وراثة وتربية المحاصيل لتحمل ملوثات الهواء
Air pollutants tolerance
مقدمة :
تتعدد ملوثات الهواء الجوي التي تنتشر في الغلاف المحيط بالنبات. ولعل من أهم هذه الملوثات الأوزون (O3) وثاني أكسيد الكبريت (SO2) وثاني أكسيد النيتروجين (NO2) ونترات البيروكسى ايتيل (PAN) وفلوريد الهيدروجين (HF) و الايثيلين (C2H4) وثاني أكسيد الكربون CO2 والهيدروكربونات بالإضافة إلى بعض الشوائب المحملة بأبخرة بعض الغازات الثقيلة مثل الرصاص والكلوروفلوروكربون.
ملوثات الهواء الجوي:
الأوزون :
يوجد الأوزون بصورة طبيعية في طبقات الجو العليا، ويحمى الكرة الأرضية من الأشعة فوق البنفسجية. ويقع على ارتفاع 15 - 60 كم من سطح الأرض في طبقة الاستراتوسفير العليا والميزوسفير السفلى، حيث تمتد طبقة الاستراتوسفير من ارتفاع 12 - 50 كم من سطح الأرض، أما طبقة الميزوسفير فتقع بين 50 - 80 كم من سطح الأرض. والأوزون شكل نشط من أشكال الأوكسجين، يحتوي كل جزء منه على 3 ذرات (أ3) ، بينما يحتوي الأكسجين على ذرتين (أ2 ) .
ويتكون الأوزون عندما يتعرض أكسجين الهواء الجوي لتأثير الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس، فتنحل بعض جزيئاته بتأثير هذه الأشعة إلى ذرات نشطة، ثم تتحد بعض هذه الذرات مرة أخرى مع جزئيات الأكسجين مكونة الأوزون كما يتكون الأوزون نتيجة العوامل الطبيعية كالبرق والصواعق .
ذرات أكسجين نشطة O + O → الأشعة فوق البنفسجية O2 ---
جزئ أوزون O2 → O2 +
ويبلغ تركيز الأوزون 0.1 -0.2 جزء في المليون على ارتفاع 20 - 30 كم من سطح الأرض. وفائدة طبقة الأوزون أنها تمتص كمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية المارة من الشمس إلى سطح الأرض، ومن ثم فهي توفر الحماية من مخاطر الأشعة فوق البنفسجية لكافة الكائنات الحية. ويسبب نقص الأوزون تسرب هذه الأشعة إلى الأرض، ومن ثم حدوث تأثيرات ضارة على صحة الإنسان والحيوان إلى جانب التأثير على النبات كما يوضحه (الشكل التالي) كما ترفع من درجة حرارة الجو والأرض.
شكل يبين الإضرار الناتجة عن تأثير الأشعة فوق البنفسجية على أوراق نبات الأرز.
يلاحظ ظهور تغيرات لونية ونكرزه وموت الأنسجة على أوراق النباتات المعرضة للأشعة فوق البنفسجية (عن: 2004 ,.Uda et al)
وتعتبر أكاسيد النيتروجين، وغازات الكلوروفلوروكربون من أهم المواد التي تسبب تدمير طبقة الأوزون. فعند تلامس جزيئات أكاسيد النيتروجين مع جزيئات الأوزون يحدث بينهما تفاعل كيميائي يؤدى إلى تحلل جزيئات الأوزون وتحويلها إلى جزيئات أكسجين مرة أخرى.
NO2 + O → No + O3
وتتحلل بعض جزيئات الكلوروفلوروكربون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية القوية في طبقات الجو العليا، معطية بعض ذرات الكلور النشطة التي تتفاعل بعد ذلك مع الأوزون.
CF2 Cl + Cl° → ضوء شمس + CF2 Cl
CIO + O2 → Cl° + O3
ويعتبر الأوزون الأرضي من أخطر الملوثات البيئية، حيث يعتبر المكون الرئيسي للضباب الدخاني. ويجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لتركيز الأوزون 0.12 جزء في الميون لتجنيب الإنسان أي مشاكل صحية وإن كانت لا تضمن تجنيب المحاصيل والخضروات لأخطار الأوزون.
ويزداد تركيز الأوزون في الشهور الصيفية وقد وصل تركيزه على القشرة الأرضية من 0.02 -0.03 جزء في المليون وقد تضاعفت هذه النسبة إلى عشرات الأضعاف نتيجة التفاعلات الكيموحيوية، حيث وصلت في الولايات المتحدة الأمريكية 0.05 - 0.1 جزء في المليون.
وتتمثل أعراض الإصابة بالأوزون في ظهور بقع صغيرة بنية داكنة غير منتظمة الشكل تميل إلى السواد، أو رصاصي فاتح يميل إلى البياض على السطح العلوي للأوراق، وتظهر الإصابة غالباً على قمة الورقة وعلى امتداد حافتها، ومع اشتداد الإصابة تمتد الأعراض إلى السطح السفلى للورقة.
ويؤدى تعرض النباتات للأوزون بتركيز من 0.05 - 0.12 جزء في المليون لمدة 4 ساعات إلى ضرر بالأوراق لأغلب الأنواع النباتية الحساسة ويؤدى تعرض النباتات لتركيز من 0.25 -0.50 جزء في المليون لمدة 6 - 8 ساعات إلى حدوث أضرار بالغة، بالمقارنة مع أكاسيد النيتروجين والتي تكون أقل سمية على النبات.
وتتعرض الكرة الأرضية حالياً لظاهرة تناقص طبقة الأوزون الحامية والتي توجد في طبقات الجو العليا نتيجة التلوث الجوي في العالم. وتجرى حالياً بأستراليا أبحاث تتعلق بقياسات طبقة الأوزون ومقارنة الأشعة الساقطة على الأرض في كل من الهند واستراليا والولايات المتحدة واليابان وغيرها وذلك تمهيداً لإقامة نظام عالمي لمراقبة تلك الظاهرة الخطيرة على حياة الإنسان والكائنات الحية الأخرى فوق هذه الأرض.
وقد قام فريق من العلماء بدراسة طبقة الأوزون عند القطب الجنوبي وفوق جبال الألب وأعلى القطب الشمالي، فتبين نقص نسبة الأوزون بمقدار 2 %، وبلغ النقص 3 % فوق الدول الصناعية في أوروبا وأمريكا وروسيا الاتحادية، ووصل اتساع ثقب الأوزون في الآونة الأخيرة إلى 10 مليون كيلو متر مربع. وقد أصطلح على تسمية النقص في طبقة الأوزون اسم «ثقب الأوزون».
وتؤكد التقارير، أن العالم سيظل يعاني ولفترة طويلة من آثار تأكل طبقة الأوزون، حتى لو توقف فوراً عن إنتاج المواد الكيماوية التي تسبب تآكل هذه الطبقة. فما يتأكل من طبقة الأوزون في عام، يعاد تكوينه يعد مائة عام لإن الغازات الكيماوية مثل الفريون ومركبات الكلوروفلوروكربون تمتلك قوة تدميرية كبيرة حيث يمكن الجزيء واحد منها أن يدمر 100 ألف جزء من الأوزون.
أضرار الأوزون :
يمكن حصر أضرار الأوزون على النبات في النقاط الآتية :
1- نقص نشاط أنزيم RuBPCase في الأوراق الصغيرة لنباتات الأرز. كما يعوق نشاط انتقال الالكترون التمثيلي بين نظام التمثيل الضوئي الأول (PSI) ونظام التمثيل الضوئي الثاني (PSI)، ومن ثم التأثير على كفاءة التمثيل الضوئي بصفة عامة.
2- نقص محتوى الكلوروفيل ونسبة كلوروفيل أ إلى ب وظهور نكرزة مرئية.
3- يُضعف الأوزون من قوة الكلوروبلاست في تمثيل الليبيدات، كما يحطم نفاذية الغشاء الخلوي نتيجة التفاعل مع الروابط الزوجية بين الكربون للأحماض الدهنية غير المشبعة في أغشية الخلايا وتدمير مجموعات SH وإعاقة تكوين ليبيدات جديدة وتثبيط التخليق الحيوي للجلاكتوليبيدات في الكلوروبلاست.
4- يؤثر الأوزون على مجموعات الأمين مؤدياً إلى نقص بناء الأحماض الأمينية ومحتوى البروتين الكلى.
5- يقلل الأوزون من محتوى السكريات مثل الجلوكوز والفركتور في أوراق نباتات بعض المحاصيل مثل فول الصويا عند التعرض لتركيزات عالية من الغاز. ويقلل من سريان الكربوهيدرات من الأوراق إلى الأجزاء الثمرية خاصة عند المستويات المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون.
6- حدوث انخفاض معنوي في عدد الأزهار والقرون ونقص وزن البذور والمحصول في البقوليات البذرية مثل الحمص وفول الصويا.
7- يُحدث إجهاد الأوزون وثاني أكسيد الكربون تغيراً في التعبير الجيني في نبات الأرابيد وبسيس، وكذا تغيرات في التعبير الجيني لجينات تخليق البولي أمين و Metallothionine و Adenosyltransferase وهي مواد مسئولة عن الحماية من الإجهاد.
8- يؤثر الأوزون على نشاط الحمض النووي الريبوزي ر. ن. أ في أوراق القمح، كما يؤثر في مختلف مراحل تطور نبات القمح، محدثاً أضرار بالغة بالأوراق ومؤدياً إلى الإسراع من شيخوخة وتساقط الأوراق، الأمر الذي يستتبعه نقص صافي التمثيل الضوئي وانخفاض المحصول.
أكاسيد الكبريت :
يعود التلوث بأكاسيد الكبريت إلى ثاني وثالث أكسيد الكبريت اللذين يرمز إليهما بالرمز (SOx) ، والتي تتشكل من احتراق أي مادة تحتوي على الكبريت. ويعتبر غاز ثاني أكسيد الكبريت في مقدمة العناصر الملوثة للهواء في أجواء المدن والمناطق الصناعية. وينتج من عملية احتراق الفحم والبترول والصناعات التعدينية ومعامل حمض الكبريتيك. ويتصاعد الغاز مع أبخرة المصانع ويتحد مع بخار الماء الجوي مكوناً حمض الكبريتيك، والذي يتساقط بعد ذلك في صورة أمطار حامضية على أوراق النباتات محدثاً تدمير واضح للكلوروفيل .
وتتباين أنواع وأصناف المحاصيل في حساسيتها لثاني أكسيد الكبريت ويتوقف ذلك على التركيب الوراثي للصنف ومدة التعرض للغاز. وتعتبر التراكيب الوراثية ذات الأوراق الابرية الضيقة أكثر مقاومة لآثار الغاز. وتتأثر التراكيب الوراثية الحساسة عند تركيز 0.25 - 0.50 جزء في المليون، ويحدث الضرر خلال 6 - 8 ساعات من التعرض لهذا التركيز، في حين لا يحدث ضرر للأنواع والأصناف المقاومة إلا إذا تعرضت لتركيزات أكثر من 2 جزء في المليون لمدة 8 ساعات أو 10 جزء في المليون لمدة نصف ساعة على الأقل.
هذا وقد انخفض صافي التمثيل الضوئي في الفول البلدي نتيجة التعرض لثاني أكسيد الكبريت بتركيز 40 جزء في البليون (PPb) لمدة 4 ساعات، ثم ازداد النقص ثانية عند التعرض للأوزون عند تركيز 250 جزء في البليون لمدة 4 ساعات أيضاً (Ornrod et al, 1981).
وتستطيع النباتات التغلب على التأثيرات السامة لمركبات الكبريت بتحويلها إلى أشكال أقل سمية. كما لوحظ أن أصناف الأرز الأكثر مقاومة للتلوث بغاز ثاني أكسيد الكبريت كانت أعلى في محتوى البرولين. ويحدث ثاني أكسيد الكبريت نوعين من الأعراض حادة ومزمنة وتظهر الأعراض الحادة في صورة أنسجة ميتة بين العروق أو على حواف الورقة. وقد تفقد المناطق الميتة لونها أو تصبح عاجية أو رصاصية أو برتقالية أو حمراء أو بنية محمرة أو بنية ويتوقف ذلك على التركيب الوراثي للصنف والظروف البيئية. أما الإصابة المزمنة فتبدو في صورة مناطق ذات لون بني محمر أو بيضاء على تصل الورقة ويتعرض النسيج النسائي للتلف. ويندر ظهور أعراض الإصابة على الأوراق الحديثة، بينما تكون الأوراق كاملة النمو شديدة الحساسية، وتسقط الأوراق فيما يعرف بتأثير الأمطار الحامضية. ويمكن تلخيص أضرار ثاني أكسيد الكبريت على النبات فيما يلى:
1- نقص معنوي في محتوى الكلوروفيل ومساحة الأوراق وطول النبات ومحتوى حمض الاسكوربيك والنشا والبروتين ومحصول الحبوب الكلي والمحصول البيولوجي في نباتات القمح والشعير.
2- يؤدى التأثير المشترك لثاني أكسيد الكبريت والأوزون عند العدوى بفطر Colletotrichum tindemuathianum المسبب لمرض الأنثراكنوز إلى نقص محصول الفاصوليا بحوالي 50 % وزيادة حث تطور مرض الانثراكنوز.
3- أدى التعرض لجرعات عالية من ثاني أكسيد الكبريت أو التعرض المستمر لتركيزات منخفضة منه إلى تثبيط شديد للتمثيل الضوئي والتأثير على نشاط أنزيم PEPCase المسئول عن مسار الكربون في عملية التمثيل الضوئي للنباتات رباعية الكربون.
أكاسيد النيتروجين :
يعتبر أول وثاني أكسيد النيتروجين من أكثر الغازات تلويثاً للوسط المحيط. ويتشكل أول أكسيد النيتروجين من احتراق الفحم الحجري والبترول والغازات في الهواء. كما ينتج من مصانع الأسمدة وعمليات اللحام وتفجير المفرقعات. ويتأكسد أول أكسيد النيتروجين في درجات الحرارة المرتفعة إلى ثاني أكسيد النيتروجين. ويصل تركيز اكاسيد النيتروجين في أجواء المدن إلى أكثر من 10 - 100 مرة عن أجواء الريف، مما يعكس خطورة المصادر الصناعية إذا ما قيست بالمصادر الطبيعية.
ويؤدى تعرض أوراق النباتات لتركيز من 4 - 8 جزء في المليون من ثاني أكسيد النيتروجين لمدة ساعة إلى نخر الأوراق ليشمل 5% من مساحة الورقة، الأمر الذي يؤثر على كفاءة الكلوروفيل التمثيلية. وتزداد الأعراض إلى تلف النباتات وسقوط الأوراق عند التعرض لتركيز مرتفع يصل إلى 25 جزء في المليون لمدة ساعة خاصة في طور النمو، في حين تكون أوراق النباتات مكتملة النمر أكثر مقاومة للغاز. وفي هذا الصدد، فقد رصد Agrawal ومعاونوه (2003) في الهند، تأثيرات سلبية لأكاسيد النيتروجين على مؤشرات النمو المساحة النوعية والوزن النوعي للورقة وطول فترة حياة الورقة وصافي التمثيل الضوئي والنشاط الأنزيمي، والذي أنعكس في النهاية على نقص محصول حبوب القمح.
نترات البيروكسي أسيتيل :
تعتبر نترات البيروكسي أسيتيل (PAN) من المواد المؤكسدة القوية والتي تنتج مثل الأوزون من تأثير الأشعة فوق البنفسجية على أكاسيد النيتروجين (NOX) في وجود الأكسجين والمركبات الهيدروكربونية النشطة والمتصاعدة مع عادم السيارات وغيره من نواتج الاحتراق غير الكامل. وتؤثر نترات البيروكسى أسيتيل على النباتات عند تركيزات منخفضة، وقد تكون الأصناف الحساسة للمادة حساسة أيضاً أو متحملة للملوثات الأخرى.
وقد أشارت الدراسات أن تعرض النباتات لتركيز 0.02 جزء في المليون من نترات البيروكسى أسيتيل لمدة 5 ساعات يؤدى إلى اسمرار الأوراق، كما يؤدى استمرار تعرض أوراق النبات للمركب لمدة طويلة إلى سمية الأوراق وجفافها والتأثير على كمية وجودة المحصول.
فلوريد الهيدروجين :
تنتج مركبات الفلوريد ومنها فلوريد الهيدروجين HF في سماء المناطق الصناعية، لاسيما مصانع الألمونيوم والكربوليت والزجاج والأسمدة وبخاصة السوبر فوسفات. وتتباين الأنواع النباتية في درجة تحملها تبعاً لخصائصها المورفولوجية والتركيبية. ويتراكم فلوريد الهيدروجين في أنسجة النبات. ويرتبط الضرر الحادث على النبات بكمية الفلوريد ومدة التعريض.
طبيعة المقاومة لملوثات الهواء
Nature of resistance to air pollutants
توجد بعض المصطلحات المتعلقة باستجابة النباتات لملوثات الهواء يمكن سردها فيما يلي :
- الحساسية Sensitivity: تشير الحساسية إلى الحالة الفسيولوجية للنبات أو النسيج النباتي المعرض لضرر ملوثات الهواء. ويشمل مصطلح الحساسية ظهور الضرر المرئي على النبات والذي يتوقف أثره على تركيز ومدة التعرض للملوث البيئي، وهو يفسر مدى التباين بين أصناف النوع الواحد وبين الأنواع المختلفة في الحساسية لعوامل التلوث البيئي.
- القابلية للإصابة Susceptibility: يستخدم مصطلح القابلية للإصابة للتعبير عن عدم قدرة النبات على منع أو تقليل الأضرار المرئية أو أي تأثيرات أخرى عند التعرض للملوثات البيئية، مما يؤدى إلى إصابته بدرجات متوسطة أو شديدة، ويترتب على ذلك ضعف نموه وفقد معنوي في محصوله .
- التحمل Tolerance : يعنى ظهور أعراض مرئية للضرر بالملوثات مع قدرة النبات على تحمل هذا الضرر بدون نقص معنوي في محصول البذرة أو الثمار. وتتميز معظم أنواع المحاصيل أو أصناف النوع الواحد بدرجات من التحمل لملوثات الهواء.
- المقاومة Resistance: ترتبط المقاومة بقدرة التركيب الوراثي على منع أو تقليل الأضرار المرئية والمخاطر الناتجة عن تعرض النبات للملوثات تحت الظروف البيئية المناسبة للنبات.
- المناعة Immunity: يستخدم مصطلح المناعة في مجال أمراض النبات، يعني قدرة النبات على منع الإصابة. أما في حالة تلوث الهواء، فيعني قدرة النبات على امتصاص الملوثات وبدون أي ضرر لاحق. ولا تظهر المناعة في حالة ما إذا كان تركيز الملوثات عالي وكاف، حيث ستضار جميع النباتات في هذه الحالة وتموت.
