هرچند تلاش‌ها برای اصلاح نباتات و تغییرات ژنتیکی برای تولید بهینه محصولات کشاورزی به نتایج مثبتی منجر شده، اما دانشمندان تاکنون از کلیدی‌ترین بخش تامین غذای گیاهان یعنی ریشه‌های آن‌ها غافل شده بودند. 

مجید جویا: درهم و برهم، کثیف و مدفون در زیر خاک: تحقیق بر روی ریشه‌ها کار کثیفی است. بیرون کشیدن آن‌ها از زمین زمان‌بر است و در برخی از موارد فرایند را مختل می‌کند. بیل را باید با دقت به کار برد تا الگوهای ظریف شاخه‌های ریشه گیاه، مویرگ‌های ریشه و میکروب‌هایی که به آنها چسبیده‌اند آسیب نبینند. همه این‌ها نشان می‌دهد که چرا تاکنون، ریشه‌ها همان قدر که خارج از حوزه دید ما بوده‌اند، از ذهن دانشمندان و پژوهشگران کشاورزی هم دور افتاده‌اند.

به گزارش نیچر، در موج بعدی تغییرات بعد از انقلاب سبز, خیلی از دانشمندان در حال تغییر نگرش خود به ریشه‌ها هستند و تلاش‌های خود برای افزایش محصول را بر روی آن‌ها متمرکز کرده‌اند. آن بازه پر رونق تحقیق و توسعه که در دهه 1940 / 1320 آغاز شد، تولید غذا را با پرورش گونه‌های گیاهی پرمحصول و استفاده از کود، سموم ضد آفات و آب بیشتر به شدت افزایش داد. ولی این افزایش منجر به کاهش ذخایر آب‌های زیرسطحی شد و تا سال 1998 / 1377، کاربرد کودهای پایه نیتروژنی را به بیش از 8 برابر افزایش داد که خود منجر به مشکلات زیست‌محیطی مانند آب‌های آلوده گردید. ولی با همه این افزایش محصولات، هنوز خیلی‌ها گرسنه‌اند. این انقلاب کشورهای در حال توسعه را که برخی از آنها از خاک فقیر و دسترسی محدودی به امکانات آبیاری و کود رنج می‌برند؛ نادیده گرفت.

جاناتان لینچ، کارشناس تغذیه گیاهان در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «این استراتژی‌ها دیگر جوابگوی افزایش نیاز به غذا نیست. ریشه‌ها کلید دومین انقلاب سبز هستند؛ یکی که به ورودی‌های گران قیمت وابسته نباشد».

ریشه‌های گیاه، آب و مواد غذایی را می‌گیرند که مهم‌ترین عوامل (و عموما عامل محدود کننده) مورد نیاز گیاه هستند. پس چرا آب و کود بیشتر به گیاه بدهیم، در حالی که می‌توان توان ریشه‌ها را برای استفاده از آن‌چه هم‌اکنون در خاک وجود دارد، افزایش داد؟

به رغم این‌که تولیدکنندگان تاکنون با دستکاری ویژگی‌های «بالای زمین» (مانند تولید گیاهان کوتاه‌تری که انرژی را به جای ساقه به دانه محصول می‌برند)، توانسته‌اند به پیشرفت‌های بزرگی دست پیدا کنند؛ ولی کار چندانی برای ریشه‌ها انجام نشده و به دلیل این‌که تاکنون کاری بر روی ریشه‌ها انجام نشده، جای زیادی هم برای پیشرفت وجود دارد!

ریشه‌های طراح
بیشترین کارایی ریشه‌ها وقتی است که ساختار آنها با محیط تطابق داشته باشد. ریشه‌های عمیق می‌توانند آب را از زیر خاک‌های خشک بیرون بکشند؛ در حالی که ریشه‌های ظریف و کم‌عمق بهترین کارایی را در خاک‌هایی دارند که مواد غذایی در سطح محدود شده‌اند.

میشله وات، زیست‌شناس گیاهی در سازمان تحقیقات علمی و صنعتی کشورهای مشترک‌المنافع در کانبرای استرالیا، بر روی تولید گونه‌هایی از گندم کار می‌کند که برای مناطق کم‌آب مناسبند. گروه او به تازگی دریافته که ریشه برخی انواع تا 25 درصد بیشتر از انواع دیگر در عمق فرو می‌روند. آنها از این گونه‌ها برای تولید 400 خط جدید گندم استفاده کرده‌اند که هم‌اکنون در هند و استرالیا در حال کشت آزمایشی هستند.

وات البته از ابزارهای جدید ژنتیک هم استفاده می‌کند. گروه او به جای جستجو در میان 17 میلیارد زوج پایه ژنوم گندم، به دنبال نشانگرهای ژنتیکی می‌گردد که با ریشه‌های عمیق‌تر در تنها 271 میلیون زوج پایه یک گونه علف که از زیر خانواده‌های گندم است و در سال جاری توالی ژنی آن تعیین شد، ارتباط دارند. گروه امیدوار است که این نشانگرها تعیین این که کدام گونه گندم احتمالا ریشه‌های عمیق‌تری دارد را بدون نیاز به فرایند طاقت‌فرسای کاشت انواع گونه‌ها و در آوردن آنها از خاک و اندازه‌گیری ریشه‌ها، امکان‌پذیر سازند.

لینچ دریافته که در هنگام محدودیت آب، خطوط ذرت که فضای هوایی بین سلولی بیشتری در بافت‌های ریشه داشتند، محصولی هشت برابر بیش از گونه‌های فاقد این توانایی دارند. به گفته لینچ شاید دلیل آن این باشد که گیاه، هزینه‌های متابولیک رشد بافت جدید ریشه را با اعمال هوای بیشتر به آن کاهش می‌دهد و انرژی بیشتری را برای دانه باقی می‌گذارد. البته تحقیق بر روی ساختار ریشه‌ها دوران طفولیت خود را طی می‌کند و هنوز نمی‌توان مطمئن بود که چگونه می‌توان از چنین ویژگی‌هایی در تولید گونه‌های جدید بهره برد و حتی مشخص نیست که پس از آن، چه نتیجه‌ای حاصل خواهد شد.

نظافت‌چی‌های پنهان
ریشه‌ها مواد مغذی را جستجو می‌کنند. برخی از پژوهشگران راه‌هایی برای کمک به آنها می‌یابند، که عموما از طریق تقویت توانایی آنها در جدا کردن مواد غذایی از خاک یا خنثی کردن مواد سمی است.

در بیابانی در مرکز برزیل که کرادو نام دارد، اسیدیته بالای خاک با حل کردن آلومینیوم، آن را به سمی برای ریشه گیاهان بدل می‌کند. اما برخی گونه‌های گیاهان می‌توانند از خود حفاظت کنند:‌ نوک ریشه‌های آنها با آزاد کردن اسیدهای آلی، یون‌های آلومینیوم را خنثی می‌کند. در سال 2007 / 1386، لئون کوچیان، متخصص ژنتیک در دانشگاه کرنل در ایتاکای نیویورک و همکارانش گزارش دادند که ژن مسئول این کار را یافته‌اند. آنها اکنون بر روی یافتن نشانگرهای ژنتیکی کار می‌کنند که پرورش‌دهندگان را قادر سازد گونه‌های منطقه‌ای از سورقوم و دیگر گیاهان دارای این توانایی را شناسایی کنند. در کارهای اولیه در برزیل، گونه‌های شناسایی شده با توانایی تحمل آلومینیوم، تا یک سوم بیشتر از دیگر گونه‌ها محصول داشته‌اند.

ترور گارنت از دانشگاه آدلاید استرالیا، در حال کار با شرکت علوم زیستی آرکادیا است، (یک شرکت زیست‌فناوری کشاورزی مستقر در دیویس کالیفرنیا) تا روشی تجاری برای افزایش کارایی ریشه‌ها در جذب نیتروژن از خاک پیدا کند. به گفته او «در حال حاضر تنها 40 تا 50 درصد از نیتروژنی که به صورت کود به خاک افزوده می‌شود به گیاه می‌رسد. نیتروژن استفاده نشده نه تنها تلف می‌شود بلکه سبب آلودگی منابع آبی هم می‌شود». 

گروهی دیگر از طرف‌داران ریشه می‌خواهند که محصول را با مهار میکروب‌های ساکن ریزوسفر (لایه باریکی از خاک که ریشه‌ها را می‌پوشاند) افزایش دهند. این کار در مراحل اولیه قرار دارد. برای مثال هنوز مشخص نیست که افزودن یک ژن ضدقارچ به میکروب یا یک میکروب جدید به یک جامعه میکروبی که اطلاع چندانی از ماهیت آن نداریم، چه نتیجه‌ای خواهد داشت.

یک تثبیت سالم
مفهوم مهندسی غلاتی مانند گندم، ذرت و برنج برای تامین نیتروژن، به رغم این‌که چندین دهه تلاش برای آن به جایی نرسیده، ولی سبب نشده که دانشمندان از آن دست بکشند. اگر گیاهان بتوانند نیتروژن را به جای خاک از هوا جذب کنند، در آن صورت نیاز به کودهای پرهزینه‌ای که به محیط‌زیست هم آسیب می‌زنند، از بین می‌رود یا دست کم از شدت آن کاسته می‌شود. ولی برای تقلید از سبزیجاتی مانند سویا یا عدس که این کار را انجام می‌دهند، گیاهان باید هم‌زیستی و تعامل پیچیده‌ای با یک میکروب جذب‌کننده نیتروژن به نام ریزوبیوم داشته باشند. اکثر تلاش‌ها بر روی واداشتن گیاهان به تشکیل غده‌هایی در ریشه گیاه متمرکز شده که ریزوبیوم در آن سکونت دارد.

خیلی از پژوهشگران اعتقاد دارند که قرار دادن ژن‌های تثبیت نیتروژن در گیاهانی غیر از سبزیجات، هدفی حیاتی برای علوم کشاورزی است. اریک تریپلت، رئیس دانشکده میکروبیولوژی و علوم سلولی در دانشگاه فلوریدا در گینسویل، می‌گوید که این کار به گروهی «با تعهد به شجاعت و منابع مورد نیاز برای کاری که دست کم 10 سال به طول می‌انجامد» نیاز دارد.

پیتر گرگوری، مدیرعامل موسسه پژوهشی گیاهان اسکاتلند در داندی انگلستان می‌گوید: «ما در 40 سال گذشته راهی طولانی را بدون فکر کردن به ریشه‌ها طی کرده‌ایم، ولی تبعات اقتصادی و زیست محیطی اعمال ناکارامد مواد غذایی به گیاهان اکنون آشکار شده است. تنها راهی که ما می‌توانیم از این هزینه‌ها اجتناب کنیم این است که در مورد ریشه‌ها هوشمندانه‌تر برخورد کنیم.