باکتری‌های مولد هسته یخ

گروهی از باکتری ها وجود دارد که موجب تبدیل آب به یخ می شوند. این فرایند به وسیله پروتیین‌های موجود در سطح باکتری‌ها انجام می‌شود که به اسم فاکتور هسته یخ (ice nucleation factors) شناخته می‌شوند،کاتالیز می‌شود. این باکتری‌‎ها در سطح گیاهان وجود دارند. این باکتری‎ها با فعالیت و افزایش جمعیت خود به وقوع سرمازدگی گیاهان در دماهای بالاتر از معمول کمک می‎نمایند به عبارت دیگر باعث یخ زدن آ ب در دماهای گرم تر از دمای معمول می شود. باکتری های  Pseudomonase syringae،Pseudomonas fluorescens،Pantoea agglomerans  و  Xanthaomonas spp به عنوان باکتری‌های مولد هسته یخ شناسایی شده‌اند. بیشترین دلیل سرمازدگی گیاهان پروتیین‌های سطحی باکتری‌هایی می‌باشد که بر روی سطح گیاهان وجود دارد ،به خصوص سودوموناس سیرنگی که بیشترین فعالیت هسته یخ دربین گونه‌های مربوطه دارد. تشکیل کریستال‌های یخ به بافت‌های گیاه آسیب می‌رساند و فرآیند انتقال آب و مواد غذایی که به وسیله آوندها (em and phloem xyl) انجام می‌شود را قطع می‌کند. اگر این باکتری‌ها حضور نداشته باشند یخ تشکیل نمی‌شود، در عوض دمای آب به زیر نقطه انجماد می‌رسد و گیاهان آسیب نمی‌بینند.

تعیین فعالیت هسته یخ سویه‌های شناسایی شده

برای تعیین فعالیت هسته یخ سویه‌ها از روش یخ زدن قطرات استفاده می‌شود. ابتدا باکتری‌های مورد نظر روی محیط کشت آگار مغذی با 5/1 درصد گلیسرین کشت داده می شود و به مدت 48 تا 72 ساعت در 26 درجه سانتی گراد قرار می‌دهند. سپس از کلنی‌های انفرادی در آب مقطر استریل، سوپانسیون تهیه می‌کنند و غلظت آن با دستگاه اسپکتروفتومتر در جذب نوری OD 600 =0/1تنظیم می‌کنند، در شرایط مذکور جمعیت باکتری ها حدودا 10 به توان 8 سلول در هر میلی لیتر می‌رسد. بعد از آن از روش انجماد قطرات استفاده می‌شود به این صورت که از هر سوپانسیون ، 10 قطره 10 میکرولیتری بر روی ورق‌های نازک آلومینیوم قایقی شکل آغشته به پارافین انتقال داده می‌شود. سپس این قایق‌های آلومینیومی روی حمام اتانل-یخ با دمای -2 تا -7 درجه سانتی گراد شناور می‌کنند. سرانجام تعداد قطرات یخ زده طی مدت 30 ثانیه شمارش می‌شوند.

کاربرد پروتیین‌های یخ ساز و ضد یخ

از باکتری‌های مولد هسته یخ در تولید یخ سازی، پیست‌های اسکی و تولید برف استفاده کرده‌اند. این پروتیین‌ها در تهیه بستنی و مواد غذایی مشابه قابلیت کاربرد دارند و بیان آن‌ها در گیاهان تراژنی به اقتصاد کشاورزی کمک بسیاری خواهد کرد. کشف پروتیین‌های ضد یخ در ماهی‌های آب سرد قطبی که بعد‌ها در بسیاری از آبزیان آب شناخته شد، کاربردهای جالبی در بیوتکنولوژی دارند. افزودن این پروتیین‌ها در مواد غذایی مقاومت‌ها آن ها را در برابر ذوب و انجماد مکرر افزایش می‌دهد و طول عمر محصولات کشاورزی را به هنگام انبار کردن در سردخانه زیاد می‌کند. گیاهان تراژنی واجد ژن‌های مربوط به این پروتیین‌ها در نواحی سردسیر قابل کشت بوده و مقاومت بیشتری در برابر سرما خواهند داشت.

محافظت از گیاهان در برابر سرمازدگی از راه مهندسی باکتری‌های همزیست

سرما و یخ زدگی همه ساله خسارات قابل توجهی را به اقتصاد و چرخه تولید کشور تحمیل می‌کند و سرما و یخ زدگی یکی از مهم‌ترین عوامل خسارت‌زا محصولات کشاورزی محسوب می‌شود.

یکی از نخستین مثال‌های اصلاح موفقیت‌آمیز باکتری‌های همزیست در مورد باکتری سودوموناس سیرینگی صادق است. این باکتری به مقدار زیاد در سطح برگ‌های بسیاری از گیاهان یافت می‌شود. ظاهرا بسیاری از سویه‌های این باکتری، پروتیین یخ سازی در سطح سلول‌های خود تولید می‌کنند و وجود این پروتیین‌ها، موجب تشکیل یخ در کمی بالاتر از صفر درجه سانتی گراد می‌شود که این پروتیین گیاهان زراعی را وادار به یخ زدن می‌کند و تهاجم بعدی باکتری‌ها را به بافت‌های گیاهی آسان می‌سازد.

ین پروتیین به وسیله ژن  inaZکد می شود. همانند بسیاری از باکتری ها، باکتری E.Coli چنین توانایی را ندارد، اگر چه، اگر ژن  InaZدر آن کلون کنیم، با بیان این ژن، توانایی فعالیت هسته یخ را پیدا می‌کند. حال اگر این ژن در سودوموناس سیرنگی تخریب شود، این توانایی را از دست می‌دهد.

استیون لیندا و همکارانش ابتدا ژن عامل تشکیل هسته‌ی یخ در سودوموناس سیرینگی را با استفاده از ناقل کاسمیدی در باکتری اشریشیا کلای کلون کردند. سپس سلول‌های اشریشیا کلای دریافت کننده‌ی DNA نوترکیب برای تشکیل هسته یخ در -9 درجه سانتی گراد مورد جستجو قرار گرفتند. به روش DNA نوترکیب همولوگ قسمتی از این ژن حذف گردید و باقیمانده دوباره به روش مشابه به کروموزوم سودوموناس سیرینگی بازگردانده شد. بدین ترتیب سویه‌های آیس منفی (Ice ) بدست آمدند.

سویه های آیس منفی در همه‌ی خواص دیگر خود، به جز قابلیت تشکیل هسته‌ی یخ شبیه سویه والدی خود یعنی آیس مثبت بودند. وقتی سویه‌های جهش یافته (Ice  ) در سطح برگ‌های توت فرنگی اسپری می‌کنند این باکتری‌ها بر سطح برگ‌های گیاه مستقر می‌شوند که می‌توانند با موفقیت با باکتری‌های تیپ‌های حشی (Ice + ) رقابت می‌کردند و بدین وسیله گیاهان را از آسیب یخ زدن محافظت می‌کنند.

نقش باکتری‌های مولد هسته یخ در باران سازی

وقتی باکتری‌های یخ ساز بر سطح گیاهان کلونی تشکیل می‌دهند، وزش باد موجب می‌شود تا این باکتری وارد اتمسفر شوند، زمانی که این باکتری‌ها وارد ابرها بشوند، کریستال‌های یخ اطراف آن‌ها تشکیل می‌شود سپس سایر مولکول‌های بخار آب به این کریستال یخ متصل می‌شود و باعث می‌شود که این کریستال‌ها بزرگ‌تر و بزرگ‌تر بشود تا در نهایت کریستال‌های یخ تشکیل می‌شود که به صورت باران یا برف به سطح زمین می‌بارد. وقتی که این رسوب رخ دهد باکتری‌ها این فرصت را پیدا می‌کنند تا دوباره به سطح زمین برگردند و در مناطق بیشتری گسترده‌تر بشوند و این چرخه بارها تکرار می‌شود. اکثر باران‌ها و برف با شروع تشکیل یخ در ابرها شروع می‌شوند.

باکتری آیس منفی به گونه‌هایی از سودوموناس سیرنگی گفته می‌شود که فاقد توانایی تولید پروتیین سطحی هست که در تیپ وحشی سودوموناس سیرنگی است.

تهیه کننده: سعید کارگر

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید