تحقیق مقاله مکانیسم‌های مقاومت به غرقاب در گیاهان

مقدمه

اغلب یک دوره بارندگی یا آبیاری بیش از حد همراه با زهکشی ضعیف خاک، باعث غرقاب شدن خاک می‌شود. غرقاب شدن به طور گسترده‌ای در خاک‌های جهان رخ می‌دهد که آسیب جدید به پوشش گیاهان طبیعی و گیاهان زراعی دارد. در خاک‌ های غرقاب فضای مخصوص هوا از آب پر شده و در نتیجه انتشار گازها بین جو و خاک سپهر (ریزوسفر) و ریشه به تاخیر می‌افتد.

اکسیژن محلول توسط میکروارگانیسم‌ها و تنفس ریشه‌ای از محلول خاک تخلیه می‌شود. تخلیه اکسیژن محلول در خاک‌های غرقاب بسته به درجه حرارت، فعالیت تنفسی گیاهان و میکروارگانیسم‌ها و نیر فراوانی و تداوم اشباع بودن خاک منجر به کاهش یا عدم وجود اکسیژن طی چند ساعت الی چند روز می‌شود. کمبود اکسیژن محدودیت عمده‌ای برای رشد و باروری گیاهان است، لذا زنده ماندن گیاه در شرایط غرقاب در وهله اول منوط به سازگاری آن با شرایط کمبود اکسیژن است. گیاهان مقاوم به غرقاب مکانیسم‌های مخلتفی را از جمله توانایی غیرسمی نمودن یون‌های احیا شده توسط ریشه، اجتناب از کمبود اکسیژن توسط انتقال داخلی اکسیژن از برگ‌ها به ریشه‌ها و قدرت ثبات متابولیسم، حداقل در سطح فرآیندهای نگهداری توسط مسیرهای غیرهوازی بکار می‌گیرند.

تحقیقات مختلفی در مورد واکنش‌های گیاه به غرقاب و کمبود اکسیژن از جهت سازگاری‌های مولکولی، بیوشیمیایی فیزیولوژیکی، آناتومیکی و مورفولوژیکی انجام شده است. مقاومت جامعی نیز در این مورد ارائه شده است. مهمترین سوال مطرح شده، مکانیسم‌های سازگاری گیاه به تنش اکسیژن است. اکثر مقالات مربوط به سازگاری در اندام‌های هوایی یا گیاه کامل است.

سازگاری متابولیکی

پاسخ‌های متابولیکی نسبت به کمبود و یا نبود اکسیژن به صورت گسترد‌ه‌ای در بسیاری از گونه‌های گیاهی مطالعه شده است، اما مکانیسم مشترک در مورد مقاومت به این شرایط نشده است. نظریه‌های متعددی در مورد سازگاری متابولیکی ارائه شده است.

اولین فرضیه در مورد تشریح تحمل متابولیکی غرقاب توسط مک منمون و کرافورد (1971) ارائه شده است. آنها چنین مطرح کردند که مقاومت ریشه‌های گیاهان مناطق مرطوب به حالت غرقاب به جنبه‌های اختصاصی متابولیسم آنها بستگی دارد و نیز مقاومت به غرقاب در یک گیاه خاص به قدرت اجتناب آن گیاه از تجمع اتانول در مسیر گلیکولیت وابسته است.

بنابراین حفظ یک سطح بیوسنتز پایین اتانول باعث مقاومت به غرقاب می‌شود. در ریشه گیاهان مقاوم به غرقاب در شرایط کمبود اکسیژن گلوکز بر اساس تخمیر الکلی متابولیز می‌شود و  آسیب به گیاه در محیط رشد دارای کمبود اکسیژن به دلیل خودسمیت ناشی از تولیدات نهایی تخمیر، خصوصاً اتانول است که در بافت‌های گیاه در شرایط غیرهوازی تجمع می‌یابد.

عقیده بر این است که در ریشه گیاهان مقاومبه غرقاب از تجمع اتانول سمی اجتناب می‌شود، بدین صورت که فرآیند تجزیه گلوکز به سمیت تشکیل مالات که دارای سمیت کمتری است، سوق می‌دهد. همچنین این نظریه می‌گوید که سرعت گلکوز در پاسخ به تنش اکسیژن ناشی از تولید اتانل، در گونه‌های حساس به غرقاب بیشتر از گیاهان مقاوم به غرقاب است.

در گلیکولیز چندین آنزیم تخمیری مهم از جمله پیروات دی کروبوکسیلاز دی هیدروژناز و الکل دی هیدروژناز دخیل‌اند. الکل ی هیدروژناز (ADH)، آنزیمی است که در رابطه با محیط غیرهوازی به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته است. در اکثر گیاهان، در پاسخ به تنش بی‌هوازی فعالیت ADH افزایش می‌یابد. میزان القای ADH در اندام‌های مختلف یک گونه متفاوت است.  به طور مثال بر اساس وزن تر، القای ADH درکولئوپتیل و برگ‌ها بسیار کمتر از نوک ریشه است. اگرچه برای رشد ذرت در هوای معمولی ظاهراً نیازی به فعالیت ADH نیست، ولی موتانت‌های فاقد ADH نشان دادند که فعالیت ADH برای ادامه بقای این گونه طی غرقاب ضروری می‌باشد. گیاهچه‌های موتانت ذرت فاقد ADH در شرایط بدون اکسیژن تنها چند ساعت زنده ماندند،در حالی که گیاهچه‌های ذرت معمولی در این شرایط تا سه روز زنده ماندند. گرچه تحقیق بر روی گیاه سوروف (Echinochioa phyllopopon) نشان می‌دهد که هیچگونه همبستگی بین مقاومت به غرقاب فعالیت یا تعداد ایزوزیم‌های ADH وجود ندارد. همچنین هیچگونه همبستگی به فعالیت ADH و سرعت تولید الکل تحت شرایط بدون اکسیژن، در ریشه گزنه (Urtica)‌ وجود ندارد. القای فعالیت ADH تنها عاملی نیست که منجر به افزایش زنده ماندن نوک ریشه‌های انواع وحشی ذرت می‌شود.

ممکن است رابطه بین فعالیت ADH و مکان آن در گیاه وجود داشته باشد. در گونه‌های مقاوم به غرقاب مثل برنج و سوروف در شرایط بدون اکسیژن فعالیت آنزیم  ADHدر برگ‌ها بیش از ریشه‌هاست، در حالی که در گیاهان غیرمقاوم به غرقاب مثل ذرت و نخود، فعالیت ADH در ریشه‌ها بیش از برگ‌ها مشاهده شده است. در برنج وحشی فعالیت بیشتر ADH در ریشه‌ها نسبت به اندام‌های هوایی بعد از دو روز غرقاب، نشان می‌دهد که این رابطه در گیاهان مقاوم به غرقاب صادق نیست. در گیاهچه‌های 5 تا 25 روز سویا، القای ADH به اندام و بین گیاه بستگی دارد. ممکن است فعالیت زیادئ ADH در محیط با کمبود اکسیژن برای جوانه‌زنی بذور در گیاه برنج وحشی مهم باشد. با این حال هنوز نقش فیزیولوژیکی فعالیت زیاد ADH در ریشه‌ها روشن نیست.

لاکتات دی هیدروژناز (LDH) نیز در ریشه‌ها و بذور چندین گونه در شرایط بی‌هوازی القا می‌شود. تخمیر لاکتات اغلب در ریشه‌هایی که در محیط بی‌هوازی‌اند و یا بذور در حال جوانه‌زدن، انجام می‌شود و عقیده بر این است که این یک نقش موقتی در لاکتات است. فعالیت LDH القا شده، تخمیر لاکتات را حمایت می‌کند و تعادل اکسیداسیون و احیا را بدون از دست دادن کربن که ناشی از تخمیر اتانول است انجام می‌دهد. القای فعالیت LDH در ریشه‌ها، که بدون هیچگونه افزایش در غلظت لاکتات در گیاهچه‌هایی که در معرض کمبود اکسیژن هستند، صورت می‌گیرد، نشانگر این است که مزیت فیزیولوژیکی افزایش فعالیت LDH در بافت ریشه طی یک دوره طولانی کمبود اکسیژن، هنوز ناشناخته باقی مانده است. پیروات دی کربوکسیلاز (PDC‌)‌ در مراحل حساس دارای متابولیسم بی‌هوازی بوده و دی کربوکسیلاسیون پیروات را تسریع کرده و در CO2 و استالئید، یعنی پیش ماده اتانولرا تولید می‌کند. در ذرت، در مرحله بی‌هوازی، فعالیت PDC‌ به 5 تا 9 برابر می‌رسد. هرچند هیچگونه رابطه‌ای بین سطح اتانول و القای ساخت PDC‌ در ذرت و برنج دیده نشده است.

برای ارزیابی اهمیت فرآیندهای گلیکولینی در مقاومت به تنش اکسیژن، حداقل لازم است چندین آنزیم مسیرهای گلیکولینی شناخته شوند. یک آزمایش در مورد گندم، این فرضیه را تقویت می‌کند که سرعت بالای تخمیر الکلی یک عامل مهم مقاومت بافت گیاه به فقدان اکسیژن است، زیرا ریشه‌های گندم به نبود اکسیژن حساس است. در این ریشه‌ها، سرعت تخمیر الکل و بنابراین گلیکولیز معمولاً توسط سطح کم PDC, ADH محدود می‌شود. هنوز ثابت نشده است که با افزایش ADH یا PDCمهمترین عامل دخیل در افزایش مقاومت به نبود اکسیژن هستند یا خیر؟

این فرضیه که یک مسیر تخمیری منجر به تجمع اتانول و متعاقب آن خسارت غرقاب می‌شود، را زیر سوال برده است. شرایط غیرهوازی منجر به تولید اتانول، هم در گونه‌های مقاوم به غرقاب مثل برنج و هم گونه‌های غیرمقاوم مثل نخود می‌شود. گونه‌های مقاومبه غرقاب حتی می‌توانند نسبت به گیاهان غیرمقاوم، الکل و سرعت گلیلولیز بیشتری نسبت داشته باشند. تحقیقات در مورد نخود نشانگر این است که به نظر نمی‌رسد محتوای اتانول اثرات معنی‌داری در رشد یا زنده ماندن گیاه داشته باشد، زیرا میزان اتانول در شرایط هوازی و بی‌هوازی در شرایط مشابه با 100 برابر غلظت مقادیر یافت شده در شیره آوندی گیاه نخود غرقاب شده، باعث هیچگونه آسیبی نشده و یا اآسیب اندکی ایجاد نموده است.

از بین رفتن سلول‌های گیاهی که در شرایط بی‌هوازی هستند، بر اثر تولید نهایی تخمیر نیز در هاله‌ای از شک قرار دارد. ثابت نگهداشتن و یا حتی افزایش تخمیر توسط تغذیه گلوکز می‌تواند زنده ماندن سلول گیاهی را در شرایط کمبود اکسیژن تسهیل نماید. نشان داده شده است که اگر ریشه‌ها از خارج از محیط گلوکز دریافت کنند، از تخریب فراساختمانی آنها تحت شرایط کمبود اکسیژن می‌تواند جلوگیری شود، همانطور که در آزمایشی در مورد ریشه‌های برنج، کدو تنبل و نخود و کلئوپتیل و برگ‌های برنج این مورد دیده شد. به نظر می‌رسد ارتباط بیوشیمیایی و آنزیمی بین بیوسنتز اتانول و خسارت ناشی از غرقاب به اندازه ارتباط بین مقدار اتانول موجود و خسارت ناشی از غرقاب غیرمتحمل باشد. از آنجا که تجمع اتانول زیاد است، به نظر می‌رسد که پاسخ‌های متابولیکی دیگری باید در ایجاد مقاومت درازمدت به کمبود اکسیژن دارای اهمیت باشند.

فرضیه دیگری در مورد تطابق متابولیکی که توسط دیویس (1980) پیشنهاد شد، سعی دارد نقش لاکتات را به عنوان یک عامل مهم در القای سایر پروتئین‌های دخیل در هنگام تنش کمبود اکسیژن از طریق کاهش pH سلول‌ها در مقاومت کوتاه مدت به غرقاب در برخی گیاهان بیان کند. طبق این فرضیه، علت خسارت وارد آمده به گیاه تحت شرایط کمبود اکسیژن، اسیدی شدن سیتوپلاسم می‌باشد. طبق این فرضیه، سرعت نسبی لاکتات در مقابل اتانول بستگی به pH سیتوپلاسم دارد. در شرایط بی‌‌هوازی، پیروات ابتدا به لاکتات تبدیل می‌شود، ولی از آنجا که pH سیتوپلاسمی کاهش می‌یابد، از فعالیت LDH ممانعت به عمل آمده، فعالیت PDC افزایش یافته و ساخت اتانول غالبیت می‌یابد. این فرضیه اخیراً توسط انجام آزمایش‌هایی با استفاده از روش تشدید مغناطیسی هسته‌ای 12C, 31P2 به اثبات رسیده است. به نظر می‌رسد طی دوره طولانی بدون اکسیژن، کاهش شدید pH سیتوپلاسمی علامت مرگ سلول نوک ریشه ذرت یا نخود علی‌رغم ادامه تخمیر باشد که نشان می‌دهد تخمیر برای حفظ تولید انرژی برای یک دوره طولانی کافی نیست. اسیدی بودن سیتوپلاسم شاخصی در عدم تحمل غرقاب در گیاهان می‌باشد و مقاومت به فقدان اکسیژن همبستگی معکوس با مقدار اسیدی بودن سیتوپلاسم دارد.

pH سیتوپلاسم در گیاهان توسط اثرات ترکیبی بسیاری از واکنش‌ها، مثل ترشح لاکتات، تخمیر به لاکتات، انتقال H+ کربوکسیلاسیون دی کربوکسیلاسیون و تخمیر به آلانین ایجاد می‌گردد. مطالعات بیشتری برای ارزیابی اهمیت تخمیر به لاکتات و خروج لاکتات در تنظیم pH سیتوپلاسمی در نوک ریشه‌های بی‌هوازی لازم است. مکانیسم‌های خسارت سیتوپلاسمی ناشی از کاهش pH ناشناخته مانده است، ولی مطالعات انجام شده با میکروسکوپ الکترونی نشان داده که اثرات کمبود اکسیژن باعث تغییر در ساختار نرم سلول‌های مریستمی خصوصاً در میتوکندری، جسم گلژی و کروماتیم می‌شود. هرچند، تغییر در متابولیسم غیرهوازی از جمله تغییرات pH در بسیاری از گونه‌های گیاهی نشان داده شده است. به نظر نمی‌رسد که این مکانیسم‌ نقش اساسی در زنده ماندن گیاه در کمبود طولانی مدت اکسیژن داشته باشد و همچنین در بافت‌های مختلف مثلاً در ریشه و بذرها و در گونه‌های مختلف مقاوم به غرقاب مثل برنج و سوروف اهمیت متفاوتی دارد.