آکواپورین های گیاهی

موضوع: آکواپورین های گیاهی

استاد مربوطه: جناب آقای مجید کیمیاگری

ارائه دهنده : سید مصطفی محمدزاده

معرفی: عملکرد گیاهان که معمولا به عنوان بازده محصول، بیوماس گیاهی یا کیفیت محصول بیان می شود به طور معکوس تحت تاثیر شوری قرار می گیرد. شوری یکی از مهم ترین تنش های محیطی است و یکی از شدیدترین فاکتورهای غیر زیستی که تولیدات کشاورزی را محدود می کند به خاطر اینکه آب و مواد مغذی در دسترس را تغییر می دهد. شوری به وسیله تنش اسمزی و به هم زدن هموستازی یونی که به نوبه خود سبب اختلال عملکرد متابولیکی می شود، روی رشد گیاه تاثیر می گذارد.

ارتباط بین شوری و تغذیه معدنی به شدت پیجیده است و اثر متقابل به سطح نمک، ترکیب نمک، گونه گیاهی، ماده معدنی مطالعه شده و تعدادی از فاکتورهای محیطی بستگی دارد. گزارش شده است که شوری روی فعالیت یون در محلول به وسیله تغییر دادن قدرت یونی، از طریق تشکیل جفت یون ها و ته نشینی موثر است که نتیجه آن جذب و انتقال بیش از حد یون های نمک(Na,Cl) و یا جذب وانتقال ناکافی یون های ضروری است که باعث تغییر در جذب تغذیه معدنی می شود و در رشد گیاه تاثیر می گذارد. همچنین ورود قابل توجه یون های سدیم وکلر باعث کاهش شدید رشد یا مرگ در گونه های حساس به نمک می شود یا در گلیکوفیت ها در گونه های متحمل به نمک علایم مسمومیت ملایمی تولید می شود.

حرکت آب در درون هر سیستمی به وسیله نیروهای رانشی که توصیف می شوند به عنوان شیب پتانسیل آب و ضریب هدایت مسیر جریان، کنترل می شود. هدایت هیدرولیکی به عنوان یکی از فاکتورهای مهم در تعیین مقدار آب گیاه در نظر گرفته می شود. تغییر در هدایت هیدرولیکی می تواند به وسیله شرایط محیطی از قبیل شوری ایجاد می شود. برای حفظ فشار تورژسانس، گیاهانی که تحت تنش شوری رشد می کنند تنظیم اسمزی را از طریق جمع آوری خالص اسمولیت ها در سلول ها در پاسخ به کاهش پتانسیل آب محیط متحمل می شوند. به محض اینکه پتانسیل اسمزی تغییر کند جذب آب رخ می دهد، اما با این حال تغییرات دیگری نیز به عنوان نتیجه شوری ممکن است رخ دهد، از قبیل: کاهش در هدایت هیدرولیکی غشای ریشه و کاهش در هدایت روزنه ای. بنابراین مطالعات تحت تاثیر شوری روی آکواپورین ها به انطباق با شرایط شوری مربوطند. اخیرا یک توافق عام معقولی روی آنچه که هدف مهندسی ژنتیک برای تحمل به شوری به وجود آمده است. یک تمرکز روی انتقال یون ها و کده بندی، سنتز ترکیبات سازگار( اسمولیت ها) و حفاظت اکسیداتیو به وجود آمده است.به هر حال، فرایند هایی که عموماً به عنوان اهدافی برای مداخله در سطح مولکولی استفاده می شوند به خاطر ماهیت چندژنی پاسخ ها خیلی موفقیت آمیز نبوده اند. بنابراین در این مقاله ما روی مکانیسم های انطباق با شوری و چگونگی اثراتی که می توانند کاهش پیدا کنند به وسیله تغییر غلظت یون کلسیم در محلول های تغذیه ای و به وسیله تغییر در جذب اب گیاهان که در مقدار پاسخ به آکواپورین ها رخ می دهد متمرکز می شویم.

انطباق با تنش شوری

اثرات مضر شوری روی رشد گیاهان شامل:

1- کم شدن پتانسیل اسمزی محلول خاک(تنش آب)

2- عدم تعادل تغذیه ای

3- اثرات یون مخصوص

4- ترکیبی از عوامل بالا

شوری روی بیان فیتوهورمون ها به طور معکوس اثر می گذارد که در توسعه و رشد گیاه در سطوح فیزیولوژیکی، بیو شیمیایی و مولکولی موثر هستند. غلظت های نمکی که این اثرات رخ می دهد مطابق با ژنوتیپ، مرحله رشد، اثرات متقابل محیطی و یون مخصوص متفاوت است. انطباق با شرایط بهینه محیط به در اختیار قرار داشتن ترکیب مطلوبی از ویژگی هایی که اثرات زیان آور را به حداقل می رساند و اثرات سودمند را به حداکثر می رساند، بستگی دارد.

اصلاح، زمانی انطباقی است که در نهایت در ژنوتیپ هایی با رشد و عملکرد بهبود یافته تحت تنش شوری بیان می شوند.

تحمل به شوری به احتمال زیاد به وسیله تداخل پیچیده ای از چندین ژن کنترل می شود نسبت به یک ژن منفرد. علیرغم مقدار زیادی از تحقیقات روی تحمل به شوری گیاهان، عمدتا بر روابط آب، فتوسنتز، جمع آوری یون های مختلف معدنی و متابولیت های آلی، جایگاه متابولیک که در آن تنش نمک در گیاهان آسیب می رساند ، بر عکس مکانیسم های انطباقی که توسط گیاهان برای زنده ماندن در تنش شوری توسعه یافته اند هنوز به خوبی شناخته نشده اند.

تنوع در مکانیسم های تحمل به شوری نه تنها در میان گونه ها اتفاق می افتد، بلکه در بسیاری از موارد، میان ارقام درون یک گونه نیز رخ می دهد.

براساس پاسخ به غلظت های بالای نمک دو گروه گسترده و مختلف از گیاهان شناخته شده اند.

هالوفیت ها بومی خاک های شور هستند و جرخه زندگی خود را در این محیط ها تکمیل می کنند. آنها برای رشد بهینه به غلظت ها بسیار بالاتر از الکترولیت ها(به طور معمول سدیم وکلر) نسبت به گیاهانی که در خاک های غیر شور یافت می شوند، نیاز دارند. گلیکوفیت ها یا غیر هالوفیت ها در رنج مشابهی با هالوفیت ها، نسبت به نمک مقاوم نیستند . آستانه بالاتر غلطت نمک از گلیکوفیت ها علامت هایی از قبیل مهار رشد، تغییر رنگ برگ، و از دست دادن وزن خشک را نشان می دهد.

یونها داخل واکوئل های سلول های برگ به صورت جدا هستند و متعاقب با افزایش پتانسیل اسمزی حفره، سلول ها املاح آلی را در سیتوپلاسم به منظور حفظ تعادل اسمزی بین سیتوپلاسم و واکووئل جمع آوری می کنند. این فرایند همجنین با حالت پرآبی همراه است که نتیجه آن افزایش در حجم واکوئل است یعنی جایی که یونها ذخیره شده اند.

از آنجایی که حجم سیتوپلاسم کوچکتر از حجم واکوئل است، مصرف کربن در سنتز حفاظت کننده های اسمزی کمتر از گیاهانی است که نمک را حذف می کنند.

در فرایند کده بندی داخل سلولی یون ها وارد سلول های برگ می شوند و به داخل واکوئل ها پمپ می شوند قبل از آنکه غلظت آنها در سیتوپلاسم افزایش یابد. آنتی پورتر های Na⁺/ H⁺ غشاء پلاسمایی و واکوئولی، ATPase های غشاء پلاسمایی و پیروفسفاتاز های واکوئولی در پمپ کردن دخالت دارند. گسترده ترین مطالعات روی ATP ase غشاء پلاسمایی و واکوئولی صورت گرفته است.

پمپ یون سدیم به داخل واکوئل به وسیله یک آنتی پورتر Na⁺/ H⁺ کاتالیز می شود و شیب H⁺ ابتدا به وسیله ATP ase H ⁺و پروتئین پیرو فسفاتاز ایجاد می شود. فعالیت آنتی پورتر یون سدیم نشان داده شده است که در حضور یون سدیم افزایش پیدا می کند. این خاصیت القایی در گونه های متحمل به نمک بسیار بیشتر از گونه های حساس به نمک است. بیان بیش از حد آنتی پورتر های Na⁺/ H⁺ واکوئلی تحمل به نمک را به وسیله کده بندی واکوئلی یون سدیم در گونه های مختلف از قبیل آرابیدوپسیس، برنج و گوجه افزایش می دهد.

فعالیت پمپ پروتون می تواند تحمل به نمک را به وسیله اثر بر پتانسیل غشاء و شیب پروتون تعیین کند به طوریکه هر دو روی جذب، دفع وجداسازی های مختلف، تحریک فعالیت ATP ase های غشاء پلاسمایی تاثیر می گذارد که مشخص شده است به عنوان یک پاسخ به شوری رخ می دهد. اگرچه دیگر گزارش ها یک اثر مهاری را نشان داده اند. منصور ثابت کرد تغییر در فعالیت پمپ در پاسخ به شوری ضرورتا یک پاسخ انطباقی نیست و می تواند نتیجه اخلال در تمامیت غشاء باشد که سبب تغییر در فعالیت پروتئین می شود.

علاوه بر این این تغییرات همیشه با افزایش ظرفیت پمپ سدیم همراه نیستند مکانیسمی که این انتقال دهنده ها باعث افزایش به نمک می شوند هنوز مشخص نیست .

علل مختلفی برای فعالیت های اصلاح شده پروتئین های انتقال دهنده تحت تنش شوری شرح داده شده اند از قبیل: تغییر در فعل وانفعالات پروتئین چربی، افزایش پیام های ATP ase تغییر در خواص جنبشی، تغییر در کلسیم درون سلولی و دناتوره شدن پروتئین ها.

بنابراین اثرات شوری روی فعالیت های غشای پلاسمایی و ATP ase های تونوپلاست بستگی به گونه، بافت، سطح نمک و شرایط محیطی دارد و نقش این پروتئین ها باید به دقت مطالعه شود.

گزارش های متعدد پیشنهاد کردند که اثر متقابل بین جذب یون پتاسیم و یون سدیم ممکن است یک عامل کلیدی در تعیین تحمل Na⁺ گیاهان و ا ثرات گرسنگی K⁺ باشد. روی مکانیسم جذب Na⁺ وK⁺ در گندم و آرابیدوپسیس مطالعه شده است. به این ترتیب نشان داه شده است که در آرابیدوپسیس جابجایی یون سدیم از ریشه به شاخه می تواند به وسیله عمل انتقال دهنده HKT نوع K⁺ بی اثر شود که به گیاه در کاهش انباشت یون سدیم در برگ ها کمک می کند مشاهده شده است که At HKT تعادل اسمولاریته را بین آوند های گزیلم و سلول های پارانشیم گزیلم تحت تنش شوری میانجی می کند. سدیم اضافی را از گزیلم در طول تنش شوری واسمزی دور می کند و از برگ ها در مقابل سمیت سدیم حفاظت می کند.

به موازات پمپ کردن سدیم به داخل واکوئل یک جریان رو به بیرون به داخل سیتوپلاسم احتمالا به وسیله کانال های یونی روی می دهد. بنابراین موارد متعددی از کانال های کاتیونی غیر انتخابی در غشاء واکوئل های سلول های گیاهی نشان داده شده اند که نفوذپذیری زیادی به یون سدیم نسبت به دیگر کاتیون ها از قبیل یون پتاسیم دارند.

باز کردن این کانال ها در سلول های دست نخورده می تواند سازش توانایی سلول در جدا کردن یون سدیم در واکوئل باشد. اما به خاطر نفوذپذیری نسبتا بالای آنها به کاتیون های سمی فعالیت آنها کم است. به عبارت دیگر کانال های واکوئولی در گونه ای متحمل به نمک و گونه های حساس به نمک اختلاف مهمی را نشان نمی دهند.

افزایش جذب یون سدیم به وسیله واکوئل های ساقه می تواند تنظیم اسمزی را تسهیل کند. افزایش کده بندی سدیم وکاهش انباشت سدیم در سیتوزول بدون هیچ تغییری در غلظت یون سدیم سلولی است. این امر ممکن است زیرا انتقال سدیم از عرض تونوپلاست دو طرفه و پویا است.

جمع آوری و انباشت یون ها نقش مهمی را در پاسخ به شوری ایفا می کند. برای تطبیق دادن تعادل یونی در واکوئول ها، سیتوپلاسم ترکیبات مولکولی با وزن کم را انباشت می کند که با متابولیسم سلولی تداخل ندارد. چنین مواد محلول سازگار یا حفاظت کننده های اسمزی به شدت محلول هستند و عبارتند از: متابولیت های ثانویه ای از قبیل : ترکیبات آمونیم چهارتایی(گلایسین بتائیین)، آمینو اسیدها ( پرولین) و پلی اول ها (سوربیتول و مانیتول) و همچنین قند ها (سوکروز، گلوکز، فروکتوز، تره هالوز). برخی مطالعات انجام شده با گیاهان تراژن تجمع بیش از حد این املاح را نشان داده اند( سنتز تحریک کننده؛ تجزیه مهاری یا افزایش انتقال به بافت های در حال رشد). بیان بیش از حد ژن باکتریایی برای سنتز تری هالوز در برنج یا ژن باکتریاییMt1D برای سنتز مانیتول در گندم باعث افزایش تحمل به شوری شده است. گزارش های دیگر نتایج مثبتی را نشان دادند برای تحمل به نمک وقتی که گیاهان به وسیله ژن هایی که پروتئین های حفاظت کننده اسمزی را کد می کنند تغییر شکل پیدا می کنند.

یکی دیگر از پاسخ های سلولی به شوری افزایش سنتز تعداد زیادی پروتئین توسط سلول های گیاهی است. انباشت پروتئین بر گیاهان رشد کرده در شرایط شوری یک شکل ذخیره نیتروژن را فراهم می کند که می تواند وقتی که تنش برداشته شود دوباره مورد استفاده قرار گیرد و می تواند نقش تنظیم اسمزی را بازی کند. پروتئین ها می توانند به روش دنوو در پاسخ به تنش شوری سنتز شود یا به طور دائم موجودند در گیاه در غلظت های کم که وقتی گیاه در معرض تنش شوری قرار می گیرد کاهش می یابد. مشاهده شده است که در گیاهان متحمل به نمک نسبت به گیاهان حساس به نمک محتوی بالاتری از پروتئین های محلول وجود دارد. سنتز پلی آمین ها در پاسخ به تنش ها ( خشکی، شوری و غیره) به مقدار زیادی افزایش پیدا می کند. در بسیاری از موارد افزایش این ترکیبات در گیاهان متحمل به نمک بسیار بیشتر از گیاهان حساس به نمک است.

گرچه عملکرد این ترکیبات هنوز مشخص نیست فرض می شود که اینها یا محافظ هستند یا نقش آنها در مهار رادیکال های آزاد است. افزایش یون مخصوص در غلظت های پلی آمین ها نیز یافت شده است.

مشخص شده است که تولید گونه های فعال اکسیژن در پاسخ به تنش های محیطی از قبیل شوری و خشکی افزایش می یابد. حداقل تولید گونه های اکسیژن فعال و حداکثر حذف آنها به احتمال زیاد یکی از اجزای مهم پاسخ گیاهان به تنش های مختلف است. به طور جالب توجهی گیاهان دارای غلظت های بالای آنتی اکسیدانت ها در برابر آسیب های اکسیداتیو که به خاطر گونه های فعال اکسیژن ایجاد می شوند، هستند. پیشنهاد شده است که کنترل انتقال آب یک فاکتور مهم در ارتباط با حساسیت به خاک شور در بعضی از گیاهان است. گرچه هم گلیکوفیت ها و هم هالوفیت ها، کاهش هدایت روزنه ای و کاهش هدایت هیدرولیکی ریشه را در غلظت های بالای کلرید سدیم نشان می دهند، مدارکی وجود دارند که نشان می دهند که جذب و انتقال آب کلید مهمی برای بهبود بخشیدن به مقاومت به شوری است.

انتقال آّب

جذب آب از ریشه

آب یکی از فراوان ترین تک مولکول ها در سلول ها و موجودات زنده است و برای زندگی ضروری است. در گیاهان آب از ریشه ها در پاسخ به شیب اسمزی و هیدرو استاتیکی به قسمت های هوایی منتقل می شود، جایی که در آن تعرق به صورت جریان تبخیر از طریق منفذ روزنه صورت می گیرد. اگرچه مقاومت به جریان آب به طور عمده در دیافراگم روزنه وجود دارد، سیستم ریشه نیز می تواند مانع قابل توجهی به حساب آید. حرکت آب از طریق بافت ای گیاهی ممکن است به شرح زیر رخ دهد: مسیر آپوپلاست، مسیر سیمپلاست و مسیر Tranc cellular. مسیر آپوپلاست شامل جریان آب در اطراف سلول است. در مسیر سیمپلاست آب از عرض پلاسمودسماتا منتقل می شود و مسیر ترانس سلولی شامل انتقال آب از غشای سلولی و غشاء واکوئولی است. هیچ رویکردی برای جدا کردن مسیر سیمپلاست و مسیر ترانس سلولار وجود ندارد و آنها به طور خلاصه مسیر سلول به سلول نامیده می شود. در کورتکس ریشه جریان آب به طور عمده آپوپلاستی است اما در آندو درم، نوار کاسپاری که یک ذخیره سوبرینی و لیگینین است حرکت شعاعی آب را در مسیر آپوپلاستی محدود می کند و انتقال سلول به سلول آب رخ می دهد، بنابراین ، مسیر های مختلفی برای حرکت آب وجود دارد و از آنها با شدت های مختلف بسته به نوع گونه، نرمی ریشه و ماهیت نیروهای جلوبرنده استفاده می شود. به عنوان مثال، در حضور شیب فشار هیدرو استاتیک جریان آب به طور عمده آپوپلاستی است از آنجایی که این مسیر دارای مقاومت هیدرولیکی کم است. به هر حال تحت شیب اسمزی(در صورت عدم وجود تعرق در طول شب هنگامی که روزنه بسته است) جریان آب کم است و عمدتا از طریق غشاء رخ می دهد. بنابراین در ریشه های سوبرینه و مسن تر که مسیر آپوپلاستی بلوکه شده است مسیر سلول به سلول غالب است و تنطیم خوبی از جذب آّب به وسیله گروه های از پروتیئن های گیاهی به نام کانال های آّبی یا آکواپورین ها انجام می گیرد. به علاوه با توجه به شرایط محیطی و تقاضای تعرق گیاهان می توانند مسیر آپوپلاستی و سلول به سلول را تغییر دهند.

انتقال آب در مسافت های طولانی به وسیله بافت های آوندی انجام می شود، جایی که سدهای غشایی موجود نیستند. به هر حال انتقال مسافت های کوتاه و انتقال در بافت های غیرآوندی شامل انتقال از عرض غشاء که به وسیله انتشار از طریق لایه لیپیدی رخ می دهد برای عبور سریع آب از غشاء کافی نیست و چندین مطالعه دخالت کانال های آبی را نشان داده اند. علاوه بر این مطالعات مختلف در روابط آبی گیاه که روی حساسیت هدایت هیدرولیکی به جیوه تمرکز کرده اند نشان داده اند که، تنوع آنها می تواند نتیجه تفاوت در فعالیت آکواپورین ها باشد. مهار جریان آب از عرض ریشه به دلیل استفاده از تیمار Hgcl₂ نشان داده که نسبتی از کل جریان آب که از طریق کانال های آبی رخ می دهد به جیوه حساس است. نشان داده شده است که کلرید جیوه جریان آب را از طریق آکواپورین ها در ریشه گیاهان بلوکه می کند و جریان آب می تواند دوباره به وسیله کاهش عامل ها بازسازی شود. بنابراین سرعت جریان آب از غشاء ممکن است به وسیله تغییر در فراوانی و یا فعالیت آکواپورین ها کنترل شود. در حقیقت آکواپورین ها می توانند نقش مهمی را در تنظیم انتقال آب از عرض غشاهای سلولی بازی کند. به علاوه پاسخ گیاه به شوری در مورد روابط آبی گزارش شده است که اثرات درازمدت شوری عبارتند از: کاهش هدایت روزنه ای، کاهش هدایت هیدرولیکی ریشه که احتمالا نتیجه تنش فوق اسمزی است و عدم تعادل یونی ناشی از غلظت های بالای آپوپلاستی سدیم و کلر است. همچنین پیشنهاد شده است که کاهش هدایت هیدرولیکی ریشه می تواند مربوط باشد به کاهش در فعالیت یا تراکم آکواپورین ها در غشای پلاسمایی ریشه.

آکواپورین ها: آکواپورین ها متعلق به خانواده پروتئین های عمده اصلی (MID) هستند و جریان آب را از عرض غشاهای سلولی به دنبال شیب فشار اسمزی یا هیدرواستاتیکی تسهیل می کنند.

این پروتئین ها به ارگانیسم اجازه می دهند که حرکت آب را از طریق غشاء سرعت ببخشند، اما انتشار هم به صورت موازی رخ می دهد. اهمیت بیولوژیکی آکواپورین ها در گیاهان، توانایی آنها در تعدیل انتقال آب است در شرایطی که تنظیم جریان آب از نظر فیزیولوژیکی بحرانی است. علاوه بر این توانایی در افزایش یا کاهش نفوذپذیری آب در سلول تنوع بسیار بالای همولوژی آکواپورین ها را در گیاهان توجیه می کند. ژنوم کامل آرابیدوپسیس تالیا 35 ژن آکواپورین دارد و تنوع مشابهی در گونه های دیگر گیاهی از قبیل ذرت وبرنج یافت شده است. دو گروه اصلی پروتئین های اصلی غشاء(PIP) و پروتئین های اصلی تونوپلاستی TIPدر غشای پلاسمایی و تونوپلاست متمرکز شده است. PIPنقش مهمی را در کنترل آب درون سلولی ایفا می کنند در حالی که TIP به نظر می رسد در مبادله آب بین سیتوزول و واکوئل و در تنظیم اسمزی درگیر هستند. بیان بسیار تنظیم شده آکواپورین ها در گیاهان نشان می دهد که انتقال آب از خلال غشاء ممکن است بسیار مهم تر از فرایندهای دیگر مربوط به تعرق باشد. شوری احتمالا بر عملکرد کانال های آبی در ریشه گیاهان به وسیله بیان ژن و تغییرات بیوشیمیایی در پروتئین های کانال آبی اثر می گذارد. به عنوان مثال پیشنهاد شده است که فسفوریلاسیون یکی از مکانیزم های گشوده شدن مولکولی آکواپورین ها است. دفسفوریلاسیون در اینویترو در پاسخ به کاهش پتانسیل آب آپوپلاستی افزایش یافت. در مخالفت با این مشاهدات برای همولوگ های PIP در اسفناج. گونتر و همکارانش نشان دادند که تحت شرایط تنش شوری مانند محرومیت از آب و شوری فسفوریلاسیون نودولین – 26 به جای افزایش کاهش یافته است. علاوه بر این نشان داده شده است که کلریدسدیم مقدار mRNA کد شده پروتئین آکواپورین PIP را در آربیدوپسیس کاهش می دهد. با این حال سوگا و همکارانش نشان دادند که در نهال تربچه mRNA و سطح پروتئین های مختلفPIP وTIP بعد از اضافه کردن کلرید سدیم بدون تغییر باقی ماندند. بیان الگوی ژن های در برگ ها و سوسپانسیون سلولی هالوفیت Seaster در طول 24 ساعت تنش نمک به وسیله PCR مطالعه شد. این مطالعه بیان القاء شده 6 ژن را توسط تنش نمک نشان داد در حالیکه تجمع قابل توجه هیچ ترجمه ای در سلول های انطباق یافته با نمک مشاهده نشد. نتایج مشابه مشاهده شد به وسیله یامادا و همکارانش در نیکوتین برای 3 ژن MIP که تحت 24 ساعت تنش شوری تنظیم می شود. علاوه بر این مشاهده شد که تنش بالای شوری روی بیان ژن آکواپورین ها به طور متفاوتی اثر می گذارد که بستگی به نوع PIP دارد. بعضی از ژن های PIP از جمله PIP1: 1, PIP1:2, PIP2:3تحت نظارت وتنظیم بودند در حالیکه PIP1:5, PIP2:6 تحت تنظیم پایین دست بودند توسط تیمار نمک.

این تنظیم اولیه و متعاقب آن فوق تنظیم بیان ژن آکواپورین ها در تجزیه و تحلیل دو رقم برنج و در آرابیدوپسیس مشاهده شد. در دیگر مطالعات فوق تنظیم مشخص ایزوفرم های آکواپورین در آرابیدوپسیس و در گیاهان برنج توسط تنش شوری مشاهده شده است. مقایسه اثرات 2 غلظت متفاوت کلرید سدیم روی بیان ژن های MIP در ذرت اختلافات واثرات ژن خاص را نشان داد بعد از 2 ساعت تیمار با کلرید سدیم 100میلی مولار بیان 3 ایزوفرم ZmPIP1:1 و ZmPIP1:5 و ZmPIP2:4 به صورت گذرا القا شد و هیچ یک از ژن های ZmTIP تغییر نکرد.

در مقابل بعد از اضافه کردن کلرید سدیم 200 میلی مولار این پاسخ ها ناپدید شدند. با این حال این یافته ها به معنای آن است که نقش های متفاوتی برای آکواپورین ها وجود دارد که به نفوذ ساده آب یا مولکول های بدون بار دیگر از طریق غشاء سلولی مربوط است. هیل و همکارانش اخیرا اهمیت تئوری نفوذ ساده را به چالش کشیدند و یک عملکرد اضافی برای آکواپورین ها را به عنوان سنسورهای اسمزی یا تورژسانسی پیشنهاد کرده اند.

تنظیم مختلف بیان ژن آکواپورین ها در طول تنش شوری ممکن است نقشی را در محدود کردن از دست دادن آب اولیه در طول مراحل اولیه استرس نمک بازی کند و در جذب آب برای حفظ هموستازی آب در شرایط بالای نمک سلولی کمک کند. به هر حال خیلی زود است که رابطه بین بیان آکواپورین ها واثرات سودمند و زیان آور هر آکواپورین روی گیاهان صرفا با مقایسه کردن الگوهای بیان ژن های PIPتحت شرایط تنش، تایید شوند. اهارول و همکارنش نشان دادند که بیان بیش از حد PIP1:2 اثرات سودمندی تحت تنش شوری ندارد و تحت تنش خشکی اثرات منفی دارد. در گیاهان ترا ریخته برنج وقتی ژن HvPIP2:1 جو تحت تنش شوری به شدت بیان شود رشد نسبت به گیاهان غیر تراریخت کاهش می یابد. علاوه بر این کاهش در مقدار آب ساقه و کاهش در وزن ریشه وساقه در گیاهان تراریخته ای که برای مدت دو هفته تحت تنش شوری حفظ شده بودند، مشاهده شد. این نتایج نشان می دهد بیان بیش از حد ژن HvPIP2:1 گیاهان برنج را حساس تر نسبت به کلریدسدیم می کند. بنابراین هم عملکرد پروتئین و هم تنظیم بیان ژن در پاسخ گیاهان به تنش شوری درگیر هستند.

بهر حال فقط تحت تنش اسمزی McTIP₁ می تواند دوباره از تونوپلاست به بخش اندوزومی توزیع شود. درحالیکه هیچ اثری با تیمار کلریدسدیم مشاهده نشده است. این نشان می دهد که توزیع مجدد آکواپورین ها ممکن است در بازسازی و حفظ اسمولاریته سلولی تحت شرایط تنش اسمزی شرکت داشته باشتد. تنظیم هدایت هیدرولیکی ریشه به دنبال در معرض نمک قرار گرفتن در بعضی از گونه گیاهان مشاهده شده است و نشان دهنده یکی از بهترین ویژگی های نمونه های تنظیم القا شده توسط تنش در انتقال آب در گیاهان است. به علاوه تغییر در هدایت هیدرولیکی ریشه، میزان تعرق و پتانسیل اسمزی آب سلولی بعد از دستکاری سطح ترجمه پروتئین های PIP به وسیله بیان بیش از حد ژن مشاهده شده است. خاموش کردن ژن، حس گر های سرکوب کننده، اگرچه هدایت هیدرولیکی بافت ها می تواند به وسیله تغییر دادن سطح آکواپورین های مخصوص تنظیم شود، تنظیم همچنین می تواند به وسیله تغییر در فعالیت پروتئین رخ دهد. بنابراین اگرچه آکواپورین ها مسئول حرکت بین سلولی آب در سراسر غشاء سلولی هستند و بیان و فروانی آنها به طور قابل توجهی پاسخی به شرایط متفاوت محیطی است، دانش عمیق تری برای توضیح تغییرات بزرگی در هدایت هیدرولکی در سطح بافت ها و اندام های قرار گرفته در معرض شرایط محیطی متفاوت، ضروری است. تجزیه و تحلیل کامل تری برای تشریح سهم سه مسیر انتقال حرکت کل آب و برای بهتر فهمیدن عملکرد آکواپورین ها در تنش های مربوط به فرایندهای فیزیولوژیکی مورد نیاز است.

علاوه بر آب آکواپورین ها مواد حل شده کوچک خنثی و گاز ها را انتقال می دهند. اعلام شده است که احتمالا آکواپورین ها کارکردهای متعددی از جمله انتقال گاز آمونیاک وانتشار دی اکسید کربن دارند. حتی گزارش شده است که McTIP1,2 که یک آکواپورین است به نظر می رسد نسبت به یون پتاسیم نفوذپذیر است که ممکن است نشان دهنده نقش کانال های آبی در تنظیم اسمزی سلول های گیاهی باشد. به تازگی مدلی مطرح شده که توضیح می دهد که دهانه کانال های آبی در کارا، جایی که اسمولیت ها به وسیله کانال به بیرون ریخته می شوند ممکن است در داخل کانال فشار منی برای تولید مکانیسم فروپاشی برگشت پذیر پروتئین ایجاد کند. نقش ABA در دقیق انجام گرفتن این فرایند به وسیله جلوگیری تغییر شکل پروتئین است که به وسیله وان مورد مطالعه قرار گرفت.

گشوده شدن برگشت پذیر آکواپورین ها به وسیله رادیکال هیدروکسیل نیز گزارش شده است. اگرچه مکانیسمی که هیدروکسیل روی آکواپورین ها عمل می کند، هنوز ناشناخته است. فرض شده است که یون هیدروکسیل می تواند به صورت مستقیم از طریق داخل منفذ عمل کند زمانی که حرکت مولکول از عرض غشاء صورت می گیرد و یا می تواند به صورت غیر مستقیم از طریق پراکسیداسیون لیپید عمل کند.

مکانیسم های دیگری برای گشوده شدن مولکولی آکواپورین ها پیشنهاد شده است که نشان می دهد اسیدی بودن سیتوزول به طور برگشت پذیر هدایت هیدرولیکی ریشه را مهار می کند و آکواپورین ها بسته می شوند که احتمالا نتیجه پروتونه شدن باقی مانده هیستیدین در پروتئین های کانال های آبی غشاء پلاسمایی است. علاوه بر این اثر متقابل حاصل از همکاری بین زیرگروه های PIP1 و PIP2 به عنوان راهی برای کنترل نفوذپذیری غشاء پلاسمایی پیشنهاد شده است. ماتیوس وهمکاران نشان دادن آکواپورین ها و ATP aseهای تیپ V تنها کلاس از انتقال دهنده های غشاء پلاسمایی بودند که به تنش کاتیونی پاسخ می دادند. تنظیم هماهنگ شده ایزوفرم های آکواپورین ها در گیاهانی که بعد از محرومیت از کلسیم یا بعد از قرار گرفتن در معرض نمک مشاهده شده است که نشان دهنده یک پاسخ عمومی به شرایط استرس است با این حال در گیاهان تیره فلفل مشاهده شده است که فعالیت ATP ase و آکواپورین ها ارتباطی با یکدیگر ندارند اگرچه هر دو به مشابهی به تنش نمک پاسخ می دهند. کاتیون های دو ظرفیتی می توانند نفوذپذیری به آب را در غشاء پلاسمایی آرابیدوپسیس از حالت نفوذپذیری بالا به حالت نفوذپذیری کم تغییر دهند. این یافته ها اشاره به مکانیسم های جدیدی دارند که تنظیم کوتاه مدت آکواپورین ها را به وسیله انسداد مستقیم با کاتیون سبب می شود. آکواپورین ها بر حرکت آب از غشاء تسلط دارند و می توانند شبیه سایر کانال ها تنظیم شوند و به صورت غیر فعال به وسیله اختلاف پتانسیل آب کنترل شوند. با توجه به تنظیم آکواپورین ها هنوز کارهای زیادی وجود دارد که باید صورت بگیرد. به نظر می رسد تنظیم آکواپورین ها به صورت جداگانه عمل نمی کنند. تنش آب و شوری روی عملکرد آکواپورین ها در سطح ترجمه عمل می کنند از طریق تمرکز زدایی در پروتئین و به وسیله اثر روی فسفوریلاسیون پروتئین . یک هدف در اینده می تواند مطالعه و بررسی جگونگی قادر بودن گیاهان در یکپارچه سازی همه مکانیسم باشد و این که آنها چگونه اتنقال آب ومواد مورد نیاز شان را تنظیم می کنند.

اثرات بهبود دهنده کلسییم

اثر متقابل کلسیم وسدیم

کلسیم یک ماده مغذی ضروری است که برای نقش های ساختاری در دیواره سلولی و غشاء ضروری است و همچنین به عنوان یک کاتیون معکوس برای آنیون های معدنی و آلی در واکوئل و به عنوان پبام بر داخل سلولی در سیتوزول.

در شرایط شور اختلالات ممکن است نتیجه تغییر در مقدار کلسیم در دسترس، جذب رقابتی ، انتقال یا تفکیک کردن داخل گیاه باشد. سدیم ممکن است مانع از انتقال کلسیم از طریق آپوپلاست به آوندهای چوبی شود به وسیله کاهش در فعالیت کلسیم در دسترس در محلول و جذب رقابتی از محلول خاک و یا به وسیله سرکوب کردن بار سطحی غشاء. نشان داده شده است که شوری باعث القای کمبود کلسیم در گونه های مختلف از قبیل ارابدوپسیس، فلفل یا گندم می شود. علاوه بر این در گیاهان متحمل به نمک تحت شرایط کم کلسیم، سدیم به طور خاصی می تواند گیاه را وادار به دفع کلسیم از طریق غشاء پلاسمایی کند که نتیجه آن مهار رشد است. شوری می تواند سنتز پلیمرهای دیواره سلولی را به نفع جمع آوری املاح اسمزی کاهش دهد این یک ارتباط شایع در گونه های چوبی است که اسیب می تواند جدی باشد. مهار رشد ناشی از نمک به طور کامل کاهش پیدا می کند در بعضی از گیاهان به وسیله مکمل های کلسیم که احتمالا با جلوگیری از جذب سدیم است. بنابراین در دسترس بودن کلسیم در تحمل به تنش بسیار حیاتی است در برخی از موارد افزایش غلظت سدیم در ساقه با افزایش کلریدسدیم خارجی متناسب نبود که پیشنهاد شده است که حفظ نسبت K⁺/Na⁺ و Ca ⁺/Na ⁺برای زنده مانده گیاه در محیط نمکی ضروری است.

کلسیم به عنوان پیام بر ثانویه

کلسیم سلول های گیاهی در پاسخ به تعداد زیادی از سیگنال های توسعه دهنده و تغییرات محیطی افزایش می یابد که برای تولید پاسخ های فیزیولوژیکی ضروری است. تغییرات ناشی از تنش در غلظت های سیتوزولی یون کلسیم به عنوان یک نتیجه ورود کلسیم به داخل از بیرون سلول رخ می دهد. کلسیم از طریق کانال های یونی نفوذپذیر کلسیم وارد سلول می شود. کلسیم به وسیله ارگانل های سلولی آزاد و گرفته می شود و به بیرون یا درون سلول از عرض غشاء پلاسمایی منتقل می شود . وقتی که مقدار کلسیم خارجی بالا است گرادیان شیب غشاء وپتانسیل منفی غشاء به طور محکمی به نفع انباشت کلسیم در سیتوپلاسم است و باید به سرعت حذف شود از طریق بازگشت به محیط خارجی یا ورود به داخل ارگانل های سلولی برای حفظ عملکرد مسیرهای سیگنالی . از آن جایی که غلظت های بالای کلسیم سمی است یک سطح میکرومولار از کلسیم به وسیله ATP ase Ca⁺ و آنتی پورتر H⁺/Ca⁺² حفظ می شود. در تارهای کشنده آرابیدوپسیس غلظت بالای نمک سطح کلسیم داخل سولی را کاهش می دهد. به دلیل پیچیدگی های فضای موقتی سیگنال های کلسیمی که به وسیله فاکتورهای محیطی تولید می شوند خانواده متنوعی از سنسور های کلسیمی در گیاهان شناسایی شده اند که در تبدیل سیگنال های کلسیمی پاسخ های سلولی شرکت می کنند مدارک نشان می دهند که کالمودولین، کلسینورین پروتئین های شبه B و پروتئین کینازهای وابسته به کلسیم و در هدایت سیگنال ها برای تنش های از قبیل تنش کم آبی درجه حرارت پایین و شوری زیاد دخالت دارند.

روابط آب، آکواپورین ها و یون کلسیم

با توجه به تحرک و ظرفیت تجمع کم یون کلسیم، جذب وانتقال آن به داخل سلول از طریق جریان آب به وضوح ضروری است. گزارش شده است که یکی از اثرات درازمدت شوری کاهش در هدایت روزنه ای است. همچنین اثرات شوری شامل هدایت هیدرولیکی ریشه، کاهش جذب و انتقال آب در گیاهان است. نشان داده شده است که اثرات سمی کلرید سدیم روی گونه های گیاهی می تواند توسط کلسیم اضافی در محلول خارجی بهبود پیدا کند بنابراین میزان کلسیم در دسترس برای سلول ها یک فاکتور اساسی در پاسخ های تنشی است. ذخیره کافی در کلسیم باعث حفظ یکپارچگی و قدرت انتخابی غشاء می شود. کینراد سه مکانیسم را برای اثرات بهبودی توسط کلسیم پیشنهاد کرد. مکانیسم اول روی کاهش سمیت به وسیله تغییر مکان الکترواستاتیک سم پایه ریزی شده است . مکانیسم دوم شامل جایگزینی ضروری کلسیم در غشاء پلاسمایی است و قتی که سم به اندازه کافی با کلسیم برای محدود کردن رشد جانشین شد. در مکانیسم سوم کلسیم اثرات سم را در زمان بلوکه شدن کانال ها در سطح غشاء یا بافت کاهش می دهد. مشاهده شده است که کاهش جریان کلسیم از طریق غشاء مربوط یه کاهش عملکرد و قابلیت آکواپورین ها در پروتوپلاسم فلفل است.

کلسیم نقش مهمی را در انتقال آب در گیاهان در حال رشد تحت تنش شوری بازی می کند و علاوه بر آن غلظت کلسیم در محلول های می تواند تعیین کننده ترمیم هدایت هیدرولیکی ریشه باشد. نتایج با خربزه وفلفل نشان می دهد که کلریدسدیم عبور آب را از طریق غشاء به وسیله کاهش در فعالیت آکواپورین های حساس به جیوه کاهش می دهد و اثرات بهبودی کلسیم روی تنش نمک می تواند مربوط به عملکرد آکواپورین ها باشد. با این وجود در کورنوس کلسیم هیچ اثری روی کاهش تعرق و هدایت روزنه ای القا شده به وسیله سدیم نداشته است ومکمل های کلسیم وپتاسیم بهبودی در حالت آب در گوجه و برنج در کوتاه مدت نداشته است اما وضعیت تغذیه ای را بهینه سازی کرده است.کلسیم تغذیه ای در تنظیم کانال های آبی غشاء درگی است اما اثرات آن مجر به تغییر در ثبات غشاء پلاسمایی نمی شود. به هر حال این واقعیت وجود دارد که نتایج نشان می دهد که کلسیم آکواپورین های موجود را بلوکه می کند که نشان دهنده نیاز به پژوهش های عمیق تر در مورد تنظیم آکواپورین ها توسط کلسیم و نقش فیزیولوژیکی آنها در تمام شرایط گیاه است. از آنجایی که نتایج متفاوت اختلاف هایی را بین کلسیم تغذیه ای و سیگنال های کلسیم داخل سلولی نشان می دهد. اگرچه چیزی در مورد فرایند هایی که اجازه می دهد به درک تغییرات محیطی به وسیله سلول های ریشه و پس از آن تنظیم آکواپورین ها شناخته نشده مطالعات نشان می دهد که علاوه بر تنظیم سطح رونویسی یک مکانیسم ممکن برای کنترل نفوذپذیری آکواپورین ها وجود دارد که می تواند بلوکه شده یا از حالت فعال به حالت غیر فعال یا کمتر نفوذپذیر تغییر پیدا کنند. آکواپورین ها به طور عملکردی ممکن است به وسیله کلسیم و فاکتورهای محیطی کنترل می شود. تغییرات در کلسیم ممکن است یک سیگنال تشکیل دهد که به وسیله کالمودولین، یک پروتئین کیناز وابسته به کلسیم هدایت می شود برای اثر در آرایش وسیعی از پاسخ های پایین دستی درگیر در حفاظت از گیاه و انطباق با شرایط محیطی جدید. فسفوریلاسیون برگشت پذیر به عنوا ن یک مکانیسم قوی برای تنظیم آکواپورین ها در طول توسعه و در پاسخ به محرک های محیطی در نظر گرفته می شود اما تغییر در بیان آکواپورین ها هم باید در نظر گرفته شود.

نتیجه گیری از اظهارات

مکانیسم های پاسخ به تنش و تحمل به نمک باید با تعدادی از جنبه های متابولیسم گیاهی و فیزیولوژیکی ادغام شود. مطالعات کلاسیک توجه ویژه ای را به کنترل کسب و تخصیص سدیم در گیاهان داراست بنابراین تحقیقات روی تغییرات ژنتیکی انتقال دهنده های درگیر در سدیم تمرکز یافته اند به هر حال پیچیدگی پاسخ های گیاهی به شوری که دلالت بر فرایند های چند ژنی دارد به معنای آن است که این استراتژی می تواند در موارد موردهای مخصوصی موفق باشد. منطق ذاتی هموستازی یون پیچیده است و مبنی بر توژسانس و غلظت های یون های داخل سلولی است. می توان اظهار داشت که چنین پیچیدگی هایی می تواند منجر به ناامیدی آنهایی شود که در این حوزه کار می کنند. بنابراین در کنار مطالعات روی زیست شناسی مولکولی تحمل به نمک، مطالعات فیزیولوژیکی نشان داده اند که تحمل می تواند تا حدی به وسیله تغییر در جذب آب افزایش یابد بنابراین تصحیح محلول های تغذیه ای، همراه با یک دانش کامل از جذب وانتقال آب شامل تنظیم آکواپورین ها، در هر شرایط و محصول خاص می تواند کلیدی برای بهبود بخشیدن به تحمل به شوری باشد.

منبع http://sian.blogfa.com

+ نوشته شده در چهارشنبه ۱۱ اردیبهشت ۱۳۹۲ساعت 16:27 توسط سيد مصطفي محمدزاده |