فيديو الدرس: دفاعات النبات ضد مسببات الأمراض الأحياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تراكيب النبات التي تحد من دخول مسببات الأمراض، وأوجه تكيف النبات المختلفة التي تحد من التلف الناتج عن الإصابة بالعدوى.

٢٠:٢٢

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تراكيب النبات التي تحد من دخول مسببات الأمراض، وأوجه تكيف النبات المختلفة التي تحد من التلف الناتج عن الإصابة بالعدوى. سنبدأ باستكشاف الأسباب الرئيسية لموت النبات، ويشمل ذلك الموت الناجم عن مسببات الأمراض. وبعد ذلك سنتناول بالدراسة الدفاعات التركيبية الموجودة سلفًا، والتي تمتلكها النباتات لمنع دخول مسببات الأمراض عن طريق صدها بحواجز طبيعية، وكيفية توظيف الاستجابات التركيبية المستحثة الأخرى بعد حدوث العدوى، مثل إطلاق المواد الكيميائية. وسنستعرض بشيء من التفصيل كيف تشارك المناعة البيوكيميائية في دفاع النبات ضد مسببات الأمراض. وأخيرًا، سنتناول كيف تحصل النباتات على مقاومة وراثية جماعية عن طريق الهندسة الوراثية والتربية الانتقائية.

تعتمد جميع الحيوانات بشكل مباشر أو غير مباشر على الكائنات المنتجة مثل النباتات، بهدف الحصول على الغذاء والبقاء على قيد الحياة. لهذا تشكل الكائنات المنتجة، مثل نبات القمح الموضح هنا، قاعدة أي سلسلة غذائية، بما في ذلك السلسلة الغذائية للبشر. في الحقيقة، يعد القمح واحدًا من بين 15 نوعًا فقط من النباتات التي توفر نسبة هائلة تصل إلى 90 بالمائة من الاستهلاك الغذائي للتجمعات البشرية. وإذا أصبحت هذه الأنواع مهددة بالانقراض، فسيواجه البشر والكثير من الكائنات الحية الأخرى مشكلة خطيرة. حسنًا، لنستعرض الطرق المختلفة التي يمكن أن تسبب موت النبات، حتى تكون لدينا فكرة أفضل عن كيفية منع ذلك.

تتسبب آكلات العشب في قتل العديد من النباتات، مثل هذه البقرة ها هنا، وهي كائنات حية يمكن أن تستهلك المواد النباتية للحصول على غذائها في عملية تسمى التغذية على العشب. يساعد الكثير من البشر على موت النباتات عن طريق تربية الحيوانات التي تتغذى على العشب، بهدف أكلها أو الحصول منها على منتجات تجارية أخرى، مثل الحليب الذي تنتجه مزارع الألبان. وكلما زاد استهلاك التجمعات البشرية المتزايدة للمنتجات الحيوانية، زادت الحاجة إلى آكلات العشب لإنتاجها، لذلك تستهلك المزيد من النباتات وتموت.

تعتمد النباتات على الأيونات المعدنية التي تمتصها من التربة للقيام بالعديد من وظائفها الأساسية. لذلك، يمكن أن يؤدي نقص هذه المعادن إلى موت النبات. يستخدم المغنيسيوم، على سبيل المثال، في إنتاج الكلوروفيل، ومن دونه تجد النباتات صعوبة في الحصول على التغذية من خلال عملية البناء الضوئي، وغالبًا ما تموت. أحيانًا يضيف عمال البساتين والمزارعون مواد كيميائية إلى التربة، مثل مبيدات الأعشاب، التي تكون مصممة لإبادة الأعشاب والنباتات الأخرى غير المرغوب فيها. ولكن يمكن لمبيدات الأعشاب أن تنتشر وتلوث مصادر أخرى وتقتل أنواعًا غير مستهدفة، مثل النباتات الموجودة في السياج المحيط بهذا الحقل.

يمكن أن تكون الملوثات البيئية سامة للنباتات. على سبيل المثال، يمكن أن تحتوي النفايات السائلة التي تنتجها المصانع على معادن ثقيلة سامة تتسرب إلى مصادر المياه مثل الأنهار. تمتص النباتات هذه الملوثات، التي تقتل النبات عندما تكون عالية التركيز. مسببات الأمراض، مثل البكتيريا والفطريات والفيروسات أو الطلائعيات، هي عوامل بيولوجية تسبب المرض، وهي سبب أساسي لموت النبات. تشكل العدوى المسببة للأمراض خطورة شديدة على تجمعات النباتات، لأنها من المحتمل أن تنتشر سريعًا بين أفراد الكائنات الحية ويمكن أن تؤدي إلى انقراض الأنواع. لنستعرض بعض الأمثلة على أمراض النبات التي تسببها مسببات الأمراض.

فيروس تبرقش التبغ هو مرض يصيب العديد من الأنواع المختلفة، خاصة نباتي التبغ والطماطم. ويصيب هذا المرض البلاستيدات الخضراء، ويغير لونها من الأخضر إلى الأصفر أو الأبيض، ما يمنح الأوراق مظهرًا يشبه الفسيفساء كما يتضح في هذا الرسم. آفة لفحة البطاطس مرض تسببه جراثيم أحد الطلائعيات الشبيهة بالفطريات. ويتكيف مسبب المرض هذا مع العيش في البيئات الرطبة، وتنشر الرياح جراثيمه، الموضحة هنا باللون الوردي. يمكن أن تتسبب العدوى في تعفن حقل كامل من البطاطس بسرعة، ما يسبب انخفاضًا كبيرًا في إنتاجية المحصول للمزارع ومن ثم انخفاض عائده المالي. وعندما يحدث هذا على نطاق واسع، من الممكن أن يؤدي إلى أزمة غذاء للتجمعات التي تعتمد عليها. على سبيل المثال، أدت مجاعة البطاطس العظمى التي سببتها آفة لفحة البطاطس إلى وفاة حوالي مليون شخص في أيرلندا وحدها بسبب الجوع والمرض.

دعونا نكتشف كيف تستطيع النباتات الدفاع عن نفسها ضد مسببات الأمراض، بدءًا من الدفاعات التركيبية الموجودة سلفًا والتي تحد من دخول مسببات الأمراض. يعرض هذا الرسم التوضيحي المقطع العرضي المكبر لورقة نباتية. البشرة هي الطبقة الخارجية للخلايا في ورقة النبات. يمكنك أن تلاحظ هنا وجود طبقة من خلايا البشرة أعلى الورقة وأسفلها. في بعض الأحيان، تنتج البشرة طبقة الكيوتين لتغطيتها. والكيوتين طبقة شمعية ومقاومة للماء تغطي بشرة الأجزاء الهوائية أو العلوية من النبات. وإذا تعذر استقرار الماء على سطح البشرة بسبب طبقة الكيوتين، فلن تستطيع مسببات الأمراض المنقولة بالماء ذلك أيضًا. يمكن أيضًا أن تغطى البشرة بشعيرات أو أشواك حادة. هذه التراكيب الشائكة مفيدة بشكل أساسي في منع التغذية على العشب من قبل آكلات العشب. تقلل الدفاعات من احتمالية نمو مسببات الأمراض وتكاثرها على سطح النبات، ما يحد من مخاطر دخولها إلى جسم النبات.

هذه صورة مكبرة لخلية ورقة نباتية مأخوذة من الرسم الموضح يسارًا. ويمكنك أن ترى أحد الدفاعات الرئيسية في جميع الخلايا النباتية، وهو الجدار الخلوي. الجدران الخلوية هي طبقات تركيبية صلبة تحيط بالسطح الخارجي للخلايا النباتية. تتكون جدران الخلايا النباتية من بوليمر من الكربوهيدرات يسمى السليولوز، يمكنك رؤيته مكبرًا هنا في الرسم التوضيحي للجدار الخلوي. السليولوز مادة قوية للغاية، لأنه يتكون من آلاف جزيئات الجلوكوز المتحدة معًا. تشكل الشبكة السليولوزية للجدار الخلوي حاجزًا طبيعيًّا بين محتويات الخلية وأي مسبب للمرض قد يحاول الوصول إليها.

تنجح بعض مسببات الأمراض في اختراق هذه السمات التركيبية الموجودة سلفًا. لذا، لنلق نظرة على كيفية توظيف التراكيب الطبيعية للنباتات في منع انتشار العدوى بعد أن اخترقها مسبب المرض. يطلق على هذه الدفاعات اسم الدفاعات التركيبية المستحثة. ويتضح أحد الأمثلة عليها عندما يتعرض النبات إلى قطع أو تمزق في سطحه. توفر الجروح نقطة دخول سهلة لمسببات الأمراض لدخول الأنسجة الداخلية للنبات، لذلك يحتاج النبات إلى سد تلك المداخل. ومن الممكن القيام بذلك عن طريق تكوين طبقات صلبة من الفلين في منطقة القطع. وبالمثل، بإمكان النباتات أيضًا إفراز الصمغ والراتنجات من الخلايا المحيطة بالقطع. وهاتان المادتان تسدان القطع وتحجزان أي مسببات أمراض تحاول دخول النبات في المادة اللاصقة.

يعرض الرسم التوضيحي على اليمين الخلايا العلوية في ورقة مكبرة بها قطع في سطحها. بعض الخلايا قادرة على الانتفاخ استجابة للعدوى وتغليظ جدرانها الخلوية ببوليمرات تركيبية أخرى، ويحدث هذا بصورة خاصة في خلايا البشرة والخلايا الموجودة تحتها. وهذا يجعل الخلايا أكبر ويصعب على مسببات الأمراض اختراقها، لذا لا يمكنها الوصول إلى النباتات عبر الأنسجة بسهولة. إذا كانت مسببات الأمراض من الفطريات، يمكن أن تنتفخ الخلايا النباتية كثيرًا بحيث تغطي الفطر الدخيل وتعزله تمامًا لمنعه من الانتشار من خلية نباتية إلى الخلية المجاورة لها.

كما ذكرنا، بإمكان النباتات أيضًا تقوية بعض الجدران الخلوية بإضافة بوليمرات تركيبية أكثر صلابة إليها، على سبيل المثال، الكالوز أو مادة تسمى اللجنين. يحتوي نسيج الخشب على خلايا بها نسبة كبيرة من اللجنين في جدرانها الخلوية. أوعية نسيج الخشب هي المسئولة عن نقل الماء والأيونات المعدنية إلى جميع أجزاء النبات. ويعمل اللجنين الموجود في جدران هذه الأوعية على تقويتها وجعلها عازلة للماء، ما يزيد من كفاءة نقل الماء.

تحاط أوعية نسيج الخشب بأنسجة حية بسيطة تسمى النسيج البرنشيمي. عندما يتعرض النبات للإجهاد، بسبب العدوى مثلًا، تستجيب خلايا النسيج البرنشيمي تلك عن طريق تكوين بروز في وعاء نسيج الخشب، وتشكل زوائد تسمى التيلوزات. تغلق التيلوزات وتسد الأنسجة الوعائية، وهي أوعية ناقلة مثل نسيج الخشب. ويعد هذا الأمر مفيدًا حيث تقل احتمالية انتشار العدوى عبر أوعية النقل إلى أعضاء النبات الأخرى.

تستطيع النباتات أيضًا إظهار استجابة تركيبية شديدة للعدوى تسمى استجابة الحساسية المفرطة. تتضمن هذه الاستجابة تدمير النبات خلاياه وأنسجته المصابة بالعدوى، وهو ما قد يبدو أمرًا قاسيًا. ولكن تدمير الخلايا المصابة يمكن أن يحد من حركة مسببات الأمراض. وبإيقاف مسببات الأمراض، يتباطأ انتشار العدوى إلى الأنسجة الأخرى بدرجة كبيرة، وهو ما قد ينقذ حياة النبات. لنستعرض بعد ذلك المناعة البيوكيميائية، وهي وسيلة تطلق بها النباتات مواد كيميائية للحد من الأضرار التي تسببها مسببات الأمراض.

توجد مستقبلات على سطح جميع الخلايا، ويمكنك هنا رؤية بعضها على سطح خلية نباتية. تمكن المستقبلات النبات من التمييز بين الخلية الذاتية التي تنتمي إلى النبات والخلية أو التركيب غير الذاتي، وهو ما يشير إلى وجود شيء ربما يكون أحد مسببات الأمراض. عندما يدخل أحد مسببات الأمراض مثل هذه البكتيريا الوردية اللون، إلى النبات، ترتبط الجزيئات الموجودة على سطح الخلية البكتيرية بالمستقبلات الموجودة على سطح الخلية النباتية، والتي تتعرف على البكتيريا باعتبارها خلية غير ذاتية. يتسبب هذا الارتباط في تنشيط المستقبلات وزيادة إنتاجها داخل الخلية. يؤدي تنشيط هذه المستقبلات أيضًا إلى تحفيز إطلاق مواد كيميائية من هذه الخلية النباتية، مثل حمض الساليسيليك. ينبه حمض الساليسيليك الجهاز المناعي الفطري للنبات إلى دخول كائن حي يحتمل أن يكون خطيرًا ويجب التعامل معه.

لنستعرض بعض الاستجابات البيوكيميائية التي قد يظهرها الجهاز المناعي للنبات نتيجة لهذا التنبيه. غالبًا ما يزيد تركيز المواد الكيميائية المضادة للميكروبات، مثل الفينولات والجليكوسيدات، وبعض الأحماض الأمينية، مثل الكانافانين والسيفالوسبورين، بعد حدوث العدوى. وتكون المواد الكيميائية المضادة للميكروبات سامة لمسببات الأمراض. فيمكنها إما قتل مسببات الأمراض مباشرة وإما منع تكاثرها ونموها لمنع انتشار العدوى.

يطلق العديد من مسببات الأمراض سمومًا تدمر خلايا العائل. وتستطيع بعض الخلايا النباتية إنتاج بروتينات متخصصة مضادة للسموم عقب حدوث العدوى. يمكن للبروتينات المضادة للسموم أن ترتبط بالسموم التي ينتجها مسبب المرض، وتحولها إلى منتجات أقل سمية لا تضر النبات. يمكن أيضًا أن تنتج بعض الخلايا النباتية إنزيمات نزع السمية. تعمل هذه الإنزيمات على تكسير السموم التي ينتجها مسبب المرض للحد من الأضرار التي تسببها. يستطيع النبات الذي تعرض سلفًا إلى العدوى حث استجابات مماثلة بسرعة أكبر عند تكرار العدوى. لنناقش كيف يستطيع المزارعون إحداث مناعة مكتسبة في نباتات محاصيلهم.

يكتسب الكائن الحي، مثل النبات، المناعة المكتسبة على مدار حياته، وذلك علاوة على المناعة الفطرية التي يتمتع بها منذ بداية حياته. تشمل المناعة المكتسبة أي مناعة يكتسبها النبات بعد إصابته بمرض، أو المناعة التي ربما يكتسبها من كائن حي آخر. وتعد التربية الانتقائية والهندسة الوراثية من الأساليب التي يمكن أن تكون فعالة في زيادة المناعة ضد الأمراض في نباتات المحاصيل، كما أن آثارها السلبية أقل من تلك الناتجة عن طرق أخرى مثل رش مبيدات الأعشاب. لنستعرض التربية الانتقائية أولًا.

بعض النباتات، كهذا النبات، لديها استعداد وراثي لمقاومة الأمراض. تظهر مقاومة النبات للمرض عندما يحتوي الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ للنبات على نسخة من جين ما، يسمح له بإظهار بعض أو كل الدفاعات التركيبية والكيميائية التي ناقشناها. والتربية الانتقائية هي عملية يختار فيها البشر فردين لهما خاصية محددة مرغوبة، ليتم تهجينهما معًا. في هذه الحالة، سيختار البشر نباتين يمتلك كلاهما نسخة من الجين الذي يساعد في مقاومة مسبب مرض يصيب النباتات بمرض محدد، على سبيل المثال، الجين الذي يحمل شفرة إنتاج البروتينات المضادة للسموم.

يخضع النباتان المقاومان للأمراض معًا للتهجين الاصطناعي. يفحص النسل الناتج عن هذا التهجين لمعرفة إذا ما كان يمتلك هذه الصفة لإنتاج البروتين المضاد للسموم أم لا. كما نرى، هناك ثلاثة أفراد من هذا النسل لديها بالفعل الجين الذي يحمل شفرة إنتاج البروتين المضاد للسموم، لذلك يجري تهجينها معًا ثم تتكرر هذه العملية على مدار عدة أجيال. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مقاومة نسبة كبيرة من النباتات لأحد الأمراض، ومن ثم زيادة فرص بقاء هذه النباتات وزيادة إنتاجية محصول المزارع.

تعدل الهندسة الوراثية الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ اصطناعيًّا للكائن الحي، وهو النبات في هذه الحالة. يمكن استخلاص الجين الذي يحمل شفرة إنتاج هذه البروتينات التي توفر مقاومة للأمراض من كائن حي آخر، مثل خلية بكتيرية، ويمكن دمج هذا الجين في الحمض النووي للنبات. نظرًا لنمو النباتات سريعًا وسهولة استنسالها، يمكن أن تصبح نسبة كبيرة من التجمعات النباتية مقاومة لمرض معين من خلال الهندسة الوراثية. دعونا نختبر مقدار ما تعلمناه عن دفاعات النبات ضد مسببات الأمراض عن طريق حل سؤال تدريبي.

ما التركيب الدفاعي الذي ليس موجودًا سلفًا في النبات، ويتكون فقط نتيجة للإصابة بأحد مسببات الأمراض؟ طبقة الكيوتين الشمعية، أم الشعيرات، أم الأشواك، أم الجدار الخلوي السليولوزي، أم التيلوزات.

لنستعرض بعض المصطلحات الأساسية المستخدمة في السؤال حتى نتمكن من تحديد أي التراكيب الدفاعية ليس موجودًا سلفًا. تساعد التراكيب الدفاعية الموجودة سلفًا في النبات في الحد من دخول أحد مسببات الأمراض. يوضح الرسم هنا بعض الخلايا الأساسية في ورقة نبات. في بعض الحالات، تنتج البشرة النباتية طبقة الكيوتين الشمعية لتغطيتها. وطبقة الكيوتين الشمعية هي طبقة مقاومة للماء. وإذا تعذر استقرار الماء على سطح البشرة، فلن تستطيع مسببات الأمراض المنقولة بالماء ذلك أيضًا. من الممكن أيضًا أن تغطى البشرة بشعيرات أو أشواك. تعمل هذه السمات في الغالب على منع آكلات العشب، مثل هذا الأرنب، من استهلاك النبات كله أو جزء منه مما قد يؤدي إلى إتلافه وجعله عرضة لمسببات الأمراض.

في هذا الرسم، عرضنا صورة مكبرة لإحدى خلايا الورقة النباتية حتى نتمكن من رؤية محتوياتها بوضوح أكبر. الدفاع الرئيسي الموجود في الخلية وجميع الخلايا النباتية الأخرى هو الجدار الخلوي. تتكون جدران الخلايا النباتية من بوليمر من الكربوهيدرات يسمى السليولوز. وبزيادة تكبير هذه الصورة للجدار الخلوي للخلية النباتية، يمكننا ملاحظة أن السليولوز يشكل شبكة قوية وحاجزًا طبيعيًّا بين محتويات الخلية وبيئتها الخارجية. وهذا يحد من دخول مسببات الأمراض التي تحاول تجاوز الجدار الخلوي لتصل إلى الخلية.

كل هذه السمات التي ناقشناها حتى الآن موجودة سلفًا، أي إنها موجودة دائمًا. ولكن تستطيع بعض مسببات الأمراض تجاوز هذه السمات التركيبية الموجودة سلفًا. في حالة حدوث ذلك، يمكن حث التراكيب النباتية الطبيعية على المساعدة في منع انتشار العدوى بمجرد دخول مسبب المرض إلى النبات. وأحد الأمثلة على الدفاع التركيبي المستحث هو تكوين التيلوزات. التيلوزات هي زوائد ناتجة عن نمو الأنسجة المحيطة بأوعية نسيج الخشب، وهذه الأوعية هي الأنسجة المسئولة عن نقل الماء في جميع أجزاء النبات. حسنًا، لنلق نظرة فاحصة على نسيج الخشب لنرى كيف سيبدو شكلها.

يمكنك أن تلاحظ هنا نمو التيلوزات فوق أوعية نسيج الخشب بحيث تسببت في سدها. وهذا مفيد حقًّا لأنه يحدث بعد اكتشاف مسبب المرض بواسطة النبات ويعني أن العدوى أقل عرضة للانتشار عبر نسيج الخشب لإتلاف الخلايا الأخرى. إذن، السمة الدفاعية التركيبية التي تعد غير موجودة سلفًا ولكن تستحث نتيجة العدوى هي التيلوزات.

وأخيرًا، ها هي بعض النقاط الأساسية التي تناولناها في هذا الفيديو.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.