تحقیق مقاله جذب فسفر توسط گیاهان - از خاک تا سلول

مقدمه

P یک عنصر غذایی مهم در گیاهان است که حدود 2/0 درصد از وزن خشک گیاه را تشکیل می دهد. P یک جزء مولکولهای کلیدی مانند اسیدهای نوکلئیک، فسفولیپیدها و ATP است و در نتیجه گیاهان بدون مقدار کافی از این ماده غذایی نمی توانند رشد کنند. P همچنین در کنترل و اکنشهای آنزیمی کلیدی و در تنظیم مسیرهای متابولیسمی نقش دارد.

بعد از N ، P دومین عنصر غذایی پر مصرف محدود کننده برای رشد گیاه است. این مقاله درباره P در خاک و جذب آن توسط گیاهان، انتقال از میان غشاهای سلولی، تقسیم بندی و بازپراکنی در داخل گیاه تمرکز می کند. ار بر روی P در گیاهان عالیتر متمرکز می شویم در حالیکه مکانیسم های تشابهی نشان داده شده اند که در جلبکها و قارچها بکار می روند.

فسفر در خاک

اگر چه مقدار کل P در خاک ممکن است زیاد باشد، اما اغلب به فرمهای غیر قابل استفاده یا به فرمهایی که فقط در خارج از ریزوسفر قابل استفاده است وجود دارد. در بسیاری از   سیستم های کشاورزی که در آنها کاربرد P در خاک برای تضمین محصول زیاد گیاه ضروری است، بازیافت P بکار برده شده بوسیله گیاهان درفصل رویش بسیار پایین است، زیرا در خاک بیش از 80 درصد از P بخاطر جذب سطحی، بارندگی یا تبدیل شدن به فرم آلی تثبیت شده و قابل جذب توسط گیاها نخواهد بود.

P در خاک به شکلهای مختلفی مانند P آلی و معدنی یافت می شود(شکل1). مهم است تاکید شود که 20 تا 80 درصد از P در خاکها به فرم آلی یافت می شود، که از آن فیتیک اسید(اینوریتول هگزافسفات) معمولا جزء اصلی است. باقیمانده در بخش معدنی که شامل 170 فرم معدنی از P است یافت می شود. میکروبهای خاک فرمهای بی حرکت P را به محلول خاک آزاد می کنند و همچنین مسئول توقف تحرک P هستند. مقدار کم P موجود در خاک جذب آن توسط گیاه را محدود می کند. بیشتر مواد معدنی محلول مانند K در خاک از طریق جریان توده ای و انتشار حرکت می کنند اما P عمدتا بوسیله انتشار حرکت می کند. از آنجا که سرعت انتشار P پایین است(  تا  متر مربع بر ثانیه)، سرعت جذب توسط گیاهان ناحیه8 ای در اطراف ریشه بوجود مس اورد که خالی از P است.

مورفولوژی ریشه گیاه برای افزایش جذب P اهمیت دارد زیرا ساختارهای ریشه ای که نسبته سطح به حجم بیشتری دارند(سطح تماس بیشتری با خاک داشته و دسترسی به منابع غذای خاک دارند.) به این دلیل میکرویزاها برای کسب P توسط گیاه اهمیت دارند زیرا ریسه های قارچی مقدار خاکی که ریشه های گیاهان جستجو می کنند، سطح تماس ریشه های گیاهان با خاک را افزایش دهند. در گونه های گیاهی خاص، دسته های رشیه ای(ریشه های پروتئوئید) در واکنش به محدودیت P شکل گرفته اند. این ریشه های تخصص یافته مقادیر زیادی از اسیدهای آلی(تا 23 درصد از فتوسنتز خالص) تراوش می کنند که خاک را اسیدی کرده و یونهای فلزی اطراف ریشه ها را شلات می کنند که منجر به آماده سازی(تحریک) P و تعدادی از ریز مغذی ها می شوند.

جذب P از میان غشای پلاسمایی و تونوپلاست

جذب P یک مشکل برای گیاهان مطرح می کند، زیرا غلظت این ماده معدنی در محلول خاک پاین است اما نیاز گیاه بالاست. شکلی زا P که به آسانی توطس گیاهان دریافت می شود  Pi است که غلظت آن به ندرت از 10 میکرومول در محلولهای خاک تجاوز می کند. بنابرانی گیاهان باید ناقلین خاصی در مرز ریشه / خاکم برای اخذ Pi  از محلولهای با غلظت میکرومولار داشته باشند، علاوه بر مکانیسم های دیگر برای انتقال Pi  از میان غشاهای بین بخشهای درون سلولی، جایی که غلظت Pi ممکن است 1000 مرتبه بیشتر از محلول خارجی باشد. همچنین باید یک سیستم برون ریزش وجود داشته باشد که در باز پراکنی این منبع گرانبها زمانی که  P خاک دیگر در دسترس و یا کافی نیست، نقش ایفا کند.

شکلی که Pi در محلول وجود دارد نسبت به PH تغییر می کند. PK ها برای تفکیک H3PO4 به H2PO4  به  به ترتیب 1/2 و 2/7  است. بنابراین در PH زیر 6، بیشتر Pi  بصورت انواع مونووالان  وجود خواهد داشت، در حالیکه H3PO4 و  فقط به نسبت های جزئی وجود خواهند داشت. بیشتر مطالعات بر روی جذب Pi  وابسته به PH در گیاهان عالیتر نشان داده اند که میزان جذب در PH بین 5 و6 جایی که  غالبیت دارد، بیشترین است، که پیشنهاد می کند که Pi به فرم مونووالان جذب می شود.

تحت شرایط فیزیولوژیک طبیعی یک نیاز برای انتقال پر انرژی Pi از میان غشاهای پلاسمایی از خاک به گیاه وجود دارد بخاطر غلظت نسبتا بالای Pi در سیتوپلاسم و پتانسیل غشایی منفی که ویژگی سلولهای گیاهی است. این نیاز یه انرژی برای جذب Pi بوسیله اثرات             مهار کننده های متابولیک که جذب Pi را به سرعت کاهش می دهند اثبات شده است. مکانیکهای دقیق انتقال غشایی هنوز روشن نشده، اگر چه کوترسپورت Pi  با یک یا چند پروتون بهترین انتخاب بر مبنای مشاهدات زیر است.

افزودن Pi  به ریشه های گرسنه منتهی به دپلاریزاسیون غشای پلاسمای و اسیدی شدن سیتوپلاسم می شود. دپلاریزاسیون نشان می دهد که Pi  به آسانی بصورت  و یا  وارد نمی شود، هر دوی آنها منجر به هیپر پلاریزاسیون غشا می شوند. از این نتایج احتمال می رود که Pi  با یونهای با شارژ مثبت کوتر سپورت می شود. کوترسپورت Pi  با یک کاتیون وابسته به بیش از 1  / C+ یا بیش از 2  / C+  کاتیون است که منجر به درون ریزش خالص شارژ مثبت می شود و بنابراین به دپلاریزاسیون غشایی مشاهده شده منتهی می شود. اسیدی شدن سیتوپلاسم وابسته به انتقال Pi  پیشنهاد می کند که کاتیون H+  است، اما اگر انواع منتقل شده  باشند علیرغم نوع کاتیون اسیدی شدن اتفاق می افتد چون در سیتوپلاسم دستخوش تفکیک به  و H+  می شود. برای اثبات کوتر سپورت H+  نیاز به سنجش همزمان یا حداقل قابل مقایسه درون ریزش Pi  و تغییر القا شده در PH سیتوپلاسمی است. جذب Pi  از میان غشاهای پلاسمایی در سلولهای جانوری بطور طبیعی شامل کوترسپورت با Na+  است. سیستم های جذب Pi با تمایل بالا با انرژی Na (سدیمی) همچنین در سیانو باکتریها و جلبکهای سبز یافت شده اند. در بعضی از موجودات مانند ساکارومیس سرویزیه هر دو سیستم های جذب Pi وابسته به H+  و Na+   شرح داده شده اند. وابستگی جذب Pi  به Na+  در گیاهان عالیتر هنوز اثبات نشده است، اما این ممکن است تا حدودی بخاطر این باشد که مطالعات اندکی این شیوه ممکن از جذب Pi انرژی دار شده را بررسی کرده اند.

انتقال Pi  از سیتوپلاسم به واکوئل شامل یکسری پارامترهای ترمو دینامیکی متفاوت از آنهایی که برای غشای پلاسمایی بکار می روند، می باشد که این عمدتا بدلیل غلظتهای میلی مولار در سیتوپلاسم و واکوئل در مقایسه با غلظتهای میکرومولار در خاک است. برآوردهای اندکی از غلظتهای سیتوزولی و واکوئلی Pi  موجود است. هر چند زمانی که ذرت در غلظتهای Pi  مشابه آنچه در خاک یافت می شود.(یعنی 10 میکرومول) رشد داده شد غلظت Pi  سیتوپلاسم سلول ریشه تخمین زده شد که بیشتر از غلظت واکوئلی باشد. همچنین زمانیکه گیاهان سویا در محلولهای 50 تا 100 میکرومول Pi  رشد داده شدند، معلوم شد که غلظتهای Pi  سیتوپلاسم سلول برگ بیشتر از غلظتهای واکوئلی است. از آنجا که پتانسیل غشایی واکوئل نسبت به سیتوپلاسم معمولا اندکی مثبت تر است انتقال Pi  به واکوئل نیاز به انرژی ندارد. در گیاهان تامین شده با غلظتهای بالایی از P ، به نظر می رسد که Pi  در عرض تونوپلاست نزدیک به تعادل الکتروشیمیایی باشد. در یکی از اندک مطالعاتی که در آن انتقال تونوپلاستی بررسی شده است، جذب Pi  به داخل واکوئل های جدا شده از برگهای جو با P کافی نشان داده شده است که از یک وابستگی غلظت مونوفازی تقریبا خطی وابسته به تا حداقل 20 میلی مول پیروی می کند و مستقل از انرژی ATP بود. اگرچه در واکوئلهای جداشده از سلولهای محروم از Pi ، سرعت جذب Pi  بسیار بالاتر و وابسته به ATP بود، علیرغم این واقعیت که غلظتهای پایین تر Pi در واکوئل ها باعث تجمع غیر فعال Pi  می شود. این موضوع یک حذف مهار یا فعالسازی یک ناقل ثانویه در تونو پلاست را در واکنش به گرسنگی Pi  پیشنهاد      می کند. وابستگی غلظت جذب Pi  در واکوئلها از سلولهای محروم از Pi  گزارش نشده است، یک واکنش دوفازی وجود یک ناقل ثانویه را حمایت می کند که ممکن است زمانیکه میزان Pi  محدود شده است، نقش مهمی در حفظ هومئوستاز Pi  ایفا می کند فرایند آماده سازی Pi  واکوئلی بدنبال گرسنگی Pi  احتمالا نیاز به انتقال وابسته به انرژی از میان تونوپلاست دارد که مکانیسم آن شناخته نشده است، اگر چه یک سیمپورت / H+  از لحاظ ترمودینامیکی محتمل است. هنوز مطالب زیادی درباره مکانیسم های ویژه انتقال Pi  واکوئلی در گیاهان عالیتر و نقشه که این مکانیسم ها در بافری کردن غلظت Pi  سیتوپلاسمی ایفا می کند ناشناخته باقی مانده است.