ما هي عملية تحويل النيتروجين بواسطة البكتيريا
العملية التي
تحول فيها البكتيريا والبرق النيتروجين الى مركبات مفيدة للنباتات
تعتبر عملية تثبيت النيتروجين المعروفة بتثبيت النيتروجين التكافلي، هي العملية التي تحول فيها البكتيريا والبرق النيتروجين الى مركبات مفيدة للنباتات ، وتحدث هذه العملية لتعويض النبات عن قلة النيتروجين في الغلاف الجوي.
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.[1]،[2]
- وأحد الأمثلة على هذا النوع من تثبيت النيتروجين هو تعايش سرخس الماء “أزولا “مع البكتيريا الزرقاء ، حيث تستعمر هذه البكتيريا الزرقاء التجاويف التي تشكلت في قاعدة سرخس الأزولا، و هناك تقوم البكتيريا الزرقاء بإصلاح كميات كبيرة من النيتروجين في خلايا متخصصة معروفة باسم الأكياس غير المتجانسة، كما تم استخدام هذا التعايش لمدة 1000 عام على الأقل كسماد حيوي في حقول المناطق الرطبة المتواجدة في جنوب شرق آسيا، حيث عادة ما يتم تغطية حقول الأرز بزهور الأزولا التي تحتوي على ما يصل إلى 600 كجم نيتروجين وذلك في العام الأول في خلال موسم النمو .
- مثال آخر هو التعايش بين الأشجار الشعاعية والشجيرات ، فهذه 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
تُعرف البقوليات بالنباتات الرائدة التي تستعمر التربة الهامشية ، كما تُعزز حالة الغذاء في التربة المزروعة، وتم تفسير هذا النشاط المفيد من خلال قدرتهم على الانخراط في علاقة تكافلية مع ريزوبيا تثبيت النيتروجين، ولكن لا يقتصر التأثير المفيد لهذا التعايش على مضيفات البقوليات فقط ، ولكنه يمتد إلى المزارع المجاورة ، ويعتبر الاتي هو توضيح لجزء من
دورة النيتروجين في الطبيعة
.
يعتبر النيتروجين من العناصر الغذائية الأساسية لنمو النبات وتطوره ، ولكنه غير متوفر في أكثر صوره انتشارًا مثل النيتروجين في الغلاف الجوي، لذا بدلاً من ذلك ، تعتمد النباتات على أشكال مركبة أو ثابتة من النيتروجين ، مثل الأمونيا والنترات، حيث يتم توفير الكثير من هذا النيتروجين لأنظمة المحاصيل في شكل الأسمدة النيتروجينية المنتجة صناعياً، ولكن أدى استخدام هذه الأسمدة إلى مشاكل بيئية خطيرة في جميع أنحاء العالم ، مثل تكوين المناطق الساحلية الميتة ، و من ناحية أخرى ، يوفر التثبيت البيولوجي للنيتروجين وسيلة طبيعية لتوفير النيتروجين للنباتات بدون اللجوء للمواد والاسمدة التي تضر التربة.
ولكن تم التعرف على نوعين من البكتيريا المثبتة للنيتروجين ، النوع الأول هو ، البكتيريا الحية (غير المتكافئة) ، ويشمل هذا النوع البكتيريا الزرقاء (أو الطحالب الخضراء المزرقة) ، اما النوع الثاني فيشمل البكتيريا المتبادلة (التكافلية) ؛ والتي تشمل هي 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 تستشعر البقوليات المضيفة بعد ذلك المواد الكيميائية التي تنتجها الجذور والتي تسمى عوامل “Nod ” ، التي تسبب تجعد شعر الجذر المستعمر وتشكيل ما يسمى باحتواء الراعي، ثم بعدها تقوم الجذور باختراق الشعيرات الجذرية وتشكل عادة بنية أنبوبية تسمى خيط “العدوى”، وبمجرد وصول البكتيريا إلى الجذر نفسه ، فإنها تحفز انقسامات الخلايا القشرية التي تؤدي إلى تكوين عقيدة، ثم عندما تبدأ العقدة في التكون ، تصبح البكتيريا محاطة بغشاء مشتق من النبات ويتم إطلاقها داخل الخلايا النباتية لتشكيل العقدة، وبعد ذلك تفقد البكتيريا جدرانها الخلوية وتخضع لتغيير عميق في مورفولوجيا الخلية ، وذلك لتكوين خلايا متفرعة كبيرة غير منتظمة الشكل ، حيث يعتمدون كليًا لاحتياجاتهم من الطاقة على النبات المضيف، ثم في المقابل ، تقوم البكتيريا بإصلاح النيتروجين للنبات.[1]
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.
فالرايزوبيوم، هو عبارة عن بكتيريا تستعمر نظام جذر النبات المضيف وتسبب في تكوين الجذور لعقيدات ، وذلك لإيواء البكتيريا ، ثم تبدأ البكتيريا في إصلاح النيتروجين الذي يحتاجه النبات، حيث يسمح الوصول إلى النيتروجين الثابت للنبات بإنتاج أوراق مدعمة بالنيتروجين يمكن إعادة تدويرها في جميع أنحاء النبات، هذا يسمح ايضا للنبات بزيادة القدرة على التمثيل الضوئي ، والتي بدورها تنتج بذور غنية بالنيتروجين، لذا يمكن أن تكون عواقب عدم تعريض البقوليات للعقد مأساوية ، خاصةً عندما تزرع النباتات في تربة فقيرة بالنيتروجين، ومن هنا يجب اعتبار ان
البكتيريا المثبتة للنيتروجين
ضرورية جدا لصحة النبات.[2]