التقط باحثون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو، نظرة عن قرب على ثغرة واحدة هي عبارة عن مسام توجد في جلد الأوراق، تفتح وتغلق في حركة تشبه التنفس.
وقال جاريد داشوف، المتحدث باسم مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) التي مولت العمل، إن معرفة أن النباتات يمكن أن تشير إلى “أفواهها” للاستجابة للمستويات المتغيرة ستسمح للعلماء بتعديل تلك الإشارات وإنتاج محاصيل تتحمل آثار تغير المناخ.
وقال جوليان شرودر، الذي قاد البحث الجديد: “الاستجابة للتغيرات أمر بالغ الأهمية لنمو النبات وينظم مدى كفاءة المصنع في استخدام المياه، وهو أمر مهم لأننا نرى زيادة الجفاف وارتفاع درجات الحرارة”.
ويمكن أن يؤثر المناخ المتغير على التوازن بين دخول ثاني أكسيد الكربون وفقدان بخار الماء من خلال الثغور.
وإذا لم تتمكن النباتات، وخاصة المحاصيل المزروعة من أجل الغذاء، من إيجاد توازن، فإنها تصبح جافة وغير مجدية.ووجدت دراسة أجريت في عام 2021، بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية أيضا، أن الإنتاجية الزراعية العالمية على مدار الستين عاما الماضية لا تزال أقل بنسبة 21% مما كان يمكن أن تكون عليه بدون تغير المناخ.
وعلى الجانب السفلي من الأوراق وفي أي مكان آخر، اعتمادا على النبات، توجد فتحات صغيرة تسمى الثغور – الآلاف لكل ورقة مع الاختلافات حسب الأنواع النباتية.
وقال داشوف في بيان: “مثل بوابات القلعة الصغيرة، تفتح أزواج من الخلايا على جوانب مسام الفم – والمعروفة باسم الخلايا الحامية – مسامها المركزية لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون”.
وتشير هذه البروتينات إلى الخلايا للاسترخاء وإغلاق الثغور. وعندما يشعر النبات بزيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون، فإن البروتين الثاني يمنع البروتين الأول من إبقاء الثغور مفتوحة ومغلقة.
وقال شرودر: “إن اكتشاف أن مستشعر ثاني أكسيد الكربون في النباتات يتكون من بروتينين كان مفيدا وربما كان سببا لعدم تحديد الآلية حتى الآن”.
وفي بيئة منخفضة ثاني أكسيد الكربون حيث يحتاج النبات إلى إبقاء الثغور مفتوحة لفترة أطول للحصول على الكمية التي يحتاجها لعملية التمثيل الضوئي، ينشط البروتين المعروف باسم HT1 إنزيما يجبر الخلايا الحامية على الانتفاخ، ما يبقي الفغرة مفتوحة.
وقال داشوف: “ومع ذلك، عندما تكون الثغور مفتوحة، يتعرض الجزء الداخلي من النبات للعناصر وتضيع المياه من النبات في الهواء المحيط، ما قد يؤدي إلى جفاف النبات”.
لذلك، يجب على النباتات موازنة امتصاص ثاني أكسيد الكربون مع فقدان بخار الماء من خلال التحكم في المدة التي تظل فيها الثغور مفتوحة.
وقال ريتشارد سير، مدير برنامج مؤسسة العلوم الوطنية: “إن تحديد كيفية تحكم النباتات في ثغورها في ظل تغيير مستويات ثاني أكسيد الكربون يخلق نوعا مختلفا من الانفتاح – واحد إلى طرق جديدة للبحث وإمكانيات لمواجهة التحديات المجتمعية”.
ومن المعروف أن النباتات تستهلك كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، ولكن دراسة أجريت في عام 2018 وجدت أنها تستهلك أكثر مما كان يعتقد سابقا.
وفي الدراسة، طور باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة نموذجا جديدا لحساب ما تفعله النباتات خلال فترة عدم نشاط التمثيل الضوئي.
ووفقا للفريق، فشلت النماذج السابقة في اعتبار أن النباتات تستمر في التنافس على العناصر الغذائية في التربة حتى في الليل.
ومن خلال دمج هذا، وجد الباحثون أن النباتات يمكن أن تنتج امتصاصا لثاني أكسيد الكربون أكثر مما كان يعتقد سابقا.