مكانيسم‌هاي مقاومت به غرقاب در گياهان

مقدمه
اغلب يك دوره بارندگي يا آبياري بيش از حد همراه با زهكشي ضعيف خاك، باعث غرقاب شدن خاك مي‌شود. غرقاب شدن به طور گسترده‌اي در خاك‌هاي جهان رخ مي‌دهد كه آسيب جديد به پوشش گياهان طبيعي و گياهان زراعي دارد. در خاك‌هاي غرقاب فضاي مخصوص هوا از آب پر شده و در نتيجه انتشار گازها بين جو و خاك سپهر (ريزوسفر) و ريشه به تاخير مي‌افتد.

اكسيژن محلول توسط ميكروارگانيسم‌ها و تنفس ريشه‌اي از محلول خاك تخليه مي‌شود. تخليه اكسيژن محلول در خاك‌هاي غرقاب بسته به درجه حرارت، فعاليت تنفسي گياهان و ميكروارگانيسم‌ها و نير فراواني و تداوم اشباع بودن خاك منجر به كاهش يا عدم وجود اكسيژن طي چند ساعت الي چند روز مي‌شود. كمبود اكسيژن محدوديت عمده‌اي براي رشد و باروري گياهان است، لذا زنده ماندن گياه در شرايط غرقاب در وهله اول منوط به سازگاري آن با شرايط كمبود اكسيژن است. گياهان مقاوم به غرقاب مكانيسم‌هاي مخلتفي را از جمله توانايي غيرسمي نمودن يون‌هاي احيا شده توسط ريشه، اجتناب از كمبود اكسيژن توسط انتقال داخلي اكسيژن از برگ‌ها به ريشه‌ها و قدرت ثبات متابوليسم، حداقل در سطح فرآيندهاي نگهداري توسط مسيرهاي غيرهوازي بكار مي‌گيرند.

تحقيقات مختلفي در مورد واكنش‌هاي گياه به غرقاب و كمبود اكسيژن از جهت سازگاري‌هاي مولكولي، بيوشيميايي فيزيولوژيكي، آناتوميكي و مورفولوژيكي انجام شده است. مقاومت جامعي نيز در اين مورد ارائه شده است. مهمترين سوال مطرح شده، مكانيسم‌هاي سازگاري گياه به تنش اكسيژن است. اكثر مقالات مربوط به سازگاري در اندام‌هاي هوايي يا گياه كامل است.

سازگاري متابوليكي
پاسخ‌هاي متابوليكي نسبت به كمبود و يا نبود اكسيژن به صورت گسترد‌ه‌اي در بسياري از گونه‌هاي گياهي مطالعه شده است، اما مكانيسم مشترك در مورد مقاومت به اين شرايط نشده است. نظريه‌هاي متعددي در مورد سازگاري متابوليكي ارائه شده است.

اولين فرضيه در مورد تشريح تحمل متابوليكي غرقاب توسط مك منمون و كرافورد (۱۹۷۱) ارائه شده است. آنها چنين مطرح كردند كه مقاومت ريشه‌هاي گياهان مناطق مرطوب به حالت غرقاب به جنبه‌هاي اختصاصي متابوليسم آنها بستگي دارد و نيز مقاومت به غرقاب در يك گياه خاص به قدرت اجتناب آن گياه از تجمع اتانول در مسير گليكوليت وابسته است.

بنابراين حفظ يك سطح بيوسنتز پايين اتانول باعث مقاومت به غرقاب مي‌شود. در ريشه گياهان مقاوم به غرقاب در شرايط كمبود اكسيژن گلوكز بر اساس تخمير الكلي متابوليز مي‌شود و آسيب به گياه در محيط رشد داراي كمبود اكسيژن به دليل خودسميت ناشي از توليدات نهايي تخمير، خصوصاً اتانول است كه در بافت‌هاي گياه در شرايط غيرهوازي تجمع مي‌يابد.

عقيده بر اين است كه در ريشه گياهان مقاومبه غرقاب از تجمع اتانول سمي اجتناب مي‌شود، بدين صورت كه فرآيند تجزيه گلوكز به سميت تشكيل مالات كه داراي سميت كمتري است، سوق مي‌دهد. همچنين اين نظريه مي‌گويد كه سرعت گلكوز در پاسخ به تنش اكسيژن ناشي از توليد اتانل، در گونه‌هاي حساس به غرقاب بيشتر از گياهان مقاوم به غرقاب است.

در گليكوليز چندين آنزيم تخميري مهم از جمله پيروات دي كروبوكسيلاز دي هيدروژناز و الكل دي هيدروژناز دخيل‌اند. الكل ي هيدروژناز (ADH)، آنزيمي است كه در رابطه با محيط غيرهوازي به طور كامل مورد مطالعه قرار گرفته است. در اكثر گياهان، در پاسخ به تنش بي‌هوازي فعاليت ADH افزايش مي‌يابد. ميزان القاي ADH در اندام‌هاي مختلف يك گونه متفاوت است. به طور مثال بر اساس وزن تر، القاي ADH دركولئوپتيل و برگ‌ها بسيار كمتر از نوك ريشه است. اگرچه براي رشد ذرت در هواي معمولي ظاهراً نيازي به فعاليت ADH نيست، ولي

موتانت‌هاي فاقد ADH نشان دادند كه فعاليت ADH براي ادامه بقاي اين گونه طي غرقاب ضروري مي‌باشد. گياهچه‌هاي موتانت ذرت فاقد ADH در شرايط بدون اكسيژن تنها چند ساعت زنده ماندند،در حالي كه گياهچه‌هاي ذرت معمولي در اين شرايط تا سه روز زنده ماندند. گرچه تحقيق بر روي گياه سوروف (Echinochioa phyllopopon) نشان مي‌دهد كه هيچگونه همبستگي بين مقاومت به غرقاب فعاليت يا تعداد ايزوزيم‌هاي ADH وجود ندارد. همچنين هيچگونه همبستگي به فعاليت ADH و سرعت توليد الكل تحت شرايط بدون اكسيژن، در ريشه گزنه (Urtica)‌ وجود ندارد. القاي فعاليت ADH تنها عاملي نيست كه منجر به افزايش زنده ماندن نوك ريشه‌هاي انواع وحشي ذرت مي‌شود.

ممكن است رابطه بين فعاليت ADH و مكان آن در گياه وجود داشته باشد. در گونه‌هاي مقاوم به غرقاب مثل برنج و سوروف در شرايط بدون اكسيژن فعاليت آنزيم ADHدر برگ‌ها بيش از ريشه‌هاست، در حالي كه در گياهان غيرمقاوم به غرقاب مثل ذرت و نخود، فعاليت ADH در ريشه‌ها بيش از برگ‌ها مشاهده شده است. در برنج وحشي فعاليت بيشتر ADH در

ريشه‌ها نسبت به اندام‌هاي هوايي بعد از دو روز غرقاب، نشان مي‌دهد كه اين رابطه در گياهان مقاوم به غرقاب صادق نيست. در گياهچه‌هاي ۵ تا ۲۵ روز سويا، القاي ADH به اندام و بين گياه بستگي دارد. ممكن است فعاليت زيادئ ADH در محيط با كمبود اكسيژن براي جوانه‌زني بذور در گياه برنج وحشي مهم باشد. با اين حال هنوز نقش فيزيولوژيكي فعاليت زياد ADH در ريشه‌ها روشن نيست.
لاكتات دي هيدروژناز (LDH) نيز در ريشه‌ها و بذور چندين گونه در شرايط بي‌هوازي القا مي‌شود. تخمير لاكتاتاغلب در ريشه‌هايي كه در محيط بي‌هوازي‌اند و يا بذور در حال جوانه‌زدن، انجام مي‌شود و عقيده بر اين است كه اين يك نقش موقتي در لاكتات است. فعاليت LDH القا شده، تخمير لاكتات را حمايت مي‌كند و تعادل اكسيداسيون و احيا را بدون از دست دادن كربن ـ كه ناشي از تخمير اتانول است ـ انجام مي‌دهد. القاي فعاليت LDH در ريشه‌ها، كه بدون هيچگونه افزايش در غلظت لاكتات در گياهچه‌هايي كه در معرض كمبود اكسيژن هستند، صورت مي‌گيرد، نشانگر اين است كه مزيت فيزيولوژيكي افزايش فعاليت LDH در بافت ريشه طي يك دوره طولاني كمبود اكسيژن، هنوز ناشناخته باقي مانده است. پيروات دي

كربوكسيلاز (PDC‌)‌ در مراحل حساس داراي متابوليسم بي‌هوازي بوده و دي كربوكسيلاسيون پيروات را تسريع كرده و در CO2 و استالئيد، يعني پيش ماده اتانولرا توليد مي‌كند. در ذرت، در مرحله بي‌هوازي، فعاليت PDC‌ به ۵ تا ۹ برابر مي‌رسد. هرچند هيچگونه رابطه‌اي بين سطح اتانول و القاي ساخت PDC‌ در ذرت و برنج ديده نشده است.

براي ارزيابي اهميت فرآيندهاي گليكوليني در مقاومت به تنش اكسيژن، حداقل لازم است چندين آنزيم مسيرهاي گليكوليني شناخته شوند. يك آزمايش در مورد گندم، اين فرضيه را تقويت مي‌كند كه سرعت بالاي تخمير الكلي يك عامل مهم مقاومت بافت گياه به فقدان اكسيژن است، زيرا ريشه‌هاي گندم به نبود اكسيژن حساس است. در اين ريشه‌ها، سرعت تخمير الكل و بنابراين گليكوليز معمولاً توسط سطح كم PDC, ADH محدود مي‌شود. هنوز ثاب

ت نشده است كه با افزايش ADH يا PDCمهمترين عامل دخيل در افزايش مقاومت به نبود اكسيژن هستند يا خير؟
اين فرضيه كه يك مسير تخميري منجر به تجمع اتانول و متعاقب آن خسارت غرقاب مي‌شود، را زير سوال برده است. شرايط غيرهوازي منجر به توليد اتانول، هم در گونه‌هاي مقاوم به غرقاب مثل برنج و هم گونه‌هاي غيرمقاوم مثل نخود مي‌شود. گونه‌هاي مقاومبه غرقاب حتي مي‌توانند نسبت به گياهان غيرمقاوم، الكل و سرعت گليلوليز بيشتري نسبت داشته باشند. تحقيقات در مورد نخود نشانگر اين است كه به نظر نمي‌رسد محتواي اتانول اثرات معني‌داري در رشد يا زنده ماندن گياه داشته باشد، زيرا ميزان اتانول در شرايط هوازي و

بي‌هوازي در شرايط مشابه با ۱۰۰ برابر غلظت مقادير يافت شده در شيره آوندي گياه نخود غرقاب شده، باعث هيچگونه آسيبي نشده و يا اآسيب اندكي ايجاد نموده است.
از بين رفتن سلول‌هاي گياهي كه در شرايط بي‌هوازي هستند، بر اثر توليد نهايي تخمير نيز در هاله‌اي از شك قرار دارد. ثابت نگهداشتن و يا حتي افزايش تخمير توسط تغذيه گلوكز مي‌تواند زنده ماندن سلول گياهي را در شرايط كمبود اكسيژن تسهيل نمايد. نشان داده شده است كه اگر ريشه‌ها از خارج از محيط گلوكز دريافت كنند، از تخريب فراساختماني آنها

تحت شرايط كمبود اكسيژن مي‌تواند جلوگيري شود، همانطور كه در آزمايشي در مورد ريشه‌هاي برنج، كدو تنبل و نخود و كلئوپتيل و برگ‌هاي برنج اين مورد ديده شد. به نظر مي‌رسد ارتباط بيوشيميايي و آنزيمي بين بيوسنتز اتانول و خسارت ناشي از غرقاب به اندازه ارتباط بين مقدار اتانول موجود و خسارت ناشي از غرقاب غيرمتحمل باشد. از آنجا كه تجمع اتانول زياد است، به نظر مي‌رسد كه پاسخ‌هاي متابوليكي ديگري بايد در ايجاد مقاومت درازمدت به كمبود اكسيژن داراي اهميت باشند.

فرضيه ديگري در مورد تطابق متابوليكي كه توسط ديويس (۱۹۸۰) پيشنهاد شد، سعي دارد نقش لاكتات را به عنوان يك عامل مهم در القاي ساير پروتئين‌هاي دخيل در هنگام تنش كمبود اكسيژن از طريق كاهش pH سلول‌ها در مقاومت كوتاه مدت به غرقاب در برخي گياهان بيان كند. طبق اين فرضيه، علت خسارت وارد آمده به گياه تحت شرايط كمبود اكسيژن،مي‌شود، ولي از آنجا كه pH سيتوپلاسمي كاهش مي‌يابد، از فعاليت LDH ممانعت به عمل آمده، فعاليت PDC افزايش يافته و ساخت اتانول غالبيت مي‌يابد. اين فرضيه اخيراً توسط انجام آزمايش‌هايي با استفاده از روش تشديد مغناطيسي هسته‌اي ۱۲C, 31P2 به اثبات رسيده است. به نظر مي‌رسد طي دوره طولاني بدون اكسيژن، كاهش شديد pH سيتوپلاسمي علامت مرگ سلول نوك ريشه ذرت يا نخود ـ علي‌رغم ادامه تخمير ـ باشد كه نشان مي‌دهد تخمير براي حفظ توليد انرژي براي يك دوره طولاني كافي نيست. اس

يدي بودن سيتوپلاسم شاخصي در عدم تحمل غرقاب در گياهان مي‌باشد و مقاومت به فقدان اكسيژن همبستگي معكوس با مقدار اسيدي بودن سيتوپلاسم دارد.
pH سيتوپلاسم در گياهان توسط اثرات تركيبي بسياري از واكنش‌ها، مثل ترشح لاكتات، تخمير به لاكتات، انتقال H+ كربوكسيلاسيون ـ دي كربوكسيلاسيون و تخمير به آلانين ايجاد مي‌گردد. مطالعات بيشتري براي ارزيابي اهميت تخمير به لاكتات و خروج لاكتات در تنظيم pH سيتوپلاسمي در نوك ريشه‌هاي بي‌هوازي لازم است. مكانيسم‌هاي خسارت سيتوپلاسمي ناشي از كاهش pH ناشناخته مانده است، ولي مطالعات انجام شده با ميكروسكوپ الكتروني نشان داده كه اثرات كمبود اكسيژن باعث تغيير در ساختار نرم سلول‌هاي مريستمي خصوصاً در ميتوكندري، جسم گلژي و كروماتيم مي‌شود. هرچند، تغيير در متابوليسم غيرهوازي از جمله تغييرات pH در بسياري از گونه‌هاي گياهي نشان داده شده است. به نظر

نمي‌رسد كه اين مكانيسم‌ نقش اساسي در زنده ماندن گياه در كمبود طولاني مدت اكسيژن داشته باشد و همچنين در بافت‌هاي مختلف مثلاً در ريشه و بذرها و در گونه‌هاي مختلف مقاوم به غرقاب مثل برنج و سوروف اهميت متفاوتي دارد.
در شرايط طبيعي، غلظت اكسيژن در خاك‌هاي غرقاب پس از چند ساعت يا چند روز، كاهش مي‌يابد، لذا ريشه‌ها يك

دوره كمبود اكسيژن را از فقدان اكسيژن تجربه مي‌نمايند. آزمايش‌هاي انجام شده در ذرت و گندم نشان داد كه قدرت نوك ريشه‌ها در تحمل نبود اكسيژن تجريه مي‌نمايند. آزمايش‌هاي انجام شده در ذرت و گندم نشان داد كه قدرت نوك ريشه‌ها در تحمل نبود اكسيژن به تدريج پس از اولين تجربه كمبود اكسيژن و در طول زمان بهبود مي‌يابد.
مكانيسم‌هاي مسوول تطابق به كمبود اكسيژن در بهبود مقاومت به تنش كمبود اكسيژن به خوبي شناخته نشده است. يك احتمال اين است كه كمبود اكسيژن باعث ايجاد يك مكانيسم انتقال مي‌شود تا لاكتات را از سلول‌هايي كه در معرض فقدان اكسيژن قرار گرفته‌اند، خارج نمايند و از اين طريق اسيدي شدن سيتوپلاسم به تاخير افتد. توضيح بيشتر اين كه سازگار شدن به كمبود اكسيژن مي‌تواند توليد انرژي را بهبود بخش، زيرا آزمايش‌ها نشان مي‌دهدكه نوك ريشه‌هاي سازگاري شده طي نبود دائم اكسيژن، ATP بيشتري نسبت به گياهان غيرسازگار شده توليد مي‌كنند. نوك ريشه‌هاي متصل به گياه سازگار شده نيز داراي ميزان بيشتري فعاليت ADH در طي يك دوره قرار گرفتن در معرض نبرد دائم اكسيژن است. بر اساس بحث فوق، به عوامل ديگري نيز براي شناخت بيشتر خود سميت اتانول و كاهش pH سيتوپلاسمي نياز است. به نظر مي‌رسد كه فرضيه‌هاي فوق فقط براي مقاومت به غرقاب در كوتاه مدت كارآمد هستند، زيرا افزايش فعاليت ADH در ريشه در اثر رسيدن هوا به ريشه متوقف مي‌شود.
سازگاري آناتوميكي و مورفولوژيكي
سازگاري‌هاي آناتوميكي و مورفولوژيكي به غرقاب ممكن است در سازگاري‌هاي درازمدت به اين تنش مهم باشند. گياهان مقاوم به غرقاب خصوصيات ويژه آناتوميكي و مورفولوژيكي مقل تشكيل آئرانشيم (فضاي پر از هواي بين سلولي)‌ در پوست ريشه و توليد ريشه‌هاي نابجا كسب مي‌كنند تا بتوانند در شرايط تنش زنده مانده و اعمال حياتي خود را انجام دهند.
وجود آئرانشيم در ريشه‌ها، مشخصاً در حيات گياهان تحت شرايط غرقاب موثر است و به عنوانيك پاسخ تطابقي به غرقاب مورد توجه قرار گرفته است. لزوم وجود آئرانشيم مي‌تواند از روي چند خصوصيت ريشه‌هاي آئرانشيمي از جمله:
الف) انتقال بيشتر اكسيژن درك شود. در بسياري از گونه‌ها، آئرانشيم‌ها اگر نتوانند تمام نيازهاي اكسيژن ريشه را تامين نمايند، لااقل بخش اعظمي از نيازهاي اكسيژن ريشه و محيط اطراف خاك سپهر تامين مي‌كنند. افزايش منافذ ريشه، انتقال داخلي اكسيژن و رشد اندام‌هاي هوايي را در گياه ترشك (Rumex) به مقدار زيادي افزايش مي‌دهد. اگرچه رابطه نزديكي از جهت وظايف بين رشد اندام‌هاي هوايي و تكامل آئرانشيم مطرح شده است، ولي هنوز تحقيقات كافي بر روي اثرات متقابل بين اين دو پديده انجام نگرفته است.
ب) مشخصه ديگر، ريشه‌هاي داراي آئرانشيم رشد مداوم آنها در شرايط غيرهوازي است. سرعت طويل شدن ريشه‌هايي با منافذ بزرگ، بيشتر از ريشه‌هاي داراي آئرانشيم كمتر است.
ج) وقتي ريشه‌هاي ذرت داراي آئرانشيم به شرايط غيرهوازي منتقل مي‌شوند، داراي محتوي ATP،‌ بار انرژي آدنيلات و نسبت ATP به ADP بيشتري از ريشه‌هاي غيرآرانشيمي خواهند بود.
د) و نهايتاً اين كه در ريشه‌هاي آئرانشيم‌دار علف هرز زلف پير (Senecia) از فعاليت مسير سيتوكروم در اثر انتقال به شرايط غيرهوازي ممانعت نمي‌شود.
در بسياري از گونه‌ها، آئرانشيم در ريشه‌ها تحت شرايط كمبود اكسيژن تشكيل مي‌شود. مقدار آئرانشيم ريشه‌ها در گونه‌هاي مختلف در ژنوتيپ‌هاي يك گونه متفاوت است. در گياهان مناطق مرطوب آئرانشيم به ميزان زياد تشكيل مي‌شود. آئرانشيم‌ها در بسياري از گونه‌هاي علفي مناطق غيرمرطوب از جمله گندم و ذرت نيز ديده شده است. هوانگ و همكاران

(۱۹۹۴٫۱۹۹۵ ) چند نوع گندم را مورد مطالعه قرار داده و دريافتند كه ارقام مقاوم به غرقاب دارا ي آئرانشيم بيشتري از ارقام حساس به غرقاب در شرايط غرقابي محيط ريشه‌اند. از ۹۱ گونه گياهي كه توسط جاستين و آرمسترانگ (۱۹۸۷) مورد مطالعه قرار گرفت، ميزان آئرانشيم‌ها با مقاومت به غرقاب همبستگي داشت. توپا و مك لئود (۱۹۸۶) نيز ابراز نمودند كه مقاومت به غرقاب در كاج (Pinus serotina) با تشكيل آئرانشيم‌‌ها همبستگي مثبت دارد.

مكانيسم‌هايي كه منجر به افزايش منافذ هوا يا ويژگي‌هاي ديگر سازگاري مثل توسعه ريشه‌هاي نابجا در گياهان مقاوم به غرقاب مي‌شود، هنوز كاملاً شناخته نشده‌اند. ريشه‌هاي گياهان مناطق مرطوب مثل برنج در شرايط تهويه نيز تشكيل آئرانشيم مي‌دهند و اين امر نشانگر اين است كه تشكيل آئرانشيم به صورت ژنتيكي كنترل مي‌شود و اين در حالي است كه تشكيل آئرانشيم در گياهان مناطق غيرمرطوب، شديداً تحت تاثير شرايط بيروني خصوصاً كمبود اكسيژن محيط ريشه است.

شواهدي وجود دارد كه فرآيندهاي فيزيولوژيكي در ريشه ذرت در پاسخ به كمبود اكسيژن باعث تجزيه سلول‌ها مي‌شوند. در ذرت افزايش سطح اتانول داخلي در شرايط كمبود اكسيژن موجب القاي شكستن ديواره‌هاي سلول‌هاي پوستي شده و بنابراين آئرانشيم‌ها بر اثر تخريب سلولي تشكيل مي‌شوند. در حقيقت ريشه‌هايي كه در معرض كمبود اكسيژن‌اند، در مقايسه با ريشه‌هاي در معرض تهويه، مقداري بيشتري اتيلن داخلي توليد مي‌كنند كه اين مقدار در ارقام گندم مقاوم به غرقاب بيشتر است (شكل ۱). افزايش غلظت اتيلن داخلي به ميزان حدود ۲۰% شرايط تهويه طبيعي رشد، براي تشكيل آئرانشيم در پوست ريشه‌‌هاي ذرت كافي است.
به علاوه تيمار اتيلن خارجي در ژنوتپ‌هاي مختلف گندم نيز تشكيل آئرانشيم را افزايش داد (شكل ۲).

گاز اتيلن بكار برده شده در محلول كاملاً تهويه شده و حتي در غلظت‌هاي ۱/۰ ميكروليتر در ليتر براي ريشه‌هاي ذرت، منجر به تشكيل آئرانشيم شد. مشابه اين زماني كه پيش ماده اتيلن از ۱-آمينوسكلو پروپان ۱-كربوكسيليك اسيد (ACC) نيز در شرايط تهويه مطلوب بكار برده شد، تشكيل آئرانشيم را تحريك نمود. جلوگيري از توليد اتيلن بوسيله نيترات نقره يا كبالت، موجب عدم تشكيل‌ آئرانشيم شده كه خود گواه ديگري بر اين است كه اتيلن داخلي القاي تشكيل آئرانشيم را در ريشه ذرت كنترل مي‌كند. به نظر مي‌رسد نقش اتيلن در تخريب سلول‌هاي پوستي ريشه برنج وابسته به رقم باشد. به عنوان مثال جكسون و همكاران (۱۹۸۵) هيچگونه اثر ناشي از اتيلن را در يك رقم برنج مشاهده نكردند، در حالي كه جاستين و آرمسترانگ (۱۹۹۱)، در رقم ديگري افزايش اندكي در تشكيل آئرانشيم مشاهده نمودند. در مورد اعمال بيوشيميايي و آنزيمي انجام شده در طي شكستن ديواره سلولي در جريان روند تخريب سلول اطلاعات اندكي در دست است. تشكيل آئرانشيم‌ با جدا شدن سلول‌ها در طي گسترش آنها (شيزوژني) و يا مرگ سلول‌ها و انحلال آنها (ليزي ژني) صورت مي‌پذيرد.