتئین‌ها و DNA جلوگیری شود.

در مجموع، تنظیم تعادل آبی و اسمزی، محافظت از پروتئین‌ها و تقویت سیستم آنتی‌اکسیدانی از مهم‌ترین سازوکارهایی هستند که مقاومت گیاه را در برابر کم‌آبی و گرما افزایش می‌دهند.

تغییرات محیطی چگونه می‌توانند به سلول‌های گیاه آسیب برسانند و گیاهان چگونه در برابر این آسیب‌ها از خود محافظت می‌کنند؟

سارا عابدی: واکنش فیزیولوژیک همه گیاهان به شرایط محیطی مرتبط با ال‌نینو یکسان نیست

بله، تنش‌های محیطی مانند کم‌آبی، گرمای شدید، سرما و شوری می‌توانند باعث افزایش تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) در سلول‌های گیاهی شوند. تجمع بیش از حد این ترکیبات موجب تنش اکسیداتیو می‌شود و می‌تواند به غشاهای سلولی، پروتئین‌ها، DNA و اندامک‌هایی مانند کلروپلاست‌ها آسیب برساند و در نتیجه فتوسنتز و رشد گیاه را کاهش دهد.

گیاهان برای مقابله با این آسیب‌ها، سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی خود را فعال می‌کنند. آنزیم‌هایی مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT) و پراکسیداز (POD) به خنثی‌سازی گونه‌های فعال اکسیژن کمک می‌کنند. همچنین ترکیبات غیرآنزیمی مانند آسکوربات، گلوتاتیون و کاروتنوئیدها در کاهش آسیب اکسیداتیو نقش دارند.

در مجموع، حفظ تعادل بین تولید و حذف گونه‌های فعال اکسیژن برای جلوگیری از آسیب سلولی و افزایش مقاومت گیاه در برابر تنش‌های محیطی ضروری است.

آیا همه گیاهان در برابر شرایط آب‌وهوایی ناشی از ال‌نینو واکنش یکسانی دارند؟ 

خیر، واکنش فیزیولوژیک همه گیاهان به شرایط محیطی مرتبط با ال‌نینو یکسان نیست. میزان تحمل تنش در گونه‌ها و حتی ارقام مختلف یک گیاه تفاوت دارد و به ویژگی‌های ژنتیکی و سازوکارهای فیزیولوژیک آن‌ها بستگی دارد.

چرا بعضی گیاهان بهتر از بقیه می‌توانند این شرایط را تحمل کنند و با آن سازگار شوند؟

گیاهانی که ریشه‌های عمیق‌تر و گسترده‌تری دارند، می‌توانند آب بیشتری از خاک جذب کنند. برخی ارقام نیز توانایی بالاتری در تنظیم فشار اسمزی از طریق تجمع موادی مانند پرولین و قندهای محلول دارند. همچنین تفاوت در تنظیم باز و بسته شدن روزنه‌ها، کارایی سیستم آنتی‌اکسیدانی و تولید پروتئین‌های شوک حرارتی (HSPs) می‌تواند مقاومت گیاه را در برابر کم‌آبی و گرما افزایش دهد.

سارا عابدی: گیاهانی که از نظر ژنتیکی و فیزیولوژیک سازوکارهای تحمل تنش کارآمدتری دارند، معمولاً سازگاری بیشتری با شرایط محیطی متغیر نشان می‌دهند و بهتر می‌توانند عملکرد خود را حفظ کنند

علاوه بر این، تفاوت در زمان گل‌دهی، طول دوره رشد و نیاز آبی باعث می‌شود برخی ارقام بتوانند مراحل حساس رشد خود را از دوره‌های تنش دور نگه دارند. بنابراین، گیاهانی که از نظر ژنتیکی و فیزیولوژیک سازوکارهای تحمل تنش کارآمدتری دارند، معمولاً سازگاری بیشتری با شرایط محیطی متغیر نشان می‌دهند و بهتر می‌توانند عملکرد خود را حفظ کنند.