تحقیق در مورد سیستم های دفاعی گیاهان در مقابل عوامل بیماری زا و گیاهخوار

سیستم های دفاعی گیاهان در مقابل عوامل بیماری زا و گیاهخوار
گیا هان طیف وسیعی ازترکیبات شیمیایی را که ظاهراً نقش مستقیمی در رشد ونمو گیاه ندارند،تولید می کنند. این ترکیبات،محصولات ثانویه نامیده می شوند. دانشمندان اخیراً موفق به درک نقش این مواد در گیاهان شده اند.این طور به نظر می رسد که محصولات ثانویه ،اساساً به عنوان ترکیبات دفاعی بر ضدگیاهخواران و پاتوژن ها عمل می کنند.سه گروه اصلی محصولات ثانویه بر اساس ویژگی های بیوسنتزی
عبارتند از :ترپن ها،ترکیبات فنولی و ترکیبات ازت دار
ترپن ها:
ترپن ها از واحدهای پنج کربنی حاصل از مسیر موالونیک ساخته می شوند.شکل (1-1) بسیاری از ترپن ها ی گیاهی سمی بوده ومانع تغذیه ی گیاهخواران می باشد.
انواع ترپن ها شامل: مونوترپن ها، سزکویی ترپن ها، دی ترپن ها، تری ترپن ها و پلی ترپن ها است.
ترپن ها بر اساس تعداد واحد های 5کربنه ای که دارند طبقه بندی می شوند،ترپن های ده کربنه که شامل دو واحدC5اند ،مونوترپن و ترپن های 15کربنی (دارای سه واحد(C5سزکویی ترپن وترپن های 20کربنه (چهار واحد (C5دی ترپن نامیده می شوند.ترپن های طویلتر شامل تری ترپن ها (30کربن)،تترا ترپن ها(40کربن)و پلی ترپنوئید n(C5)کربن می باشد.
مونوترپن ها:
اکثر مونوترپن ها و مشتقات آنها،عوامل سمی مهمی برای حشرات می باشند.برای مثال استر های مونوترپنی (که پیر تروئید نام دارند)موجود در برگها وگلها ی گونه های داوودی Chrysanthemumقدرت حشره کشی بسیار زیاد دارند.پایداری پیر تروئید ها در طبیعت کم بوده و اثرات سمی ناچیزی برپستانداران دارندوبه همین دلیل است که هم پیرتروئید های طبیعی و هم پیرتروئیدهای مصنوعی حشره کشهای تجارتی در سطح جهان اند.در سوزنی برگهایی مانند کاج وصنوبر،تجمع مونوترپن ها در مجرای رزین برگها ،شاخه هاوتنه برای تعدادی حشرات مثل سوسک پوست خوار(که آفت گونه های کاج در سراسر دنیا است) سمی هستند.
سزکویی ترپن ها:

در میان موارد متعدد سزکویی ترپن ها که به عنوان مواد ضد گیاهخواری شناخته شده اند،لاکتونها ی سزکویی ترپنی در تارهای غده ای کاسنی مانند آفتابگردان وجود داشته واز طریق یک حلقه ی لاکتونی پنج وجهی ویک استر حلقوی شناسایی شده اند.آزمایشات انجام شده روی سزکویی لاکتونها نشان می دهدکه این ترکیبات برای بسیاری ازحشرات و پستانداران به شدت بازدارنده هستند(پیکمن،1986).از دیگر ترکیبات دفاعی که از سزکویی ترپن ها منشا می گیرد،گوسیپول است. گوسیپول یک دیمرسزکویی ترپن حلقوی است(شکل 2-1) که در پنبه وجود دارد.گوسیپول وبقیه ی سزکویی ترپن ها ترکیبات دفاعی مهمی در برابر قارچ ها و باکتری های بیماری زا هستند.
دی ترپن ها
ثابت شده است که اکثر دی ترپن ها مواد سمی و بازدارنده برای گیاهخواران محسوب می شوند.رزین های گیاهی ،ازجمله رزین های موجود در کاج وگونه های خاصی از درختان لگومینوز نواحی حاره اغلب دارای مقادیر قابل توجهی از دی ترپن ها(ماننداسید آبیتیک)هستند(شکل3-1)هنگامی که مجاری رزینی موجود در تنه ی درخت در اثر تغذیه حشرات سوراخ می شود،خروج رزین ممکن است به شکل فیزیکی ،تغذیه را متوقف نموده و به عنوان یک بازدارنده ی شیمیایی ازادامه ی حمله جلوگیری می کند
تری ترپن ها:.
این گروه طیفی از ترکیبات متنوع ساختمانی نظیر استروئیدهارا در بر می گیرد.فیتو اکدیسون ها گروهی از استروئیدهای گیاهی است باساختمان پایه ی مشابه هورمون های پوست انداز حشرات می باشند. مصرف فیتو اکدیسون ها توسط حشرات چرخه ی پوست اندازی آنها رادچار وقفه کرده واز طریق ایجاد اختلال در انداختن اسکلت قدیم و تولید اسکلت جدید ،مرگ آنها را سبب می شود.
ساپونین ها،گلیکوزید های استروئید و تری ترپن هستند که به دلیل خاصیت صابونی به این نام خوانده می شوند.سمیت ساپونین ها احتمالاً به خاطر توانایی انها در تخریب غشا و همولیزه کردن سلول های قرمز خون است.ساپونین موجود در بعضی ازارقام یونجه برای دامها سمی است.
پلی ترپن ها
لاتیسفر ها از انواع پلی ترپن ها است که نقش حفاظتی آنها هم به عنوان مکانیسمی برای التیام جراحات و هم به عنوان مواد دفاعی ضد گیاهخواران و میکرو ارگانیسم هاا ست.
ترکیبات فنولی
این گروه شامل لیگنین،فلانوئیدها و تانن ها میباشند.

لیگنین بخاطر سختی فیزیکی حیوانات را از تغذیه باز داشته ودوام شیمیایی این ترکیب از آن ترکیبی غیر قابل هضم برای گیاهخوران می سازد.لگنینی شدن رشد پاتوژن هارا متوقف کرده واین کار عکس العملی رایج درمقابل آلودگی یا جراحات است.
ایزو فلانوئیدهایی که به عنوان مواد دفاعی ضد قارچ و باکتری عمل می کنند،فیتوالکسین نامیده می شوند وساخت آنها بلافاصله پس از آلودگی عامل بیماری زا صورت می گیرد.
تانن ها در اثر پیوند باپروتئین،پروتئین هارادرداخل رودده ی گیاهخوران به صورت کمپلکس درمی آورند،بنابراین آنزیم های هضمی گیاهخواران راغیر فعال می کنند .تانن های گیاهی همچنین به عنوان مواد دفاعی علیه میکروارگانیسم ها نیز به کار می روند.
ترکیبات ازت دار
این گروه شامل: آلکالوئیدها،گلیکوزیدهای سیانوژنیک و اسید های آمینه ی غیر معمولی اند.
آلکالوئیدها انواع مختلفی دارندواثرات دفاعی آنها نیز متفاوت است.بسیاری از آنهابه گیرنده های عصب پیوند شده و ارتباطات عصبی را متاثر می سازند،بقیه انتقال غشایی،ساخت پروتئین یا فعالیت های متفرقا ی آنزیمی را تحت تاثیر قرار می دهند.

گلیکوزید های سیانوژنیک موجود در بافت های گیاهی در حالت طبیعی سمی نیستند ،اما در صورت صدمه ی گیاهی به سرعت به مواد سمی فرار تجزیه می شوند.نمونه ی آنها گاز سمی سیانید هیدروژناست که درخانواده ی بقولات و گونه هایی از خانواده ی رزبه فراوانی یافت می شود.
بعضی از گیاهان مانند باقلای هندی حاوی اسید های آمینه ی غیر معمولی اند که از اجزای پروتئین ها نبوده اما به عنوان مواد دفاعی ضد گیاهخواری عمل می کنند. به عنوان مثال کاناوانین آنالوگ آرژنین بوده و اسید آزتیدین 2-کربوکسیلات تشابه ساختمانی بسیار زیادی با پرولین دارد

ترکیبات همه کاره

بعضی از موجودات زنده خصوصاً گیاهان، طیف وسیعی از ترکیبات موسوم به متابولیت های ثانویه را تولید می کنند. در مفهوم کلی، متابولیت های ثانویه ترکیباتی آلی هستند که نقش ضروری در رشد و نمو موجود زنده ندارند. گیاهان برای بیوسنتز این مواد انرژی زیادی را به کار می برند. زمانی که این ترکیبات اثری بر رشد و تمایز گیاه نداشته باشند، قاعدتاً باید منافع دیگری داشته باشند. مطالعه در زمینه وظایف این ترکیبات در گیاهان، یک موضوع جذاب و مهم برای بسیاری از پروژه های تحقیقاتی شده است و نقش اکولوژیکی تعدادی از این ترکیبات مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. با مطالعاتی که تاکنون صورت گرفته است، به نظر می رسد که متابولیت های ثانویه، به عنوان موادی طبیعی، نقش اکولوژیکی مهمی در واکنش های دفاعی گیاهان و همچنین گرده افشانی و انتشار دانه های گیاهان به وسیله حشرات و حیوانات دارند. بعضی از این ترکیبات به عنوان علف کش و حشره کش در صنعت استفاده می شوند در حالی که برخی دیگر کاربرد صنعتی ندارند. دسته بزرگی از متابولیت های ثانویه کاربرد دارویی و پزشکی دارند. ترکیبات دیگری از این گروه نیز نقش مهمی در تغذیه انسان و دام دارند.
● تفاوت های متابولیت های ثانویه با متابولیت های اولیه
سلول ها خصوصاً سلول های گیاهی دو دسته از ترکیبات را تولید می کنند؛ متابولیت های اولیه و متابولیت های ثانویه.
● متابولیت های اولیه
متابولیت های اولیه مستقیماً در رشد و متابولیسم درگیر هستند و شامل کربوهیدرات ها، لیپیدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک می شوند. در گیاهان متابولیت های اولیه طی فرایند فتوسنتز تولید شده و سپس در ساخت ترکیبات سلول نقش آفرینی می کنند. این ترکیبات در حجم زیاد و با ارزش اقتصادی پائین تولید می شوند و عمدتاً به عنوان ماده خام صنعت، موادغذایی و افزودنی ها کاربرد دارند. روغن های گیاهی، اسیدهای چرب (برای ساخت صابون و شوینده ها) و کربوهیدرات هایی مانند ساکاروز، نشاسته، پکتین و سلولز مثال هایی از متابولیت های اولیه هستند. قیمت این قبیل ترکیبات به طور میانگین دو دلار در هر کیلو بوده و تولید آنها در حجم انبوه امکان پذیر است. البته برخی از متابولیت های اولیه مانند میواینوزیتول و بتاکاروتن گران هستند که علت قیمت بالای آنها، سختی استخراج و تخلیص آنها است.
● متابولیت های ثانویه
متابولیت های ثانویه از بیوسنتز متابولیت های اولیه به دست می آیند و به عنوان ترکیبات فرعی و انتهایی متابولیسم اولیه در نظر گرفته می شوند. همچنین این ترکیبات در فرآیندهای متابولیسمی وارد نمی شوند. مهمترین متابولیت های ثانویه آلکالوئیدها، فنولیک ها، روغن های ضروری، استروئیدها، لیگنین ها، تانن ها و فلاوونوئیدها هستند. متابولیت های ثانویه عمدتاً در گونه ها و خانواده های خاصی از سلسله گیاهان تولید می شوند. این ترکیبات به مقدار کمی در سلول ذخیره شده و عمدتاً در سلول های تخصصی و در مرحله خاصی از چرخه زندگی گیاه تولید می شوند و همین امر استخراج و تخلیص آنها را در مقایسه با متابولیت های اولیه که در تمام سلول ها تولید می شوند، دشوار می کند. گیاهان دارویی از لحاظ میزان متابولیت های ثانویه بسیار غنی هستند و ترکیبات آنها را در انگلیسی Medicinal یا Officinal می نامند. این ترکیبات که از گروه متابولیت های ثانویه هستند، اثرات فیزیولوژیکی عمیقی بر پستانداران دارند و از مهمترین ترکیبات دارویی هستند. از این گیاهان و اثرات فیزیولوژیک ترکیبات موثره آنها به عنوان داروی خوراکی استفاده شده و در نتیجه این ترکیبات، داروهای گیاهی یا داروهای طبیعی نام گرفته اند. استفاده از داروهای با منشاء گیاهی بدون انجام فرآوری خاصی، یعنی استفاده از پودر گیاه یا مواد موثره آن بدون خالص سازی عصاره گیاهی، از قدیم رواج داشته و حتی در حال حاضر و در پزشکی مدرن از طیف وسیعی از داروهای با منشاء گیاهی استفاده می شود. گرچه تعدادی از این داروها به طور مصنوعی برای مصارف ساخته می شوند ولی هنوز بسیاری از آنها از منابع طبیعی به دست می آیند. به محض اینکه اثر فیزیولوژیک یک گیاه دارویی خاص کشف شود، تلاش ها برای یافتن خصوصیات دقیق شیمیایی ماده موثره آن (داروی گیاهی) و در پی آن، یافتن روش تولید شیمیایی این ترکیبات به طور تجارتی صورت می گیرد. برای تعیین خصوصیات شیمیایی و شناسایی یک متابولیت ثانویه، جداسازی آن به صورت کاملاً خالص الزامی و اولین قدم است. روش های جداسازی گوناگون و مراحل آن اکثراً طولانی است. متابولیت های ثانویه به صورت خالص و با نسبت های مشخص در پزشکی استفاده می شوند. البته در کنار خالص سازی مواد موثره گیاهان دارویی، آنها بدون تغییر نیز در سامانه های مختلف تهیه دارو استفاده می شوند. این نکته را نباید فراموش کرد که در کنار متابولیت های ثانویه، تعدادی از متابولیت های اولیه نیز اثرات فیزیولوژیکی قوی دارند. اکثر این ترکیبات پروتئینی بوده و عملکردهای مختلفی دارند. هورمون ها و زهرمارها مثال هایی از پروتئین های با اثرات فیزیولوژیکی قوی هستند. آنتی بیوتیک ها، واکسن ها و تعدادی از پلی ساکاریدها که نقش هورمونی دارند، از جمله متابولیت های اولیه با اثر فیزیولوژیکی قابل ملاحظه هستند.
● مسیرهای تولید متابولیت های ثانویه
اسکلت کربنی متابولیت های ثانویه از کربوهیدرات ها تامین شده و طی فرآیند فتوسنتز ایجاد می شود. متابولیت های اولیه دیگری که در تولید متابولیت های ثانویه نقش دارند، اسیدهای آمینه هستند. استیل کوآنزیم و اسید مِوالونیک نیز نقش مهمی در تولید انواع ترپنوئیدها دارند. مسیر اسید شیکیمیک نیز در تولید لیگنین ها و ایندول آلکالوئیدها نقش آفرینی می کند.
● مهندسی تولید متابولیت های ثانویه در گیاهان
در حال حاضر دستاوردهای زیاد و گوناگونی در مهندسی متابولیک متابولیت های ثانویه به دست آمده است. مسیرهای بیوشیمیایی مختلفی با استفاده از ژن های رمزکننده آنزیم های مهندسی شده و پروتئین های تنظیمی بررسی شده اند. در عین حال از ژن های آنتی سنس نیز برای مسدود کردن مسیرهای بیوشیمیایی و افزایش تولید متابولیت ثانویه خاصی استفاده می شود. متابولیت های ثانویه وظایف مختلفی در طول چرخه زندگی گیاه دارند. از جمله این وظایف انجام نقش ترکیبات واسطه در برهم کنش گیاه و محیط اطرافش و برهم کنش گیاه با حشرات، ریزسازواره ها و حتی گیاهان اطراف است. تولید متابولیت های ثانویه همچنین ممکن است بخشی از سامانه دفاعی گیاه باشد. این ترکیبات در تولیدمثل گیاه نیز نقش دارند که از طریق جذب حشرات گرده افشان این کار را انجام می دهند. متابولیت های ثانویه گیاهی نقش مهمی در ایجاد کیفیت مواد غذایی (رنگ، طعم و بو) مختلف دارند. همچنین رنگ گیاهان زینتی و گلبرگ گل ها که مهمترین خاصیت این دسته از گیاهان است، توسط متابولیت های ثانویه ایجاد می شود. بسیاری از متابولیت های ثانویه نیز برای تولید دارو، رنگ، حشره کش ها، طعم دهنده های غذایی و عطر استفاده می شوند. به دلیل کاربردهای فراوان، متابولیت های ثانویه موضوع جالبی برای تحقیقات اصلاح نباتات از طریق فنون مولکولی و مهندسی ژنتیک محسوب می شوند. در ده سال گذشته تحقیقات چندانی در ارتباط با متابولیت های ثانویه انجام نشده است. مانع بزرگ در انجام این تحقیقات اطلاعات اندک از مسیرهای تولید زیستی متابولیت های ثانویه و برهم کنش آنزیم های درگیر در این مسیر است. همچنین تعداد معدودی از ژن های مربوط به متابولیت های ثانویه در دسترس است. یکی از مسیرهایی که مطالعات بیشتری در سطح ژن های دست اندرکار آن نسبت به دیگر متابولیت های ثانویه انجام شده است، مسیر تولید فلاوونوئیدها و آنتوسیانین ها است. اکثر ژن های درگیر در مسیر تولید آنتوسیانین ها همسانه سازی شده و مطالعات فراوانی در سطح بیوشیمیایی، مولکولی و ژنتیک این دست از متابولیت های ثانویه صورت گرفته است. یکی از مهمترین دلایل مطالعات بیشتر در این زمینه، آسانی بررسی این مواد از روی رنگ گل ها به فنوتیپ قابل غربال گری است. دیگر مسیر تولید متابولیت های ثانویه که در سطح آنزیم های درگیر و مواد واسط مورد مطالعه قرار گرفته است و اهمیت زیادی در داروسازی دارند، ایندول آلکالوئیدها هستند. اما در این مسیر هم ژن های محدودی مشخص شده اند. هدف از مهندسی ژنتیک مسیر یک متابولیت ثانویه، افزایش مقدار یک ماده خاص یا گروهی از ترکیبات و یا حتی کاهش مقدار این ترکیبات است. برای دستیابی به هدف دوم که کاهش میزان تولید یک ماده خاص یا گروهی از مواد ناخواسته است، راه های مختلفی وجود دارد. [این مواد ممکن است ترکیبات سمی در یک محصول گیاهی، مواد مانع خالص سازی یک فرآورده صنعتی یا موادی از این دست باشد.] یکی از این راه ها، مسدود کردن یک مرحله از مسیر تولید متابولیت ثانویه و مختل کردن تولید یا فعالیت آنزیم مربوط به آن مرحله است. این هدف می تواند با کاهش میزان mRNA مسئول تولید این آنزیم، با استفاده از فناوری آنتی سنس، RNAi یا بیان بالای یک آنتی بادی علیه آنزیم مسئول محقق شود. فناوری آنتی سنس به خوبی برای تغییر رنگ گل ها استفاده شده است. راه های دیگر دستیابی به این هدف، تغییر مسیر به سوی مسیرهای موازی یا افزایش کاتابولیسم ماده نهایی است. اما ممکن است هدف از انجام تحقیقات، افزایش تولید یک ترکیب خاص در گیاه بوده یا انتقال ژن های مربوط به مسیر تولید یک متابولیت ثانویه به یک گیاه یا یک ریزسازواره مورد نظر باشد. همچنین ممکن است تولید یک ماده جدید که به صورت طبیعی در گیاهان تولید نشود هدف یک پروژه تولیدی- پژوهشی باشد. در برخی روش ها با تغییر میزان بیان یک یا چند ژن، بر موانع تولید یک ماده غلبه می کنند و در روش های دیگر، با حذف مسیرهای موازی (رقابتی) یا کاهش کاتابولیسم ماده مورد نظر، مقدار آن ماده را در گیاه می افزایند. ایجاد تغییراتی در بیان ژن های تنظیمی که کنترل مسیر تولید زیستی متابولیت های ثانویه را برعهده دارند نیز از جمله روش های افزایش یا کاهش تولید ترکیب مورد نظر است. در ادامه این مطلب برخی از نتایج به دست آمده از بررسی نحوه تولید متابولیت های ثانویه ژن های مسئول و تنظیم بیان ژن های درگیر ارائه می شود.
● فلاوونوئید ها و آنتوسیانین ها
ـ ژن های مسئول بیوسنتز فلاوونوئید ها و آنتوسیانین ها
بیوسنتز فلاوونوئید و آنتوسیانین از اولین مسیر های متابولیت های ثانویه بود که مهندسی ژنتیک آنها صورت گرفت. دلیل این موضوع این بود که مسیر بیوسنتز آنها به خوبی شناخته شده بود و نتایج تغییرات انجام شده به راحتی از روی تغییر رنگ گل ها قابل مشاهده است.
آزمایش های زیادی شامل افزایش بیان ژن های مختلف برای ایجاد رنگ های جدید گل یا تولید ترکیبات جدید در گیاه انجام شده است.
به خاطر خواص آنتی اکسیدانی این ترکیبات افزایش میزان تولید و مقدار آنها در غذا های گیاهی موضوع جالب توجهی برای دانشمندان بوده است. اکثر پژوهش های انجام شده در زمینه بیوسنتز فلاوونوئید ها و آنتوسیانین ها در گیاه گوجه فرنگی صورت گرفته است. مشخص شده است که آنزیمی از گروه آیزومراز به نام CHI از آنزیم های مراحل اولیه مسیر تولید فلاوونوئید نقشی کلیدی در افزایش تولید فلاوونول دارد. افزایش بیان ژن CHI گیاه اطلسی باعث افزایش سطح فلاوونوئید در پوست گوجه فرنگی به میزان ۷۸ برابر می شود همچنین با تولید گیاهان گوجه فرنگی اصلاح ژنتیکی شده، میزان فلاوونوئید آنها بیش از ۲۰ برابر گیاهان شاهد بوده است. این موضوع حاکی از آن است که افزایش تولید ترکیبات مفید برای سلامتی در محصولات حاصل از گوجه فرنگی امکان پذیر است.
بیوسنتز ایزوفلاوون ها که ترکیباتی ضدمیکروبی هستند، بر اثر آلودگی میکروبی در حبوبات القا می شود. افزایش بیان ژن ایزوفلاوون سنتتاز که یک آنزیم سیتوکروم P۴۵۰ است، باعث تولید این ترکیبات در آرابیداپسیس، توتون و ذرت که به طور عادی توانایی تولید این مواد را ندارند، می شود. تولید این ترکیبات در این گیاهان بستگی به در دسترس بودن پیش ماده های مسیر فنیل پروپانوئید دارد. القا یا مهندسی این مسیر می تواند در اصلاح و بهبود سامانه بیوسنتز ایزوفلاوون در گیاهان میزبان مهم باشد.
ـ ژن های تنظیم کننده، تولید فلاوونوئید ها و آنتوسیانین ها
یک روش برای مهندسی بیان ژن های یک مسیر بیوشیمیایی استفاده از عوامل رونویسی خاصی است که ژن های مسیر های بیوشیمیایی متعددی را کنترل می کنند. در دانه ذرت تولید آنتوسیانین توسط ترکیبی از دو عامل رونویسی R و Cl تنظیم می شود. پروتئین های R شباهت زیادی با پروتئین هایی که توسط ژن های مهره داران رمز می شود (ژن c-MYC) دارد در حالی که پروتئین های Cl مشابه محصولات ژن های c-MYB است. القای مسیر تولید فلاوونوئید با افزایش بیان این دو عامل رونویسی R و C۱ در سلول های تمایز نیافته ذرت در محیط کشت صورت می گیرد. در برنج افزایش بیان این دو عامل رونویسی مربوط به گیاه ذرت در کنار یک ژن دیگر باعث فعال شدن مسیر بیوسنتز آنتوسیانین و همچنین افزایش مقاومت گیاه برنج به قارچ ها می شود. در آرابیداپسیس، یک عامل رونویسی از نوع MYB به نام PAP۱ تشخیص داده شده است که افزایش بیان آن باعث تولید رنگدانه های بنفش پررنگ در زمان نمو گیاه می شود. این مثال ها نشان می دهد که می توان با افزایش بیان یک یا چند عامل رونویسی (حتی با استفاده از ژن های بیگانه در گیاه میزبان)، بر این سامانه قدرتمند تنظیمی ژنتیکی در هنگام نمو گیاه، غلبه کرد. عوامل رونویسی گاهی به عنوان مانع ذخیره سازی ترکیبات طبیعی نیز عمل می کند. غیرفعال سازی ژن عامل رونویسی MYB۴ در آرابیداپسیس می تواند باعث افزایش سطح موادی شود که تحمل گیاه را نسبت به تشعشعات اشعه ماوراءبنفش می افزایند. افزایش بیان ژن های تولیدکننده پروتئین FaMYB۱ که از دسته پروتئین های MYB است و از گیاه توت فرنگی به توتون منتقل شده است، باعث کاهش تولید رنگدانه های گل شده و سطح آنتوسیانین و فلاوونول در گیاه توتون پایین می آید. تحلیل این اتفاق اینگونه است که FaMYB۱ در میوه توت فرنگی به عنوان یک مانع در برخی از مراحل مسیر تولید فلاوونوئید عمل می کند.
● آلکالوئیدها
ـ ژن های بیوسنتز ایندول آلکالوئیدها
مسیر ترپنوئید ایندول آلکالوئید موضوع بسیاری از تحقیقات مهندسی ژنتیک بوده است چرا که حدود ۱۵ نوع از ترکیبات این مسیر از نظر صنعتی اهمیت دارند که آلکالوئید ضدتومور وینبلاستین از آن جمله است.
همه این آلکالوئیدها در یک قسمت از مسیر بیوشیمیایی تا تولید ماده واسط استریکتوزیدین مشترک هستند و از این نقطه، مسیر در گونه های مختلف گیاهی تولیدکننده مواد آلکالوئیدی منشعب می شود.
بیشتر مطالعات انجام شده برای تهیه نقشه ژنتیکی بخش اولیه و مشترک مسیر و افزودن میزان بیان ژن های این بخش از مسیر بوده است. هدف از این کارها افزایش فعالیت مسیر تولید آلکالوئیدها است. به طور مثال، ژن های رمزکننده تریپتوفان دِکربوکسیدلاز (TDC) و STR-SS در سلول های گیاه Catharnthus roseus به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. افزایش بیان TDC باعث افزایش ماده حدواسط تریپتامین شده در حالی که به افزایش سطح آلکالوئیدها نمی انجامد اما با حضور STR، افزایش میزان آلکالوئیدها قابل ملاحظه است. با افزودن ماده حدواسط تریپتوفان و ترپنوئیدها به محیط غذایی لاین های سلولی مورد آزمایش، آنها ظرفیت تولید میزان بالایی از آلکالوئیدها را تا حدود یک میلی مول در لیتر بروز دادند. این موضوع به این معنی است که شاخه ترپنوئیدی مسیر بیوسنتز متوقف شده است. مطالعات تکمیلی نشان می دهد که مراحل محدودکننده دیگری نیز وجود دارند که در اینجا از ذکر آنها خودداری می کنیم. TDC و STR در گیاهان دیگری که مواد آلکالوئیدی تولید نمی کنند نیز بیان می شود. تغذیه کشت سلولی سلول های گیاه توتون با سِکولوگانین، باعث تولید استریکتوزیدین شده اما این ماده که یک گلوکو آلکالوئید است، به جای ذخیره در واکوئل برای تولید ایندول آلکالوئید در مراحل بعدی (همانند آنچه در Catharnthus roseus اتفاق می افتد)، به محیط کشت ترشح می شود. این موضوع اهمیت جنبه های فیزیولوژیکی را در تولید زیستی متابولیت های ثانویه نشان می دهد به طوری که نه تنها ژن های رمزکننده آنزیم های درگیر کاتالیز مراحل تولید زیستی در این امر مشارکت دارند بلکه ژن های دیگری نیز از جمله ژن های تنظیم pH و ژن های مربوط به انتقال مواد نیز یک پای قضیه هستند.
ـ ژن های تنظیم کننده تولید ایندول آلکالوئید
دو عامل رونویسی به نام های ORCA۲ و ORCA۳ که در چندین مرحله از مسیر بیوشیمیایی تولید آلکالوئید در Catharnthus roseus نقش تنظیمی دارند، تعیین شده اند.
افزایش بیان ORCA۳ به تنهایی باعث افزایش تولید آلکالوئیدها نمی شود چرا که این عامل رونویسی، ژن G۱۰H را که یک آنزیم سیتوکروم P۴۵۰ موثر در کاتالیز مرحله اول تولید سکولوگانین است، تنظیم نمی کند. اما پس از تغذیه سلول ها با پیش ماده سکولوگانین که همان لوگانین است، تولید آلکالوئیدها تا میزان ۳ برابر افزایش می یابد. هر دو این عوامل تنظیمی (ORCA۲ و ORCA۳) درگیر تولید زیستی ترپنوئید ایندول آلکالوئید بوده گرچه کنترلی بر ژن G۱۰H ندارند. این موضوع نشان می دهد که ژن های دیگری نیز درگیر تنظیم فعالیت این مسیر هستند که می تواند موضوع پژوهش های بعدی در این زمینه باشد.
نتایج تمامی این مطالعات یک پیام مهم را نیز داشت، برای افزایش بیان یک دسته از آنزیم های درگیر در یک مسیر بیوشیمیایی می توان از ژن های تنظیمی استفاده کرد به جای آنکه بیان هر یک از ژن ها را به طور جداگانه افزایش داد.
تنش خشکی گیاهان
تنش به محدوده تغییر فیزیولوژیکی موجود زنده، توسط عوامل برهم زننده تعادل می گویند. استرین به هرگونه تغییر فیزیکی و شیمیایی اطلاق می گردد که به وسیله تنش ایجاد می شود ( Gaspar et al.,2002). اصطلاح تنش با مفاهیم گوناگون آن در این تعریف فیزیولوژیکی به کاربرده می شود و این اصطلاح به عنوان پاسخی برای موقعیت های مختلف آن صدق می کند. قابلیت تغییر عادی سوخت و سازی، به عنوان پاسخ به پایداری در مقابل تغییرات محیطی تلقی می شود که مداوماً در تلاتم بوده و به طور روزانه در چرخه های فصلی قابل پیشبینی هستند. بنابراین، هرگونه انحراف یک عامل از حالت بهینه اش، منتج به تنش نمی شود. تنش امری ناگزیر یا نوسان های شدید غیر قابل پیشگویی تحمیل شده برروی الگوهای سوخت وسازی منظم می باشد که سبب خسارت در اثر بیماری یا نابه هنجاری فیزیولوژیکی می شود. گیاهان با این که، اکثراً در معرض بسیاری از تنش ها، مثل خشکی، دمای پایین، نمک (شوری )، غرفابی، گرما، تنش اکسیدی و سمیت فلرات سنگین قرار می گیرند، اما در طبیعت به رشد خود ادامه می دهند.
خشکی یک اصطلاح هواشناسی است و معمولاً به صورت یک دوره طولانی بدون باران تعریف می شود. عموماً تنش خشکی هنگامی رخ می دهد که آب قابل دسترسی در خاک کاهش یابد و اوضاع جوّی سبب از دست رفتن آب در اثر تعرق یا تبخیر انجام گیرد. تحمل تنش خشکی تقریباً در همه گیاهان مشاهده می شود، اما اندازه آن از گیاهی به گیاه دیگر تفاوت دارد و حتی در داخل گونه های گیاهی نیز فرق دارد. تنش کمبود آب و شوری برای اطمینان از ادامه بهری بردای گیاهان زراعی و تولید مواد غذایی مورد نیاز در گفتگوهای جهانی جای گرفته است (Jaleel et al., 2007b-e, Nakyama et al. 2007 ). اصطلاح کلاسیک گیاه تغییراتی را ایجاد کرده است تا مقیاس انتخاب فیزیولوژیکی با توجه به صرف زمان و تغییر پذیری ژنتیکی موجود زنده به کارگرفته می شود ( Zhu, 2002 ). تحمل تنش های غیر زنده به دلیل ظرافت اثرات متقابل بین عوامل تنش زا و پدیده های مولکولی، زیست شیمیایی، فیزیولوژیکی تحت تاثیر رشدونمو گیاه، خیلی پیچیده و بغرنج می باشد ( Razmjoo et al. 2008 ). پنانسیل بالا تحت تنش خشکی گلوگاه اصلاح گیاهان زراعی است. در بسیاری از حالت ها، پتانسیل عملکرد بالا می تواند به عملکرد در محیط تنش تعدیل یافته، یاری رساند .(Blum, 1996 ) تنش خشکی با کاهش موازنه آب، که درآن روزنه ها بسته شده و مبادله گاز محدودیت یابد، مورد بررسی قرار می گیرد.
خشکی (Desiccation) از دست دادن کامل آب است، به طوری که به تواند موجب ازهم گسیختگی سوخت و سازی و ساختاری سلول و سرانجام توقف واکنش های آنزیمی گردد .( Smirnofs, 1993, Jaleel et al. 2007d ) تنش خشکی به وسیله کاهش محتویات آب، تضعیف پتانسیل آب برگ و نزول فشار تورگر، انسداد روزنه و کاهش بزرگ شدن سلول و رشد آن، بیان شده است ( شکل 1 ). تنش شدید آب می تواند باعث توقف فتوسنتز، بی نظمی سوخت و سازی و سرانجام مرگ گیاه را به دنبال داشته باشد (Jaleel et al. 2008c ).
تنش آب از بزرگ شدن سلول ها بیش تر از تقسیم سلولی جلوگیری می کند و با تاثیر بر فرآیندهای فیزیولوژیکی و زیست شیمیایی مثل فتوسنتز، تنفس، انتقال مجدد، جذب یونی، کربوهیدرات ها، سوخت و ساز مواد اندوخته ای و سازمان یابی رشد، موجب کاهش رشدگیاه می شود ( Jaleel et al., 2008a-e, Farooq et al. 2008b ). در گیاهان، درک بهتر ریخت – تشریحی ( مورفو-آناتومی ) و اساس فیزیولوژیکی تغییرات مقاومت تنش آب، می تواند برای ایجاد ارقام جدید زراعی به منظور دستیابی به تولید بهتر، تحت شرایط تنش آبی مورد استفاده قرارگیرد ( .( nam et al., 2001, martinez et al. 2007واکنش های گیاهان به تنش آبی در سطوح سازمانی گوناگون بستگی به شدت و دوره تنش نیز همانند گونه های گیاهی و مرحله رشد آن، دارای اختلاف معنی داری می باشد (chaves et al., 2004, Zhao et al., 2008 ). درک پاسخ گیاهان به خشکی از اهمیت بسیاری برخوردار است و نیز یک قسمت اساسی ساختار گیاهان زراعی متحمل خشکی را تشکیل می دهد ( Reddy et al., 2004, Zhao et al., 2008 ) .

اثرتنش خشکی برنشانویژگی های ریخت شناختی گیاه
ثابت شده است که تنش خشکی یک عامل محدود کننده با اهمیتی در مرحله اولیه رشد گیاه و استقرار آن باشد. تنش خشکی هم در ارتفاع وهم در رشد گیاه تاثیر می گذارد (Anjum et al., 2003 ). درمیان گیاهان زراعی، برنج به عنوان یک گیاه زراعی غرقابی، احتمالاً از آسیب پذیرترین گیاهان نسبت به سایر گونه ها در مقابل تنش خشکی است ( شکل 2 ). طول ساقه سویا در مواجه با شرایط کمبود آب، کاهش می یابد( Specht et al. 2001). ارتفاع گیاه در تنش کم آبی گیاهچه های مرکبات تا 25 درصد کاهش می یابد. طول ساقه در سیب زمینی، سویا و جعفری به طور معنی داری تحت تاثیر تنش قرار می گیرد.
تنش آبی با پایین آوردن فشار تورگر به مقدار زیادی جلوی انبساط سلولی و رشد آن را می گیرد. تنظیم اسمزی می تواند قابلیت حفظ فشار تورگر را برای ادامه حیات یا برای کمک رساندن به رشد ارزن مرواریدی در شرایط خشکی شدید فراهم سازد. کاهش ارتفاع گیاه با کم شدن اندازه سلول و پیری بیش تر برگ گیاه A. esculentus تحت شرایط تنش آبی همراه شد. توسعه سطح برگ اپتیمم برای فتوسنتز و عملکرد ماده خشک اهمیت به سزایی دارد. اغلب، تنش کم آبی در گونه های زیادی از گیاهان مثل Populus، سویا و در تعدادی از گونه های دیگر، رشد برگ را برعکس سطح برگ کاهش می دهد. اختلاف بین گونه ای در Populus هم بوم، در تعداد کل برگ، سطح کل برگ و بیوماس کل برگ تحت تنش خشکی، معنی دار بوده است. این اثر رشد برگ در گندم حساس تر از ذرت و آفتابگردان بوده است.
تولید سیستم ریشه ای منشعب گیاه تحت تنش در خاک خشک اهمیت زیادی دارد و گونه ها یا واریته های یک گونه در تولید چنین ریشه هایی اختلاف بسیاری با هم دارند. (شکل 3. مثال برنج ). اهمیت ریشه در به دست آوردن آب مورد نیاز گیاه از بلند مدت دانسته شده است. یک سازگان ریشه ای فعّال در مراحل اولیه رشد گیاه و جذب آب از لایه های سطحی خاک در حبوبات باعث شتاب رشد گیاه می شود و برعکس، از راه تبخیر به سادگی افت می کند. توسعه چنین سازگانی در ریشه، جذب آب را تا اندازه ای افزایش داده و با بالا بردن میزان پرولین درگیاه Phoenix dactylifera ( ققنوس ) فشار اسمزی موردنیاز گیاه را ثابت نگه می دارد ( Djibri et al., 2005 ). افزایش رشد ریشه ناشی از تنش آب در آفتابگردان و در گیاه Catharanthus roseus گزارش شده است. وزن خشک ریشه گونه های پرجمعیت تحت تنش متوسط و شدید، کاهشی را نشان می دهد. افزایش نسبت ریشه به قسمت هوایی گیاه در اثر شرایط خشکی به مقدار اسیدآبسزیک ریشه و اندام های هوایی مربوط بود. در گندم و ذرت رشد ریشه در اثر کمبود آب به طور معنی داری کاهش نیافت.
وزن تر و خشک گیاهان بزرگ که تحت شرایط محدودیت آب قرار داشته اند، متناسب بوده است. برعکس آن، درگیاهان زراعی کاهش تولید بیوماس تر و خشک تحت تاثیر تنش آب مشاهده شده است (Frooq et al., 2009 ) . توانمندهای تولیدی گیاه در مواجه با تنش خشکی به طورشدید به فرآیندهای جزءبندی ماده خشک و توزیع بیوماس، بستگی دارد. کاهش بیوماس ناشی از تنش آب تقریبا در همه زادمون های (ژنوتیپ ) آفتابگردان مشاهده می شود. اما، بعضی از زادمون ها تحمل تنش بهتر از سایرین را نشان دارند. تنش کم آبی در وزن خشک شاخ و برگ تاثیر دارد. درحالی که، وزن خشک اندام های هوایی گیاه بیش تر از وزن خشک ریشه کاهش یافت. در سویا، گیاهچه های Poncirus trifoliatae، لوبیا معمولی و Petroselinum crispum در اثر تنش کم آبی مشاهده شد که بیوماس آن ها کاهش می یابد. تحمل تنش ملایم برحسب جرم خشک اندام های هوایی گیاهان در برنج اعلام شده است.
عملکرد و صفات وابسته به آن
بیش تر اوقات، هدف نهایی کشت گیاهان زراعی، عملکرد قابل برداشت آن هاست. گونه های زراعی تحت تنش خشکی، از نظر عملکرد برداشت نهایی باهم تفاوت های معنی دار زیادی دارند ( شکل 4 ). در کشت زود هنگام آفتابگردان، عملکرد آن هم ازنظر تعداد دانه و هم وزن دانه افزایش نشان داده است ( Soriano et al., 2002 ). جداکردن ماده خشک برگ، روندی است که در تعیین عملکرد گیاه جعفری تحت تنش آبی، انجام می شود. تاثیر کمبود آب برشاخص برداشت در گیاه آفتابگردان مطابق اثر متقابل بین زمان و شدت نسبی به فرآیندهایی که اجزاء عملکرد را در بر دارند، پیچیدگی زیادی را حایز بوده است. تنش خشکی، آفتابگردان در مرحله تشکیل جوانه گل، از نظر عملکرد دانه و بیولوژیک تعیین کننده تر از مرحله پرشدن دانه می باشد. در گندم اجزاء عملکرد مثل تعداد دانه در واحد زایشی و اندازه دانه، در تیمار تنش خشکی پیش از گرده افشانی کاهش داشت. در تعدادی از مطالعات مربوط به گیاه ذرت، تنش خشکی به طور وسیعی عملکرد دانه را کاهش داده است، به طوری که، این کاهش عملکرد به مقدار برگ ریزان ناشی از تنش آبی در ابتدای رشد زایشی بستگی داشت. تنش آبی، عملکرد دانه را در سویا کاهش می دهد، که معمولا کم تر از پوسته و بیش تر از دانه در واحد سطح حاصل می شود ( Specht et al., 2001 ).
سویا در تنش آبی، هنگامی که با تیمار شاهد به خوبی آبیاری شده، مقایسه گردید، عملکرد آن خیلی پایین آمد( Specht et al., 2001 ). تنش آبی، قطر داته، وزن 100 فندقه و عملکرد بر هر بوته آفتابگردان را کاهش داد. قطر طبق با وزن تر ریشه و اندام های هوایی دارای همبستگی منفی بود، درحالی که، بین وزن خشک اندام های هوایی و عملکرد فندقه در هر بوته گیاه در شرایط تنش آبی همبستگی مثبتی وجود داشت (Tahir and Mahid, 2001). تنش آبی به مدت بیش تر از 12 روز، در مرحله گلدهی و پرشدن دانه ( در خاک لومی- رسی ) از نظر کاهش عملکرد فندقه در آفتابگردان، عملکرد دانه در لوبیای معمولی و سبز، ذرت و یکی از گونه های جنس جعفری به نام پتروسلینوم کریسپوم، بیش ترین خسارت را دریافت کردند.
تاثیر تنش خشکی در ترکیب شیمیایی رنگیزه های فتوسنتزی
اصولاّ رنگیزه های فتوسنتزی برای گیاهان از نظر برداشت نوری و تولید توان احیایی ارزشمند می باشند. هم کلروفیل a و هم کلروفیل b با خشکی خاک ناسازگار هستند (Frooq et al., 2009 ). از طرف دیگر، کاروتنوئیدها دارای نقش افزایشی بوده و به طور جزئی به پایداری گیاهان در مقابل ناملایمات خشکی کمک می نمایند. دلیل تغییرات کلروفیل ها و کاروتنوئیدها در گیاهان دچار تنش خشکی، به طور خلاصه در ادامه این نوشته شرح داده می شود:
کلروفیل
تنش خشکی تغییراتی را در نسبت کلروفیل a ، b و کاروتنوئیدها تحمیل می کند. کاهش محتویات کلروفیل گیاه زراعی پنبه و کاتارانتوس روزوس در مقابل تنش خشکی نیز گزارش شده است. مقدار کلروفیل در گیاه آفتابگردان و Vaccinium myrtillus در اثر کمبود شدت آب در سطح معنی داری کاهش یافت. سرعت فتوسنتزی برگ گیاهان عالی با کاهش مقدار نسبی آب و پتانسیل آب برگ، کم می شود (Lawlor & Cronic, 2002 ). معهذا، در ادامه این بحث، خشکی هوا از دوراه، بسته شدن روزنه ها و یا بازداری سوخت سازی، در فتوسنتز محدودیت ایجاد می کند. در تنش خشکی، محدودیت روزنه ای و غیر روزنه ای، هردو درکاهش فتوسنتز نقش اصلی را دارند. محدودیت در قتوسنتز در اثر تنش خشکی از راه تضعیف سوخت و سازی، پدیده ای پیچیده تر از محدودیت روزنه ای بوده و در آفتابگردان در اثر کاهش محتویات رنگیزه های فتوسنتزی حادث می گردد. در دولاین Okra در رژیم محدودکننده آب، محتویات کلروفیلb افزایش یافت. درحالی که، کلروفیلa ثابت ماند و تاثیری نکرد. در نتیجه در نسبت کلروفیل a به b در هردو کولتیوار کاهش معنی داری مشاهده گردید.
کاروتنوئیدها
کاروتنوئیدها گروهی از مولکول های بزرگ ایزوپرونوئیدی هستند که در اندامک های فتوسنتزکننده و بسیاری از غیرفتوسنتزکننده ها، سنتز می شوند. کاروتنوئیدها به کاروتن های هیدروکربنی مثل لیکوپن و بتاکاروتن یا زانتوفیل ها تقسیم می شوند که نمونه ای از آن لوتئین است. آسیب اکسیدی تنش خشکی در بافت های گیاهی معمولاّ توسط عمل مربوط به سیستم های ضداکسیدکنندگی آنزیمی و غیر آنزیمی فرونشانده می شود. این ضداکسیدکننده ها شامل کاروتن ها، آسکوربات ها (AA ) آلفا – توکوفرول، گلوتاتیون احیایی (GSH ) و آنزیم هایی شامل سوپر اکسید دیسموتازها، پراکسیدازها (POD )، آسکوربیک پراکسیدازها ( APX )، کاتالاز ( ‍CAT ) پلی فنول اکسیدازها ( PPO ) و گلوتاتیون رداکتاز. کاروتن ها یک بخش کلیدی سیستم دفاعی آنتی اکسیدانی گیاه را تشکیل می دهند. ولی، به تخریب اکسیدکننده ها خیلی حساسند. بتاکاروتن ها در کلروپلاست های همه گیاهان سبز وجود دارند، که به طور اختصاصی به هسته مرکزی کمپلکس های PSI و PSII اتصال دارند ( Havaux, 1998 ). حفاظت از اثرات زیان آور ROS در این مکان برای وظایف کارکردی کلروپلاست ضروری است
دراین جا، بتا-کاروتن، به عنوان یک رنگیزه کمکی به صورت یک آنتی اکسیدان قوی عمل می کند و نقش بی مانندی را در حفاظت فتوشیمیایی و محافظت از آن برعهده دارد ( Havaux, 1998 ). نقش حفاظتی اصلی بتا-کاروتن در بافت فتوسنتزی ممکن است از دفع سگانه کلروفیل ناشی شده باشد که ازتولید اکسیژن اتمی جلوگیری به عمل آورده و از آسیب اکسایشی حاصل از آن حفاظت می کند( Froog et al., 2009 ).
اصلاح سنتز رنگیزه ها
تنش آبی در میان سایر تغییرات، دارای توانایی کاهش دهندگی غلظت کلروفیل ها و کاروتنوئیدهای بافت های گیاهی است که در درجه اول با تولید ROS در تیلاکوئیدها موفق به این کار می شود. در رابطه با مدیریت های اصلاح محتویات رنگیزه ای در تنش آبی، گزارش های اندکی وجود دارد. این گزارش ها نشان می دهند، به کاربردن خارجی براسینولیدها، یونی کونازول ها و متیل جاسمونات، تحمل به خشکی را با افزایش فعالیت SOD، CAT و APX، ABA و محدود کردن مقدار کل کاروتنوئیدها را در ذرت اصلاح می کند (Li et al., 1998 ). درحالی که، متیل جاسمونات سنتز بتاکاروتن را تا سه برابر افزایش و به همان اندازه محتویات کلروفیل را در لایه اپیدرمی، تجزیه می کند (Perez et al., 1993 ). به همین منوال، یک نقش مهم توکوفرول ها و لیپیدهای محلول دارای خاصیت آنتی اکسیدانی در کلروپلاست ها، برای اصلاح محتویات رنگیزه ها تحت شرایط تنش در اندامک های فتوسنتزی توتون پیشنهاد شده است. این اطلاعات دلیل قانع کننده ای مبنی بر القاء سنتز رنگیزه ها یا تغییر بیوسنتز آن ها در جهت افزایش تحمل به خشکی گیاهان بوده است.
نتیجه گیری
تنش خشکی بر میزان رشد، ماده خشک و عملکر قابل برداشت تعدادی از گونه های گیاهی اثر می گذارد. ولی، تحمل هریک از گونه ها در این بازداری به طورقابل توجهی متفاوت است. یک سیستم ریشه ای منشعب با تحمل خشکی در گیرشده و در درجه اول تولید بیوماس بالایی دارد که ناشی از توانایی جذب آب بیش تر و انتقال آن به بخش های بالایی خاک به منظور انجام فتوسنتز می باشد. به اضافه برای عوامل دیگر، تغییرات رنگیزه های فتوسنتزی برای تحمل به خشکی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. از میان دوگروه رنگیزه های فتوسنتزی، در تحمل خشکی شامل: برداشت نوری و حفاظت از آسیب اکسیدی ناشی از اثر خشکی، نقش های متنوعی دارند. بنابراین، محتویات افزایش یافته کاروتنوئیدها برای تحمل تنش خشکی اهمیت به سزایی دارد.