پژوهش – مطالعه تجربی و مدلسازی ریاضی خشک کن آنالیز بیان چندین ژن مهم در …

گیاه کلزا اصولا به تنش خشکی بسیار حساس بوده که حداکثر آن در زمان پرشدن دانه و حداقل آن در مرحله رشد رویشی است .(Nielsen and Janick, 1996 ) نتایج حاصل از یک تحقیق نشان داد که عملکرد و اجزاء عملکرد بوسیله کمبود
آب بهوجود آمده از گلدهی تا پایان پر شدن دانه تحت تاثیر قرار میگیرد، همچنین نتایج کاهش معنیداری در درصد روغن ،تعداد دانه در خورجین و وزن هزار دانه را نشان دادند, ۲۰۰۶) . .( Ma et alنتایج مطالعات مختلف نشان میدهد که واکنشهای فیزیولوژیک گیاه در برابر خشکی و گرما، بسته به گونه، منطقه، زمان بروز و شدت این تنشها متغیر است .(Wright et al., 2001)
(Nielsen and Nelson, 1998) معتقدند که گیاه کلزا اصولا به تنش خشکی حساس میباشد و کشت این گیاه برای مناطق خشک توصیه نمیگردد. (Wright et al., 2001) گزارش کردند که در شرایط تنش، عملکرد B. Juncea بیشتر از رقم B. napus بود. در شرایط تنش خشکی B. Juncea از تعداد دانه بیشتری در هر خورجین برخوردار میباشد. در این رابطه گزارش شده در صورت عدم وجود استرس خشکی، تعداد خورجین و تعداد دانه کلزا افزایش مییابد. این امر از سطح برگ بیشتر در جریان گلدهی و در نتیجه از عرضه مناسبتر آسیمیلات ناشی میشود. اختلاف گونههای براسیکا در تحقق این امر مهم میباشد. (Jensen et al., 1996) گزارش کردند که تأمین آب کافی درطی مرحل گلدهی و مراحل اولیه نمو خورجین در کلزا باعث افزایش تعداد خورجین در واحد سطح و تعداد دانه درخورجین و در نتیجه عملکرد دانه میشود. بر اساس گزارش (Rao and Meandham, 1991) وزن دانه که عمدتاً در مرحلهی پرشدن دانه معین میگردد، بیشتر متأثر از ساختار ژنتیکی است ولی عوامل محیط نیز بر آن اثر دارند. حدود یک سوم وزن دانه در کلزا توسط فتوسنتز خورجینها تأمین میگردد. البته سهم انتقال مواد در پر کردن دانه در شرایط خشکی افزایش مییابد. اثر تنش خشکی روی سرعت و مدت پر شدن دانه مؤثر است .برخی اثر تنش خشکی را بر طول مدت پر شدن دانه و کاهش وزن گزارش کردهاند.(Mohammad et al., 2007) برخی آن را بر سرعت رشد دانه مؤثر دانستهاند .(Daneshvar et al., ۲۰۰۸) با این حال کمبود رطوبت بهویژه در انتهای دورهی رشد عامل محدود کنندهی وزن دانه کلزا میباشد. بررسی اثر مقادیر آب و زمانهای مختلف تنش خشکی بر روی گیاه کلزا نشان میدهد که رشد زایشی و خصوصاً اوایل مرحلهی تشکیل خورجین، حساسترین مرحله به تنش است (.(Daneshvar et al., ۲۰۰۸
در گزارش دیگرet al., ۲۰۰۸) (Nasri حساسترین مرحله به تنش را بین گرده افشانی و ده روز پس از رشد خورجین بیان شده است. این مراحل را با مراحل بین گلدهی و نمو خورجین یعنی وقتی که خورجین به طول نهایی خودش میرسد، مصادف میشود. به هر حال صدمه دیدن اجزای عمدهی عملکرد، مقدار خورجین و تعداد دانه در خورجین ناشی از هر عامل تنشزا از جمله خشکی محدودکنندهی عملکرد دانهی کلزا خواهد بود. تنش خشکی اثرات متفاوت بر کیفیت دانه کلزا دارد. (Mohammad et al., ۲۰۰۷) نشان دادند که ترکیبات دانه با اعمال تنشی در مراحل رشد رویشی و زایشی تحت تأثیر قرار میگیرند ولی بیشترین تأثیر با بروز تنش خشکی در مرحله ی گلدهی اتفاق میافتد، که نتیجهی آن کاهش تعداد دانه در خورجین و تعداد خورجین میباشد. تنش خشکی طی مرحله پرشدن دانه موجب ریزش سریع تر برگها میگردد، همچنین عملکرد کمتری از شاخههای جانبی حاصل شده و در نتیجه آن تعداد خورجین در شاخه کاهش یافته و دانههای کوچکتری تولید میشود .(Gan et al., 2004) عکسالعمل کلزا به تنش خشکی به مرحله نموی که تنش در آن حادث میشود بستگی دارد، در این ارتباط وقایع قبل از گلدهی و طی مرحله گلدهی نیز بر عملکرد دانه و روغن کلزا تاثیرگذار میباشد al., ۲۰۰۸) (Mathe-Gaspar et. درصد روغن در مراحل اولیه (غنچه سبز) کاهش یافت (.(Faraji et al., 2009
ولی در بررسی (Jensen et al., 1996) نتیجه گرفتند که تنش خشکی ملایم بر درصد روغن کم تأثیر ولی در تنش شدید درصد روغن کاهش یافت. بررسی انجام شده در شرایط گلخانهای نیز نشان داد که اعمال تنش خشکی قبل و بعد از گلدهی، سبب افزایش گلوکوزینولات در دانه کلزا گردید .(Masoud Sinaki et al., 2007) اثر خشکی روی درصد پروتئین کلزا نیز متفاوت بوده است ولی برخی گزارشها افزایش درصد پروتئین دانه را در شرایط تنش خشکی بیان نمودهاند (Rahnama and Bakhshande, 2006). به هر حال با تأکید بر اثر محیط بر محتوی روغن و پروتئین دانه کلزا همبستگی منفی بین درصد روغن و پروتئین دانه گزارش شده است (.(Si et al., 2003
مطالعات متعددی در زمینه اثر خشکی بر تجمع زیتوده گیاه کلزا انجام شده است. تعدادی از محققین معتقدند که میزان زیتوده کل تحت تنش افزایش یافته(Munns and Weir, 1981) و تعدادی دیگر بر این باورند که زیتوده تحت تنش خشکی کاهش مییابدand Hitz, 1982) .( Hanson همچنین عده دیگری عدم تغییر زیتوده را با افزایش خشکی ثابت کردهاند (Moragan, 1992 ). (Siddigui et al., ۲۰۰۸) گزارش نمودند که افزایش وزن خشک و تجمع زیتوده تا حدودی به انباشته شدن ترکیبات محلول در آب مانند قندها مربوط میشود. یکی از مکانیزمهای سازشی مهم برای گیاهان در پاسخ به تنشهای اسمزی مانند کاهش آب و افزایش شوری تجمع فعال یا غیرفعال همین مواد محلول است( Martin et al., (۲۰۰۲ . تعدادی از اندامکهای سلولی مسئول ساخت این مواد هستند، به گونهای که ترکیبات محلول سبب میشوند تا آب مجدد اً به سلول باز گردد و یا سلول را از تخریب حاصل از دهیدراسیون حفظ کنند( Yang et al., ۲۰۰۳) .
۱-۲-۳- ﺗﺄثیر تنش خشکی بر رشد و فتوسنتز
تنش خشکی یکی از تنشهای اصلی است که باعث کاهش تولیدات کشاورزی میشود. این تنش از فتوسنتز گیاه ممانعت نموده، باعث تغییر در محتوای کلروفیل و صدمه به ساختارهای فتوسنتزی میشود. یکی از دلایلی که تنشهای محیطی مثل خشکی، رشد و توانایی فتوسنتزی گیاه را کاهش میدهند، اختلال در تعادل میان تولید رادیکالهای آزاد اکسیژن و مکانیسمهای دفاعی برطرف کننده این رادیکالهاست که به تجمع [۱۵]ROSو القای تنش اکسیداتیو، خسارت به پروتئینها، لیپیدهای غشا و سایر اجزای سلولی منجر میگردد .(Fu and Huan, 2001) نتایج مطالعات نشان میدهد در شرایط تنش کمبود آب روزنهها در گیاه بسته میشوند و متعاقب آن غلظت CO2 در بافت مزوفیل کاهش مییابد و به دنبال این وضعیت واکنشهای تاریکی فتوسنتز مختل شده و محصولات حاصل از واکنشهای روشنایی، که شاملATP ، NADPH است، مصرف نمیشود. در چنین شرایطی به علت عدم اکسید شدن مولکول NADPH ، مصرف NADP+ جهت دریافت الکترون کاهش می یابد، بنابراین مولکول اکسیژن در مسیر زنجیره انتقال الکترون به عنوان پذیرنده جانشین الکترون عمل میکند و منجر به شکلگیری رادیکال سوپراکسید (O2)، پراکسید هیدروژن (H2O2) و رادیکال هیدروکسیل (OH) میگردد
( Ben Ahmed, 2009؛ .(Jubany-Mari et al., 2010گیاهان برای مقابله با تنش اکسیداتیو ایجاد شده مکانیسمهای دفاعی مختلفی شامل آنزیمی و غیرآنزیمی ر ا بکار میبرند .(Ozkur et al., 2009) یکی از صدمات اکسیداتیو مهمی که در این شرایط ایجاد میشود تخریب مولکول کلروفیل است. به دنبال این تخریب گیاه رنگی به نظر میرسد که دلیل آن افزایش و قابل رؤیتشدن رنگیزههای محافظ مانند کاروتنوئیدها (گزانتوفیل، کاروتن، لیکوپن) و آنتوسیانین میباشد.(Chalker-Scott, 2002) کاروتنوئیدها در این شرایط قادرند انرژی زیاد طول موجهای کوتاه را گرفته و اکسیژن یکتایی را به سهتایی تبدیل کنند و با گرفتن رادیکالهای اکسیژن تولید شده نقش آنتیاکسیدانی خود را ایفا کنند (Inze and Montagu, 2000). در طول تنش خشکی، میزان کاروتنوئید کاهش یافته و نتوانسته است نقش حفاظتی خود را ایفا کند. کاهش محتوی کاروتنوئیدها میتواند به دلیل اکسیدشدن آنها توسط اکسیژن فعال و تخریب ساختار آنها باشد. بررسی روی زیتون نشان داد که مقدار کاروتنوئید با افزایش تنش خشکی کاهش مییابد ( .(Ben Ahmed et al., 2009
کاهش میزان رنگیزههای فتوسنتزی در برگهای دو ژنوتیپ برنج تحت تنش خشکی Mpa)9/1-) توسط (۱۹۹۹ (Sircelj, نیز گزارش شده است. فتوسنتز که یکی از فرآیندهای مهم فیزیولوژیکی گیاه است، شدت آن در کمبود آب کاهش مى یابد.(Gusegnova, 2006 ) دوام فتوسنتز و حفظ کلروفیل برگ تحت شرایط تنش از جمله شاخصهای فیزیولوژیکی مقاومت به تنش است. تنش خشکی باعث تولید اکسیژن فعال همراه با کاهش و تجزیه کلروفیل میشود. در طی تنش، کلروفیلها در کلروپلاست تجزیه و ساختارهای تیلاکوئید ناپدید میگردند۱۹۹۸) .(Sairam, نتایج تحقیقات نشان داده که تنش خشکی ملایم بر روی مقدار کلروفیل در دو گیاه سردسیری Festuca و Poa pratensis اثری نداشته ولی خشکی شدید مقدار کلروفیل را در این دو گیاه کاهش میدهد (Hauny, 2001) همینطور مقدار کلروفیل در گیاه توتون همراه با کاهش پتانسیل آب خاک تحت تنش کاهش مییابد .(Pastori and Trippi, 1993) پایداری کلروفیل به عنوان شاخصی از تنش خشکی شناخته شده است و شاخص پایداری بالا به معنی بیتأثیر بودن تنش بر گیاه است و موجب دسترسی بهتر گیاه به کلروفیل میشود .(Modhan et al., 2000)
دسترسی به آب اغلب رشد ریشه و برگها، هدایت روزنهای، فتوسنتز و تجمع ماده خشک را تحت ﺗﺄثیر قرار میدهد (Blum, 1996). یکی از پاسخهای اولیه گیاه در پاسخ به تنش آبی، کاهش میزان طویل سازی برگ و بستن روزنهها میباشد تا از مصرف آب از طریق تعرق جلوگیری بعمل آورد. محدودیت روزنه به عنوان پاسخی در مقابله با کمبود آب منجر به کاهش میزان فتوسنتز و غلظت COداخلی میگردد (Reddy et al., 2004). کاهش غلظت CO2 در بافتهای برگ تحت تنش و اتلاف انرژی نوری اضافی در مرکز PSII و آنتن میتواند منجر به تولید ROS شده که تحت شرایط تنش آبی بسیار خطرناک میباشد (Peltzer, 2002). کاهش رشد تحت تنشهای محیطی نظیر خشکی گزارش شده است (Mostajeran et al., ۲۰۰۹). از دیگر پارامترهای متاثر تحت این تنش ، میزان آب نسبی (RWC) برگ بوده که از جمله شاخصهای قابل اعتماد در جداسازی گونههای حساس و مقاوم در گیاهان محسوب میشود (Sanchez-Rodriguez et al., 2010). محتوای نسبی آب برگ یکی از ویژگیهای مؤثر در تداوم رشد کلزا تحت شرایط خشکی بوده و مقدار بالاتر آن میتواند عامل استمرار رشد در شرایط خشکی باشد .(Kumar and Singh, 1998) چنان چه محتوای نسبی آب برگ بالا باشد گیاه تورم سلولی خود را حفظ کرده و رشد آن تداوم مییابد .(Rao and Mendham, 1991)در شرایط خشکی محتوای نسبی آب برگ با هد ایت روزنهای همبستگی داشته و کاهش مقدار آن در شرایط کمبود آب، منجر به کاهش هدایت روزنهای و جذب دیاکسیدکربن شده و در نهایت سبب افت فتوسنتز میگردد et al., 2002) .(Mailer کمبود آب در کلزا همراه با کاهش پتانسیل آب برگ باعث افت تورم سلولی، هدایت روزنهای و فتوسنتز گردیده و در نهایت به رشد و تولید محصول صدمه میزند .(Kumar and Singh, 1998)(Valentovic et al., ۲۰۰۶)، نشان دادهاند که میزان RWC در برگهای ذرت که در شرایط پتانسیل آبی کم ) Mpa4/1-) رشد یافته بودند در هر دو واریته حساس و مقاوم این گیاه کاهش مییابد. آنها همچنین پیشنهاد کردهاند که ارتباط مثبتی بین RWC و میزان فتوسنتز وجود دارد. بطور کلی تنش آبی موجب بسته شدن روزنه و در نتیجه کاهش نسبت CO2/O2 در برگها و کاهش فتوسنتز میگردد (Moussa, 2006). نتایج تحقیق۲۰۰۷) (Dwivedi, نشان داد که تنش رطوبتی بهتنهایی موجب کاهش معنیدار فتوسنتز کلزا میگردد، در صورتی که در شرایط تنش رطوبتی، دیاکسیدکربن القاء شده سبب افزایش معنیداری در میزان فتوسنتز برگ هر دو واریته تحت آزمایش شده است. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که بخشی از کاهش عملکرد گیاهان در اثر محدودیت آب میتواند توسط افزایش غلظت دیاکسیدکربن جبران شود. در کلزا کاهش فتوسنتز جاری و میزان دسترسی مخازن خورجینها و دانهها به فرآوردههای فتوسنتزی از علل اصلی سقط خورجینها و دانهها در اثر خشکی میتواند باشد et al., 2002) .(Mailer
۱-۲-۴ اثر تنش خشکی روی آنزیمهای آنتیاکسیدانت و مالوندیآلدهید
تنشهای محیطی محدودکننده فتوسنتز، میتوانند آسیب سلولی ناشی از اکسیژن را با توجه به تولید ROSافزایش دهند (Mittler, 2002 ؛Neill et al., 2002). کاهش بیش از حد انتقال الکترون در اندامکهای سلولی نظیر کلروپلاست و میتوکندری تحت تنش، باعث تشکیل گونه اکسیژن فعال همانند آنیون سوپر اکسید (O2) میشود که این نیز باعث آسیبهایی جدی به غشا، لیپیدها، پروتئینها و سایر مولکولهای ضروری نظیر DNAو RNAسلولها میگردد و متعاقباً از رشد جلوگیری مینماید (Rout and Shaw, 2001). پراکسید هیدروژن سبب اکسیده شدن گروههای تیول میگردد در نتیجه این عمل، آنزیمها بطور ناخواسته فعال یا غیر فعال میشوند (Neill et al., 2002) .رادیکال هیدروکسیل خطرناکترین فرم اکسیژن فعال بوده و با هدف قرار دادن تمامی بیومولکولها، اختلالات متابولیسمی شدیدی را سبب میشود. انواع اکسیژن فعال در مقادیر غیرطبیعی به دلیل تخریب نقاط کلیدی در متابولیسم منجر به عوارض جبران ناپذیری در سلول شده و در نهایت ممکن است سبب مرگ آن گردند (Mittler, 2002). طیف وسیعی از اختلالات مولکولی که منجر به ایجاد آسیبهای فیزیولوژیکی در گیاهان تحت تنش خشکی میشوند را میتوان ناشی از تولید رادیکالهای فعال و مخرب اکسیژن دانست. این رادیکالها واکنشهایی را هدایت میکنند که سبب نابودی DNA ، پراکسیداسیون چربیها، تخریب پروتئینهای غشایی و ماکروپروتئینها ، در سلول از جمله رنگیزههای کلروفیل و آنزیمها میشوند. فعالیتهای آنزیمی آنتیاکسیدانت در سلولهای گیاهی غالباً در مواجهه گیاه با تنشهای محیطی افزایش یافته و از این طریق گیاهان قادرند از، خسارات رادیکالهای آزاد اکسیژن ایجاد شده بکاهند. سوپر اکسید دیسموتاز([۱۶]SOD) ، کاتالاز ([۱۷]CAT)، گلوتاتیون پراکسیداز ([۱۸]GPX) از جمله آنزیمهای آنتیاکسیدانت هستند که نقش اساسی در متابولیزه کردن ترکیبات فعال اکسیژن و جلوگیری از خسارات ناشی از تنش اکسیداتیو را به عهده دارند در برخی از گونههای گیاهی آسیب ناشی از گرما یا خشکی، استرس اکسیداتیو را تحریک میکند که منجر به تولید و انباشتهشدن انواع اکسیژن سمی نظیر رادیکالهای سوپراکسید، آب اکسیژنه و رادیکالهای هیدروکسیل میشود. انواع اکسیژن فعال که طی تنش تولید میشوند به برخی از ترکیبات سلولی نظیر لیپیدها، پروتئینها، کربوهیدراتها و اسیدهای نوکلئیک میتوانند آسیب برسانند. استرس اکسیداتیو میتواند منجر به ممانعت فتوسنتز و فرآیند تنفس و رشد گیاه گردد. گیاهان سیستم آنزیمی و غیرآنزیمی را در مقابله با انواع اکسیژن فعال ساختهاند (Yegappan et .(al., ۱۹۸۲گیاهان دارای آنتیاکسیدانتهای آنزیمی نظیر SOD، [۱۹]POD، CAT،GPX، [۲۰]APX و [۲۱]GRو غیرآنزیمی نظیر آسکوربات و گلوتاتیون (GSH)، و همچنین توکوفرول، فلاونوئیدها، آلکالوئیدها و کاروتنوئیدها برای مقابله با اثرات تنش اکسیداتیو میباشند (Pitzschke and Hirt, 2006). سوپراکسید دیسموتاز (SOD; EC1.15.1.1) در بخشهای مختلف سلول قرار داشته و یکی از جاروکنندگان اصلی رادیکالهای سوپراکسید (O2) محسوب میشود. این آنزیم O2– را به H2O2 تبدیل کرده که توسط آسکوربات پراکسیداز (APX: EC 1.11.1.11)زدوده میشود. پراکسید هیدروژن نیز توسط پراکسیداز (POD: EC 1.11.1.7) و در پراکسیزومها هم عمدتاً توسط کاتالاز (CAT; EC 1.11.1.6) از بین رفته و به آب و اکسیژن تبدیل میگردد. درجه صدمهرسانی ROS بستگی به توازن بین تولید و از بین رفتنش توسط این سیستمهای از بین برنده آنتیاکسیدانی دارد (Khan and Panda, 2008 Demiral and Turkan, 2005;). در سیستمهای آنزیمی، آنزیم سوپراکسید دیسموتاز، سوپراکسید (O2) را به O2 و H2O2 کاتالیز میکند. کاتالاز، پراکسید هیدروژن(H2O2) را به دو مولکول آب و یک مولکول ۲O تبدیل میکند و گلوتاتیون پراکسیداز با اکسیژن نوزاد، رادیکال آزاد سوپراکسید و رادیکالهای هیدروکسیل واکنش داده و به طور مستقیم به عنوان یک تنظیفکننده رادیکال عمل مینماید Bowler et al., 1992)).
گلوتاتیون و آسکوربات از مهمترین آنتیاکسیدانهای محلول در آب میباشند که در اکثر اندامکهای سلول حضور دارند .(Smirnoff, ۲۰۰۰) آنتیاکسیدانها توانایی واکنش مستقیم با رادیکالهای فعال اکسیژن نظیر سوپراکسید و هیدروکسیل را داشته و آنها را جمعآوری میکنند (Mittler, 2002). نسبت احیا به اکسید آنتیاکسیدانهای مذکور بیانگر وضعیت سلول در شرایط تنش است. بهطوریکه هرچه این نسبت در آنتیاکسیدانهای مذکور بیشتر باشد سلول از پتانسیل ردوکس مطلوبی برخوردار بوده و مکانیسمهای تدافعی آن در شرایط تنش بهتر عمل میکند .(Breusegem et al., ۲۰۰۱)
گلوتاتیون آنتیاکسیدان مهم دیگری است که نقش بسیار موثری را در محافظت از ساختار گیاهان ایفا میکند. بطوریکه این متابولیت علاوه بر شرکت در چرخههای ذکر شده در شکل ۱-۵، کوفاکتور آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز میباشد (Mittler, 2002). این ترکیبات علاوه بر شرکت در چرخههای بسیار مهمی نظیر مهلر(Asada, 2000) ، گزانتوفیل(Havaux and (Niyogi, 1999، اسکوربات – گلوتاتیون۲۰۰۳) (Blokhina,توانایی واکنش مستقیم با انواع اکسیژن فعال را داشته و با
احیای آنها به آب، از اثرات مضر آنها پیشگیری میکنند. امروزه برخی از محققان معتقدند که افزایش میزان این آنتیاکسیدانها تحمل گیاه به تنشهای محیطی را افزایش میدهند (Asada, 2000). بعلاوه اسکوربات پراکسیداز بهعنوان آنزیم کلیدی در چرخههای گلوتاتیون – اسکوربات و مهلر ایفای نقش میکند.
شکل ۱-۴- منبع تولید ROS ها در داخل و بیرون سلولهای گیاهی (Ramamurthy and Nina, 2003).
آنتیاکسیدانهای مذکور بعنوان کوفاکتور آنزیمهای درگیر در این چرخهها عمل میکنند. به عبارت دیگر فرم احیای این آنتیاکسیدانها پتانسیل هیدروژن لازم برای احیای کامل پراکسید هیدروژن را در چرخههای گلوتاتیون – اسکوربات و مهلر تامین میکنند. همچنین فرم احیا آنتیاکسیدانهای محلول در آب مذکور در چرخه گزانتوفیل هیدروژن لازم برای احیا کامل اکسیژن اتمسفری و تبدیل آن به آب نقش بسیار موثری دارند. هرگاه آنتیاکسیدانهای اسکوربات و گلوتاتیون کاهش یابند و یا نسبت احیا به کل آنها در حد پائین باشد سبب کاهش کارایی مکانیسمهای مذکور شده و انواع اکسیژن فعال تجمع مییابد .(Mittler, 2002) بر خلاف اغلب موجودات، گیاهان ژنهای چندگانهای دارند که کد کننده ایزوفرمهای SOD و APX بوده و بطور ویژه در کلروپلاستها، میتوکندریها، پراکسیزومها و همچنین آپوپلاست و سیتوسل یافت میشوند. شواهد زیادی نشان میدهند که سیستمهای آنتیاکسیدانت تحت تنشهای غیرزیستی تغییر مییابند. درگوجهفرنگی و مرکبات تحمل به شوری به افزایش فعالیت SOD، APX وCAT نسبت داده میشود (Mittova et al., 2004). افزایش میزان فعالیت SOD،APX وCAT در دو واریته حساس (Trihybrid 321) و مقاوم (Giza 2) ذرت تحت تنش خشکی توسط (Moussa and Abdel-Aziz, 2008) نیز گزارش شده است. توزیع فضایی آنزیمهایی نظیر سوپراکسید دیسموتاز در غشاها میتواند تا حدودی در برقراری مقاومت نسبت به خشکسالی مهم باشد Bowler et al., 1992)).
(Jin et al., 2006 ) اظهار کردند که با افزایش تنش خشکی پس از ۲۴ ساعت میزان فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز در گیاه افزایش مییابد. افزایش فعالیت این آنزیم در تیمار تنش به خاطر نقش مهم این آنزیم جهت مقابله با رادیکالهای آزاد اکسیژن ایجاد شده در اثر تنش خشکی میباشد، بنابراین SOD به عنوان یکی از اجزای مهم مکانیسم دفاعی گیاه در نظر گرفته میشود. گلوتاتیون پراکسیداز کاهش پراکسید هیدروژن را با استفاده از گلوتاتیون احیا شده کاتالیز میکند و از سلولها
در برابر آسیبهای ناشی از اکسایش حفاظت میکند .( Dixon et al., 1998)افزایش فعالیت گلوتاتیون پراکسیداز در پنبه
 
الف
 
ب
 
ج
شکل ۱-۵- مکانیسمهای دفاعی گیاه که آنتی اکسیدانهای اسکوربات و گلوتاتیون در آنها ایفای نقش مینماید
الف) چرخه مهلر Asada, 2000))، ب) چرخه گلوتاتیون- اسکوربات (Edreva, 2005) و ج) چرخه گزانتوفیل (.(Jiang et al., ۲۰۰۶
و گندم که در معرض تنش خشکی قرار گرفتهاند نشان میدهد که همزمان با تولید H2O2این افزایش میتواند منجر به جذب الکترونهای فردوکسین توسط NADP گردد که در نتیجه میزان تولید سوپراکسید کاهش مییابد .(Smirnoff, 1998) افزایش فعالیت آنزیم گلوتاتیون پراکسیداز در اثر خشکی و یا درجه حرارت بالا توسط سایر محققین نیز گزارش شده است Asada, 1999)).
بهطورکلی تنشهای محیطی تولید سوپراکسید را افزایش میدهند. این تولید می تواند برای انسجام و عملکرد غشا مهلک باشد زیرا عکسالعملهای متفاوت بین پروتئینها و لیپیدها ممکن است جایگاه گونههای مولکولی متنوع را در لیپید دولایه به طوری تغییر دهد که آنها بیشتر در معرض اکسیژن قرار گیرند، بنابراین تولید رادیکال پروکسید افزایش مییابد (Takahashi et al., 1987). تولید رادیکالهای اکسیژن آزاد، مسئول پراکسیداسیون لیپیدهای غشا وابسته به تنش هستند که منجر به صدمه غشا و بیرنگ شدن رنگیزهها میگردد (Sairam and Saxen, 2000). پراکسیداسیون لیپیدی شامل کاهش سیالیت غشاء، تسهیل تبادل بین دو لایه فسفولیپیدی، افزایش تراوایی غشاء به مواد که بطور معمول از آن عبور نمیکنند، آسیب دیدگی پروتئینهای غشائی، غیر فعال شدن گیرندهها، آنزیمها و کانالهای یونی میباشد (Singh and Tuteja, 2010). مالوندیآلدهید ([۲۲]MDA)، محصول تجزیه اسیدهای چرب پلی-غیر اشباع است که به عنوان مارکر زیستی پراکسیداسیون چربی بکار گرفته میشود (Shakirova, 2007). بررسی غلظت مالوندیآلدهید بافت گیاهی میتواند بیانگر میزان تخریب غشا سلولی باشد زیرا این ترکیب تحت تأثیر تخریب و پراکسیده شدن غشا سلولی آزاد میشود (Bhattacharjee and Mukherjee, 2002) .بنابراین پایداری غشای سلول بطور گسترده بکار گرفته میشود تا واریتههای حساس و مقاوم را از هم متمایز نماید. برگهایی از گیاه گوجهفرنگی که تحت تنش خشکی قرار گرفتند، افزایش در پراکسیداسیون لیپیدی را نشان دادند Nasibi, 2011)).
۱-۲-۵ ﺗﺄثیرتنش خشکی بر میزان نیترات و نیترات ردوکتاز
یکی از عوامل کاهش کارکرد در شرایط کمبود آب را میتوان به کاهش دسترسی گیاه به نیتروژن نسبت داد
.(Boutraa and Sanders, 2001) اگر چه خشکی بسیاری از جنبههای گیاه را تحت تأثیر قرار میدهد، اما حساسیت تثبیت نیتروژن به کمبود آب بیشتر است، زیرا بسیاری از فرآیندهای زیست شیمیایی گیاه تا تخلیه ۷۰ الی ۸۰ درصد رطوبت قابل استفاده خاک تحت تأثیر قرار نمیگیرند، در حالی که تخلیه ۵۰ درصد از رطوبت قابل استفاده خاک موجب کاهش تثبیت نیتروژن میگرددSerraj, 2003) ). افزایش تنش آبی باعث کاهش فراوانی تارهای کشنده، فراوانی باکتری، قدرت چسبندگی و نفوذ باکتری به تارهای کشنده، انتشار اکسیژن از سطح گره به داخل و کاهش فعالیت آنزیمی شده و در نتیجه بر تثبیت نیتروژن و رشد گیاه پیامد منفی دارد .(Serraj, 2003) در مورد علت کاهش تثبیت نیتروژن در اثر تنش آبی نظرات متفاوتی وجود دارد. برخی علت آن را کاهش فتوسنتز و ساخت کربوهیدراتها، کاهش فراوانی گرههای ریشه و یا کاهش انتقال دهندههای اکسیژن در گره میدانند، که سبب انباشتگی اکسیژن در گرهها و بدنبال آن کاهش فعالیت آنزیم نیتروژناز می شودGordon et al., ۱۹۹۷) ). گیاهان هنگام تنش خشکی با ساز و کارهای ویژهای شرایط خشکی را بردباری میکنند، با این حال کاهش رشد در آنها دیده میشود. یکی از دلایل کاهش رشد، کاهش جذب عناصر غذایی به ویژه نیتروژن و فسفر است (Boutraa and Sanders, 2001) و گیاهانی که دارای مقادیر کافی نیتروژن و فسفر باشند بردباری بیشتری در برابر تنش آبی نشان میدهند .(Misra and Tyler, 1999) یکی از راههای تأمین نیتروژن تثبیت زیستی است و در شرایطی که نیتروژن به اندازه کافی در دسترس گیاه قرار گیرد جذب فسفر و سایر عناصر غذایی افزایش مییابد .(Watson et al., (1988 تنش اسمزی موجب بستهشدن روزنهها شده که میتواند عامل اصلی در کاهش حصول CO2 در گیاه تلقی گردد. با محدودشدن تامین کربوهیدرات ریشه، این اندام فعالیتش کاهش یافته و بر همین اساس جذب مواد غذایی مخصوصا” نیتروژن کاهش مییابد. کاهش نیتروژن نیز با کاهش پروتئینها ارتباط مثبتی دارد. از آنجایی که گیاهان بطور گستردهای در نیازهای غذایی و در تواناییشان در جذب مواد غذایی ویژه متفاوتاند، بنابراین ﺗﺄثیر تنشهای خشکی و شوری نیز میتواند در بین گونههای مختلف متفاوت باشد. در بین بسیاری از مواد مغذی مورد نیاز رشد و گسترش سلولهای گیاهی، نیتروژن نقش اساسی در توانایی گیاهان در تحمل به تنش شوری و خشکی ایفا مینماید (Botella et al., ۱۹۹۳). شوری میتواند موجب تنش اسمزی و سمیت مخصوص شوری گشته که بهواسطه تجمع بیش از حد نمک در بافت گیاهی بوده و شامل ﺗﺄثیرات ثانویه شدید بر روی پارامترهای متابولیسم نیتروژن نظیر جذب نیتروژن و فعالیت نیترات ردوکتاز میباشد. نیترات ردوکتاز یک عامل محدودکننده رشد و نمو و تولید پروتئین در گیاهان است، چرا که فعالیتش مستقیماً تغییر یافته و روی رشد گیاه ﺗﺄثیر میگذارد (Zornoza and Gonzales, 1998). مشخص شده است که میزان جذب نیتروژن در گیاهان با غلظت بالای شوری NaCl کاهش مییابد (Huang et al., ۱۹۹۳). کاهش در جذب یون مخصوصا NO3در غشای پلاسمایی و سطوح تونوپلاست، شاید بهعلت مکانیسمهای رقابتی و یا تغییر در غشا باشد (Luttge, 1993).
یکى از آنزیمهایى که نقش کلیدى در سلسله فرایندهاى مربوط به مصرف نیترات دارد، نیترات ردوکتاز است. شواهد زیادى حاکى از پیچیدگى تنظیم این آنزیم وجود دارد .(Werner et al., ۱۹۹۵; Huber and Huber, 1995) همچنین پژوهشهاى متعددى دال بر پاسخهاى متفاوت این آنزیم همراه با تغییر شرایط محیطى موجود است(Werner et al., Huber et al., ۱۹۹۸; ۱۹۹۵). براى نمونه فعالیت این آنزیم در برگ به تغییرات وضعیت آبى حساس بوده و زمانىکه پتانسیل آبى کاهش مىیابد فعالیت آنزیم نیز مهار مىشود.(Christine et al., ۱۹۹۸) به نظر برخى از محققان این کاهش ناشى از میزان سنتز این آنزیم است که این عامل مهمتر از کاهش فعالیت آنزیم در این شرایط است. پژوهشهایى که در زمینه سویا صورت گرفته است نشان مىدهد که تحت شرایط خشکى نیترات به مقدار زیاد در ریشهها تجمع مىیابد و مىتواند منبع با ارزشى براى سنتز اسیدهاى آمینه تحت شرایط شورى در نظر گرفته شود Hissao, 1973)). گزارش شده است که آنزیم نیترات ردوکتاز حساس به تغییرات وضعیت رطوبت برگ بوده و با کاهش شدید پتانسل آبى فعالیت آن در این بخش از گیاه مهار مىشود .(Tejo and Diaz, 1987)همچنین گزارش شده است که در طى خشکى فعالیت آنزیم نیترات ردوکتاز در اندام هوایى بیش از ریشه کاهش مىیابد که این امر به کاهش جریان نیترات از ریشه به اندام هوایى نسبت داده شده است .(Heuer et al., ۱۹۷۹) گزارش کردهاند که در گیاه سویا در زمان کم آبى، نیترات به مقدار زیاد تجمع مىیابد که مىتواند به عنوان منبع نیتروژن براى سنتز اسیدهاى آمینه آزاد مورد استفاده قرار گیرد(Silva, 2004) .
۱-۲-۶ ﺗﺄثیر تنش خشکی بر القای اسمولیتهای سازگار
در چرخه زندگی، گیاهان تحت تأثیر انواع گوناگونی از تنشهای محیطی قرار میگیرند که برای زنده ماندن مجبور به یکسری تغییرات در فعالیتهای زیست شیمیایی و آنزیمی میشوند. پاسخ گیاهان به کمبود آب بسیار پیچیده است و میتواند شامل اثرات مخرب و یا تغییرات سازشی باشد. پاسخ اولیه به کمبود آب در زنده ماندن گیاه در شرایط دشوار لازم و ضروری است .(Chaves, 2002) تنظیم اسمزی به عنوان یکی از مکانیسمهای اصلی گیاه برای بردباری در برابر تنش خشکی در نظر گرفته شده است. زمانی که یاخته در تنش اسمزی پایین قرار میگیرد، اسمولیتها یا متابولیتهای سازگار در آن انباشته میشوند .(Serraj and Sinclair, 2002) نوع متابولیتهای سازگار در گونهها و ارقام گوناگون گیاهی ناهمانند است، این متابولیتهای سازگار شامل آمینواسیدهای گوناگون (پرولین) ، قندها (ساکاروز و فروکتان) ، پلی اولها (مانیتول و پنیتول)، آمینهای چهارتایی (گلایسین و بتائین) و اسیدهای آلی (مالات و سیترات) میباشند. این ترکیبات کوچک و دارای حلالیت بالا در pH فیزیولوژیکی خنثی هستند و در غلظتهای بالا در یاخته هیچ گونه اثر سمی و زیانباری ندارند.(Sharp and (Verslues, 1999 انباشتگی اسمولیتها در یاختههای گیاهی سبب کاهش پتانسیل اسمزی یاخته گردیده و از این رو سبب ادامه و حفظ جذب آب و فشار تورگر میشوند که برای ادامه برخی از فرآیندهای فیزیولوژیک همچون باز بودن روزنهها و ادامه رشد لازم میباشد (Serraj and Sinclair, 2002). از جمله مکانیسمهایی که گیاهان در مقابله با تنش بکار میگیرند سنتز پروتئینهاست. میزان پروتئین محلول یکی از شاخصههای مهم وضعیت فیزیولوژی در گیاهان میباشد. تغییرات هیدراسیون پروتئین یکی از نتایج میزان یون بالا در تنش اسمزی در سلولهای گیاهی محسوب میشود (Parvaiz and Satyavati, 2008). برخى از پژوهشگران رکود سنتز پروتئین را به کاهش تعداد پلىزومهاى سلولى نسبت دادهاند Creelman et al., ۱۹۹۰)). علت افزایش پروتئین ممکن است به این دلیل باشد که تنش باعث تحریک افزایش پروتئینهای موجود گردیده و یا پروتئینهای جدیدی سنتز شده باشند (.(Abolhasani Zeraatkar et al., ۲۰۱۰ تجمع پرولین در یاختههای گیاهی که تحت تنش خشکی و شوری هستند، یک پدیده طبیعی میباشد .(Peng and Verma,1996) پرولین در تمام اندامهای گیاه در طی تنش وجود دارد، با این وجود میزان انباشتگی آن در برگها سریعتر و بیشتر از سایر نقاط میباشد .( Abolhasani Zeraatkar et al., ۲۰۱۰) انباشتگی پرولین همراه با پسابیدگی، یکی از مهمترین عکسالعملهای گیاهان نسبت به کمبود آب یا افزایش فشار اسمزی میباشد (Abolhasani Zeraatkar et al., ۲۰۱۰). پرولین علاوه بر اینکه به عنوان اسمولیت عمل میکند، میتواند نقشهای دیگری از جمله محافظت از آنزیمها در برابر تغییر ماهیت (Peng and Verma, 1996) حفظ حلالیت پروتئینها، تثبیت فسفولیپیدهای غشایی (Walton and Podivinsky, (1998، تنظیمکننده اسیدیته سیتوپلاسمی (Peng and Verma, 1996) منبع نیتروژن و کربن در یاخته (Walton and (Podivinsky, 1998 ، تنظیم پتانسیل ردوکس یاخته توسط متابولیسم پرولین (Verslues and Sharp, 1999) و موارد دیگر بر عهده داشته باشد. تحت شرایط تنش شدید افزایش چشمگیر غلظت پرولین به همراه کاهش معنىدار پروتئین در برگهاى سویا را مىتوان هم به تخریب پروتئین و هم کاهش سنتز آن نسبت داد (Hissao, 1973).
( (Sayed, 1992در بررسیهای خود بر روی فلفل بیان داشت که میزان پرولین گیاه در شرایط تنش خشکی بهخصوص در ریشهها افزایش مییابد. بالا رفتن میزان پرولین و کربوهیدرات در بخشهای مختلف گیاهان به نوعی بیانگر فعالشدن سیستم تنظیم اسمزی در طی مواجهشدن با تنش میباشد.

برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  fumi.ir  مراجعه نمایید.