ریشه‌های گیاه هنگام رشد، یک «کلید اساسی» را تغییر می‌دهند که نحوه حرکت آب و مواد مغذی را دگرگون می‌کند. این فرآیند ابتدا به صورت یک تبادل آزاد و دوطرفه بین سلول‌ها آغاز می‌شود، اما به مرور به یک جریان یک‌طرفه و رو به داخل تبدیل می‌شود؛ مسیری کارآمد برای رساندن منابع به لوله‌های مرکزی گیاه.
دانشمندان دانشگاه ژنو (UNIGE) این تغییر را در ریشه‌های زنده نقشه‌برداری کرده‌اند و آن را با رفتار پلاسمودسماتا – روزنه‌های میکروسکوپی که سلول‌های مجاور را به هم متصل می‌کنند – مرتبط دانسته‌اند.
این پژوهش به یک برنامه رشدی اشاره دارد که جهت جریان را قفل می‌کند و ممکن است بتوان از آن برای افزایش مقاومت گیاهان در برابر خشکی استفاده کرد.
چرا جهت حرکت مهم است؟
ریشه‌ها مانند یک پیاز، لایه‌لایه هستند:
- سلول‌های اپیدرمی رو به خاک، اولین لایه جذب را انجام می‌دهند.
- مواد جذب‌شده باید از قشر (کورتکس) و اندودرم عبور کنند تا به بافت‌های آوندی در مرکز برسند.
- در بخش مرکزی، آوند چوبی (زایلم) و آوند آبکش (فلوئم) منابع را از طریق شیره گیاهی توزیع می‌کنند.
کارایی این انتقال، تنها به مقدار جذب وابسته نیست، بلکه به قابلیت اطمینان جریان رو به داخل نیز بستگی دارد.
برای دهه‌ها، کتاب‌های درسی پلاسمودسماتا را به‌عنوان کانال‌هایی معرفی می‌کردند که اجازه می‌دهند آب و ترکیبات کوچک از این لایه‌ها عبور کنند. این ایده پذیرفته شده بود، اما شواهد کافی در ریشه‌های زنده و در حال رشد وجود نداشت.
به گفته ماری باربرون، استاد علوم گیاهی در دانشگاه ژنو:
«با اینکه این موضوع سال‌ها آموزش داده شده، هرگز به صورت مستقیم ثابت نشده بود. ما می‌خواستیم این فرضیه را به‌طور تجربی بررسی کنیم.»
اثبات تغییر جریان در ریشه‌ها
پژوهشگران از گیاه آرابیدوپسیس تالیانا (مدل گیاهی شناخته‌شده) و ردیاب‌های فلورسنت استفاده کردند. آن‌ها پروتئین فلورسنت سبز را در بافت‌های خاصی بیان کردند و حرکت سیگنال نوری را در مراحل مختلف رشد بررسی کردند.
- در بخش‌های جوان ریشه (قبل از تکامل کامل سیستم آوندی)، رنگ به صورت آزادانه به دو جهت جریان داشت.
- با بلوغ ریشه‌ها، حرکت به‌طور کامل یک‌طرفه شد: تنها از محیط به سمت مرکز، بدون بازگشت جریان به لایه‌های بیرونی.
به گفته لئا ژاکیه، نویسنده اصلی:
«در ریشه‌های بالغ، انتقال به‌طور کامل یک‌طرفه می‌شود؛ از محیط به سمت آوندهای مرکزی.»
این یافته نشان می‌دهد که رشد ریشه تنها با ایجاد موانع فیزیکی مانند نوار کاسپارین در اندودرم همراه نیست، بلکه شبکه بین‌سلولی نیز بازتنظیم شده و مسیر پلاسمودسماتا به گونه‌ای تنظیم می‌شود که جریان مواد ارزشمند را به سمت داخل هدایت کند.
پلاسمودسماتا: کنترل‌کنندگان ترافیک سلولی
پژوهشگران برای کشف مکانیسم، به دنبال گیاهانی گشتند که همچنان امکان جریان دوطرفه داشتند.
آن‌ها یک جهش‌یافته به نام “سسمی” یافتند که در آن پلاسمودسماتا غیرعادی و بزرگ‌تر بودند. این گشادشدگی باعث شد قاعده «فقط رو به داخل» شکسته شود و رنگ دوباره به بیرون نشت کند.
این نتیجه نشان داد که اندازه منافذ، یک عامل کلیدی در کنترل جهت جریان است.
مقاومت در برابر خشکی در جهش‌یافته‌ها
تحت شرایط عادی، سسمی تغییرات خفیفی در جذب مواد غذایی نشان داد. اما تحت تنش خشکی، تفاوت چشمگیر بود:
- پس از دو هفته بی‌آبی، اکثر گیاهان معمولی رشد خود را از سر نگرفتند.
- بیشتر گیاهان سسمی به‌خوبی بازیابی شدند.
هنوز مشخص نیست که تغییر اندازه منافذ چگونه بهبود عملکرد در خشکی را ایجاد می‌کند، اما این یافته‌ها نشان می‌دهد که درک مکانیزم‌های انتقال بین‌سلولی می‌تواند به تولید محصولاتی کمک کند که مواد مغذی را کارآمدتر جذب کنند یا در برابر کم‌آبی مقاومت بیشتری داشته باشند.
سازگاری گیاهان با شرایط سخت
جهت‌گیری یک مفهوم ساده اما با پیامدهای بزرگ است. اگر ریشه‌های بالغ یک تمایل ذاتی به جریان رو به داخل داشته باشند، پرورش‌دهندگان می‌توانند این تمایل را برای شرایط نامطلوب تغییر دهند.
- تنگ یا گشاد کردن پلاسمودسماتا
- تنظیم تراکم یا میزان باز و بسته بودن آن‌ها
این اقدامات می‌تواند بهینه‌سازی توزیع محدود آب و مواد معدنی را به سمت اندام‌های ضروری امکان‌پذیر کند.
این پژوهش نشان می‌دهد که تغییر از جریان دوطرفه به یک‌طرفه، یک فرآیند فعال و هماهنگ در سطح کل شبکه سلولی است، نه صرفاً نتیجه وجود موانع فیزیکی جدید.
گام‌های بعدی در نوآوری گیاهی
سوالات باز این پژوهش عبارت‌اند از:
- چه عوامل مولکولی اندازه و جهت منافذ را هنگام تمایز سلول تعیین می‌کنند؟
- اندودرم و پلاسمودسماتا چگونه با هم تعامل دارند تا جریان رو به داخل را ایجاد کنند؟
- آیا این تغییر جهت در همه گیاهان رخ می‌دهد و آیا می‌توان بدون کاهش رشد یا عملکرد، آن را دستکاری کرد؟
پاسخ به این سوالات می‌تواند به ابزارهای عملی برای کشاورزی آینده منجر شود. ریشه‌ای که بهتر می‌تواند منابع کمیاب را به داخل هدایت کند، ریشه‌ای است که در برابر خشکی زمان می‌خرد.
منبع: Molecular Plant
