مكانيزم‌هاي مقاومت به سرمازدگي در گیاهان

مقدمه 3

كنترل حالت آب 5

انجماد برون سلولي 6

فوق سرمايِ عميق 8

كنترل دِهيراسيونِ سلول 9

تغيير در تركيب كربوهيدرات و متابوليسم 9

تنظيم خواص مكانيكي 14

پايداري غشاء 16

Coris و همولوگ 17

پروتئين‌هاي شبيه دهيرين 17

تغييرات ملكولي مرتبط با سنتز پروتئين 19

بيوسنتز پروتئين و چاپرون‌ها 20

پروتئين‌هاي متصل به SNA 21

فسفريلاسيون پروتئين 21

محصولات ژن ناشي از تاثير سرما با عملكرد نامعلوم 22

تنظيم سازگاري‌‌هاي ملكولي با سرما 22

شواهدي براي مسيرهاي تنظيم چندگانه 23

تنظيم ترانسكريپشنال ژن‌هاي ناشي از سرما 24

نتيجه‌گيري 25

مكانيزم‌هاي مقاومت به سرمازدگي

مقدمه

براي تحمل و زنده ماندن، گياهاني كه در نواحي معتدلِ زمين زندگي مي‌كنند تغييرات سازش را در اواسط تابستان انجام مي‌دهند. آشكارترين تغييرات از نوع ريخت شناسي است و شامل كاهش كل اندام‌هاي هوايي و تشكيل اندام‌هاي خاصي مثل غنچه‌ها و پاجوش‌ها مي‌باشد. با اين حال تغييرات پايدارتر در ساير بخش‌هاي گياه رخ مي‌دهد. كه امكان رفتن به حالت مقاوم به سرما را پيدا مي‌كنند. اين تحصيل مقاومت به دماي پايين معمولاً مقاومت به سرما ناميده مي‌شود.

در نواحي‌اي كه دماها براي دوره‌هاي طولاني منجمد مي‌شوند راهبردهاي پرهيز از انجماد نامناسب هستند و گياهان مقاومت به سرما را توسعه مي‌دهند يعني مكانيزمي كه به يخ زدن در داخل موجودات زنده‌اي كه نسبت به حضور يخ در داخل بافت‌هايشان مقاوم هستند شامل تشكيل يخ برون سلولي در يك دماي زير صفر بالا است. در طي انجماد،70 تا 80 درصد از آب مايع در بافت به صورت يخ برون سلولي منجمد مي‌شود كه منجر به آبگيري سلولي مي‌شود.

توانايي‌هاي موجودات زنده براي تغيير شكل رشد يخ و تحمل آبگيري اضافي اجزاي اصلي بقاي سلولي هستند. در بعضي موارد، انجماد برون سلولي با يك مكانيزم دوم موسوم به فوق انجماد عميق همراه مي‌شود كه در آن آب در حالت مايع باقي مي ماند . حتي در دماهاي بسيار كم از مقطة جوانه‌زنيِ ناهمگن فوق انجماد عميق فقط در بعضي از آنژيواسپرم‌ها مشاهده شده‌است و محدود به انواع سلول معين يا اندام‌هاي معين آن‌ها است مانند زايم پارانشيم .

تعيين كردن كمترين دمايي كه يك گياه مورد نظر بتواند تحمل كند كار دشواري است. اين دما معمولاً توسط LT50 از يك جمعيت تعيين مي‌شود. يعني دمايي كه در آن 50 درصد از جمعيت در يك آزمايش انجماد شده تحت يك سرعت سرد كردن مفروض مي‌ميرند ، اكثريت گياهان غلّه نسبت به انجماد در طي تابستان حساس هستند. گياهان در تماس با دماهاي كم و يا طول روزهاي كوتاه كاهش LT50 را در طي چند روز يا چند هفته نشان مي‌دهند تا اين كه گياهان به تلرانس انجماد حداكثر خودشان مي‌رسند. در همان هنگام، آمينو اسيدها، كربوهيدرات‌ها ، اسيدهاي نوكلوئيك، ليپيدها و بعضي از فيتوهورمون‌ها در بافت‌هاي گياه جمع مي‌شوند . اين تغيير شكل‌ها با تغييرات در فعاليت‌هاي آنزيم، الگوهاي ايزوزيميك و حالت ژن همراه هستند.

در بعضي گونه‌ها، تماس بعدي با دماهاي انجماد ملايم براي حصول حالت كاملاً مقاوم شده لازم مي‌باشد . البته اين مرحلة «فوق عملِ سرما» شامل تغييرات اضافي در حالت ژن است. اهميت اين پديده‌ها در رابطه با توسعه و بهبود تحمل سرما هنوز كاملاً درك نشده‌است. اثبات روابط علت و معلول بين تغييرات متابوليكي و ملكولي در طي مقاوم شدن به سرما و بهبود تحملِ يخ زدن، امري دشوار است. اكثر آزمايش‌‌ها به تغييرات در تركيب شيميايي و يا حالت ژن و ارتباط آن‌ها با تغييرات در LT50 از گياهان مي‌پردازند . ولي براي حصول LT50 ، ابتدا گياهان بايد در دماهاي پايين زنده بمانند.

گياهاني كه توسط تماس با دماهاي بين آسيب مي‌بينند موسوم به حساس به سرما مي‌باشند. وقتي دما به كمتر از نقطه از نقطة يخ زدن در ( آب ) مي‌رسد، كه عموما نزديكً به است ، قسمت عمده آب مايع در گياه يخ مي‌زند . گياهاني كه توسط اين يخ زدنِ اوليه آسيب مي‌بينند ، موسوم به حساس به يخ زدن مي‌باشند. وقتي كه دما باز هم پايين‌تر مي‌رود، آب اضافي از سلول‌ها به يخ بين سلولي مي‌رود. فقط گياهاني كه نسبت به تشكيل اولية يخ تحمل دارند، مقاوم به يخ زدن هستند و نقطه از بين رفتن آن‌ها LT50 ممكن است توسط ميزان آبگيري‌اي تضمين شود كه سلول‌ها مي‌توانند تحمل نمايند.

به دليل اين كه بهبود توسعة تحمل انجماد شامل مقامت به وقايع‌اي است كه در دماهاي بالاتر از LT50 رخ مي‌دهند ، بسياري از مؤلفه‌‌هاي تلرانس انجماد ممكن است با LT50 مستقيماً مرتبط نباشند. و بايد داراي يك عمل معين در بقاي فرايند انجماد باشند. يك تغيير در سطح ملكولي ممكن است نقش مهمي در افزايش تحمل انجماد بازي نمايد. اگر يكي از اعمال زير را شامل گردد:

• كاهش دماي انجماد بافت‌ها
• افزايش توانايي فوق انجماد بافت‌ها
• افزايش و يا اصلاح تشكيل يخ برون سلولي
• محدود كردن مقدار دسيكاسيون سلول
• حفظ عملكرد پروتئين و غشاء در پتانسيل آب خيلي كم يا ذخيره كردن آن بر اساس هيدراسيون مجدد
• تنظيم متابوليسم سلولي براي شرايط دماي پايين

اين فصل به شرح مكانيزم‌هاي ملكولي مرتبط با سرمازدگي در ارتباط با نقش احتمالي آن‌ها در بهبود راهبردهاي بقايي در هنگام انجماد مي‌پردازد. در بسياري موارد، به ويژه در حالت ژن‌هاي تنظيم سرما، اين نقش‌ها هنوز فرضيه‌اي هستند. به دليل اين كه نتيجه‌گيري‌ها براساس يك ارتباط متقابل با LT50 است، يكي از مشكلات عمده‌اي كه دانشمندان با آن روبرو هستند، حصول شواهد تجربي براي اثبات اين كه تغييرات ملكولي مشاهده شده در طي سرمازدگي واقعاً به بهبود مقاومت به سرما يا انجماد (يخ‌زدگي) كمك مي‌كند يا خير، مي‌باشد. (يا اين كه آن‌ها از اختلالات سلولي ايجاد شده توسط دماهاي كم به وجود مي‌آيند.)

كنترل حالت آب

Ashworth در بازنگري‌اش در بارة تشكيل يخ در بافت‌هاي گياه ، نتيجه گرفت كه

توانايي گياهان براي كنترل فاز و مقدار آب در بافت‌هاي سرمازده احتمالاً مهمترين عامل بقا در هنگام يخ‌زدگي مي‌باشد . حالت آب در داخل بافت‌هاي گياه مي‌توانند توسط روش‌هاي مختلف تعيين شوند. وجود آب فوق انجماد شده توسط تحليل و ارتي افتراقي (DTA) آشكار مي‌شود كه شامل كاهش تدريجي دما است . تا اين كه آب فوق انجماد شده يخ بزند و باعث ظهور اگزونرم‌هاي دماي پايين گردد. توزيع يخ در داخل اندام‌هاي گياه توسط بررسي با ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) در دماي پايين صورت مي‌گيرد.

روش‌هاي جديد و غير خوب (NDT) براي مشاهدة رشد يخ اكنون براي تعيين توزيع فضايي و فاز آب در بافت‌هاي مختلف امكان‌‌پذير است. و تعيين محل‌هاي جوانه‌زني يخ ، و تعيين كيفي سرعت انتشار يخ ممكن شده‌است. اين روش‌ها شامل تصوير برداري رزونانسي مغناطيسي و استفاده از ترموگرافي ويدئويي مادون قرمز است.

انجماد برون سلولي

در گياهان يا اندام‌هاي گياهي كه انجماد برون سلولي را نشان مي‌دهند، ابتدا يخ در مايع‌هاي آپوپلاستيك تشكيل مي‌شود و آب درون سلولي به تريج از سلول به دليل فشار بخار كمتر بر روي يخ كشيده مي‌شود. بررسي‌هاي حيوانات اكتوترميك كه در نواحي قطبي زندگي مي‌كنند نشان داد كه انجماد برون سلولي تحت كنترل دو نوع پروتئين مي‌باشد ( پروتئين‌هاي جوانه‌زني يخ و پروتئين‌هاي ضد يخ) كه در جريان خون و همولنف در طي زمستان جمع مي‌شوند . جوانه‌هاي يخ تشكيل يخ برون سلولي را در دماي بين و آغاز مي‌كنند در حالي كه پروتئن‌هاي ضد يخ سرعت رشد و مورفولوژي كريستال‌هاي يخ را تغيير مي‌دهند.

در بافت‌هاي گياه ، فرايند انجماد برون سلولي ابتدا يك پديدة خود بخود در نظر گرفته‌شد. زيرا مايعات آپوپلاستيك عموماً رقيق‌تر هستند و بايد ابتدا منجمد شوند. ولي، فعاليت جوانه‌زني يخ آندوژنوسي اكنون در گياهان چوبي و غيره ديده مي‌شود. گمونة پرونوس چوبي جوانه‌‌زاهاي ناهمگن فعال در را توليد مي‌كنند كه حاوي اجزاي غير ليپيد پروتئين‌اي هستند. كاكتوس‌ها مثل اوپونيتا هوميفوزا ، فيكوس ايندتيا و استرپتاكانتا نيز جوانه‌زاهاي يخ فعال در توليد مي‌كنند كه ممكن است از پلي‌ساكاريدها تشكيل شده‌باشند.

محصولات زمستاني مونوكوت جوانه‌‌‌زاهاي متشكل از پروتئن، ليپيد، كربوهيرات‌ها را در طي سرمازدگي توليد مي‌نمايند. اين جوانه‌زاهاي يخ در دماهاي كمتر از فعال هستند. كشف دو ژن در آرابيدوپيس كه پلي پپتيدهاي غني از آرانين را كدبندي مي‌كنند شبيه به پروتئين‌هاي ضد يخ در ماهي در طي سرمازدگي عمل مي‌نمايند. اخيراً محصولات kin و Cor6-6 عدم فعاليت ضد يخ را نشان داده‌اند. اين پروتئين‌ها فعاليت كربوپروتكتيو دارند. پروتئين‌هاي ضد يخ در مايعات آپوپلاستيك برگ‌هاي بعضي محصولات يافت شده‌اند. شش پروتئين ضد يخ آپوپلاستيك با جرم‌هاي ملكولي كيلو دالتون در عصاره‌هاي برگ محصولات مقاوم به سرما يافت شده‌اند.

اين پروتئين‌ها با پادتن‌هايي واكنش نمي‌كنند كه در برابر پروتئين‌هاي ضد يخ حيواني گوناگون مقاوم هستند. پروتئين‌هاي ضد يخ شبيه به پروتئين‌هاي مرتبط با پاتوژن مي‌باشند : دو تا از آنها اندوشتيناز، دو تا توماتين‌اي و دو تا از آنها اند و گلوكتاناز هستند. چون هيچ فعاليت ضد يخي از اين پروتئين‌هاي پاتوژنز يافت نشده‌است ، به نظر مي‌رسد كه فعاليت ضد يخ ايين پروتئين‌هاي مرتبط با پاتوژنز ناشي از تحول ساختاري‌اي است كه توانايي براي اتصال به يخ را تحت تاثير قرار مي‌دهند. پروتئين‌هاي ضد يخ در برگ‌ها، تاج‌ها ، و ريشه‌ها و به ويژه در اپيدرم و در سلول‌هاي مجاور با رشته‌هاي آوندي حضور دارند.

به دليل وضعيت آپوپلاستيك اين پروتئين‌ها، ممكن است آنها موانعي براي انجماد جوانه‌زايي ثانوي از منبع‌هاي خارجي و از زايلم را فراهم نمايند. و مانع از انجماد سلول‌ها شوند و يا از تبلور مجدد يخ برون سلولي جلوگيري كنند. COR27 اخيراً علف برمودا يافت شد ولي معلوم نيست كه آيا اين پروتئين داراي فعاليت ضد يخ مي‌باشد يا خير . فعاليت ضد يخ در گياهان بسياري يافت شده‌است. اگرچه فقط يك پروتئين ضد يخ اضافي ، يك گليكو پروتئين ‌اي ، جدا شده‌است .

مايعات آپوپلاستيك حاصل از غلات مقاوم به انجماد ( يخ زدن ) و حساس به انجماد از لحاظ فعاليت ضد يخ و مقدار پروتئين ضد يخ بررسي شده‌اند . فقط غلات مقاوم به انجماد و سرمازدگي فعاليت ضد يخ آشكار نشان دادند و داراي پروتئين‌هاي ضد يخ بودند. اين ملاحظات نشان مي‌دهند كه تجمع پروتئين‌هاي ضد يخ در پاسخ به سرما محدود به بعضي گونه‌ها است و مكانيز‌هاي ملكولي تحملِ انجماد در مونوكوت‌ها و دي‌كوت‌ها ممكن است فرق كند. پروتئين‌هاي ضد يخ دي‌كوت‌ها درون سلولي‌اند و به ديوارهاي سلول يا غشاهاي پلاسما وصل مي‌شوند، و در عصاره‌هاي اكوپلاستيك آشكار نمي‌گردند.

فوق سرمايِ عميق

تمام گياهاني كه مي‌خواهند زير زنده بمانند بايد آسيب انجماد توسط انجماد برون سلولي را تحمل كنند. فقط بعضي گونه‌ها فوق انجماد را در بافت‌هاي معيني نشان مي‌دهند. به همين دليل، اطلاعات كمي دربارة مكانيزم‌هاي ملكولي و سلولي فوق انجماد عميق وجود دارد . سازگاري‌هاي بيوشيميايي و آناتومي ديوارهاي سلول و سيستم‌هاي آوندي، گسترش بافت‌هاي يخ زده را در داخل نواحي فوق انجماد شده، محدود مي‌نمايند. مثلاً، با استفاده از ايمونوسيتولوكاليزاسيون در بافت‌هاي هلو (peach)، ميزان استري شدنِ پكتين‌ها در طي سرمازدگي در بافت‌هايي كه فوق انجماد عميق را تجربه كرده بودند، تغيير داده شد. چنين اصلاحات و تغييراتي ممكن است اندازة ديوار سلول را تغيير دهد و از نفوذ يخ به داخل اجزاي فوق سرما ديده جلوگيري كنند.

به طور كلي فوق سرد كردن، يك راهبردِ حياتيِ ديگر براي سلول‌هاي ناتوان براي تحملِ از دست دادن آب مي‌باشد. ولي، بررسي نشان داده‌است كه بافت‌هاي مقاوم به سرماي بيش از حد، تحمل به از دست دادن آب را مانند انجماد برون سلولي دارند.

شامل ورد 25 صفحه ای