طفرة في النباتات يمكن أن تقلل بشكل كبير من الحاجة إلى الأسمدة: استكشاف شامل

تقف الزراعة في رابطة الأمن الغذائي، والاستدامة البيئية، والتنمية الاقتصادية. مع اقتراب السكان العالميين من 10 مليارات بحلول عام 2050، من المتوقع أن يرتفع الطلب على الغذاء بنسبة 60 ٪ تقريباً (منظمة الأغذية والزراعة، 2017). كان أحد العناصر الرئيسية في مواجهة هذا التحدي هو الاستخدام الواسع النطاق للأسمدة الكيميائية لزيادة غلة المحاصيل. ومع ذلك، فإن التكاليف البيئية والاقتصادية لإنتاج الأسمدة وتطبيقها قد دفعت البحوث الزراعية الواسعة إلى بدائل مستدامة. ولعلّ أحد الآفاق الواعدة هو البحوث الوراثية، وخاصة الاكتشاف الأخير للطفرة في النباتات التي تُعزِّز بشكل كبير امتصاص النيتروجين وكفاءة الاستخدام. هذه الطفرة يمكن أن تقلل بشكل كبير من الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية.

يقدم هذا المقال فحصاً متعمقاً لهذا التطور من خلال تتبع التاريخ والاتجاهات في البحوث الزراعية، واستكشاف دور الأسمدة العالمية وتأثيرها، وتقييم الآثار المترتبة على هذه الطفرة، وإسقاط إمكاناتها لإحداث ثورة في الزراعة المستدامة.

زهرة توليب حمراء تظهر بتلة صفراء جزئياً بسبب طفرة جسدية في الخلية التي شكلت تلك البتلة.

1. ظهور البحوث الزراعية وتاريخها.

بدأت الأبحاث الزراعية عند الحضارات البشرية المُبكِّرة التي طوّرت أساليب تجريبية لتحسين إنتاج المحاصيل. ومع ذلك، ظهرت الأبحاث الزراعية المنهجية والمؤسسية في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. تشمل المعالم الرئيسية:

عمال Justus von Liebigفي أربعينيات القرن التاسع عشر، الذي صاغ "قانون الحد الأدنى"، مع التركيز على أهمية العناصر الغذائية مثل النيتروجين (N)، والفوسفور (P)، والبوتاسيوم (K).

حداث الجامعات منحة الأراضي في الولايات المتحدة من خلال قانون موريل (1862)، الذي قام بإضفاء الطابع المؤسسي على التعليم الزراعي والتجريب.

أسيس محطات البحوث الزراعية في أوروبا وآسيا، بما في ذلك Rothamsted Research (المملكة المتحدة، 1843)، واحدة من أقدم في العالم.

زهور داهليا (dahlia).

شهد القرن العشرين عولمة العلوم الزراعية، مع إنشاء مراكز دولية مثل المعهد الدولي لأبحاث الأرز (International Rice Research Institute IRRI) في عام 1960 والمجموعة الاستشارية للبحوث الزراعية الدولية (Consultative Group for International Agricultural Research CGIAR) في عام 1971.

هل يمكن تعديل النبات؟

2. تطور البحوث الزراعية.

يمكن تصنيف تطور البحوث الزراعية إلى أربع مراحل رئيسية:

ورة ما قبل الأخضر (قبل الأربعينيات من القرن الماضي): التركيز على التربية الكلاسيكية وتحسين ممارسات الزراعة.

لثورة الخضراء (الأربعينيات إلى السبعينيات من القرن الماضي): إدخال أصناف المحاصيل ذات العائد المرتفع (high-yielding crop varieties HYV)، والأسمدة الاصطناعية، والري، والمبيدات الحشرية. على سبيل المثال، زادت غلة القمح في المكسيك من 0,75 طن/هكتار في الأربعينيات إلى أكثر من 2,5 طن/هكتار في السبعينيات.

صر التكنولوجيا الحيوية (1980 -2000): مكّنت الهندسة الوراثية المحاصيل مقاومة الحشرات (على سبيل المثال، BT Cotton) والتسامح مع مبيدات الأعشاب.

لاستدامة والمرونة المناخية (2000- الحاضر): التركيز على الزراعة التي تتماشى مع المناخ، والتكثيف المستدام، وكفاءة الموارد.

بلغ الاستثمار العالمي في البحث والتطوير الزراعي 46,8 مليار دولار في عام 2015، مع زيادة مساهمات الصين والهند والبرازيل بشكل كبير.

3. الاتجاهات الرئيسية في البحوث الزراعية.

تشمل الاتجاهات الحديثة في البحوث الزراعية ما يلي:

لزراعة الرقمية: استخدام المستشعرات والطائرات بدون طيار والذكاء الاصطناعي (AI) للزراعة الدقيقة. بلغت قيمة سوق الزراعة الرقمية 10,2 مليار دولار أمريكي في عام 2021 ومن المتوقع أن يصل إلى 22,5 مليار دولار بحلول عام 2025. (MarketSandMarkets ، 2022).

ريسبر وتحرير الجينات: تسمح أدوات مثل CRISPR/CAS9بالتكاثر الدقيق والسريع لتحمل الجفاف، ومقاومة الأمراض، وكفاءة المغذيات.

لم الأحياء الزراعية والزراعة التجديدية: التركيز على التنوع البيولوجي، والمدخلات العضوية، والمرونة.

بحاث ميكروبيوم التربة: دراسة تفاعلات الميكروبات النباتية لتحسين امتصاص المُغذّيات ومقاومة الإجهاد.

4. نتائج البحوث الزراعية وإنجازاتها.

تشمل الإنجازات الرئيسية:

زيادة العائدات: زاد إنتاج الحبوب العالمي من 800 مليون طن في عام 1961 إلى أكثر من 2,9 مليار طن في عام 2020.

حسين الأمن الغذائي: انخفض نقص التغذية العالمي من 34 ٪ في عام 1970 إلى 9,2 ٪ في عام 2020 (منظمة الأغذية والزراعة، 2021).

لتوسع في زراعة المحاصيل المعدلة وراثياً: زُرعت أكثر من 190 مليون هكتار من المحاصيل المعدلة وراثياً عالمياً في عام 2022، بقيادة الولايات المتحدة والبرازيل والأرجنتين.

عزيز القدرة على التكيف مع تغير المناخ: تطوير أصناف محاصيل مقاومة للإجهاد في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وجنوب آسيا.

5. تطور استخدام الأسمدة في الزراعة.

أحدث ظهور الأسمدة الاصطناعية ثورة في الزراعة:

ملية هابر-بوش (Haber-Bosch) (1909): مكّنت من تثبيت النيتروجين صناعياً.

لاعتماد على الثورة الخضراء: ارتفع استخدام الأسمدة في الهند من 1,1 مليون طن (1966) إلى أكثر من 30 مليون طن (2022).

لدعم القائم على المغذيات: تدعم الحكومات في جميع أنحاء العالم استخدام الأسمدة لتعزيز إنتاج الغذاء. في عام 2020، خصصت الهند 10 مليارات دولار لدعم الأسمدة.

6. النطاق العالمي لإنتاج الأسمدة واستخدامها.

الإحصائيات الرئيسية:

• الإنتاج: 260 مليون طن في عام 2022.

• أكبر المنتجين: الصين (25%)، الهند (14%)، الولايات المتحدة الأمريكية (10%)، روسيا (9%).

• الاستهلاك العالمي: 200 مليون طن سنوياً؛ ٥٦٪ من الأسمدة النيتروجينية.

• التفاوتات الإقليمية: تستهلك أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى ٢٪ فقط من إجمالي الأسمدة العالمية.

كثافة استخدام الأسمدة:

• شرق آسيا: حوالي ٣٠٠ كغ/هكتار

• أمريكا اللاتينية: حوالي ١٢٠ كغ/هكتار

• أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى: أقل من ٢٠ كغ/هكتار

7. مشاكل وقضايا استخدام الأسمدة العالمي.

القضايا البيئية:

• يؤدي الجريان السطحي إلى تلوث المياه وازدهار الطحالب (التغذية المفرطة).

• يُمثل أكسيد النيتروز (N2O)، وهو غاز دفيئة قوي، ٦٪ من انبعاثات غازات الدفيئة.

التحديات الاقتصادية وتحديات الموارد:

• تقلب الأسعار: ارتفعت أسعار اليوريا من 250 دولاراً أمريكياً للطن في عام 2020 إلى أكثر من 750 دولاراً أمريكياً للطن في عام 2022.

• الاعتماد على الفوسفور غير المتجدد؛ ومن المتوقع أن يبلغ الفوسفور ذروته حوالي عام 2040.

التفاوتات الاجتماعية:

• ارتفاع أسعار الأسمدة يُهمّش صغار المزارعين.

• عدم الكفاءة: تمتص النباتات أقل من 50% من النيتروجين المُضاف.

8. الطفرة المُكتشفة في النباتات.

في عام 2023، حدد علماء في جامعة كوبنهاغن طفرة تلقائية في الشعير تُعزز كفاءة امتصاص النيتروجين. هذا الجين، وهو أحد متغيرات الجين NRT1.1B، يُعزِّز امتصاص النترات وانتقالها. تُمكّن هذه الطفرة الشعير من الحفاظ على إنتاجيته مع تقليل مدخلات الأسمدة النيتروجينية بنسبة تصل إلى 50%.

ثلاث طفرات رئيسية في الكروموزوم (1): الحذف، و(2): والتكرار ، و(3): الانعكاس.

9. وصف الطفرة في النباتات.

تؤثر الطفرة على:

• بنية الجذر: تزيد من تفرع الجذور ومساحة سطحها.

• نشاط الناقل: يُعزز امتصاص النترات والأمونيوم.

• إعادة تعبئة النيتروجين: توزيع داخلي أكثر كفاءة من الجذور إلى البراعم.

• غير معدل وراثياً، مما يجعله أكثر ملاءمة لبرامج التربية التقليدية.

10. آثار الطفرة في النباتات على الزراعة والمحاصيل.

• إنتاجية أعلى في الأنظمة منخفضة المدخلات.

• انخفاض التكاليف على المزارعين: يمكن أن تُشكل الأسمدة ما بين 30% و50% من إجمالي تكاليف الإنتاج.

• تحسين الغلة في التربة الفقيرة: وهو أمر مفيد بشكل خاص في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وجنوب آسيا.

• دورات تكاثر أسرع: يمكن استخدامها في برامج الانتقاء بمساعدة الواسمات.

11. آثار الطفرة في النباتات على إنتاج الأسمدة واستخدامها.

• انخفاض الطلب العالمي: يمكن أن تُقلِّل من استهلاك الأسمدة النيتروجينية بنسبة تصل إلى 30%.

• خفض الانبعاثات: من المتوقع أن تُخفض 200 مليون طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون سنوياً.

• تحوّل السوق: قد تتحول شركات الأسمدة نحو المواد البيولوجية وأنظمة التوصيل الدقيقة.

12. التوقعات المستقبلية.

• تكامل أوسع للمحاصيل: تُبذل جهود لإدخال طفرات جينية في القمح والأرز والذرة.

• شراكات بين القطاعين العام والخاص: تتعاون شركات البذور والحكومات والمنظمات غير الحكومية لنشر بذور مُحسّنة.

• التكثيف المستدام: عنصر أساسي لتحقيق الهدف الثاني من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة (القضاء على الجوع).

• دعم السياسات: مطلوب لتمويل البحوث، وخدمات الإرشاد، والأطر التنظيمية.

الخلاصة.

يُمثل اكتشاف طفرة نباتية طبيعية تُعزِّز كفاءة استخدام النيتروجين نقطة تحول في السعي نحو الزراعة المستدامة. فهو يُجسِّد تآزر البحث الجيني، والإدارة البيئية، والجدوى الاقتصادية. من خلال الاستثمار المناسب، والسياسات، والتعاون العالمي، يُمكن لهذا الابتكار أن يُقلِّل بشكل كبير من اعتماد العالم على الأسمدة الكيماوية، ويُخفِّف من آثار تغير المناخ، ويُعزِّز الأمن الغذائي للأجيال القادمة.