Nitrogen-fixing bacteria and their relationships with the host plant
مقدمة: ما هي البكتيريا المثبتة للنيتروجين؟
**البكتيريا المثبتة للنيتروجين** هي مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة القادرة على تحويل غاز النيتروجين الجوي الخامل (N₂) إلى أمونيا (NH₃)، وهو شكل بيولوجي من النيتروجين ضروري لنمو النبات. تُكوّن هذه البكتيريا علاقات **حرة** أو **تكافلية** مع النباتات، وخاصة البقوليات وبعض الأنواع غير البقولية، لتزويدها بالنيتروجين الثابت مقابل مصادر الكربون وبيئة محمية. تُعد هذه العملية أساسية في النظم البيئية الطبيعية والزراعة المستدامة.
إليكم **شرحًا احترافيًا ومفصلًا عن **البكتيريا المثبتة للنيتروجين** و**علاقتها بالنباتات المضيفة**، وهو مثالي للاستخدام في التنمية الزراعية، أو استراتيجيات إدارة التربة المستدامة
ما هي البكتيريا المساعدة للميكورايزا؟
الأكتينوميسيت فرانكيا: بكتريا مهما بيئيا وزراعيا
11 نوع من الدراسات الخاصة باختبار البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات
البكتيريا المثبتة للنيتروجين: التصنيف، الوظيفة، والتكافل
✅ 1. **أنواع البكتيريا المثبتة للنيتروجين**
| النوع | أمثلة | البيئة/العائل |
| ----------------- | ---------------------- | ------------------------------------- |
| **البكتيريا الحرة** | *آزوتوباكتر*، *كلوستريديوم*، *بايرينكيا* | منطقة الجذور، التربة السائبة |
| **الترابطية** | *آزوسبيريلوم*، *هيرباسبيريلوم*، *بوركهولدريا* | ريزوبلان، منطقة جذور الأعشاب |
| **التكافل** | *ريزوبيوم*، *براديريزوبيوم*، *فرانكيا* | عقيدات جذور البقوليات، النباتات الجذرية الشعاعية |
| **البكتيريا الزرقاء** | *أنابينا*، *نوستك*، *كالوثريكس* | السرخس المائي، الأشنات، الطحالب |
🔍 **نظرة حصرية**:
بعض البكتيريا المثبتة للنيتروجين، مثل *أزوسبيريلوم برازيلينس*، تُنتج أيضًا هرمونات نباتية (حمض أمينو أسيتيل الساليسيليك، الجبرلينات)، مما يُوفر **فوائد مزدوجة**: توفير النيتروجين + تحفيز نمو الجذور.
8 خصائص للبكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات المثالية
✅ 2. **البكتيريا المثبتة للنيتروجين التكافلية ونباتاتها المضيفة**
يُعد التثبيت التكافلي للنيتروجين أكثر الطرق فعاليةً وفائدةً بيئيًا لاكتساب النيتروجين للنباتات.
🔄 **مراحل التكافل** (البقوليات نموذجًا)
1. **التعرف الجزيئي**: تُطلق جذور النباتات **الفلافونويدات** ← تستجيب البكتيريا بـ **عوامل العقد**.
2. **تجعيد شعر الجذور**: يُسهّل دخول البكتيريا.
٣. **تكوين خيط العدوى**: تغزو البكتيريا أنسجة الجذور.
٤. **تكوين العقد**: تتكاثر خلايا القشرة لتكوين عقدة.
٥. **التمايز إلى بكتيريا**: داخل العقد، تُثبّت البكتيريا النيتروجين.
٦. **التبادل**: تُزوّد البكتيريا NH₃ → يُوفّر النبات عمليات التمثيل الضوئي.
🌿 **الارتباطات التكافلية الرئيسية**
| البكتيريا | عائلات النباتات المضيفة | موقع تكوين العقد | إمكانية تثبيت النيتروجين |
| -------------- | ------------------ | --------------------- | ----------------------- |
| *ريزوبيوم ليجومينوزارم* | بازلاء، عدس (*الفصيلة البقولية*) | جذور جانبية | مرتفع |
| *براديريزوبيوم جابونيكوم* | فول الصويا | الجذور الأولية والجانبية | مرتفع جدًا |
| *فرانكيا ألني* | ألدر (*بيتولاسيا*) | عُقيدات جذرية | متوسطة إلى عالية |
| *أنابينا أزولاي* | سرخس مائي (*أزولا*) | تجاويف الأوراق | متوسطة |
> 📌 **معلومة حصرية**:
بعض البقوليات، مثل *سسبانيا روستراتا*، تُشكل **عُقيدات جذعية** في ظروف الغمر بالمياه، مما يجعلها مثالية لأنظمة التسميد الأخضر في حقول الأرز.
✅ 3. **آلية تثبيت النيتروجين**
* يُحفز إنزيم **النيتروجينيز** عملية N₂ → NH₃.
* إنزيم النيتروجينيز حساس جدًا للأكسجين ويتطلب:
* **ATP** (من تنفس النبات أو الأيض الميكروبي).
* **مانحات الإلكترونات** (مثل الفيريدوكسين).
* يُخزَّن الأكسجين باستخدام:
* **الليغيموغلوبين** في البقوليات.
* **الحويصلات** في *فرانكيا*.
* **الأكياس غير المتجانسة** في البكتيريا الزرقاء.
> 🧬 **تفاصيل متقدمة**:
يتحكم جينا *nif* (تثبيت النيتروجين) و*nod* (تكوين العقد) في قدرة البكتيريا على تثبيت النيتروجين وبدء التكافل - وهما مؤشران مفيدان لتطور المُلقِّحات الميكروبية.
تصنيف الفطريات الجذرية(mycorrhiza)
✅ 4. **فوائد للنباتات المضيفة**
| الفائدة | الشرح |
| ------------------------ | ---------------------------------------------- |
| **اكتساب النيتروجين** | 40-300 كجم نيتروجين/هكتار/سنة بدون أسمدة |
| **نمو جذور مُحسَّن** | تُطلق البكتيريا الأوكسينات والجبرلينات |
| **تحمل الإجهاد** | تحسين مقاومة الجفاف والملوحة والمعادن |
| **إثراء التربة** | بقايا غنية بالنيتروجين تعزز إنتاجية المحاصيل اللاحقة |
| **الاستدامة** | يقلل من استخدام النيتروجين الكيميائي، ويقلل من تسرب النترات وانبعاثاتها |
🌾 **تطبيق حصري**:
تناوب الحبوب مع البقوليات الملقحة بسلالات مختارة من بكتيريا *الريزوبيوم* يزيد من كفاءة النيتروجين في التربةزيادة إنتاجية المحصول بنسبة تصل إلى **40%**، خاصةً في الأنظمة منخفضة المدخلات.
--
✅ 5. **التحديات وتوجهات البحث المستقبلية**
| التحدي | فرصة للابتكار |
| ----------------------------- | ------------------------------------------- |
| خصوصية العائل | الهندسة الوراثية للريزوبيا أو إشارات العائل |
| تأثير درجة حموضة التربة وملوحتها | عزل سلالات محلية مقاومة للإجهاد |
| أداء حقلي غير متسق | استخدام مُلقحات مُصممة بيولوجيًا مع مواد حاملة |
| نطاق محدود من النباتات المضيفة | توسيع نطاق التعايش التكافلي ليشمل الحبوب (مثل الأرز والذرة) |
🔬 **اتجاه بحثي حصري**:
يُعد تحرير الجينات باستخدام تقنية كريسبر لبروتينات مستقبلات الجذور للسماح بتكوين **عقد في النباتات غير البقولية** طليعةً في علم الأحياء التركيبي والتكنولوجيا الحيوية للمحاصيل.
5 آليات مباشرة و 4 غير ماشرة لتعزيز نمو النبات
جدول(1) : البكتيريا المثبتة
للنيتروجين وأشكال علاقتها بالنبات المضيف لنمو النبات
|
البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات والمثبتة
للنيتروجين |
||
|
نوع العلاقة مع المضيف |
أمثلة عن البكتريا والنباتات المضيفة |
|
|
Symbiotic(nodulating)تكافلية |
rhizobia (including the
Allorhizobium, Azorhizobium, Brady rhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium,
Sinorhizobium)/ legume crops. Frakia/ non legume crops |
|
|
Rhizospheric
رايزوسفيرية |
Azospirillum sp, /Maize
Rice Wheat Azotobacter sp./ Maize
Wheat Bacillus polymyxa/ Wheat Cyanobacteria (Anabaena and
Nostoc.)/ Rice
|
|
|
Endophytic داخلية |
Azoarcus sp. /Kallar grass
Sorghum Rice Burkholderia sp. /Rice Gluconacetobacter
diazotrophicus/ Sorghum, Sugarcane Herbaspirillum sp./ Rice
Sorghum Sugarcane |
|
|
Associativeمرافقة |
Azoarcus sp, Beijerinckia
sp. , Klebsiella pneumoniae , Pantoea agglomérons , / non-legume crop
Achromobacter, Acetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Azomonas, Bacillus,
Beijerinckia, Clostridium,
Corynebacterium, Derxia, Enterobacter, Klebsiella, Pseudomonas,
Rhodospirillum, RhodoPseudomonas and Xanthobacter |
|
|
Free
حرة |
Azospirillum sp, Azotobacter sp |
|
🧠 **الخلاصة: مهندسو النيتروجين في الطبيعة**
تُعد البكتيريا المُثبّتة للنيتروجين **أسمدة حيوية طبيعية** وشريكًا أساسيًا في الاستدامة الزراعية. يُوفّر تكافلها مع النباتات مصدرًا متجددًا وصديقًا للبيئة للنيتروجين، مما يُعزز صحة التربة وإنتاجية المحاصيل. ويُمثّل تسخير إمكاناتها - لا سيما من خلال التلقيح المُوجّه، وتربية النباتات، والتحسين التكنولوجي الحيوي - **استراتيجيةً أساسيةً للزراعة المُقاومة لتغير المناخ والمُنخفضة المُدخلات** في القرن الحادي والعشرين.
10 عوامل متحكمة في ميكروبات الرايزوسفير
للمزيد من المعلومات الإطلاع على كتاب
الرايزوسفير: إيكوبيولوجيا ،ميكروبيولوجيا وبيوتكنولوجيا
تأليف
The Rhizosphere: Ecobiology, Microbiology and Biotechnology
