چگونه امواج گرما موجب بحران گرده می‌شود

بسیاری از محصولات کشاورزی که به‌عنوان غذا به آن‌ها متکی هستیم، باید گرده‌افشانی شوند تا غذای ما را تولید کنند؛ اما گرمای شدید می‌تواند گرده‌ها را تخریب کند. تخریب گرده گیاهان براثر گرمای شدید، یکی از مشکلات دنیایی است که با تغییرات اقلیمی مواجه است؛ بنابراین دانشمندان به‌دنبال پیداکردن راه‌حلی برای آن هستند.

ژوئن گذشته، آرون فلنسبورگ افزایش ناگهانی دما را احساس کرد و می‌دانست پیامد آن برای محصول کلزایش چیست. فلنسبورگ به‌عنوان کشاورز نسل پنجم که نسل‌های گذشته او هم به کشاورزی مشغول بودند، در واشنگتن واقع در شمال‌غربی ایالات متحده، کلزای خود را زمانی کاشته بود که در هفته‌های خنک اول تابستان گل بدهد. بااین‌حال سال گذشته، درست زمانی که گل‌ها باز شد، دما به ۴۲ درجه‌ی سانتی‌گراد رسید. او می‌گوید: «چنین دماهایی در ژوئن در منطقه‌ی ما تقریباً بی‌سابقه است.»

شکوفه‌های زرد کلزا پژمرده شدند و تولیدمثل متوقف شد و بسیاری از دانه‌ها که قرار بود برای تولید روغن کانولا زیر فشار قرار گیرند، هرگز تشکیل نشدند. فلنسبورگ حدود ۲۷۲ تا ۳۶۳ کیلوگرم در جریب (۴,۰۴۷ متر‌مربع) محصول به‌دست آورد. سال گذشته، در شرایط آب‌و‌هوایی ایدئال او به ۱,۲۲۵ کیلوگرم در جریب هم دست پیدا کرده بود.

گرما و خشک‌سالی در طول فصل رشد ادامه یافت و عوامل زیادی احتمالاً در این برداشت دورازانتظار مؤثر بودند؛ اما نکته‌ای که به‌طرز نگران‌کننده‌ای برای دانشمندان آشکار می‌شود، این است که گرما قاتل گرده است. حتی اگر آب کافی وجود داشته باشد، گرما می‌تواند به گرده گیاه آسیب بزند و از بارورشدن گیاه کانولا و بسیاری از محصولات کشاورزی دیگر ازقبیل ذرت و بادام‌زمینی و برنج ممانعت کند؛ چراکه هدف بسیاری از کشاورزان این است که محصولاتشان پیش از افزایش دما گل بدهند.

همان‌طور‌که تغییرات اقلیمی در سراسر جهان تعداد روزهایی را افزایش می‌دهد که دما در آن‌ها بیشتر از ۳۲ درجه‌ی سانتی‌گراد است و گرمای شدید چند‌روزه رایج‌تر می‌شود، زمان‌بندی مذکور می‌تواند مسئله‌ساز باشد یا حتی گاهی اوقات امکان‌پذیر نباشد.

گرده گیاه کلزا دربرابر دما حساس است؛ بنابراین، زمان‌بندی کشت گیاه به‌گونه‌ای که گل‌دهی در روزهای سردتر انجام شود، حیاتی است.

پژوهشگران در رویارویی با آینده‌ای گرم‌تر، به‌دنبال راه‌هایی هستند تا به گرده گیاهان کمک کنند تا بر گرما غلبه کند. آنان در حال کشف ژن‌هایی هستند که می‌تواند به ایجاد واریته‌های مقاوم‌تر دربرابر گرما کمک کند و نیز در حال ایجاد ارقامی هستند که بتوانند در زمستان زنده بمانند و پیش از شروع گرما گل بدهند. پژوهشگران مشغول بررسی محدودیت‌های دقیق گرده هستند و حتی گرده را در مقیاس بزرگ جمع‌آوری می‌کنند تا هنگام بهتر‌شدن هوا، آن را مستقیماً روی محصولات بپاشند.

بخش زیادی از رژیم غذایی ما در خطر است. گلوریا مودی، زیست‌شیمیدان دانشگاه ویک‌فارست کارولینای‌شمالی، می‌گوید هر بذر و دانه و میوه‌ای که می‌خوریم، محصول مستقیم گرده‌افشانی است و یکی از پارامترهای حیاتی حداکثر دما هنگام تولیدمثل گیاهان است.

ایجاد دانه‌ها زمانی شروع می‌شود که دانه گرده از بساک ارگان تولیدمثلی نر گیاه (پرچم) خارج می‌شود و روی کلاله ارگان تولیدمثلی ماده (مادگی) می‌نشیند و رشد لوله گرده را آغاز می‌کند. این لوله که از یک سلول منفرد تشکیل می‌شود، رشد می‌کند و خود را به تخمدان گیاه می‌رساند و در آن‌‌‌جا مواد ژنتیکی دانه گرده را تحویل می‌دهد.

به‌گفته‌ی مارک وستگیت، استاد بازنشسته زراعت در دانشگاه ایالتی آیووا، رشد لوله گرده یکی از سریع‌ترین نمونه‌های رشد سلولی در دنیای گیاهان است. لوله گرده تا یک سانتی‌متر در ساعت رشد می‌کند که رشد بسیار سریعی است.

سلول واحدی از دانه گرده به شکل لوله‌ رشد می‌کند تا مواد ژنتیکی را به تخمدان گیاه برساند؛ اما دمای زیاد موجب می‌شود پروتئین‌های دخیل در این فرایند تخریب شوند.

رشد با چنین سرعتی به انرژی نیاز دارد؛ اما به‌گفته‌ی وستگیت، در بسیاری از محصولات کشاورزی با رسیدن دما به حدود ۳۲ درجه‌ی سانتی‌گراد، پروتئین‌هایی که به متابولیسم دانه گرده کمک می‌کنند، شروع به تجزیه می‌کنند. درواقع، گرما نه‌تنها از رشد لوله گرده ممانعت می‌کند؛ بلکه دیگر مراحل رشد گرده را نیز مختل می‌کند. نتیجه این است که دانه گرده ممکن است هرگز تشکیل نشود یا متلاشی شود و نتواند لوله گرده را تشکیل دهد یا لوله‌ی گرده‌ای را تولید می‌کند که پایدار نیست و تخریب می‌شود.

همه ارقام محصولات کشاورزی به یک اندازه به گرما حساس نیستند. درواقع، پژوهشگران هنوز در حال کار روی مکانیسم‌های مولکولی هستند که به گرده برخی از ارقام محصولات کشاورزی اجازه می‌دهد تا زنده بمانند، درحالی‌که گرده گیاهان دیگر از بین می‌روند. برای مثال، فرایند بارورشدن در بسیاری از ارقام گوجه‌فرنگی به‌شدت به گرما حساس است. سال ۲۰۲۱، این محصول ۱,۱۰۹ کیلومترمربع از مزارع باز در ایالات متحده را پوشش می‌داد.

رندال پترسون، رئیس انجمن پرورش‌دهندگان گوجه‌فرنگی کارولینای شمالیU می‌گوید اگر هوا خیلی گرم شود، گرده‌ها می‌سوزند. پترسون زمان کاشت گوجه‌فرنگی‌های خود را طوری تنظیم می‌کند تا طی شب‌هایی با دمای کمتر از ۲۱ درجه سانتی‌گراد و روزهایی با دمای کمتر از ۳۲ درجه‌ی سانتی‌گراد گل بدهند. معمولاً او فرصت سه تا پنج هفته‌ای دارد که شرایط برای تولیدمثل گیاهان مناسب است. او می‌گوید: «اگر هوا گرم‌تر شود و شب‌های بیشتری داشته باشیم که دما در آن‌ها بیشتر از ۲۱ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد، این فرصت از دست خواهد رفت.»

مودی گرده گیاه گوجه‌فرنگی جهش‌یافته‌ای را مطالعه می‌کند که ممکن است سرنخ‌هایی درزمینه‌ی باز نگه‌داشتن آن پنجره فرصت ارائه دهند. در سال ۲۰۱۸، تیم او گزارش کردند آنتی‌اکسیدان‌هایی معروف به فلاونول‌ها نقش مهمی در سرکوب مولکول‌های حاوی اکسیژن بسیار واکنش‌پذیر ایفا می‌کنند که گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) نامیده می‌شوند. گونه‌های فعال اکسیژن در دمای زیاد در سطوح زیان‌باری افزایش پیدا می‌کنند.

مودی اکنون عضوی از تیمی از گروهی است که هدفش کشف مکانیسم‌های مولکولی مذکور و ژن‌هایی است که می‌توانند به گرده گوجه‌فرنگی کمک کنند تا امواج گرما را تحمل کند. پژوهشگران امیدوار‌‌‌ند که اصلاح‌کنندگان سپس بتوانند این ژن‌ها را وارد گیاهان گوجه‌فرنگی و گیاهان مقاوم‌تری تولید کنند. بینش‌های حاصل از مطالعه اولیه‌ی مودی قبلاً به او کمک کرده است تا گوجه‌فرنگی‌ای را تولید کند که میزان زیادی از فلاونول‌ها را تولید می‌کند.

مودی می‌گوید: «به‌نظر می‌رسد این گیاهان در مقابله با استرس دمای زیاد بسیار قوی باشند.» درنهایت، وی انتظار دارد که جدا از فلاونول‌ها و گونه‌های فعال اکسیژن، عوامل دیگری را شناسایی کنند که در مسیر گرما تا مرگ گرده مؤثرند و اهداف بیشتری بیابند تا روی آن‌ها کار کنند. در همین حین، اصلاح‌کنندگان گوجه‌فرنگی و محصولات کشاورزی دیگر مشغول کار برای ایجاد ارقامی هستند که بتوانند گرما را بهتر تحمل کنند.

ربکا مک‌گی، متخصص ژنتیک گیاهی و اصلاح حبوبات از سرویس تحقیقات کشاورزی آمریکا می‌گوید: «اگر کشاورزان در شمال‌غربی آرام یا در ایالت‌های کوهستان یا در دشت‌های مرتفع بخواهند نخودفرنگی پرورش دهند و اقلیم همچنان گرم‌تر شود، باید نخودهایی با تحمل گرمایی بیشتر داشته باشیم.» تاد شولتس، معاون پژوهشی شورای نخود و عدس خشک ایالات متحده، می‌گوید حبوباتی ازقبیل لوبیا و نخود و عدس به رطوبت زیادی نیاز ندارند؛ اما اگر هوا خیلی گرم شود، گرده‌ها از رشد باز می‌مانند. همان موج گرمایی که سال گذشته محصول فلنسبورگ را درهم کوبید، به حبوبات نیز خسارت وارد کرد. برداشت عدس و نخود خشک به حدود نصف تولید متوسط کاهش پیدا کرد.

طبق پیش‌بینی‌ها، تغییرات اقلیمی موجب امواج گرمایی بیشتری خواهد شد و فقط چند ساعت دمای زیاد کافی است تا گرده‌ها آسیبی جبران‌ناپذیر ببینند.

مک‌گی در حال اصلاح برخی از نخود و عدس‌های خود است تا دربرابر دمای زیاد مقاوم‌تر باشند؛ اما او رویکرد متفاوت و غیرمنتظره‌ای نیز در پیش گرفته است: اصلاح گیاهان در جهتی که بتوانند سرما را تحمل کنند. در شمال ایالات متحده، پرورش‌دهندگان حبوبات را معمولاً در بهار می‌کارند. مک‌گی مشغول اصلاح نخود و عدس است که در پاییز کاشته شوند. ایده‌ی کار او این است که این ارقام در زمستان زنده بمانند و گل‌دهی آن‌ها اوایل تابستان انجام شود تا پیش از امواج گرما فرصتی برای گرده‌افشانی موفقیت‌آمیز پیدا کنند.

سال گذشته، مک‌گی مقدار محدودی از ارقام مخصوص کشت در پاییزی که تولید کرده بود، به تولیدکنندگان بذر داد. او می‌گوید که آن‌ها حدود دو هفته زودتر از نخودهای کشت‌شده در بهار گل دادند و عملکرد آن‌ها دو برابر بود. البته مک‌گی می‌گوید تضمینی برای گل‌دهی این محصولات پیش از رسیدن امواج گرما وجود ندارد؛ اما لازم نیست خیلی نگران باشید.

در دانشگاه ایالتی میشیگان، جنا والترز در حال مطالعه این مسئله است که دما چگونه بر گرده و گرده‌افشان‌های گیاه بلوبری تأثیر می‌گذارد. در آخر هفته روز یادبود سال ۲۰۱۸، از تعطیلات ایالات متحده که آخرین دوشنبه ماه می است، دما در جنوب‌غربی میشیگان به ۳۵ درجه رسیده بود؛ درحالی‌که زنبورها بین شکوفه‌های سفید بوته‌های بلوبری وزوز می‌کردند. هنگام برداشت، بسیاری از میوه‌ها کوچک‌تر از حد معمول بودند یا به‌طورکلی تشکیل نشده بودند. در ایالتی که به‌طور‌متوسط ۴۵,۳۵۹ تُن بلوبری در سال تولید می‌کرد، پرورش‌دهندگان فقط ۲۹,۹۳۷ تُن برداشت کردند.

گرده برخی از گیاهان را باد منتقل می‌کند؛ درحالی‌که برخی دیگر برای گرده‌افشانی به حشرات متکی هستند.

والترز مشغول بررسی این موضوع است که چه مشکلی موجب کاهش عملکرد گیاه بلوبری شد. او با تعیین محدودیت گرمایی گرده دانه بلوبری کار خود را شروع کرد، گرده‌های موجود در ظرف‌های آزمایشگاهی را در دماهای مختلفی قرار دارد و گرده‌ها را به‌مدت ۲۴ ساعت زیرنظر قرار داد. نتایج او که هنوز منتشر نشده است، نشان می‌دهد که در دمای بیشتر از ۳۵ درجه‌ی سانتی‌گراد، لوله‌های گرده بلوبری رشد نمی‌کنند.

افزون‌براین، والترز با قراردادن دانه‌های گرده درمعرض دمای بیش از ۳۷/۵ درجه‌ی سانتی‌گرد به‌مدت ۴ ساعت و سپس کاهش دما تا ۲۵ درجه‌ی سانتی‌گراد به‌مدت ۲۰ ساعت، موج گرمای حاد را شبیه‌سازی کرد. او می‌گوید: «بازگشتی وجود ندارد. چهار ساعت مواجهه با گرما کافی است تا آسیب دائمی پیش آید.» او اکنون در حال تأیید این نتایج در بوته‌های بلوبری در اتاق‌های رشدی است که دماهای مختلفی دارند. او می‌گوید اگر نتایج تکرار شود، دمای ۳۵ درجه‌ی سانتی‌گرد می‌تواند باعث شود که پرورش‌دهندگان به‌طور دوره‌ای سیستم‌های مه‌پاش خود را روشن کنند تا مزارع را خنک نگه دارند.

بااین‌حال، آنان باید مزایا و معایب این رویکرد را نیز در نظر بگیرند. به‌گفته‌ی والترز‌، بسیاری از پاتوژن‌ها ازطریق رطوبت زیاد یا آب خصوصاً در دوره‌ی بازشدن گل‌ها منتشر می‌شوند. علاوه‌بر‌این، زمانی که دستگاه‌های مه‌پاش کار می‌کنند، به احتمال زیاد بیشتر گرده‌افشان‌ها سراغ گیاهان نمی‌آیند. والترز می‌گوید این امکان وجود دارد که گرم‌شدن بوته‌های بلوبری نیز به‌مرور‌زمان به کاهش گرده‌افشانان بلوبری منجر شود.

والترز و همکارانش در حال مقایسه‌ی محتوای تغذیه‌ای گرده‌هایی هستند که زیر استرس گرمایی قرار گرفته‌اند و گرده‌هایی که این استرس را تحمل نکرده‌اند و به‌دنبال تفاوت‌ها در پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها و دیگر عواملی می‌گردند که می‌تواند برای سلامت زنبور حیاتی باشد. امسال، والترز ۸ قفس دارای دیواره توری را با چند بوته بلوبری و چند زنبور ماده‌ی گونه Osmia lignaria پرخواهد کرد که گل‌های گیاه بلوبری را گرده‌افشانی می‌کنند.

والترز در طول چهار یا پنج هفته، روزانه به‌مدت ۴ ساعت درون قفس‌ها می‌نشیند و فعالیت تخم‌گذاری و جمع‌آوری گرده‌ به‌دست زنبورها را بررسی خواهد کرد. نیمی از بوته‌ها در اوایل گل‌دهی زیر استرس گرمایی قرار می‌گیرند. او می‌گوید این نگرانی وجود دارد که اگر گرما موجب از‌بین‌رفتن گرده‌ها شود و استرس تغذیه‌ای موجب شود زنبورهای ماده تخم‌های نر بیشتری تولید کنند که برای تولید آن‌ها به گرده کمتری نیاز است. زنبورهای نر برای پرورش‌دهنده بلوبری فایده چندانی ندارند؛ زیرا فقط زنبورهای ماده گرده‌افشانی و برای شروع نسل بعد تخم‌گذاری می‌کنند.

وقتی شرایط آب‌و‌هوایی برای بارورسازی مناسب باشد، شرکت مذکور برمی‌گردد تا آن گرده‌ها را روی گیاهان استفاده کند. این کار معمولاً حداکثر پنج روز پس از جمع‌آوری انجام می‌شود. این بازه زمانی کوتاهی به‌نظر می‌رسد؛ اما می‌تواند به کشاورزان کمک کند تا از یک روز خیلی گرم اجتناب کنند. شرکت مذکور مشغول کار روی گسترش بازه‌ی زمانی و استفاده از این فناوری در محصولات کشاورزی دیگر است.

برای برخی، راه‌حل ساده‌تر ممکن است تغییر کلی محصول باشد. شولتس می‌گوید:

حبوباتی وجود دارند که در اقلیم‌های گرم‌سیری رشد می‌کنند؛ بنابراین، می‌توانید رقم دیگری را انتخاب کنید. بااین‌حال، برخی از حبوباتی که گرما را تحمل می‌کنند، مانند باقالا و لوبیا چشم‌بلبلی به رطوبتی بیشتر از آن چیزی نیاز دارند که کشاورزان دیم‌کار شمال‌غربی اقیانوس آرام می‌توانند فراهم کنند.

فلنسبورگ در واشنگتن نمی‌خواهد محصولش را تغییر دهد. او امیدوار است تلاش‌های اصلاحی به او کمک کند تا به پرورش کلزا و دیگر محصولاتی ادامه دهد که خانواده‌ی او نسل‌ها است به کشت آن مشغول بوده‌اند.