نقش expansin ، پروتئين سست كننده ديواره گياهي در شكل گيري اندامهاي گياهي

خلاصه:
ديواره سلولي، سلولهاي گياهي در حال رشد تشكيل شبكه اي سلولزي از ميكروفيبريلها واقع در ماتريكس پلي ساكاريدي و پروتئيني را مي دهد. ديواره هاي سلولي به سلول گياهي ثبات شكل مي دهند ولي در برابر رشد سلولي انعطاف پذيري خاصي از خود نشان مي دهند.Exapasin نوعي پروتئين سلولي است كه باعث سست شدن ديواره و رشد بهتر سلول مي شود. رشد سلولي از مهمترين عوامل تعيين ميزان طول گياه مي باشد. در اين مقاله به نحوه كنترل رشد سلول از طريق Exapasin مي پردازيم.

مقدمه:
ساختار اندامهاي زايشي گياهي نقش اصلي را در طبقه بندي گياهان Linneeus ايفا مي كند. اين نشان مي دهد كه شكل و اندازه ديگر گياهان به ميزان زيادي بسته به تغييرات شرايط محيطي مي باشد در نور كم گياهان برگهاي كوچك ولي قد بلند با شاخه هاي كم دارند و در نور كافي برگها گسترده مي شوند و ساقه داراي شاخه هاي متعدد مي گردد. اين نوع واكنشهاي فراسلولي معمولاً برگرفته از واكنشهاي درون سلولي در برابر تغييرات محيط مي باشند. انعطاف پذيري زياد در رشد گياهان باعث ايجاد فرصتي براي كنترل رشد براي گياه است.

قدرت تغيير در اندازه و شكل گياه يك نكته مهم در كشاورزي محسوب مي شود. اندازه يك اندام مي تواند تحت تاثير افزايشي اندازه سلول ها و يا افزايش تعداد آنها باشد. در نتيجه افزايش اندازه سلول و تعداد سلولهامي توانند دو عامل كنترل كننده اندازه بافتها به حساب آيند. در اين مقاله بيشتر بر روي چگونگي كنترل رشد بافتها از طريق افزايش اندازه سلول مي پردازيم.

سلولهاي حيواني از طريق افزودن ماده حياتي به خود بزرگ مي شوند ولي سلولهاي گياهي اغلب از طريق وارد كردن آب به واكوئلهاي خودشان اندازه خودشان را افزايش مي دهند كه اين بدون هيچ گونه افزايش در مقدار ماده سيتوپلاسمي صورت مي گيرد.

ورود آب به داخل واكوئلها فشار تورژسانسي بر روي ديواره سلولي وارد مي كند كه باعث ثبات شكل سلولها مي شود. بنابراين سلول گياهي تنها زماني مي تواند افزايش حجم يابد كه ديواره سلولي سست شود. با اينكه ورود آب به داخل سلول و سست شدن ديواره سلولي دو عامل اصلي در رشد سلولهاي گياهي به حساب مي آيند، ولي آندوسيتوز آب نمي تواند يك عامل محدود كننده هم محسوب مي شود زيرا ميزان آب ورودي بسيار زياد است.

به بيان ديگر تغيير در ديواره سلولي نقش اساسي و محوري در افزايش حجم سلولي ايفا مي كند. تلاشهاي انجام شده براي يافتن فاكتورهاي مربوط به گسترش ديواره سلولي به كشف expansin منجر شد. Expansin عمل وارد شدن به داخل ديواره سلولي را همراه با از بين بردن پيوندهاي هيدروژني بين پليمرهاي ديواره انجام مي دهد. مولكولهاي اگزوژن expansin قابليت توسعه سلولي و اندام زايي در گياهان را دارند. نحوه بيان ژنهاي expansin به ميزان زيادي وابسته به رشد اندامها و شكل گيري درست آنها دارد. علاوه بر اين بررسيهاي جديد شامل دستكاري در نحوه بيان ژنهاي expansin نقش expansin در رشد اندامهاي گياهي را به اثبات رسانيده است. اين مقاله به بررسي اين امكان كه رشد اندامها تحت كنترل expansin باشد، مي پردازد.

Expansin
اهميت نقش ديواره سلول گياهي اولين بار توسط Heyn در اوائل دهه ۱۹۳۰ در هلند مورد توجه قرار گرفت. Heyn دريافت كه ساقه هاي تيمار شده با اكسين انعطاف پذيري بيشتري دارند و بررسي هاي بيشتر مشخص كرد كه هورمون رشد گياهي از طريق ايجاد دگرگوني در ساختار ديواره در رشد سلولي دخالت دارد. بعدها در دهه ۱۹۸۰ نشان داده شد كه ديواره سلولهاي ساقه در بافر اسيدي (۶=PH) توسعه و گسترش زيادي مي يابند . اين يافته ها، تائيدي بر نظريه رشد اسيدي بود كه مي گويد رشد سلول هاي گياهي با ميانجيگري اكسين احتياج به اسيدي شدن ديواره سلولي دارد. نكاتي كه Cosgrove در تئوري تاثير اسيد بر توسعه ديواره سلولي بيان گردد. نشان گر معدود ديدگاه هايي در اين پديده بود:
۱) تيمار با گرما يا پروتئاز باعث از بين رفتن ديواره سلولي مي شود.

۲) مقادير بالايي از Q10 ديده شد.
۳) پيوندهاي احياگر –SH قابليت گسترش را بالا مي برند.
موارد فوق قوياً اين فكر را تقويت مي كرد كه در توسعه اسيدي ديواره سلولي از طريق تعدادي واكنش هاي آنزيمي موجود در ديواره سلولي كنترل مي شوند. Cosgrove و همكارانش از هيپوكوتيل خيار، اولين پروتئين ديواره اي را كشف كردند كه قادر به توسعه و رشد ديواره سلولي اين گونه گياهي بود، و آنها نام اين پروتئين را expansin گذاشتند. Expansin در خيار مي تواند بر روي رشد سلول هاي غيرفعال شده از طريق حرارت تاثير بگذارد كه اين نشان دهنده نقش دگرگون كننده expansin مي باشد. محدوده گسترده PH (3 تا ۵) و ديگر خصوصيتها در رشد ديواره، متناسب با نقطه نظرات ارائه شده در نظريه اوليه رشد اسيدي ديواره بود.

قبل از كشف expansin ، آنزيمهاي هيدروليز كننده ديواره سلولي مثل سلولاز و گزيلوگلوكان اندوترانس گليكوزيلاز به عنوان آنزيمهاي سست كننده ديواره سلولي معرفي مي شوند. بهر حال دخالت داشتن واكنشگر هيدروليز كننده در انعطاف پذيري ديواره سلولي و فعاليت آنزيمهاي expansin نمي توانست ثابت شود. پرسش در اين جا بود كه چگونه آنزيمهاي expansin قادر به توسعه ديواره سلول بدون داشتن فعاليتهاي هيدروليز كننده هستند. در يك آزمايش جالب كه به وسيله كاغذ صافي سلولزي انجام شد، نشان داده شد كه expansin از طريق گسستن پيوندهاي هيدروژني باعث رشد ديواره سلولي مي شود.

در آزمايش ديگري كه به بررسي مولكول هدف expansin اختصاص داشت، تمايل بالاي expansin براي ايجاد تغيير در مولكول هاي همي سلولز و سلولز كريستال نشده، پيشنهاد شد. بر اساس اين يافته ها تصور مي شود كه expansin از طريق شكستن پيوندهاي هيدروژني در محل اتصال بين ميكروفيبريلهاي سلولزي و پليمرهاي همي سلولزي ماتريكس باعث رشد ديواره سلولي مي شود.

ژنهاي expansin در تمام شاخه هاي زير سلسله گياهي اعم از نهانزادان آوندي، بازدانگان و قسمت اعظم نهاندانگان شناسايي شده است. بر اساس توالي هاي همولوگ و برخي خصوصيات بيوشيميايي expansin به دو زير خانواده با نامهاي a و B تقسيم مي شود. با اينكه شباهت بين اسيدهاي آمينه دو زير خانواده در حدود ۲۵% مي باشد ولي برخي از توالي هاي باقي مانده كاملاً حفظ شده اند. يك مقايسه ژني بين توالي سلولاز در قارچها و باكتريها اين نتيجه را بدست مي دهد كه مولكول expansin به عنوان كاتاليزور در فعاليت سلولازي و بسياري از توالي هاي آروماتيك (به خصوص انتهاي كربونيل آنها) در پيوندهاي سلولزي شركت مي كند. وظيفه expansin در اين روند كه به نظر مي رسد از نظر بيوشيميايي متفاوت با سلولز باشد در حال بررسي است.

Expansin و رشد اندامها
مكالمات منتشر شده و آزمايشات انجام شده بر روي expansin سلولهاي گياهي نشان داده كه ميزان expansin سلولي در رابطه مستقيم با رشد اندام گياهي است. ميزان تجلي ژنهاي expansin در سلولهاي بافتهاي در حال رشد بسيار بيشتر از بافتهاي تمايز يافته است.

Expansin در خيار، در نواحي در حال رشد هيپوكوتيل بيشتر بيان مي شود. همانند سازي ژن expansin برنج در بافتهاي در حال رشد مثل ريشه، كولئوپتيل و ميانگره ها نسبت به بافتهاي تمايز يافته و بالغ بسيار بيشتر صورت مي گيرد. در ميانگرههاي برنج، ميزان پروتئين و expansin فعال بسيار بيشتر از بافتهاي تمايز يافته مي باشد.
تجلي ژن expansin در فيبر كتان در زمان ازدياد طول فيبر، افزايش قابل توجهي مي يابد.

ژنهاي expansin همچنين تحت تاثير هورمونهاي گياهي و شرايط محيطي مي باشند كه آن هم بر روي رشد گياه تاثير مي گذارد. همانند سازي ژن expansin در برنج آبي (QsEXP4) ، ۳۰ دقيقه بعد از تزريق جيبرلين يا به زير آب رفتن ميانگره، افزايش مي يابد كه اين زمان خيلي كوتاهتر از زمان طويل شدن اندامها در پاسخ به اين عوامل مي باشد. ژن expansin در يك هاگزاي ديگر به نام R.diphyllum نيز تاثير پذير از رطوبت و اتيلن مي باشد. همچنين تجلي ژم expansin در سويا در طي تمايز سلولي تحت تاثير سيتوكينين و تجلي ژن expansin در كاج تحت تاثير اكسين مي باشد. اين امكانات در مورد تجلي ژن اين نتيجه را به ما مي دهد كه از طريق تاثير پذيري هورموني و همچنين محيط اطراف خودش در رشد اندامهاي گياهي دخالت دارد و ژنهاي حياتي آن نيز در طول تكامل حفظ شده اند.

از ديگر يافته هاي شگفت انگيز كه نشان دهنده نقش حياتي expansin مي باشد از طريق فعاليتهاي اگزوژن بر روي expansin خالص سازي شده از مريستم راس ساقه گوجه فرنگي بدست آمد.

Expansin در نظر گرفته شده از بافت مريستمي نه تنها قادر به تغيير كامل در پرايمورديوم مي باشد، بلكه باعث تغيير در فيلوتاكسي (تغيير كامل در مريستم ساقه) نيز مي شود. اين نتايج محققان را به اين فرض نزديك كرد كه expansin احتمالاً فاكتور داخلي است كه قادر به تغيير در پرايمورديوم از طريق باز كردن فضاهاي بين لايه هاي اپيدرمي مريستم ساقه مي باشد. اين نتيجه همچنين ايجاد سوال در مورد مكانيسم اندام زايي در گياهان مي كند، كه چگونه نمو سلولي باعث تغيير در اندام زايي مي شود. Expansin اگزوژن همچنين مي تواند نمو سلولي مثل تنباكو را تحت كنترل داشته باشد.

شواهدي در دست است كه نشان مي دهد expansin همانگونه كه در رشد اندامها دخالت دارد در اندام زايي اوليه نيز دخالت دارد. ژن expansin در گوجه فرنگي و سه ژن expansin در برنج در هنگام پديدار شدن پرايمورديوم برگي مريستم راس ساقه، بيان مي شود. بر اساس آزمايش انجام گرفته توسط Fleming نشان داده شد كه بيان ژن گوجه فرنگي سريعتر از پديدار شدن پرايموردويمهاي برگي، انجام مي گيرد. Expansin برنج در غلظت بالا در ريشه اوليه و ريشه هاي فرعي ديده شده است. پديدار شدن يك اندام جديد وابسته به تقسيم سلولهاي فعال و نمو سلولي است.

Expansin در اين اندامهاي پرايمورديومي مي تواند باعث نمو سريع سلولها شود. Expansin همچنين مي تواند از طريق غيرمستقيم باعث پيشرفت تقسيم سلولي شود. يكي بودن زمان تقسيم سلولي و رسيدن به حداكثر حجم خودش دلالت بر اين دارد كه تقسيم سلولي با اندازه حجم سلول رابطه دارد. Expansin از طريق افزايش حجم سلولي باعث تسريع تقسيم سلولي در بافتهاي پرايمورديومي مي شود. نقش ديگري كه مي توان براي expansin در حين اندام زايي قائل شد، ايجاد تمايز سلولي يا بافتي در هنگام ديواره سازي مي باشد. بيان expansin در Zinnia در هنگام تمايزيابي تراكئيدها (كه شامل طويل شدن سلولها نمي شود) افزايش مي يابد.