تأثیر ریزوبیم‌های در حاصلخیزی نیتروژن در فرآیند تثبیت بیولوژیک نیتروژن (بخش اول)

عنصر نیتروژن یا ازت یکی از مهمترین عناصر غذائی مورد نیاز گیاهان است. این عنصر در سنتز اسیدهای آمینه و پروتئین‌ها نقش اساسی داشته و جزیی از ساختار کلروفیل برگ و برخی هورمون‌های گیاهی می‌باشد. کمبود آن باعث از بین رفتن رنگ سبز برگ‌ها و کاهش رشد گیاهان خواهد شد. سیستم‌های کشاورزی برای جبران نیتروژن برداشت شده توسط محصول و یا هدر رفت آن از طریق فرآیندهایی مانند آبشویی، نیترات‌زدائی و تصعید آمونیاک، به ورود نیتروژن متکی هستند. همزیستی بین ریزوبیوم‌ها (باکتریهای موجود در گره‌های ریشه‌ای و بقولات، یکی از منابع اصلی نیتروژن در سامانه‌های زراعی است. ریزوبیوم‌ها از طریق آلوده‌سازی تارهای کشنده یا جراحات اپیدرمی، وارد سیستم ریشه‌ای گیاه شده و سلول‌های کورتکس ریشه را تحریک به تقسیم شدن و ایجاد گره می‌نماید. در گره‌های ریشه‌ای، ریزوبیوم‌ها نیتروژن اتمسفری (N3) که برای گیاه قابل استفاده نبوده را به فرم قابل استفاده گیاه (NH3) تبدیل می‌نمایند که این فرآیند تثبیت بیولوژیک نیتروژن نام دارد.

 

شکل1: نقش میکروارگانیسم‌ها در تثبیت بیولوژیک نیتروژن

نیتروژن تثبیت شده پس از انتقال از گره‌ها به بخش‌های هوایی، می‌تواند به طور مستقیم توسط بقولات زراعی یا مرتعی، برای رشد استفاده گردد. مقدار نیتروژن تثبیت شده توسط سیستم همزیستی بقولات ریزوبیوم در اکوسیستم های زراعی به حداقل ٧٠ ملیون تن در سال بالغ می‌گردد،که حدود 40 درصد کل نیتروژن تثبیت شده بر روی کره زمین را شامل می‌شود. اعتقاد بر این است که در مناطق مستعد زراعی، تثبیت نیتروژن توسط بقولات زراعی و مرتعی، مهم ترین عامل ورود این عنصر می باشد. به طوری که مقادیری بیشتر از 50 درصد، مکررا در منابع گزارش شده است. مقدار نیتروژن تثبیت شده در استرالیا توسط بقولات زراعی و مرتعی، حدود یک میلیون تن تخمین زده می‌شود که معادل کاربرد یک میلیارد دلار کود نیتروژنی است (2001).

 

شکل2: تثبیت نیتروژن از طریق تجزیه بقایای گیاهان خانواده لگوم

نیتروژن تثبیت شده ممکن است به صورت غیر مستقیم مانند تراوه‌های ریشه بقولات و تجزیه بقایای آنها، مورد استفاده سایر گیاهان قرار گیرد (شکل 2). معدنی شدن بقایای بقولات، مقادیر متفاوتی از نیتروژن را به سیستم‌های زراعی وارد می‌کند که این امر بستگی به عواملی چون چرای دام، کارایی استفاده از کربن توسط موجودات تجزیه کننده، نیاز نیتروژنی، نسبت کربن به نیتروژن،لیگنین به نیتروژن و فنل پلی به نیتروژن گیاه و برخی از خصوصیات خاک دارد. مقدار این نیتروژن در سیستم‌های مرتعی که در آنها بقولات به عنوان کود سبز کشت می‌شوند می‌تواند قابل توجه باشد. با اینحال حتی هنگامی که مقادیر زیادی از نیتروژن تثبیت شده توسط یک محصول دانه‌ای برداشت می شود؛ تثبیت نیتروژن می‌تواند باز هم سبب بهبود اقتصاد نیتروژن خاک‌ها شود. بقولات عموما می‌توانند عملکرد محصول بعدی را معادل کاربرد 30 تا 80 کیلوگرم کود نیتروژن در هر هکتار افزایش داده و با قطع توالی بیماری‌ها از این نظر مفید باشند.

به منظور حداکثر بهره‌گیری از توان بالقوه تثبیت نیتروژن، بقولات باید با سویه های ریزوبیومی مؤثر گره‌دار شوند. در کشورهای دارای کشاورزی مکانیزه، این امر غالباً با تلقیح بذر بقولات با سویه‌های ریزوبیومی منتخبی انجام می‌شود که به صورت تجاری و با اشکالی چون پیت استریل شده با اشعه گاما، عرضه می‌گردند. برای مثال در استرالیا سویه‌های ریزوبیومی انتخاب می‌شوند که دارای خصوصیات زیر باشند.

  • از نظر ظرفیت تثبیت نیتروژن در همزیستی با گیاه میزبان مورد نظر، کاملاً مؤثر باشند.
  • در شرایط خاکی و اقلیمی مورد استفاده، از توان ماندگاری خوبی در خاک برخوردار باشند.
  • در عین کارایی، توان گرهزایی بر روی گیاه غیر از میزبان کشت شده در همان سیستم کشاورزی را نداشته باشند.

کنترل کیفی دقیق مایه تلقیح‌های تجاری تولید شده در استرالیا که توسط یک اداره مستقل انجام می شود، سبب تولید مایه تلقیح‌های بر پایه پیت و با کیفیت بالا شده است که حاوی حداقل 109 ×1 ریزوبیوم زنده در هر گرم می باشد. در نتیجه کشاورزان امکان بهره گیری از حداکثر تثبیت نیتروژن را در تناوبهای زراعی و مرتعی سیستم های زراعی خواهند داشت. متأسفانه بقولات همواره با سویه‌های تلقیح شده گره‌دار نمی شوند.  یکی از عواملی که سبب جلوگیری از اشغال گره‌ها و تثبیت نیتروژن می‌گردد، حضور جمعیت ریزوبیوم‌های بومی با کارایی متفاوت و متغیر است.