مقاله نگرشهای مولکولی و فیزیولوژیکی به تحمل خشکسالی در 24 صفحه ورد قابل ویرایش

نگرش های مولکولی و فیزیولوژیکی به تحمل خشکسالی

آب عامل اصلی محدود کننده در کشاورزی جهان می باشد. در کل اغلب گیاهان زراعی، حتی به یک تنش ملایم از دست دادن آب نیز به دشت حساس هستند. با وجود این، چند جنس از گیاهان مختص آفریقای جنوبی وجود دارند که قابلیت بسیار بالا برای مقاومت در برابر از دست دادن آب و خشک شدن را دارند. به این جنس ها، گیاهان قیامت "resurrection Plants" گفته می شود.

ما از Xerophta viscose به عنوان نمونه گیاهان قیامت (تک لپه ای) استفاده کردیم تا ژن های مرتبط با تحمل فشار اسمزی را استخراج کنیم. چندین ژن که بصورت متمایز بیان می شوند، در سطوح بیوشیمایی و ملکولی مورد مطالعه قرار گرفتند. این ژنها همان هایی هستند که قابلیت عملکردی خوبی به اشریشیاکلی در شرایط تنش اسمزی می دهند. ما در این مقاله از این آزمایش به عنوان پایه ای برای بحث درباره نگرش های ملکولی و فیزیولوژیکی به تحل خشکسالی، استفاده خواهیم کرد.

(osmoprotectants)، آبسیزیک اسید (ABA) و عوامل رونویسی

مقدمه:

آب یک جزء مهم و اساسی در متابولیسم تمام ارگانیسم های رانده است. آب، انجام شدن بسیاری از واکنش های حیاتی زیست شناختی را بوسیله دارا بودن خصوصیاتی نظیر حلالیت، فراهم کردن محیط انتقال، سرد کردن محیط از راه تبخیر، تسهیل می کند. (Bohert et al., 1995).

در گیاهان و سایر فتواتوتروف ها، آب نقش مهمی در فراهم کردن انرژی مورد نیاز برای پیشبرد فتوسنتز دارد. ملکولهای آب، طی فرآیندی بنام اتولیز شکسته شده و الکترونهایی بر جای می گذارند که این الکترونها برای به چرخه درآوردن انرژی نوری ذخیره شده در فتوسیستم II ضروری می باشند. (Salisbury an Ross, 1992a)

یکی از پیامدهای مهم تنش خشکی، از دست دادن آب پروتوپلاسمی است که منجر به افزایش غلظت یونهایی مانند می شود. در غلظت های بالا چنین یونهایی به طور موثری مانع عملکرد متابولیکی می شوند (Hartung et al., 1998). همچنین افزایش غلظت اجزای تشکیل دهنده پروتوپلاسم و از دست دادن آب سلول باعث ایجاد وضعیت خاصی به نام «حالت شیشه ای: glassy state» می شود. در این حالت، ویسکوزیته مایع موجود در داخل سلول بیشتر می شود که در نتیجه باعث افزایش احتمال برهم کنش های مولکولی و واسرشت شدن پروتئین ها و فیوژن غشا می شوند. (Hartung et la., 1998; Hoekstra et al., 2001).

بنابراین گیاه برای حفظ تورگور سلولی و عملکردهای متابولیکی نیاز به بیان ژنهای خاصی دارد. گروه تحقیقاتی ما می کوشد گیاهان تراژنی زراعی و همچنین وحشی را که قادر به مقاوت در برابر خشکی باشند، ایجاد کند. منبع ژنها گیاهی به نام Xerophyta viscose (Baker) از خانواده Vello=iaceae است که متعلق به گروه کوچکی از نهاندانگان می باشد. این گیاه به علت قابلیت فوق العاده تحمل خشکی به «گیاه قیامت» ملقب شده است (Farrant, 2000, Gaff, 1977).

این گیاه (X. viscose) تا 5 درصد محتوای آب نسبی (RWC) می تواند آب از دست دهد و آبیاری مجدد این گیاه تقریباً به مدت 80 ساعت آنرا سیراب کرده و گیاه فعالیت های یزیولوژیکی خود را از سر می گیرد. (Sherwin and Farront, 1998).

ژنهایی که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت، شامل موارد زیر هستند: (XVPer 1 (کد کننده یک آنتی اکسیدان)، VATP1XV (کد کننده یک پروتئین زیر واحدی C مانند از آنزیم –H+ آدنوزین تری فسفاتاز)، XVGOLS (کد کننده یک گالاکتینول سنتاز)، ALDRXV4 (کد کننده یک آلدوز ردوکتاز)، XVSAP1 (کد کننده یک پروتئین متصل شونده به غشای سلولی) و DREB1A (کد کننده یک عامل رونویسی). برای تعیین اثرات ناشی از بیان این ژنها در تک لپه ای ها، آنها را به گیاه علفی بنام Digitaria sanguinalis انتقال دادیم و برای انتقال این ژنها خودمان یک سیستم انتقال طراحی کرده ایم (chen et al., 1998). سپس اگر نتایج مثبت باشند، ژنها به محصولات زراعی مانند ذرت (Zea mays) نیز منتقل خواهند شد. برای انجام چنین کاری بر روی دو لپه ای ها، ما نخست آن ژن ها را به Arabidopsis thaliana و Nicotina tobacum منتقل می کنیم.

پدیده تحمل خشکی یک پدیده پیچیده است که شامل بیان سازمان یافته ژنهای زیادی است (Walters et la., 2002) به عبارت دیگر، برای بدست آوردن گیاهان مقاوم در برابر خشکی، چند ژن باید به طور همزمان بیان شوند (Co-expression).

به عنوان مثال، بیان XVPer1، که به نظر می رسد DNA را در برابر گونه های فعال اکسیژن محافظت می کند، همزمان با بیان XVSAP1، که احتمالاً از تراوایی غشا جلوگیری می کند، همراه با بیان XVGOLS و ALDRXV4 که هر دو محافظت کننده اسمزی هستند، مجموعه ای از پروتئین های مرتبط به هم را نتیجه می دهد که با همکاری یکدیگر خصوصیت مقاومت در برابر خشکی را نتیجه می دهند.

برخی تغییرات ساختاری و فیزیولوژیکی ایجاد شده در سطح سلولها و در نتیجه در تمام پیکر گیاه از آنجائیکه پاسخ گیاهان به خشکی پیچیده و مختلف است، بنظر نمی رسد که فقط یک ژن در ایجاد تحمل خشکی نقش داشته باشد. بنابراین نیاز به درک پاسخ فیزیولوژیکی گیاهان تحت شرایط کمبود آب از اهمیت خاصی برخوردار است. (رجوع شود به Alpert and Oliver, 2002; Levitt, 1980, Walters et la. 2002 برخلاف گیاهان عادی، که پتانسیل آب را بالاتر از محیط حفظ می کنند و تلاش می کنند به فعالیت خود در دوره های کمبود آب ادامه دهند، گیاهان مقاوم خشکی یک استراتژی کاملاً متفاوت را به کار می گیرند: بافت های زنده تمام آب آزاد خود را از دست می دهند و سپس به طور آنی آب در دسترس بافت ها قرار می گیرد. این توانایی غیرعادی برای بقا در فقدان شدید آب در بافتهای زنده فقط در 100 نهاندانه مشاهده شده است (Gaff, 1977). اگر چه گیاهان قیامت ارزش اقتصادی چندانی برای کشاورزی ندارند، فهم بیشتر این پدیده می تواند نگرشهایی در مکانیسم های ممکن برای بهبود مقاومت گیاهان زراعی، ایجاد کند. در واقع روشهای زیادی وجود دارد که بوسیله آنها گیاهان مختلف به خشکسالی پاسخ می دهند (خلاصه شده در نمودار 1)

شکل 3- دیاگرام نشان دهنده عملکرد محلولهای سازگار

a) در حالت هیدراته، حضور آب برهم کنش ملکولهای ناپایدار کننده را کاهش می دهد.

b) در سلولهای تحمل کننده شوری، سنتز محلولهای سازگار به طور ترجیحی، اتصال مولکولهای ناپایدار کننده را حذف می کند و کونفورماسیون طبیعی پروتئین را پایدار می کند.

c) در سلولهای حساس، کمبود محلولهای سازگار منجر به اتصال ترجیحی ملکولهای ناپایدار کننده به سطح پروتئین می شوند که منجر به تخریب
می شود.

از ژنهای شناسایی شده از X. viscosa، در CDNA پاسخی به خشکی هستند که یک گالکتینول سنتاز (x Vgols) و یک آلدوز ردوکتاز (ALDRXV4) را کد می کنند که ممکن است اجزای مهمی در بیوسنتز محلولهای سازگار باشند.

فهمیده شده است که XVGols در برگهای X. viscosa در طی تنش شوری میزان بالای دارد. آنزیم های Gols اولین مرحله سنتز الیگوساکاریدهای خانواده رافینوز (RFDS) را اجرا می کند، کربوهیدرات های اصلی محلول که در دانه و در سایر بافتهای زنده گیاهان وجود دارد. گالاکتینول یک glactoside از myo- inosital، یک ملکول غیرعادی است که به طور خاص در گیاهان یافت می شود. بیوسنتز گالاکیتنول بوسیله galactosylransferase galactinal synthase کاتالیز می شدو که از UDP- galactcse, myo-inositol به عنوان سوبسترا استفاده می کند.

RFOها مشتقات ساکاز هستند که در آنها واحدهای گالاکتوزیل به moiety گلوکزی ساکارز از طریق پیوندهای –(1-6)، اضافه شده است. معمولی ترین آنها رافینوز تری ساکارید، stachyose تتراساکارید و verbascose پنتاساکارید است. اولین گام در بیوسنتز RFOها انتقال برگشت پذیر ریشه گالاکتوزیل از ملکول دهنده (گالاکتینول) به ساکارز است. این واکنش در تشکیل رافینوز انجام می شود که عضو اول این خانواده است و به عنوان ملکول گیرنده برای انتقال ریشه گالکتوزیل دیگر از گالاکتینول برای تشکیل STACHYOSE عمل می کند. این واکنش ها بوسیله آنزیم های رافینوز سنتاز و STACHOSE SYNTHASE به ترتیب کاتالیز می شوند. با وجود اینکه مشتقات بالاتر RFOها شناسایی شده اند، اطلاعات خیلی کمی در مورد بیوشیمی آنها موجود است.

RFOها به طور گسترده به عناون عوامل اصلی تثبت کربن در گیاهان اختصاصی شده اند. در این مطالعات بعلاوه رابطه ای را میان انباشته شدن RFOها و تنش های ناشی از سرما، خشکی و شوری مشاهده شده است که آشکار کننده نقشی برای RFO ها در سازگاری با تنش می باشد. سه ژن Gols پاخسی به تنش جدا از هفت ژن Gols در A-tholiana شناسائی شده اند. فهیمده شده است که دو تای اینها تحت تأثیر تنش خشکی و شوری بالا افزایش پیدا می کنند، در حالی که سومی بوسیله تنش سرما افزایش پیدا می کند. گیاهان A. thalian تراژنی شده که یکی از این ژنهای پاخسی به خشکی را با میزان بالا بیان می کنند، فهمیده شده است که دارای میزان بالای گالاکتینول و رافینوز هستند و نسبت به نوع وحشی گیاه تحمل خشکی بهتری را به نمایش می گذارند. این نتیجه نشان دهنده نقش های داتی برای گالاکتینول و رافینوز به عنوان محلول های سازگار می باشد. حضور چندین ژن Gols با بیان شدن بالا در پاسخ به تنش های مختلف بسیار مشابه هم است. در Ajuga reptans، دو ایزوفرم عملکردی Gols که در تثبیت کربن نقش دارند، شناسایی شده اند. ما XV Gols را به عنوان Gols دوم که از مجموعه DNA بدست مده از برگهای X. viscosa قرار گرفته در معرض تنش سرما بدست آمده است، شناسائی کرده ایم (داده منتشر نشده).

کارهای بیشتر در مورد آزمایش میزان گالاکتینول و رافینوز در طی تنش خشکی در گیاهان X. viscosa و D. Sanguinalis که Gols XV را با میزان بالا بیان می کنند، درفهمیدن تنش RFOها در تحمل خشکی مفید خواهد بود.

آلدو ردوکتازها (Ars) مونومرهای وابسته به NADPH هستند که متعلق به ابر خانواده آلدو-کتوردوکتاز می باشند. این آنزیم ما مسئول کاهش قندها به الکل های مساوی آنها هستند و فعالیت های کاتالیتیکی گسترده ای روی قندها آلدوزی و آلدهیدها دارند. ARها به عنوان آنزیم های محدود کننده سرعت در مسیرهای بیوسنتزی پلی اول خدمت می کنند و در سنتز sorbitol از گلوکز -6- فسفات از طریق واسطه sorbital-6-phosphote، نقش دارند.

در تحقیق ما آنالیز لکه شمالی و جنوبی نشان داد که AR استخراج شده از X. viscosa (ALDRXV4) درطی تنش خشکی در ان برگها بیان شده است. فهمیده شده است که میزان polyol sorbitol نیز در برگها در طی تنش خشکی بالا می رود. تجمع sorbitol در برخی گیاهان عالی تر که در معرض hyperosmcsis شدید قرار رگتفه اند نشان داده شده است. ما علاوه بر آن نشان دادیم که ARها از برگهای X. viscosa از گلوکز به عنوان سوبستر استفاده می کنند. این فرآیند مشابه آنست که ARهایی مانند ALDRXV4 از X. viscosa در بیوسنتز پلی اول در زمان تنش خشکی و با تبدیل کردن گلوکز -6- فسفات به sorbitol، عملکرد داشته باشند.

در گیاهان عالی تر بسیاری دقت تنش دهیدراته شدن، متابولیسم کربوهیدرات به نفع تبدیل سایر قندها به ساکارز، تغییر وضعیت می دهند. ما اثرات دهیدراته شدن را روی انباشته شدن ساکارز در گیاهان قیامت X. viscosa، craterostigma wilmsii, sporobolus staphinus، مطالعه کرده ایم. در همه موارد افزایش انباشته شدن ساکارز در پاسخ به تنش خشکی- البته در گونه های مختلف با درجات متفاوت- مشاهده شد که نشان دهنده نقش برای ساکارز در بدست آوردن تحمل خشکی دراین گیاهان می باشد. چنین به نظر می رسد که ساکارز به عنوان یک osmoprotectunt با مشخصات ویژه، غشای سلولی را پایدار کرده و تورگور را حفظ می کند. به عناون یک قند احیاء کننده که به آسانی قابل متابولیسم باشد، ساکارز می تواند به عنوان یک منبع انرژی متوسط در rehydration، خدمت کند.

طراحی موفق مسیرهای متابولیکی برای برخی از محلولهای ساکارز مانند glycine betaine، sprbitol mannitol، توهالوز و پروسین منجر به ارائه نتایجی از گیاهان تراژنی شده است که مقاومت افزایش یافته ای در سراسر تنش خشکی، شوری بالا وتنش سرما از خود نشان می دهند. مشابه با آن بیوسنتز محلولهای سازگار می تواند مکانیسم کلیدی باشد که گیاهان مقاوم به خشکی را در برابر اثرات تضعیف کنندهت فقدان آب در سلول، قادر به بقا می سازد. کار گذاشتن ALDRXV4 و XVGols در داخل گونه های گیاهان حساس به خشکی مانند علف تک Golsپه D. Sanguinalis، برای بررسی عملکردهای این آنزیم ها در بیوسنتز استمولیتی مفید خواهد بود و همچنین می تواند پایه ای برای ترانسفورماسیون بعدی به گونه های زراعی که زا لحاظ کشاورزی مهم هستند (مثل ذرت)، باشد.