هم‌زیستی گیاهان و قارچ‌ها

در رابطه بین گیاه و قارچ، گیاهان ۲۰ الی ۳۰٪ از قند تولیدی خود را به قارچی به‌نام میکوریزا (Mycorrhiza) که در ریشه آن‌ها قرار دارد، تحویل می‌دهد. آیا این کار ارزشش را دارد؟

به‌عنوان یک باغدار، اغلب، قارچ‌ها را معادل با بیماری می‌دانیم – از جمله سیاهک، زنگ گیاهی (پوسیدگی)،‌ بادزدگی، کپک پودری، پژمردگی فوزاریوم (Fusarium) (یا پژمردگی قارچی) و غیره. در واقع، اولین واکنش ما در مقابل قارچ‌ها،‌ استفاده از قارچ‌کش است. با این حال، در ناحیه ریشه، گیاهان تا حد زیادی از رشد قارچ‌ها به‌نوعی دیگر حمایت می‌کنند.

مطالعه ارتباط بین گیاه و قارچ چالش‌ برانگیز و پرهزینه است. ما احتمالاً هرگز نمی‌فهمیم که این همزیستی چگونه عمل می‌کند. دانشمندان به شواهدی رسیده‌اند که فواید قارچ مایکوریزا را نشان می‌دهد. به طریق مشابه، در بخش‌های پیچیده دیگری، آن‌ها تئوری‌هایی را مطرح می‌کنند که در آن این ارتباط دوطرفه به‌خوبی عمل می‌کند.

قارچ میکوریزا چگونه عمل می‌کند؟

وقتی گیاهان فعالیت می‌کنند، حاصل آن به‌شکل تولید قند است. گیاهان در حدود ۲۰ الی ۳۰٪ از قندهای تولیدی خود را در اختیار قارچ‌ها قرار می‌دهند، گاهی نیز کمی بیشتر. در مقابل، آنچه که قارچ میکوریزا در اختیار گیاه می‌گذارد را دریافت می‌کنند. این در واقع مانند پرداخت رهنی است. با این حال، به‌نظر می‌رسد که این معامله به‌سود گیاهان تمام می‌شود زیرا این گیاهان هستند که سالم‌تر می‌شوند و در هنگام برداشت، محصول بیشتری تحویل می‌دهند. گیاهان در این رابطه دقیقاً چه چیزی بدست می‌آورند؟

• جذب مواد مغذی بیشتر
• کمک به باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن
• افزایش دسترسی به آب و تحمل بیشتر خشکی
• کنترل بیماری‌های گیاهی
• گلومالین (Glomalin) – چسبی قدرتمند بین ذرات خاک و کربن
• واسطه‌های زیرزمینی

جذب مواد مغذی بیشتر

وقتی قارچ مایکوریزا در اطراف ریشه شکل می‌گیرد، سطح مقطع ریشه از ۱۰ لایه به ۱۰۰۰ لایه افزایش می‌یابد. ساختارهای نخ‌مانند و باریکی، به‌نام موئینه، که در ابعاد ریز از ریشه شروع می‌شوند و به تمام بخش‌های خاک می‌روند. این موئینه‌ها موجب افزایش سطح تماس گیاه با خاک اطراف خود می‌شوند و در نتیجه مواد مغذی که در دسترس گیاه قرار می‌گیرد نیز افزایش می‌یابد. موئینه‌ها در جذب فسفر و تحویل آن به گیاه به‌شکل قابل استفاده برای آن، نقش بسیار مهمی دارند. فسفر به همراه روی، مس، کلسیم، منیزیم، آهن و منگنز، تحرک زیادی در خاک ندارند و با سایر عناصر موجود ترکیب می‌شوند، این ترکیبات مستقیماً قابل استفاده گیاه نیست. قارچ میکوریزا از خود اسیدی ترشح می‌کند که کلوخه‌ها و بخش‌هایی از خاک را که بهم چسبیده‌اند، باز می‌کند. سپس مواد معدنی حاصل‌شده را به‌شکلی در اختیار گیاه می‌گذارد که برای گیاه قابل جذب است.

فسفر اغلب به‌عنوان عامل محدودکننده رشد گیاه محسوب می‌شود، قارچ مایکوریزا موجب می‌شود که حتی خاک‌هایی که محتوای فسفر کمی دارند، شرایط بهتری برای گیاه فراهم کنند. همچنین، سایر عناصری که به‌سختی به گیاه می‌رسند، مانند روی، مس، آهن، کلسیم، منیزیم و منگنز به شیوه مشابه در دسترس گیاه هستند. بدون کمک این گروه از قارچ‌ها، دو راه باقی می‌ماند، یا باید از کودهای حاوی عناصر مغذی اضافه کنید که خود خاک در حال حاضر این عناصر را دارد، یا باید با زحمت فراوان pH خاک را تنظیم کنید تا عناصر ذکرشده بیشتر در دسترس گیاه قرارگیرند.

با افزایش دسترسی گیاه به عناصر فسفر، روی، مس، آهن و منگنز، علاوه بر اینکه رشد گیاه بهبود می‌یابد، در نهایت مواد مغذی که از خاک جذب شده‌اند وارد محصول تولیدشده نیز می‌شوند.

کمک به باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن

ریزوبیوم (Rhizobia)، باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن است که برای تثبیت نیتروژن به مقدار زیادی از فسفر نیاز دارد. با این حال، ریشه حبوباتی که ریزوبیوم روی آن‌ها لانه می‌گزیند و فعالیت می‌کند، زمخت است و توانایی استخراج مواد مغذی مانند فسفر را از خاک ندارد. چنانچه قارچ میکوریزا در اطراف ریشه وجود داشته باشد، هم تثبیت نیتروژن افزایش می‌یابد و هم فسفر در دسترس گیاه قرار می‌گیرد.

افزایش دسترسی به آب و تحمل بیشتر خشکی

قطر موئینه قارچ‌ها در ابعاد میکروسکوپی است، بنابراین این موئینه‌ها قادرند که آب را از منافذ بسیار ریز خاک بیرون بکشند و در اختیار گیاه قرار دهند تا آن را جذب کند. این شرایط همراه با افزایش جذب مواد مغذی گیاه را در برابر دوره‌های خشکی مقاوم می‌کند. از آنجا که به‌مرور زمان دسترسی به آب محدودیت بیشتری پیدا می‌کند، قارچ میکوریزا پاسخ مناسبی به شرایط است.

گل-کاسه‌ای گیاهی است که به آب و مواد معدنی زیادی نیاز دارد. در یک آزمایش، به ۱۸۵ گل-کاسه‌ای، قارچ میکوریزا اضافه شد. با وجود اینکه در طول دوره آزمایش یکی از گرم‌ترین تابستان‌های ممکن اتفاق افتاد، نه‌تنها گل‌ها بزرگتر شدند و رنگ‌بندی‌های متنوعی‌تری یافتند، بلکه میزان مصرف آب به‌اندازه ۱۸٪ و میزان مصرف کودها به‌اندازه ۷۸٪ کاهش یافت.

آزمایش دوم نیز در همان منطقه در یک تاکستان انجام شد. ۲۰۰۰ درخت مو آغشته به قارچ میکوریزا شدند و ۲۰۰۰ درخت مو دیگر نیز به‌عنوان گیاه شاهد در نظر گرفته شد. در یک تعطیلات طولانی فاجعه‌ای رخ داد، برق قطع شد، دمای تاکستان تا حد زیادی بالا رفت و آبی برای آبیاری وجود نداشت. تمام ۴۰۰۰ درخت مو مثل مشعل‌های فروزان فرو افتادند. با وجود این حوادث، آزمایش‌ها ادامه پیدا کرد. بعد از چند هفته که تاکستان با آبیاری منظم و هوای مطبوع محافظت شد، گیاهانی که قارچ میکوریزا به آن‌ها اضافه شده بود دوباره سبز شدند، این در حالی بود که سایر نمونه‌ها کاملاً از بین رفته بودند. کاربرد این قارچ در هنگام احیای اراضی کشاورزی، بسیار رایج شده است. معمولاً احیا با این قارچ زمانی صورت می‌گیرد که دسترسی به آب امکان‌پذیر نیست. ارتباط بین قارچ و گیاه در حد زیادی موجب تقویت نهال‌های جوان است.

کنترل بیماری‌های گیاهی

گیاهی که حاوی قارچ میکوریزا است در مقابل بیماری‌ها مقاومت بیشتری دارد. این قارچ میکروارگانیسم‌هایی از خاک را که در اطراف ریشه یا منطقه ریزوسفر هستند تحت تأثیر قرار می‌دهد، به‌نحوی که ارگانیسم‌های خوب را تقویت کرده و انواع بد را از بین می‌برد. این شرایط منجر به تقویت ارتشی از ارگانیسم‌ها می‌شود که از گیاه محافظت می‌کنند، در واقع، برخی از انواع میکوریزا‌ها، محافظ غلاف ریشه هستند و از بروز عوامل بیماری‌زا جلوگیری می‌کنند.

تئوری‌هایی که درمورد نحوه عملکرد این قارچ مطرح است شامل این موارد است: ارتباط قارچ گیاه در مقابل بیماری‌ها مانع ایجاد می‌کند،‌ این ارتباط با تشکیل ترکیبات آنتی‌بیوتیک عوامل بیماری‌زا را دفع می‌کند، قارچ و گیاه بر سر مواد مغذی با عواملی بیمای‌زا رقابت می‌کند و در نهایت ارتباط قارچ و گیاه منجر به فعال‌شدن سیستم دفاعی گیاه می‌گردد.

در مطالعه‌ای که در رابطه با دفع بیماری‌ها بود، نهال‌های کاج با قارچ فوزاریوم آلوده شدند. دسته دیگر از نهال‌ها نیز با ریزوپوژن قارچی میکوریزا (Mycorrhizal fungus Rhizopogon) آلوده شدند. بیش از ۹۰٪ از نمونه‌های شاهد از بین رفتند در حالی که ۹۵٪ از نهال‌هایی که با قارچ میکوریزا آلوده شدند، باقی ماندند.

گلومالین – چسبی قدرتمند بین ذرات خاک و کربن

گلومالین ماده‌ای بسیار چسبناک است که تنها به‌وسیله قارچ ریشه‌ای میکوریزا تولید می‌شود، این ماده در گیاهانی که حاوی این قارچ هستند در ۹۰٪ از گیاهان سرتاسر دنیا وجود دارد. در این تصویر هاگ‌های گرد و قارچ‌های موئینه با لکه‌های سبز رنگ گلومالین پوشانده شده‌اند.

گلومالین ذرات خاک را بهم می‌چسباند و از این طریق منافذ آن افزایش می‌یابد، در نتیجه هوا، آب و ریشه‌های گیاهان در ساختمان خاک آزادانه حرکت می‌کنند. در این شرایط،‌ خاک در مقابل باد و فرسایش آبی مقاوم می‌شود و ویژگی منحصر به‌فرد آن، یعنی کشت‌پذیری خاک، شکل می‌گیرد. گلومالین سطح رویی هاگ‌ها و موئینه‌های قارچ را می‌پوشاند. در واقع، شاید این گلومالین باشد که میکوریزا به‌کمک آن لوله‌های موئینه را می‌بندد تا از این طریق مواد مغذی به ریشه گیاه منتقل شود.

لوله‌های موئینه قارچ تا قبل از اینکه رشد ریشه‌های تازه گیاه به پایان برسد،‌ به اندازه چند روز تا چند هفته زنده می‌مانند. پس از این مرحله، گلومالین بر روی ذرات خاک اطراف می‌ریزد و بسته به شرایط، در حدود ۷ تا ۴۲ سال در خاک دوام دارد.

این موضوع در سال ۱۹۹۶ کشف شد. این ماده بخش زیادی از خاک را به‌خود اختصاص داده است و قابل تفکیک از آن نیست. برای جدا کردن مولکول‌ها از ذرات خاک باید از سیترات استفاده کرد و در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت آن را پخت.

۳۰ الی ۴۰٪ از ساختار گلومالین را کربن تشکیل می‌دهد، این ماده ۲۷٪ از محتوای کربن خاک را به‌خود اختصاص داده‌است. در گذشته، اسید هیومیک به‌عنوان بخش اصلی کربن خاک شناخته می‌شد در حالی که این مواد تنها ۸٪ از منابع کربن خاک را تشکیل می‌دهند.

واسطه‌های زیرزمینی

گیاهان بیش از ۸۰٪ از میزان قندی را که تولید می‌کنند به ریشه‌های خود انتقال می‌دهند. همه این مقدار قند به مصرف قارچ میکوریزا نمی‌رسد. این قندها جمعیت متنوع و بزرگی از ارگانیسم‌های خاک در اطراف ریشه را تغذیه می‌کنند. برخی از شواهد حاکی از آن است که بین گیاهان مختلف، انتقال مواد مغذی در مسیرهای چند جهته صورت می‌گیرد. در مسیر این انتقال، قارچ‌ها به‌عنوان یک واسطه عمل می‌کنند. به‌عنوان مثال، گیاه توسکا می‌تواند مواد مغذی را به صنوبر برساند، یا درختان بالغی که به نور خورشید دسترسی دارند قادرند مواد مغذی را به نهال‌هایی که در کف جنگل می‌رویند منتقل کنند.