فتوتروپیسم ریشه

فتوتروپیسم ریشه: چگونگی تاثیر نور و جاذبه بر شکل گیاه
خلاصه: تعامل عوامل تروپیسم می تواند در تعیین شکل نهایی گیاه و ارگانهایش اهمیت زیادی داشته باشد. ما پاسخ های رشد را در ریشه گیاه به عنوان نمونه ای از این تعامل بررسی کردیم. جاذبه نقش برجسته ای در ریشه ریشه و فتوتروپیسم نقش مهمی در جهت رشد کردن اندامهای هوایی گیاه دارد. در نور آبی یا سفید،

ریشه فتوتروپیسم منفی دارد اما نور قرمز باعث فتوتروپیسم مثبت در آن می شود. در گیاه گلدار Arabidopsis پیگمانهای حساس به نور به نام فیتوکروم (PAYA) و فتیتوکروم (phyB)B واسطه پاسخ مثبت ریشه به نور قرمز هستند چون ایجاد جهش ژنی در آنها باعث نقص شدید این پاسخ می شود. فتوتروپیسم منفی نسبت به نور آبی توسط گیرنده های نوری خانواده فتوتروپین اعمال می شود جهش در phyA, phy AB (اما نه در phyB) می تواند مانع این پاسخ به WT شود.

تفاوتهای مشاهده شده در پاسخ های فتوتروییک به علت محدودیت رشد نیست چون میزان رشد در بین انواع جهش ها بررسی شد و تفاوت مهمی با رشد WT ندارد. بنابراین تحقیق مانشان می دهد که سیستم های نور آبی و قرمز درگیاه با عمل متقابل با هم رشد گیاه را تنظیم کرده و فیتوکروم نقش کلیدی در اعمال اثر تحریکات متعدد محیطی دارد.

مقدمه
پاسخ های گیاه به تحریکات محیطی اغلب شامل چند نوع حرکت است. گیاه عمدتا می تواند ۲ نوع حرکت نشان دهد: حرکات تروپیسم و nastic(گرایش) تروپیسم یک رشد جهت دار در پاسخ به یک تحریک است از جمله: فتوتروپیسم در پاسخ به نور و گراویتروپیسم در پاسخ به جاذبه، در حالیکه گرایش پاسخ به تحریکات پیچیده تر است. مثل خمیدگی ، یک حرکت نوسانی. تعامل بین تروپیسم ها و پاسخ های گرایشی می تواند در تعیین رشد نهایی و شکل گیری گیاه بسیار مهم باشد.

درریشه اثر گروائی تروپیسم کاملا مشخص است چون جاذبه مهمترین سیگنال برای رشد و تکامل این اندام است. اما تحقیقات اخیر نشان داده اند که گراوئی تروپیسم با سایر پاسخ های تروپیستی از جنله فتوتروپیسم، هیدروتروپیسم، تیگموتروپیسم وارد عمل شده و شکل نهایی کل ریشه را تعیین می کنند.

بررسی های فتوتروپیسم توسط Funke, Hubert بررسی شده و اخیرا توسط Shimura, Okada که موتاسیونهای فتوتروپیسم ریشه را جدا کرده اند مورد بازبینی قرار گرفته مشخص شد که در این جهش ها گیرنده نور آبی فتوتروپین شکل دارد.

ریشه نسبت به نور آبی و سفید فتوتروپیک منفی است. ولی همین رسپتورهای نوری در ارگانهای هوایی باعث فتوتروپیسم مثبت می شوند. علاوه بر فتوتروپیسم منفی با نور آبی، نور قرمز باعث فتوتروپیسم مثبت در ریشه های اولیه گیاه Arabidpsis می شود پاسخ نوری نسبت به نور قرمز در مقایسه با سایر تروپیسم مثبت ناشی از نور قرمز می تواند در ریشه های فرعی Arabidpsis نیز ظاهر شود. در این مقاله ما فتوتروپیسم های ریشه نسبتاً ضعیف است

اما موتاسیون آن باعث نقص در حساسیت به جاذبه می شود. اثر فتوتروپیسم مثبت نور قرمز و منفی نور آبی را در ریشه های Arabidpsis بررسی می کنیم نتایج مانشان میدهد که فیتوکرومهای جاذب نور قرمز، خصوصا phy B, phy A در هر دو نوع پاسخ فتوتروپیسم در ریشه های Arabidpsis نقش دارند.

مواد و روشها
مواد گیاهی و شرایط کشت:
در این آزمایشات ما از نوع طبیعی Arabidpsis Thaliana از اکوتیپ wassilewskija (ws), Ladsberg erecta (Ler) استفاده کردیم .

جهش های فیتوکروم مورد استفاده عبارت بودند از PhyAb-1, phy B-1 , phyA – ۲۰۱ خصوصیات آنها درمقاله اخیری که توسط Hennig و همکارانش منتشر شده آمده است. جهش starchless مورد استفاده در این تحقیقات دچار نقص در فسفوکوموتاز (pgm) می باشد و توسط (Ruppel) و همکارانش توضیح داده شده.

سطح بذرها استریل شده و در محیط کشتی با خصوصیات زیر که توسط kiss وهمکارانش پیشنهاد شده کاشته شد:
نمکهای Murashig-skoog نمیه قوی با(w/v) 1% سوکروز و MES یک میلی موم (PH=5/5) در ۲/۱% (W/V) آگار بذرها در نور سفید ۷۰-۹۰ Mmolm -2 s -1 جوانه زدند و زمانی که طول ریشه به حدود ۱cm رسید وارد آزمایش شدند.
منابع نوری و سیتسم فیربگ کامیپوتری مورد استفاه در آزمایشات فتوتروپیسم: در بعضی از این آزمایشات نور آبی و قرمز از عبور دادن نور سفید از حبابهای فلورسنت و با استفاده از فیلترهای شیشه ای مشبک بدست آمد حداکثر طول موج عبور از فیلترهای آبی ۴۹۰nm و برای فیلتر قرمز ۶۳۰ nm بود. در هر دو فیلتر میزان تغییر ۱۲-۱۴M mol m -2 s -1 است.

در آزمایشات فتوتروپیسم که با سیستم فیدبک انجام می شوند. دیود منتشر کننده نور قرمز (LED) 660nm و نور آبی در ۴۶۸ nm LED بکار می رود. بذرهای جوانه زده طوری جابجا شدند که نوک ریشه آنها د رمرکز ظرف کشت قرار گیرد.

پس از ۱۲-۱۵ ساعت دوره تعادل، ظرف حاوی بذر بطور عمودی در تاریکی قرار داده می شود و آن با سیستم تصویر برداری دیجیتالی که توسط mullen و همکارانش معرفی شده بررسی می شود.

با استفاه از نور مادورن قرمز (۹۴۰ mm LED) و یک دوربین CCD مجهز به کامپیوتر PC از ریشه ها تصویر برداری شد. علاوه بر این یک سیستم کامپیوتری فیدبک برای ایجاد و حفظ زاویه صحیح نوک ریشه نسبت به خط عمود، در مدتی که نور قرمز یا آبی به طور یکطرفه آن را تحریک می کردند، مورد استفاده قرار گرفت.

اندازه گیری انحنا و آنالیزهای آماری: در آزمایشات فتوتروپیسم، ریشه هایی که به طرف منبع نور رشد می کردند زاویه مثبت و آنها که در خلاف جهت نور رشد می کردند زاویه منفی در نظر گرفته شدند. انحنای ریشه بر اساس تغییر زاویه از نقطه شروع تعیین می شد.

اهمیت آماری با استفاده از تست یک طرفه (p<0/05) ANPOVA تعیین می شد و در صورت لزوم توسط (P<0/05) Dunnett’s post,Test پیشگیری می شد جائیکه معیارهای تست ANOVA مناسب نبودند، یک تست ANOVA با روش (P<0/05) Dunn برای مقایسه های متعدد مورد استفاده قرار می گرفت. جزئیات اضافی در مورد عکس گرفتن و کل فرآیند توسط Kiss و همکارانش ارائه شده.

نتایج
آزمایشاتی که با تابش پایدار نور یک طرفه به دانه Arabidopsis انجام شد، نشان داد که نور قرمز و آبی اثر معکوسی بر جهت رشد ریشه دارند(شکل ۱) ریشه دانه هایی که حاوی جهش starchless pgm بودند که دچار نقص ر گراوئی تروپیسم می باشند.

رشدشان با نور یک طرفه تفاوتهایی را از نظر جهت رشد ریشه نشان می داد بطوریکه ریشه به طرف نور قرمز رشد می کرد و از منبع نور آبی دور می شد.

همانطور که Hangarter نیز گفته است، جوانه های اولیه (هیپوکوتیل) به طرف نور آبی رشد کرده و در مقابل نور قرمز جهت خود را تغییر می دهند. این مشاهدات نشان می دهد که ریشه نسبت به نور آبی فتوتروپیسم منفی و نسبت به قرمز فتوتروپیسم مثبت داد.

منحنی های مربوط به پاسخ سرعت تغییر برای pgm, wt نشان می دهد که پاسخ فتوتروپیک در از آشکار شده و در به حد اشباع می رسد(شکل ۲() همانطور که قبلا نیز گفته شده فتورتروپیسم مثبت در جهش pgm درمقایسه با wt قوی تر است.

بالاتربودن پاسخ فتوتروپیک در جهش pgm در سرعت تغییرات بالاتر مشهودند است. واضح است که پاسخ نوری در ریشه نسبتا ضعیف تر از پاسخ نسبت به جاذبه است بنابراین در راستای تلاش جهت جداکردن پاسخ های فتوتروپیسم از سایر پاسخ ها ما از یک تکنیک نسبتا جدید برای بررسی پاسخ های تروپیستی استفاده کردیم که شامل استفاده از یک سیستم فیدبک برای چرخاند دانه بطوری است که نوک ریشه همیشه زاویه خاصی را حفظ کند.

در این تحقیق ما زاویه صفر درجه سانتی گراد۰عمود) را انتخاب کردیم. این باعث می شد که بتوانیم فتوتروپیسم را جدا از پیچیدگی های ناشی از تحریکات جاذبه ای بررسی کنیم.

تحت این شرایط ریشه فتوتروپیسم مثبت قوی نسبت به نور قرمز نشان می دهد(شکل ۳) علاوه بر این پاسخ بدست آمده با سیستم فیدبک در مقایسه با نتایج بدست آمده از شرایطی که ریشه اجباری در حفظ زاویه نداشت،

بسیار برجسته تر و جالب تر بود(شکل ۲) پس از یک دوره نهفته ۲-۱ ساعت، ریشه به تحریک با نور قرمز پاسخ داد و به مدت چند ساعت شروع به خمیدگی کرد و پس از رسیدن انحنا به حد تقریبا ۳۰ درجه سانتی گراد به فاز کفه ای رسید(شکل ۳) بیشترین پاسخ به نور قرمز در گیاهان با واسطه پیگمانهای گیرنده های نوری فیتوکروم اعمال می شود.

بنابراین ما می خواستیم ثابت کنیم که آیا فیتوکروم در این پاسخ نوری نقش داردو اگر دارد کدامیک از ۵ عضو ریشه در گیاهان گلدار است در نور آبی یا سفید ریشه فتوتروپیسم منفی نشان می دهد اما نور قرمز باعث پاسخ فتوتروپیسم مثبت می شود. در این مقاله گفتیم که سیتستم فیدبک کامپیوتری که توسط mullen معرفی شده برای بررسی فتوتروپیسم ریشه مفید است چون بطور مشخصی نشان می دهد که پاسخ فتوتروپیک در نور آبی و قرمز افزایش می یابد.

ما دریافتیم که پاسخ فتوتروپیک مثبت در سرعت تغییر(fluence rate) 0/1 آغاز شده و تا ۱۰۰ ادامه می یابد. (شکل ۲) fleuence rate تا حد ۱۰ دیده می شود (شکل ۲) بدون هیچ تناقص یا اثر معکوسی بر انحنا غیر از جهت متفاوت فتوتروپیسم مثبت ناشی ازنور قرمز و وابسته به fleuence rate مشابه به فتوتروپیسم منفی ناشی از نور آبی در ریشه گیاه Arabidopsis است و این در گزارش sakai و همکارانش که حداکثر انحنا را در محدوده گزارش کردند نیز آمده است.

ما نسبت قدرت پاسخ های تروپیستی ریشه را بدین صورت ارزیابی کردیم: گروائی تروپیسم > فتوتروپیسمی منفی (نور آبی) > فتوتروپیسم مثبت (نور قرمز) علت اینکه فتوتروپیسم ریشه به مدت چندین دهه مورد مطالعه قرار نگرفته این است که پاسخ ریشه به جاذبه بیشتر از پاسخ فتوتروپیک آن بوده است.

یکی از شاخص های نشان دهنده قدرت تروپیسم ریشه، محاسبه طول دوران نهفته قبل از شروع پاسخ به تحریک است. این دوره های نهفته را می توان با سیستم فیدبک mulken ارزیابی کرد. با استفاده از این روش دوره نهفته برای نور قرمز ۲-۱ ساعت (شکل ۳و ۵) و برای نور آبی ۴۰-۳۰ دقیقه بود(در گیاه Arabidopsis) دوره نهفته گراوی تروپیسم برای همین گیاه ۱۰ دقیقه بود و واضح است که گروائی تروپیسم همانطور که پارامترها نشان می دهد

قوی ترین عامل تروپیسم در ریشه است. مثلا منحنی ناشی از گروائی تروپیسم که توسط سیستم فیدبک اندازه گیری شده تقریبا همیشه حالت خطی دارد و به سطح تعادل و کفه ای نمی رسد در حالیکه پاسخ به نور قرمز و آبی پس از یک افزایش خطی به حال کفه ای می رسد.

نقش فیتوکروم در فتوتروپیسم ریشه
نتایج ما نشان می دهد که فیتورکروم در هر دو فتوتروپیسم مثبت و منفی در گیاه Arabidopsis نقش دارد. اولا phy B, phy A واسطه های پاسخ به نور قرمز هستند چون جهش منفرد (و جهش دوبل phy AB ) این پاسخ را به شدت مختل می کند. ثانیا در فتوتروپیسم منفی نورآبی phy) B, phyAB ولی نه (phyB از نظر پاسخ نسبت به wt مهار می شود. (

شکل ۶) به علاوه در تحقیقات اخیر که در گروائی تروپیسم ریشه phy AB و phyB (و نه phy A) از نظر پاسخ نسبت به مهار WT می شود. چون هر دو نوع جهش منفرد و دوبل باعث اشکال در فتوتروپیسم نور قرمز می شوند. به این نتیجه می رسیم که فتوتروپیسم مثبت نور مرکز مستقیما توسط فیتورکروم تنظیم می شود در حالیکه درگروائی تروپیسم و فتوتروپیسم نور آبی فیتوکروم ها ممکن نقش بیش از اثر تنظیمی داشته باشد.

در همه این موارد اختلاف مشاهده شده در پاسخ های تروپیستی، به علت محدودیتهای رشدی نیست چون میزان رشد در بین جهش های مورد آزمایش با نوع طبیعی (WT) تفاوت چندانی نداشت. چندین تحقیق نشان داده اند که فیتوکرومها در تنظیم پاسخ های فتوتروپیستی در جوانه اولیه نقش دارند و نتیجه این تحقیق نیز این را تایید می کند. مثلا Janoudi وهمکارانش گزارش کردند که phy B, phy A برای بروز طبیعی فتوتروپیسم وجود دارد. Parks و همکارانش نشان دادند که phy A اثر فتوترونیک نور قرمز را در جوانه اولیه افزایش می دهد.

علاوه بر اثر مستقیم بر فتوتروپیسم مثبت نور قرمز و اثر تنظیمی در فتوتروپیسم نور آبی، phy B, phy A در گراوئی تروپیسم هم نقش دارند مثلا کاهش گراوئی تروپیسم منفی ناشی از نور، بطور همزمان توط این دو عضوخانواده فیتوکروم کنترل می شود. در حمایت از این نتایج، سایر محققین نیز گزارش کرند که عمل phy B, phy A در تکامل دانه در برابر نور، متوقف کردن گراوئی تروپیسم منفی است تا تحریکات فتوتروپیک بتوانند جهت رشد را تعیین کنند.

کاملاً بدیهی است که سیستم سیگنال نور آبی و قرمز با یکدیگر تعامل دارند و همچنین با سیستم جاذبه ای در ریشه فیتوکرومها در ۳ تای این سیستم ها را تنظیم می کنند اما ترکیب متفاوتی از فیتوکرومها هر یک از این پاسخ ها را تنظیم می کنند. این تفاوتها می تواند باعث تنظیم متفاوت مسیرهای عبور شینال شودو ممکن است در کنترل اثر تحریکات محیطی با اهمیت باشد.

استفاده از میکروگراویتی برای بررسی فتوتروپیسم ریشه:
به منظرو بررسی بیشتر از تعامل پیچیده در بین پاسخ های تروپیستی، ما تحقیقات را طوری برنامه ریزی کردیم که تحریکات جاذبه ای را حذف می کنیم و در طی آزمایش یک شرایط میکروگراویتی وجود داشته باشد.

ما داریم یک تحقیق بین المللی در ایستگاه فضایی ISS را طراحی می کنیم و سیستم کشاورزی (Emcs) Europear Modular از ریشه گیاه Arabidopsis استفاده خواهد کرد. Emcs یک انکوباتور با کنترل اتمسفر دارد و انواع LED’S و یک سیستم دوربین ویدئوئی قابل حمل با قابلیت بالای ثبت جزئیات که ما برای این پروژه نیاز داریم .

سیستم کامل روی یک پالت سانترویفوژ متغیر قرار دارد بطوریکه کنترل inflight 1-g قابل اجرات و واسطه levels نیز می تواند انتخاب شود. یک مزیت مهم Emcs این است که سیستم اتومات است چون دسترسی به خدمه در طول فاز اول ISS محدود است. ما در حال حاضر برای طراحی یک سخت افزار آزمایشی منحصر بفرد که در مطالعات فتوتروپیسم EmCS لازم است.