مقاله نگرشهاي مولكولي و فيزيولوژيكي به تحمل خشكسالي

دسته بندي : فنی و مهندسی » مهندسی شیمی
مقاله نگرشهاي مولكولي و فيزيولوژيكي به تحمل خشكسالي در 24 صفحه ورد قابل ويرايش

نگرش هاي مولکولي و فيزيولوژيکي به تحمل خشکسالي

آب عامل اصلي محدود کننده در کشاورزي جهان مي باشد. در کل اغلب گياهان زراعي، حتي به يک تنش ملايم از دست دادن آب نيز به دشت حساس هستند. با وجود اين، چند جنس از گياهان مختص آفريقاي جنوبي وجود دارند که قابليت بسيار بالا براي مقاومت در برابر از دست دادن آب و خشک شدن را دارند. به اين جنس ها، گياهان قيامت "resurrection Plants" گفته مي شود.

ما از Xerophta viscose به عنوان نمونه گياهان قيامت (تک لپه اي) استفاده کرديم تا ژن هاي مرتبط با تحمل فشار اسمزي را استخراج کنيم. چندين ژن که بصورت متمايز بيان مي شوند، در سطوح بيوشيمايي و ملکولي مورد مطالعه قرار گرفتند. اين ژنها همان هايي هستند که قابليت عملکردي خوبي به اشريشياکلي در شرايط تنش اسمزي مي دهند. ما در اين مقاله از اين آزمايش به عنوان پايه اي براي بحث درباره نگرش هاي ملکولي و فيزيولوژيکي به تحل خشکسالي، استفاده خواهيم کرد.

(osmoprotectants)، آبسيزيک اسيد (ABA) و عوامل رونويسي

مقدمه:

آب يک جزء مهم و اساسي در متابوليسم تمام ارگانيسم هاي رانده است. آب، انجام شدن بسياري از واکنش هاي حياتي زيست شناختي را بوسيله دارا بودن خصوصياتي نظير حلاليت، فراهم کردن محيط انتقال، سرد کردن محيط از راه تبخير، تسهيل مي کند. (Bohert et al., 1995).

در گياهان و ساير فتواتوتروف ها، آب نقش مهمي در فراهم کردن انرژي مورد نياز براي پيشبرد فتوسنتز دارد. ملکولهاي آب، طي فرآيندي بنام اتوليز شکسته شده و الکترونهايي بر جاي مي گذارند که اين الکترونها براي به چرخه درآوردن انرژي نوري ذخيره شده در فتوسيستم II ضروري مي باشند. (Salisbury an Ross, 1992a)

يکي از پيامدهاي مهم تنش خشکي، از دست دادن آب پروتوپلاسمي است که منجر به افزايش غلظت يونهايي مانند مي شود. در غلظت هاي بالا چنين يونهايي به طور موثري مانع عملکرد متابوليکي مي شوند (Hartung et al., 1998). همچنين افزايش غلظت اجزاي تشکيل دهنده پروتوپلاسم و از دست دادن آب سلول باعث ايجاد وضعيت خاصي به نام «حالت شيشه اي: glassy state» مي شود. در اين حالت، ويسکوزيته مايع موجود در داخل سلول بيشتر مي شود که در نتيجه باعث افزايش احتمال برهم کنش هاي مولکولي و واسرشت شدن پروتئين ها و فيوژن غشا مي شوند. (Hartung et la., 1998; Hoekstra et al., 2001).

بنابراين گياه براي حفظ تورگور سلولي و عملکردهاي متابوليکي نياز به بيان ژنهاي خاصي دارد. گروه تحقيقاتي ما مي کوشد گياهان تراژني زراعي و همچنين وحشي را که قادر به مقاوت در برابر خشکي باشند، ايجاد کند. منبع ژنها گياهي به نام Xerophyta viscose (Baker) از خانواده Vello=iaceae است که متعلق به گروه کوچکي از نهاندانگان مي باشد. اين گياه به علت قابليت فوق العاده تحمل خشکي به «گياه قيامت» ملقب شده است (Farrant, 2000, Gaff, 1977).

اين گياه (X. viscose) تا 5 درصد محتواي آب نسبي (RWC) مي تواند آب از دست دهد و آبياري مجدد اين گياه تقريباً به مدت 80 ساعت آنرا سيراب کرده و گياه فعاليت هاي يزيولوژيکي خود را از سر مي گيرد. (Sherwin and Farront, 1998).

ژنهايي که در اين مقاله مورد بررسي قرار خواهند گرفت، شامل موارد زير هستند: (XVPer 1 (کد کننده يک آنتي اکسيدان)، VATP1XV (کد کننده يک پروتئين زير واحدي C مانند از آنزيم –H+ آدنوزين تري فسفاتاز)، XVGOLS (کد کننده يک گالاکتينول سنتاز)، ALDRXV4 (کد کننده يک آلدوز ردوکتاز)، XVSAP1 (کد کننده يک پروتئين متصل شونده به غشاي سلولي) و DREB1A (کد کننده يک عامل رونويسي). براي تعيين اثرات ناشي از بيان اين ژنها در تک لپه اي ها، آنها را به گياه علفي بنام Digitaria sanguinalis انتقال داديم و براي انتقال اين ژنها خودمان يک سيستم انتقال طراحي کرده ايم (chen et al., 1998). سپس اگر نتايج مثبت باشند، ژنها به محصولات زراعي مانند ذرت (Zea mays) نيز منتقل خواهند شد. براي انجام چنين کاري بر روي دو لپه اي ها، ما نخست آن ژن ها را به Arabidopsis thaliana و Nicotina tobacum منتقل مي کنيم.

پديده تحمل خشکي يک پديده پيچيده است که شامل بيان سازمان يافته ژنهاي زيادي است (Walters et la., 2002) به عبارت ديگر، براي بدست آوردن گياهان مقاوم در برابر خشکي، چند ژن بايد به طور همزمان بيان شوند (Co-expression).

به عنوان مثال، بيان XVPer1، که به نظر مي رسد DNA را در برابر گونه هاي فعال اکسيژن محافظت مي کند، همزمان با بيان XVSAP1، که احتمالاً از تراوايي غشا جلوگيري مي کند، همراه با بيان XVGOLS و ALDRXV4 که هر دو محافظت کننده اسمزي هستند، مجموعه اي از پروتئين هاي مرتبط به هم را نتيجه مي دهد که با همکاري يکديگر خصوصيت مقاومت در برابر خشکي را نتيجه مي دهند.

برخي تغييرات ساختاري و فيزيولوژيکي ايجاد شده در سطح سلولها و در نتيجه در تمام پيکر گياه از آنجائيکه پاسخ گياهان به خشکي پيچيده و مختلف است، بنظر نمي رسد که فقط يک ژن در ايجاد تحمل خشکي نقش داشته باشد. بنابراين نياز به درک پاسخ فيزيولوژيکي گياهان تحت شرايط کمبود آب از اهميت خاصي برخوردار است. (رجوع شود به Alpert and Oliver, 2002; Levitt, 1980, Walters et la. 2002 برخلاف گياهان عادي، که پتانسيل آب را بالاتر از محيط حفظ مي کنند و تلاش مي کنند به فعاليت خود در دوره هاي کمبود آب ادامه دهند، گياهان مقاوم خشکي يک استراتژي کاملاً متفاوت را به کار مي گيرند: بافت هاي زنده تمام آب آزاد خود را از دست مي دهند و سپس به طور آني آب در دسترس بافت ها قرار مي گيرد. اين توانايي غيرعادي براي بقا در فقدان شديد آب در بافتهاي زنده فقط در 100 نهاندانه مشاهده شده است (Gaff, 1977). اگر چه گياهان قيامت ارزش اقتصادي چنداني براي کشاورزي ندارند، فهم بيشتر اين پديده مي تواند نگرشهايي در مکانيسم هاي ممکن براي بهبود مقاومت گياهان زراعي، ايجاد کند. در واقع روشهاي زيادي وجود دارد که بوسيله آنها گياهان مختلف به خشکسالي پاسخ مي دهند (خلاصه شده در نمودار 1)

شکل 3- دياگرام نشان دهنده عملکرد محلولهاي سازگار

a) در حالت هيدراته، حضور آب برهم کنش ملکولهاي ناپايدار کننده را کاهش مي دهد.

b) در سلولهاي تحمل کننده شوري، سنتز محلولهاي سازگار به طور ترجيحي، اتصال مولکولهاي ناپايدار کننده را حذف مي کند و کونفورماسيون طبيعي پروتئين را پايدار مي کند.

c) در سلولهاي حساس، کمبود محلولهاي سازگار منجر به اتصال ترجيحي ملکولهاي ناپايدار کننده به سطح پروتئين مي شوند که منجر به تخريب
مي شود.

از ژنهاي شناسايي شده از X. viscosa، در CDNA پاسخي به خشکي هستند که يک گالکتينول سنتاز (x Vgols) و يک آلدوز ردوکتاز (ALDRXV4) را کد مي کنند که ممکن است اجزاي مهمي در بيوسنتز محلولهاي سازگار باشند.

فهميده شده است که XVGols در برگهاي X. viscosa در طي تنش شوري ميزان بالاي دارد. آنزيم هاي Gols اولين مرحله سنتز اليگوساکاريدهاي خانواده رافينوز (RFDS) را اجرا مي کند، کربوهيدرات هاي اصلي محلول که در دانه و در ساير بافتهاي زنده گياهان وجود دارد. گالاکتينول يک glactoside از myo- inosital، يک ملکول غيرعادي است که به طور خاص در گياهان يافت مي شود. بيوسنتز گالاکيتنول بوسيله galactosylransferase galactinal synthase کاتاليز مي شدو که از UDP- galactcse, myo-inositol به عنوان سوبسترا استفاده مي کند.

RFOها مشتقات ساکاز هستند که در آنها واحدهاي گالاکتوزيل به moiety گلوکزي ساکارز از طريق پيوندهاي –(1-6)، اضافه شده است. معمولي ترين آنها رافينوز تري ساکاريد، stachyose تتراساکاريد و verbascose پنتاساکاريد است. اولين گام در بيوسنتز RFOها انتقال برگشت پذير ريشه گالاکتوزيل از ملکول دهنده (گالاکتينول) به ساکارز است. اين واکنش در تشکيل رافينوز انجام مي شود که عضو اول اين خانواده است و به عنوان ملکول گيرنده براي انتقال ريشه گالکتوزيل ديگر از گالاکتينول براي تشکيل STACHYOSE عمل مي کند. اين واکنش ها بوسيله آنزيم هاي رافينوز سنتاز و STACHOSE SYNTHASE به ترتيب کاتاليز مي شوند. با وجود اينکه مشتقات بالاتر RFOها شناسايي شده اند، اطلاعات خيلي کمي در مورد بيوشيمي آنها موجود است.

RFOها به طور گسترده به عناون عوامل اصلي تثبت کربن در گياهان اختصاصي شده اند. در اين مطالعات بعلاوه رابطه اي را ميان انباشته شدن RFOها و تنش هاي ناشي از سرما، خشکي و شوري مشاهده شده است که آشکار کننده نقشي براي RFO ها در سازگاري با تنش مي باشد. سه ژن Gols پاخسي به تنش جدا از هفت ژن Gols در A-tholiana شناسائي شده اند. فهيمده شده است که دو تاي اينها تحت تأثير تنش خشکي و شوري بالا افزايش پيدا مي کنند، در حالي که سومي بوسيله تنش سرما افزايش پيدا مي کند. گياهان A. thalian تراژني شده که يکي از اين ژنهاي پاخسي به خشکي را با ميزان بالا بيان مي کنند، فهميده شده است که داراي ميزان بالاي گالاکتينول و رافينوز هستند و نسبت به نوع وحشي گياه تحمل خشکي بهتري را به نمايش مي گذارند. اين نتيجه نشان دهنده نقش هاي داتي براي گالاکتينول و رافينوز به عنوان محلول هاي سازگار مي باشد. حضور چندين ژن Gols با بيان شدن بالا در پاسخ به تنش هاي مختلف بسيار مشابه هم است. در Ajuga reptans، دو ايزوفرم عملکردي Gols که در تثبيت کربن نقش دارند، شناسايي شده اند. ما XV Gols را به عنوان Gols دوم که از مجموعه DNA بدست مده از برگهاي X. viscosa قرار گرفته در معرض تنش سرما بدست آمده است، شناسائي کرده ايم (داده منتشر نشده).

کارهاي بيشتر در مورد آزمايش ميزان گالاکتينول و رافينوز در طي تنش خشکي در گياهان X. viscosa و D. Sanguinalis که Gols XV را با ميزان بالا بيان مي کنند، درفهميدن تنش RFOها در تحمل خشکي مفيد خواهد بود.

آلدو ردوکتازها (Ars) مونومرهاي وابسته به NADPH هستند که متعلق به ابر خانواده آلدو-کتوردوکتاز مي باشند. اين آنزيم ما مسئول کاهش قندها به الکل هاي مساوي آنها هستند و فعاليت هاي کاتاليتيکي گسترده اي روي قندها آلدوزي و آلدهيدها دارند. ARها به عنوان آنزيم هاي محدود کننده سرعت در مسيرهاي بيوسنتزي پلي اول خدمت مي کنند و در سنتز sorbitol از گلوکز -6- فسفات از طريق واسطه sorbital-6-phosphote، نقش دارند.

در تحقيق ما آناليز لکه شمالي و جنوبي نشان داد که AR استخراج شده از X. viscosa (ALDRXV4) درطي تنش خشکي در ان برگها بيان شده است. فهميده شده است که ميزان polyol sorbitol نيز در برگها در طي تنش خشکي بالا مي رود. تجمع sorbitol در برخي گياهان عالي تر که در معرض hyperosmcsis شديد قرار رگتفه اند نشان داده شده است. ما علاوه بر آن نشان داديم که ARها از برگهاي X. viscosa از گلوکز به عنوان سوبستر استفاده مي کنند. اين فرآيند مشابه آنست که ARهايي مانند ALDRXV4 از X. viscosa در بيوسنتز پلي اول در زمان تنش خشکي و با تبديل کردن گلوکز -6- فسفات به sorbitol، عملکرد داشته باشند.

در گياهان عالي تر بسياري دقت تنش دهيدراته شدن، متابوليسم کربوهيدرات به نفع تبديل ساير قندها به ساکارز، تغيير وضعيت مي دهند. ما اثرات دهيدراته شدن را روي انباشته شدن ساکارز در گياهان قيامت X. viscosa، craterostigma wilmsii, sporobolus staphinus، مطالعه کرده ايم. در همه موارد افزايش انباشته شدن ساکارز در پاسخ به تنش خشکي- البته در گونه هاي مختلف با درجات متفاوت- مشاهده شد که نشان دهنده نقش براي ساکارز در بدست آوردن تحمل خشکي دراين گياهان مي باشد. چنين به نظر مي رسد که ساکارز به عنوان يک osmoprotectunt با مشخصات ويژه، غشاي سلولي را پايدار کرده و تورگور را حفظ مي کند. به عناون يک قند احياء کننده که به آساني قابل متابوليسم باشد، ساکارز مي تواند به عنوان يک منبع انرژي متوسط در rehydration، خدمت کند.

طراحي موفق مسيرهاي متابوليکي براي برخي از محلولهاي ساکارز مانند glycine betaine، sprbitol mannitol، توهالوز و پروسين منجر به ارائه نتايجي از گياهان تراژني شده است که مقاومت افزايش يافته اي در سراسر تنش خشکي، شوري بالا وتنش سرما از خود نشان مي دهند. مشابه با آن بيوسنتز محلولهاي سازگار مي تواند مکانيسم کليدي باشد که گياهان مقاوم به خشکي را در برابر اثرات تضعيف کنندهت فقدان آب در سلول، قادر به بقا مي سازد. کار گذاشتن ALDRXV4 و XVGols در داخل گونه هاي گياهان حساس به خشکي مانند علف تک Golsپه D. Sanguinalis، براي بررسي عملکردهاي اين آنزيم ها در بيوسنتز استموليتي مفيد خواهد بود و همچنين مي تواند پايه اي براي ترانسفورماسيون بعدي به گونه هاي زراعي که زا لحاظ کشاورزي مهم هستند (مثل ذرت)، باشد.