انخفاض انبعاثات الميثان في أصناف الأرز المتحولة مرتبط بتغيير دورة الهيدروجين لدى ميكروبات منطقة الجذور

الأرز والمناخ ووعد الجذور الأكثر ذكاءً

الأرز يطعم نحو نصف سكان العالم، لكن حقول الأرز المغمورة بالمياه تُعد أيضاً من أكبر المصادر التي يصنعها الإنسان للميثان، وهو غاز دفيئة قوي. ومع تزايد الطلب العالمي على الأرز قد تزداد هذه الانبعاثات — ما لم نجد طرقاً لزراعة الأرز تكون أكثر لطفاً بالمناخ. تستكشف هذه الدراسة رافعة دقيقة ومفاجئة لخفض الميثان: تعديل كيفية نمو جذور الأرز وما تفرزه إلى التربة المحيطة، وما يترتب على ذلك من إعادة تشكيل للحياة الدقيقة التي تنتج وتستهلك الميثان.

خفض الميثان عبر إعادة هندسة الأرز

اختبر الباحثون نباتات الأرز التي عُدِّلت وراثياً لإنتاج كميات كبيرة من جزيئات إشارة صغيرة تُسمى ببتيدات PSY، والتي تتحكم طبيعياً في تطور الجذور. نمت هذه نباتات «الأرز PSY» في تربة حقلي حقيقية إلى جانب أرز غير معدل في أحواض دفيئة. على مدى 70 يوماً، نمت كل النباتات جيداً، لكن سلالات PSY أطلقت ميثاناً أقل بكثير: نحو انخفاض بنسبة 38% لمجموعة واحدة (PSY1) ونحو 58% لمجموعة أخرى (PSY2) مقارنةً بالأرز الطبيعي. وهذا الانخفاض ملموس، بالنظر إلى أن حقول الأرز تُقدَّر بأنها تساهم بحوالي عُشر انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الزراعية عالمياً.

كيف تعيد الجذور المختلفة تشكيل العالم تحت السطح

تحت السطح، بدا سلوك نباتات PSY ومظهرها مختلفين. كانت جذورها الرئيسية أطول، وتضم مزيداً من القنوات الهوائية الداخلية (aerenchyma) وأقل من مركب اللجنين الصلب في جدران الخلايا. من المرجح أن هذه الصفات تسمح بمزيد من تسرب الأكسجين من الجذور إلى الطين المحيط. يدعم وجود الأكسجين بدوره ميكروبات قادرة على تدمير الميثان أو استخدام مسارات أخرى لمعالجة الكربون، مما يغيّر التوازن الحساس بين إنتاج الميثان وإزالته في التربة. ومع ذلك، كان الخليط العام لأنواع الميكروبات مفاجئاً في تشابهه بين نباتات PSY والنباتات الطبيعية؛ أما ما تغيّر فعلياً فكان نشاط مجموعات ميكروبية مختلفة.

الميكروبات والهيدروجين وأنبوب الميثان

ينتَج الميثان في تربة الأرز المغمورة إلى حد كبير بواسطة ميكروبات متخصصة تستخدم غاز الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون كوقود. وجدت الفريق أن جينات المشاركة في تكوين الميثان أصبحت في التربة حول الأرز الطبيعي أكثر نشاطاً مع مرور الوقت مقارنةً بالجينات المشاركة في تحلل الميثان، مما ميّز النظام باتجاه انبعاثات أعلى. بالمقابل، حافظت الترب المحيطة بنباتات PSY على نسبة أقل من نشاط إنتاج الميثان مقابل نشاط استهلاكه. أظهرت تحليلات التعبير الجيني التفصيلية أن ترب PSY شهدت نشاطاً أقل لإنزيمات تولّد الهيدروجين ونشاطاً أعلى لإنزيمات تحرقه، خاصة في البكتيريا التي تستخدم الهيدروجين للحصول على الطاقة. ومع بقاء كمية أقل من الهيدروجين متاحة، تم فعلياً تقليص «الأنبوب» الذي يغذي الميكروبات المولدة للميثان.

مفرزات الجذور: تغذية الميكروبات المناسبة

فحصت الدراسة أيضاً الخليط الكيميائي من المركبات التي تفرزها جذور الأرز إلى الماء — المعروفة بالمفرزات (exudates). أفرزت جذور PSY مزيجاً مختلفاً من الجزيئات مقارنةً بالجذور الطبيعية، وخصوصاً مزيداً من الأحماض العضوية الصغيرة والأحماض الأمينية المرتبطة بنوع من الأيض يسمى التكوّن السكري العكسي (gluconeogenesis). من خلال دمج قياسات المستقلبات مع نماذج أيضية معتمدة على الجينوم، أظهر المؤلفون أن البكتيريا التي تستهلك الهيدروجين جيدة بشكل خاص في استخدام هذه الأحماض، بينما الميكروبات المنتجة للهيدروجين أقل ملاءمة لها. في حاضنات التربة، أدت إضافة مفرزات من نباتات PSY إلى تراكم أقل للميثان مقارنةً بإضافة مفرزات من الأرز الطبيعي، مما يدعم الفكرة أن الكيمياء الجذرية المعدلة توجه مباشرة النشاط الميكروبي بعيداً عن إنتاج الميثان.

مسار جديد لأرز صديق للمناخ

لغير المتخصصين، الخلاصة الأساسية هي أن تغيير طريقة نمو جذور الأرز وما تفرزه يمكن أن يقلص انبعاثات الميثان بشكل ملموس دون أن يطلب من المزارعين تغيير ممارسات الري أو الأسمدة. تسرب خطوط أرز PSY مزيد من الأكسجين ومزيد من الأحماض التي تفيد الميكروبات إلى منطقة الجذور، مما يشجع البكتيريا التي تستهلك الهيدروجين ويجوع الميكروبات المولدة للميثان من الوقود. وبينما أُجريت هذه الأبحاث في ظروف دفيئة مسيطرة وستحتاج للتأكد في تجارب الحقل، فإنها تشير إلى استراتيجية واعدة في التربية والبيوتكنولوجيا: تصميم محاصيل ليس فقط من أجل الغلة ومقاومة الأمراض، بل أيضاً من أجل الكيمياء غير المرئية التي تحدد بصمتها المناخية.

الاستشهاد: Shi, LD., Ercoli, M.F., Kim, J. et al. Reduced methane emissions in transgenic rice genotypes are associated with altered rhizosphere microbial hydrogen cycling. Nat Commun 17, 2028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68640-9

الكلمات المفتاحية: ميثان الأرز, الميكروبيوم الجذري, التخفيف من غازات الاحتباس الحراري, محاصيل متحولة وراثياً, الميكروبات في التربة