استراتژی های سازگاری با سرما در گیاهان

نقش نوظهور اپی ژنتیک و پروتئین های ضد یخ به منظور مقاوم کردن گیاهان در برابر سرما

استرس ناشی از سرما بر رشد و عملکرد گیاهان، تاثیر منفی دارد. گیاهان تحت تاثیر دمای پایین در نقاط جغرافیایی مختلف رشد می کنند. تنش سرمایی شامل مجموعه ای از تنش های ناشی از سرمازدگی و یخ زدگی می باشد و هر گیاهی نسبت به این فرآیند یک واکنش متفاوت دارد. فرآیند سازگاری با سرما بگونه ای است که باعث می شود گیاه در برابر انجماد مقاوم شود. این فرآیند بستگی به این دارد که گیاه قبلا چقدر در معرض دماهای پایین قرار گرفته و زنده مانده است و چه تغییراتی در سفتی غشای سلولی، ترانسکریپتوم (مجموعه ای از مولکول های آر ان ای پیام رسان)، املاح سازگار، رنگدانه ها و پروتئین های مقاوم در برابر سرما مانند پروتئین های ضد یخ زدگی ایجاد شده است. بعلاوه، مکانیسم های اپی ژنتیکی مانند متیلاسیون دی ان ای، تغییرات هیستون، دینامیک کروماتین و آر ای ان های غیر رمزی، در سازگاری با سرما نقش مهمی دارند. ما در این مقاله در مورد سیگنال دهی و مکانیس های تنظیمی ناشی از سرما صحبت می کنیم. و البته تاکید ما بر روی نقش مکانیسم های اپی ژنتیک و پروتئین های ضد یخ زدگی در تحمل سرما در گیاهان می باشد. و در نهایت در مورد استراتژی های موجود جهت دستکاری ژنتیک گیاهان مقاوم به سرما برای افزایش میزان تحمل آنها می پردازیم.

گیاهان، ارگانیسم های بدون تحرکی هستند که دائما بواسطه دمای شدید، اشعه یو وی، شوری، خشکسالی، سیل، سم مواد معدنی، و حمله بیماری ها دچار تنش می شوند. در این میان، سرما به شدت باعث می شود میزان سیال بودن غشاء، و مقدار توازن میان آب و یون تغییر پیدا کرده، و گونه های فعال اکسیژن تولید شود که پایداری دی ان ای، آر ای ای و پروتئین، و بازده فتوسنتزی را مختل کرده و واکنش های بیوشیمیایی را کاهش می دهد. این تغییرات سلولی و فیزیولوژیکی باعث می شود میزان رشد، نمو و بهره وری کاهش پیدا کرده و توزیع جغرافیایی گیاهان محدود شود. بنابراین، درک واکنش های گیاه و فرآیند سازگاری برای توسعه گیاهان مقاوم به سرما ضروری است چرا که برای تامین مواد غذایی در سطح جهان اهمیت دارد. در دهه های گذشته، برای درک مکانیسم های سازگاری گیاهان با سرما، تلاش های زیادی انجام شده است.

گیاهان در زیستگاه طبیعی خود با دو نوع کم دمایی مواجه می شوند. محدوده دمایی بین صفر تا 15 درجه سانتیگراد که باعث تنش سرمازدگی می شود. و دمای زیر صفر که باعث تنش یخ زدگی می شود. مکانیسم های تطبیقی متمایز به گیاهان کمک می کند تا با این تنش ها مقابله کنند. گیاهان از راهبردهای اجتناب از سرما و تحمل سرما برای مقابله استفاده می کنند. مکانیسم های اجتناب شامل جلوگیری از تشکیل کریستال های یخ درون سلول است که در وحله اول با جنبه های ساختاری گیاه در ارتباط است. با این حال، تحمل سرما شامل تحمل دمای غیر یخبندان نیز می شود که سازگاری با سرما نام دارد؛ مانند موارد قبلی که گیاه در معرض دمای غیرکشنده قرار گرفته است. عادت به سرما عمدتا به تنظیمات ژن و تغییرات متابولیک بستگی دارد که منجر به تغییرات مورفولوژیکی، بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی متفاوت در گیاهان می شود.

با سفت شدن غشای پلاسمایی، گیاه می تواند با سرما سازگار شود. این رویکرد بر غلظت یون و انتقال متابولیت از آپوپلاست، غشاهای درونی و اندامک ها تاثیرگذاشته و بدین ترتیب سیگنال های اخطار سرما فعال می شوند. و در نهایت، ژن های پاسخ دهنده به سرما تنظیم می شوند. ژن های انتقال دهنده سرما باعث تنظیم سنتز املاح سازگار (مانند قندهای محلول و پرولین)، رنگدانه ها، و پروتئین های پاسخ دهنده به سرما از جمله پروتئین های ضدیخ، پروتئین های رشد دیررس و پروتئین های شوک حرارتی، پروتئین های شوک سرما و دهیدرین ها می شوند؛ و در نهایت گیاه می تواند سرما را تحمل کند. بدینگونه دیگر درون سلول ها یخ تشکیل نشده و گیاه نمی میرد. تنظیم ژن ناشی از استرس سرما معمولا به خواص کروماتین و آر ان ای های کوچک بستگی دارد. طی تحقیقات اخیر به این نتیجه رسیده اند که تغییرات هیستون، متیلاسیون دی ای ان و بیوژنر که همانا تنظیم کننده های اپی ژنتیک هستند، تا حدی زیادی در تنظیم ژن گیاه در پاسخ به استرس های ناشی از عوامل فیزیکی محیط مثل سرما نقش دارند. بسیاری از تغییرات اپی ژنتیک در ژنوم پایدار هستند و در حافظه گیاه باقی می مانند تا دفعه بعد به شکل موثرتری با سرما مقابله نماید. در این میان ژن های کلیدی نقش مهمی دارند چرا که اجزای سیگنال دهنده مانند پروتئین کینازها، ناقل یون، آنزیم های بیوشیمیایی/ متابولیک و فاکتورهای کدنویس در رشد گیاه موثر می باشند. با بهره گیری از تکنیک های مهندسی ژنتیک، می توان به یک استراتژی مهم برای عدم سرمازدگی گیاه دست پیدا کرد.

نتیجه گیری:

تحمل سرما و انجماد یک فرآیند چندوجهی است که تنظیمات آن در سطوح سلولی مختلف شکل می گیرد: از غشای پلاسما گرفته تا فرآیندهای بین سلولی شامل ژن ها و متابولیت ها. در نتیجه، استراتژی های متفاوت جهت افزایش میزان مقاومت گیاهان نسبت به سرما به گونه های گیاهی، درجه انعطاف پذیری، فناوری اعمال شده و انتخاب ژن و متابولیت ها بستگی دارد. در دنیای امروزی با توجه به تکامل ابزارهای بیوتکنولوژیکی جدید پیرامون ویرایش دقیق ژن، گیاهان نسبت به سرما بسیار مقاوم تر شده اند.