۹.۳ رشد در گیاهان

مفاهیم

  • سلول‌های تمایز نیافته در مریستم گیاهان، باعث رشد نامحدود می­شوند.
  • میتوز و تقسیم سلولی در رأس شاخه، سلول‌های مورد نیاز را برای گسترش ساقه و رشد برگ‌ها فراهم می‌کنند.
  • هورمون‌‌های گیاهی، رشد رأس شاخه را کنترل می‌کنند.
  • گیاهان توسط مکانیسم تروپیسم[1] به محیط پاسخ می‌دهند.
  • اکسین با تغییر الگوی بیان ژن روی سرعت رشد سلول تأثیر می‌گذارد.
  • پمپ‌‌های خروجی اکسین می‌توانند شیب غلظت اکسین در بافت‌‌های گیاهی را تنظیم کنند.

کاربرد علم

  • برای ریزازدیادی[2] گیاهان از بافت رأس شاخه، ژل‌‌ آگار و هورمون‌‌های رشد استفاده می­شود.
  • از روش ریزازدیادی برای افزایش سریع تعداد سویه‌‌های جدید، تولید سویه‌‌های بدون ویروس و تکثیر ارکیده‌‌ها و سایر گونه‌‌های نادر استفاده می­شود.

ماهیت علم

  • پیشرفت در تحقیقات علمی منجر به توسعه و بهبود ابزارهای تجزیه تحلیل و نتیجه گیری می‌شود؛ پیشرفت در تکنیک‌‌های تحلیلی باعث تشخیص موادی شده­است که درک ما از هورمون‌‌های گیاهی و تأثیر آن‌ها در بیان ژن را افزایش داده­است.

رشد در گیاهان

سلول‌های تمایز نیافته در مریستم گیاهان، باعث رشد نامحدود می­شوند.

رشد گیاه پدیده­ای روزمره است اما با این وجود تحسین برانگیز است. بیشتر حیوانات و برخی اندام‌‌های گیاهی رشد مشخصی دارند. یعنی دارای یک دوره جوانی یا جنینی هستند که رشد آن‌ها با رسیدن به اندازه مشخص یا تشکیل یک ساختار کامل، متوقف می‌شود. همچنین فرایند رشد در گیاهان غیرقطعی است چرا که سلول‌‌ها به شکل نامحدود تقسیم می‌شوند. به طور کلی گیاهان رشد نامشخصی دارند.

بسیاری از سلول‌های گیاهی مانند برخی از انواع کاملاً تمایزیافته[3]، توانایی تولید گیاه کامل را دارند. یعنی سلول‌ها همه­توان[4] هستند. این پدیده همان چیزی است که سلول‌های گیاهی را از اکثر حیوانات متمایز می‌کند.

رشد گیاهان محدود به مناطقی است که به عنوان مناطق مریستمی شناخته می‌شوند. مریستم‌‌ها از سلول‌‌های بنیادی تمایز نیافته­ای تشکیل شده‌اند که از نظر تقسیم سلولی در وضعیت بسیار فعالی قرار دارند. مریستم‌‌های اولیه در نوک ساقه‌‌ها و ریشه‌‌ها وجود دارند که مریستم رأسی یا آپیکال[5] نامیده می‌شوند. مریستم رأسی ریشه، مسئول رشد ریشه است و مریستم رأسی شاخه در انتهای ساقه قرار گرفته است. در بسیاری از گیاهان دو لپه‌ای، مریستم‌‌های جانبی نیز وجود دارد.

میتوز در گسترش و رشد ساقه و برگ

میتوز و تقسیم سلولی در رأس شاخه، برای گسترش ساقه و رشد برگ‌ها، سلول‌های مورد نیاز را فراهم می‌کند.

سلول‌‌های مریستمی سلول‌‌های کوچکی هستند به همین دلیل با انجام میتوزهای مکرر و تقسیم سیتوپلاسمی[6]، سلول‌های فراوانی را برای تمایز تولید می‌کنند. سلول‌های جدید، مواد مغذی و آب را جذب کرده و حجم و جرم آن‌ها را افزایش می­دهند.

مریستم رأس ریشه مسئول رشد ریشه است. مریستم رأس ساقه پیچیده‌تر است. گاهی اوقات مریستم رأس ساقه، سلول‌هایی را که برای رشد ساقه مورد نیاز هستند، حذف می‌کند و به دنبال آن گروه‌هایی از سلول‌‌ها را تولید می‌کند که رشد کرده و به برگ و گل تبدیل می‌شوند. با هر تقسیم، یک سلول در مریستم باقی می‌ماند در حالی که سلول‌‌های دیگر با فاصله گرفتن از ناحیه مریستم، اندازه خود را افزایش داده و مراحل تمایز را طی می‌کنند. شکل شماره 1، مریستم رأس شاخه گیاه دو لپه‌ای را نشان می‌دهد.

هر مریستم رأسی می‌تواند مریستم‌‌های دیگر از جمله پروتودرم[1]، پروکبیوم[2] و مریستم بافت زمینه‌ای[3] را تولید کند که باعث ایجاد بافت‌‌های مختلف می‌شود. به عنوان مثال، پروتودرم باعث ایجاد اپیدرم (پوست) و پروکبیوم معمولاً باعث ایجاد بافت آوندی می­شود و مریستم بافت زمینه‌ای، هسته مغزی را شکل شماره می­دهد. موقعیت این بافت‌‌ها و برخی از بافت‌هایی که آن‌ها ایجاد می­کنند در شکل شماره  4 نشان داده شده است. مواد شیمیایی روی تعیین نوع بافت‌‌ از سلول‌‌های گیاهی تمایز نیافته تأثیر گذار است. برگ‌های جوان در کناره‌‌های مریستم رأس شاخه تولید می‌شوند؛ آن‌ها به صورت برجستگی‌‌های کوچکی هستند که به برگ اولیه معروف است.

 

تأثیر هورمون‌‌های گیاهی بر رشد شاخه

هورمون‌‌های گیاهی، رشد رأس شاخه را کنترل می‌کنند.

هورمون یک پیام‌رسان شیمیایی است که در اندام خاصی تولید و آزاد شده و در اندام دیگری اثر می‌گذارد. اکسین‌‌ها هورمون‌هایی هستند که وظایف مختلفی دارند مانند شروع رشد ریشه‌ها، تقویت رشد میوه‌‌ها و تنظیم رشد برگ‌‌ها. یکی از فراوان‌ترین هورمون­ها، اکسین ایندول-3-استیک اسید (IAA) است. IAA در کنترل رشد در رأس شاخه‌‌ها نقش دارد، و باعث افزایش رشد طولی سلول‌های ساقه نیز می­گردد. IAA در مریستم رأس شاخه تولید می­شود و برای تحریک رشد به بخش‌‌های پایینی ساقه منتقل می‌شود. این هورمون در غلظت‌‌های بسیار بالا مانع رشد می­شود.

جوانه‌‌های جانبی شاخه در محل اتصال یا گره ساقه و قاعده برگ تشکیل می‌شوند. با رشد و تشکیل برگ‌های رأس شاخه، مناطق مریستم در گره‌‌ها باقی می‌مانند. رشد در این گره‌‌ها با اکسین تولید شده توسط مریستم رأس ساقه مهار می‌شود که چیرگی رأسی[10] نامیده می‌شود. هر چه گره‌‌ها از مریستم رأس شاخه دورتر باشند، غلظت اکسین کمتر‌ی دریافت می‌کنند و احتمال اینکه رشد جوانه جانبی توسط اکسین مهار شود، کمتر است. علاوه بر این، سیتوکینین‌ها، هورمون‌‌های تولید شده در ریشه هستند که باعث رشد جوانه جانبی می‌شوند. نسبت سیتوکینین و اکسین، تعیین کننده رشد جوانه جانبی است. ژیبرلین‌‌ها دسته دیگری از هورمون‌‌ها هستند که به افزایش رشد ساقه کمک می‌کنند.

طرح سوال مبتنی بر داده:  فرضیه رشد اسیدی

فرضیه رشد اسیدی، بیان می­کند که اکسین، پمپ پروتون (+ H) را تحریک می‌کند. پمپ‌، پروتون‌‌ها را از سلول خارج می‌کند و باعث  افزایش اسیدیته دیواره سلولی می‌شود. این عمل پروتئین اکسپانسین[11] را فعال می­کند. اکسپانسین در شکست و اصلاح اتصالات فیبر‌های سلولزی و پلی‌ساکاریدهایی که سلولز را به هم پیوند می‌دهند، نقش دارد. با ضعیف شدن دیواره سلولی، فشار تورگر[12] از داخل سلول، دیواره را به بیرون هل داده و باعث کشیدگی دیواره و به دنبال آن رشد سلول می‌شود. هنگامی که یک شاخه برای اولین بار ظاهر می‌شود، غلافی محافظ به نام کولئوپتیل[13] دارد.

در یک آزمایش، کلئوپتیل‌‌های جو دوسر را در محلول حاوی IAA خیساندند و سپس pH محلول اطراف کولئوپتیل‌‌ها اندازه­گیری شد.(شکل شماره 5 را مشاهده کنید)

الف) استفاده از محلول IAA روی pH محلول اطراف کولئوپتیل‌‌ها چه تأثیری دارد؟ [3]

ب) زمان را در موقعیتی  که بیشترین تغییر طول کولئوپتیل‌‌ها مشاهده می­شود تخمین بزنید. [1]

ج) رابطه بین pH و تغییر طول را مشخص کنید. [2]

در آزمایشی دیگر، کلئوپتیل‌‌ها در زمان صفر در یک محلول با pH=3 غوطه ور شدند. اولین پیکان در شکل شماره ‌۶، نشان دهنده نقطه انتقال کلئوپتیل‌‌ها به محلول با  pH=7 است. فلش دوم نشان دهنده زمان­هایی است که IAA به آن اضافه شده است.

 

د) اثر pH=3 و pH=7  روی افزایش طول را با یکدیگر مقایسه کنید.

ه) اثر افزودن IAA بر افزایش طول را بیان کنید.

برای آزمایش فرضیه­ی نقش انتقال فعال در مکانیسم عملکرد اکسین، مهار کننده تنفسی (سیانیدپتاسیم‌، [14]KCN) به طور مداوم به گروه تیمار1 و یک مرتبه به گروه تیمار2 اضافه می­شود. در گروه3 (شاهد) از KCN استفاده نشده است.

و) افزودن KCN روی افزایش طول چه تأثیری دارد؟

ز) بر اساس داده‌ها، چگونه می­توان نتیجه گیری کرد که اکسین باعث تحریک انتقال فعال پروتون‌ها به خارج از شاخه شده و باعث افزایش طول می‌شوند؟

حرکت در گیاهان

گیاهان با حرکت به محرک­های محیطی پاسخ می‌دهند.

گیاهان برای کنترل رشد ساقه و ریشه از هورمون‌‌ها استفاده می‌کنند. از این طریق هم سرعت و هم جهت رشد، کنترل می‌شود. جهت رشد ساقه‌‌ها را می‌توان با دو محرک خارجی تحت تأثیر قرار داد: نور و گرانش. ساقه‌‌ها در صورت وجود نور به سمت منبع نور رشد می‌کنند و در غیاب نور به سمت بالا و خلاف جهت گرانش رشد می‌کنند. پاسخ‌های رشد جهت دار به محرک‌های بیرونی، تروپیسم (حرکت در گیاهان) گفته می­شود. رشد به سمت نور، فتوتروپیسم[15] و ​​رشد در پاسخ به نیروی گرانش، گرویتروپیسم[16] نامیده می‌شوند.

تأثیر اکسین بر بیان ژن

اکسین با تغییر الگوی بیان ژن، روی سرعت رشد سلول اثر می‌گذارد.

اولین مرحله در فتوتروپیسم، جذب نور توسط گیرنده‌‌های نوری است. پروتئین‌هایی به نام فتوتروپین­ها[17]‌‌ نقش این گیرنده­های نوری را برعهده دارند. هنگامی که نوری با طول موج مناسب به این گیرنده­ها برخورد می کند و توسط این پروتئین­ها جذب می­شود، باعث می شود تا ساختارشان تغییر ‌کند. این تغییر در ادامه باعث تولید پروتئین­هایی می شود که با اتصال به گیرنده‌‌های درون سلول می­توانند رونویسی ژن‌‌های خاص را کنترل ‌کنند. اگرچه هنوز تحقیقات زیادی در این زمینه نیاز است اما به نظر می‌رسد که این ژن‌های پایین­دستی گیرنده­های فتوتروپیسم، مربوط به گلیکوپروتئین‌هایی با نام  PIN3 هستند که در غشای پلاسمایی سلول‌های ساقه قرار دارند و هورمون اکسین را از سلولی به سلول دیگر منتقل می‌کنند.

 پمپ‌‌های داخل سلولی

پمپ‌‌های خروجی اکسین، شیب غلظت اکسین را در بافت گیاهی تنظیم می­کنند.

موقعیت و نوع پروتئین‌‌های PIN3  که  برای انتقال اکسین به کار می رود  با توجه به موقعیتی از گیاه که نیاز به رشد دارد می توانند تغییر کنند. اگر فتوتروپین‌‌های موجود در نوک ساقه، شدت نور بیشتری در یک طرف ساقه تشخیص دهند، اکسین به صورت جانبی از سمت مورد مواجهه با نور ­بیشتر به سمت تاریک‌تر منتقل می‌شود. غلظت‌‌های بالاتر اکسین در سمت تاریک‌تر ساقه، باعث رشد بیشتر این قسمت می‌شود، بنابراین ساقه به صورت خمیده به سمت منبع نور، بیشتر رشد می‌کند. برگ‌‌های متصل به ساقه، نور بیشتری دریافت می‌کنند و سرعت بیشتری در فتوسنتز دارند.

گرویتروپیسم یا زمین گرایی نیز به اکسین وابسته است. رشد رو به بالای شاخه‌‌ها و رشد رو به پایین ریشه‌‌ها در پاسخ به جاذبه زمین رخ می‌دهد. جاذبه باعث تجمع اندامک‌‌های سلولی موسوم به استاتولیت[18] در قسمت پایین سلول‌‌ها می‌شود. این امر منجر به توزیع پروتئین‌‌های ناقل PIN3 می‌شود که انتقال اکسین را به پایین سلول‌‌ها هدایت می‌کنند. غلظت بالای اکسین باعث مهار افزایش طول سلول‌های ریشه می‌شود، بنابراین سلول‌های بالایی با سرعت بیشتری از سلول‌های پایینی کشیده می‌شوند و باعث خم شدن ریشه به سمت پایین می‌شود. توجه کنید که الگوی اثر اکسین در ریشه بر خلاف الگوی شاخه است. در شاخه، اکسین باعث افزایش رشد طولی می‌شود اما در ریشه اکسین مانع افزایش کشیدگی می­گردد.

فعالیت

آزمایشی طراحی کنید که نشان دهد جوانه‌‌های سیب‌زمینی، گرویتروپیسم مثبت و یا فتوتروپیسم منفی دارند؟ اگر مریستم‌‌های آپیکال از بین بروند، آیا فتوتروپیسم اتفاق می‌افتد یا نه؟

 

 

ریزازدیادی گیاهان

برای ریزازدیادی گیاهان از بافت رأس شاخه، ژل‌‌ آگار و هورمون‌‌های رشد استفاده می­شود.

ریزازدیادی یک روش آزمایشگاهی است که با استفاده از آن تعداد زیادی گیاه یکسان تولید می‌شود. در روش ریزازدیادی از گیاهی که غالباً دارای ویژگی­های مطلوبی است به عنوان منبع (stock)  استفاده می‌شود. موفقیت در روش ریزازدیادی بستگی به توتی‌پوتنسی بافت‌های گیاهی دارد.( به معنی توانایی سلول‌ها در تمایز بخش‌‌های مختلف با عملکرد‌‌های متفاوت)

بافت‌های موجود در گیاه stock، استریل شده و به قطعات موسوم به ریزنمونه تقسیم می‌شوند. در بیشتر آزمایش­ها از بافت‌هایی با کمترین درجه تمایز به عنوان بافت منبع استفاده می‌کنند تا مانند مریستم عمل ‌کنند. این ریزنمونه‌‌ها در محیط رشد استریل شده، که حاوی هورمون‌‌های گیاهی است، قرار می‌گیرند. افزودن  نسبت یکسان اکسین و سیتوکینین به محیط، باعث تشکیل تود‌ه­های تمایز نیافته به نام کالوس[19] می‌شود. اگر محیط رشد حاوی مقدار بیشتری اکسین باشد، تقریباً بیش از ده برابر میزان سیتوکینین، به این ترتیب محیط دارای خواص ریشه­زایی است و ریشه ایجاد می‌شود. اگر نسبت اکسین به سیتوکینین کمتر از 10: 1 باشد، اصطلاحاً محیط  دارای خواص شاخه‌ زایی است و شاخه‌‌ها رشد می‌کنند. پس از رشد ریشه و شاخه‌ها، توده کلون گیاهی کلون به خاک منتقل می­شود.

افزایش تعداد با سرعت بالا با استفاده از ریزازدیادی

از روش ریزازدیادی برای افزایش سریع تعداد سویه‌‌های جدید، تولید سویه‌‌های بدون ویروس و تکثیر ارکیده‌‌ها و سایر گونه‌‌های نادر استفاده می­شود.

مبادله بین المللی گیاهان، خطر انتقال عوامل بیماری‌زا را با خود به همراه دارد. برای تولید سویه‌‌های گیاهی بدون ویروس می‌توان از تکنیک‌‌های ریزازدیادی استفاده کرد. ویروس‌‌ها از طریق بافت آوندی در گیاه جابجا شده و از طریق پلاسمودسمای موجود در داخل گیاه، سلول به سلول منتقل می‌شوند. بنابراین مریستم رأسی اغلب، عاری از ویروس است.

ریزازدیادی را می‌توان در تولید گیاهانی با خصوصیات مطلوب و تولید کپی‌‌های یکسان در تعداد زیاد به کار برد. روند کار نیز بسیار سریعتر بوده و فضای کمتری نسبت به روش‌های سنتی، اشغال می‌کند. به عنوان مثال، این روش در حفاظت از گونه‌هایی مانند ارکیده استفاده می‌شود. غالباً با استفاده از این روش، جمع آوری نمونه­های طبیعی، تولید عمده انواع ارکیده در معرض خطر، کاشت مجدد گونه‌‌های وحشی و همچنین تولید تجاری آن‌ها امکان پذیر می‌شود. علاوه بر این، تکثیر گل ارکیده با بذر بسیار دشوار است. تولید مثل غیرجنسی اغلب موفق­تر است. گیاهچه‌‌های بدست آمده توسط ریزازدیادی را می‌توان در نیتروژن مایع ذخیره کرد – روشی که به آن انجماد جنین می‌گویند. با استفاده از این روش بعد از مدتی  بانک بذر یا بانک جنین درست می­شود.

از بین رفتن زیستگاه گونه‌‌های ارکیده Ophrys lutea  (شکل شماره 13) در جزیره مالت، احتمال جوانه‌زنی پایین و عدم موفقیت کشت با بذر، استفاده از روش ریزازدیادی را به یک هدف برای دانشمندان و کشاورزان تبدیل کرد. تا از این روش جهت تکثیر و حفاظت از خزانه‌ی ژنتیکی ارکیده استفاده کنند.مواد مورد نیاز برای شروع کشت از مزارع در فضای باز جمع آوری شد. هنگامی که روند تولید گیاهچه به اتمام رسید، هدف این بود که دوباره ارکیده را به زیستگاه وحشی برگردانند و همچنین موجودی در معرض انقراض را حفظ کنند.

بهبود درک نقش هورمون‌های گیاهی توسط ژنومیک

پیشرفت در تحقیقات علمی منجر به توسعه و بهبود ابزارهای تجزیه، تحلیل و نتیجه گیری می‌شود؛ پیشرفت در تکنیک‌‌های تحلیلی باعث تشخیص موادی شده­است که درک ما از هورمون‌‌های گیاهی و تأثیر آن‌ها در بیان ژن را افزایش داده­است.

بسیاری از آزمایش‌‌های کلاسیک که توسط داروین[20] و ونت[21] انجام گرفت در مورد عملکرد اکسین بوده که بر اساس مطالعه روی کلئوپتیل‌‌ها انجام شده است. مطالعات ژنومیک مدرن فرصتی را برای درک مکانیسم‌‌ها و مسیر‌ها فراهم نموده که قبلاً امکان پذیر نبود.

چیپ­های ریزآرایه[22]‌‌ها امکان تشخیص بیان ژن را به محققان می‌دهند. اگر ژنی در حال بیان باشد، پس از آزمایش بر روی ریزآرایه، فلورسانس تولید می‌کند. در چنین مطالعاتی، محققان دریافتند كه هفت ژن به میزان بیشتری در سلول‌های پایین تحریک شده توسط گرویتروپیسم و در سمت سایه سلول‌های تحریک شده با فوتوتروپیسم، بیان می‌شوند.

دانشمندان جهت تجزیه و تحلیل بیان ژن از دانش گیاهان مدل استفاده می کند مانند آنالیز بیان ژنArabidopsis thaliana و گونه نسبتاً نزدیک آن Brassica oleracea.  سلول‌های گیاهی براسیکا نسبتاً بزرگ هستند و بنابراین فعالیت سلولی آن­ها به راحتی قابل مشاهده است.

 

 

1] protoderm

[2] procambium

[3] ground meristem

[1] tropism

[2] micropropagation

[3] differentiated

[4] totipotent

[5] apical

[6] cytokinesis

[7] protoderm

[8] procambium

[9] ground meristem

[10] apical dominance

[11] Expansin

[12] Turgor

[13] coleoptiles

[14] Potassium(K) Cyanide (CN)

[15] phototropism

[16] gravitropism.

[17] phototropins

[18] statoliths

[19] callus

[20] Darwin

[21] Went

[22] Microarrays

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید