پژوهشگران مسیر مولکولی باز شدن روزنه‌های برگ در گرمای شدید را شناسایی کرده‌اند؛ سازوکاری که با تبخیر آب به خنک شدن گیاه کمک می‌کند.
- روزنه‌های thale cress در ۳۵ درجه سانتی‌گراد باز شدند و در ۴۲ درجه سانتی‌گراد بازتر شدند.
- پروتئین UBP24 با محافظت از AHA1 در باز ماندن روزنه‌های برگ نقش دارد.
- کاربرد این یافته برای افزایش مقاومت محصولات کشاورزی به گرما هنوز در مزرعه آزمایش نشده است.
سیستم خنک‌کننده گیاهان به آن‌ها اجازه می‌دهد هنگام گرمای شدید، روزنه‌های برگ را باز کنند تا با تبخیر آب دمای برگ کاهش پیدا کند. پژوهشگران در بلژیک اکنون مسیر مولکولی این فرایند را شناسایی کرده‌اند؛ مسیری که جالب‌تر اینکه از همان سیگنالی استفاده می‌کند که هنگام خشکسالی باعث بسته شدن روزنه‌ها می‌شود.
یک گیاه در شرایط خشکسالی روزنه‌های برگ خود را می‌بندد تا جلوی از دست رفتن آب را بگیرد. در موج گرما باید دقیقاً عکس این کار را انجام دهد؛ روزنه‌ها را باز کند تا آب تبخیر شود و برگ خنک بماند.
این پژوهش روی گیاه thale cress، علف هرز کوچکی که در آزمایشگاه‌ها به‌عنوان مدلی برای گیاهان بزرگ‌تر استفاده می‌شود، همچنین مخمر نانوایی انجام شد. گروهی در VIB در Ghent پاسخ گیاه به گرما را به پروتئینی به نام UBP24 و یک برچسب شیمیایی متصل به آن مرتبط کردند.
این برچسب یک گروه فسفات است. اضافه شدن آن باعث می‌شود بار الکتریکی پروتئین اندکی منفی‌تر شود.
روزنه‌های برگ؛ سیستم خنک‌کننده گیاهان در گرما
یک حیوان وقتی بیش از حد گرم می‌شود می‌تواند به سایه برود. گیاه چنین امکانی ندارد، بنابراین به روشی مشابه عرق کردن بدن خود را خنک می‌کند؛ یعنی اجازه می‌دهد آب از سطح آن تبخیر شود.
این آب از طریق روزنه‌های میکروسکوپی موجود در سطح زیرین برگ خارج می‌شود. در کنار هر روزنه دو سلول خمیده قرار دارند. وقتی این سلول‌ها با آب متورم می‌شوند، از یکدیگر فاصله می‌گیرند و روزنه بازتر می‌شود.
گیاهان از همین روزنه‌ها برای دریافت دی‌اکسید کربن نیز استفاده می‌کنند. به همین دلیل، نحوه تنفس گیاهان و شیوه خنک ماندن آن‌ها در واقع دو بخش از یک مسئله هستند.
روزنه‌ها در چه دمایی باز شدند؟
پژوهشگران برای مشاهده واکنش روزنه‌ها، پوست برگ‌های thale cress را جدا کردند و این نوارها را به مدت دو ساعت در تاریکی گرم کردند.
- در دمای ۸۲ درجه فارنهایت، معادل ۲۸ درجه سانتی‌گراد، روزنه‌ها تقریباً حرکتی نداشتند.
- در دمای ۹۵ درجه فارنهایت، معادل ۳۵ درجه سانتی‌گراد، روزنه‌ها باز شدند.
- در دمای ۱۰۸ درجه فارنهایت، معادل ۴۲ درجه سانتی‌گراد، روزنه‌ها حتی بیشتر باز شدند.
گرما به‌تنهایی برای ایجاد این واکنش کافی بود. نور، باد یا خاک نقشی در این آزمایش نداشتند.
پروتئین UBP24 روزنه‌ها را باز نگه می‌دارد
سلول‌ها پروتئین‌های فرسوده را با اتصال یک برچسب کوچک برای نابودی علامت‌گذاری می‌کنند. UBP24 یکی از پروتئین‌هایی است که این برچسب‌ها را جدا می‌کند.
گیاهانی که نسخه فعال UBP24 را نداشتند، در دمای ۱۰۸ درجه فارنهایت تقریباً قادر به باز کردن روزنه‌های خود نبودند. زمانی که پژوهشگران یک نسخه سالم از این ژن را دوباره به گیاه اضافه کردند، باز شدن طبیعی روزنه‌ها نیز بازگشت.
UBP24 از پمپی به نام AHA1 محافظت می‌کند. این پمپ در غشای خارجی سلول‌های خمیده کنار روزنه قرار دارد و ذرات باردار را به بیرون می‌راند. این فرایند نخستین مرحله برای کشیدن آب به داخل سلول‌ها است.
با غیرفعال شدن UBP24، پروتئین AHA1 برچسب‌های بیشتری برای نابودی دریافت کرد، در نتیجه مقدار کمتری از آن باقی ماند.
پژوهشگران سپس AHA1 را به‌گونه‌ای بازسازی کردند که سلول‌ها دیگر نتوانند آن را در پنج نقطه کلیدی برچسب‌گذاری کنند. این نسخه توانست عملکرد روزنه‌ها را در گیاهان فاقد UBP24 بازیابی کند، در حالی که نسخه معمولی AHA1 چنین قابلیتی نداشت.
سیگنال خشکسالی در گرما نقش معکوس پیدا می‌کند
پروتئینی به نام OPEN STOMATA 1 یا OST1، UBP24 را برچسب‌گذاری می‌کند. زیست‌شناسان گیاهی OST1 را به دلیل نقشش در استفاده از هورمون گیاهی ABA برای بستن روزنه‌ها هنگام خشکسالی می‌شناسند.
اما در این پژوهش OST1 دقیقاً نقش معکوس داشت. نویسندگان مطالعه این یافته را در تضاد با نقش پذیرفته‌شده OST1 توصیف کرده‌اند.
هنگام قرار گرفتن گیاه در معرض گرما، سطح ABA در سلول‌های روزنه افزایش پیدا نکرد. گیاهانی که با ماده‌ای شیمیایی برای جلوگیری از تولید ABA تیمار شده بودند همچنان روزنه‌های خود را باز کردند. یک گیاه جهش‌یافته که تقریباً قادر به تولید این هورمون نبود نیز همین واکنش را نشان داد.
در عوض، خانواده‌ای متشکل از هفت پروتئین دیگر OST1 را فعال کردند. وقتی هر هفت پروتئین حذف شدند، روزنه‌ها در گرما تقریباً باز نشدند.
این سازوکار با گیاهان آوندی ظاهر شده است
پژوهشگران در مرحله بعد ژن UBP24 را در ۵۵ گونه، از جلبک‌ها تا گیاهان گل‌دار، با یکدیگر مقایسه کردند. تمرکز آن‌ها روی همان نقطه‌ای بود که برچسب شیمیایی به آن متصل می‌شود.
جگرواش‌ها و برخی خزه‌ها روزنه‌هایی دارند که در جای خود ثابت هستند. در مقابل، گیاهان آوندی که دارای سیستم انتقال داخلی هستند می‌توانند روزنه‌های خود را کنترل کنند.
تقریباً همه گیاهان آوندی در این موقعیت دارای یک اسیدآمینه قابل برچسب‌گذاری هستند. ظهور این ویژگی در درخت تکاملی تقریباً هم‌زمان با پیدایش روزنه‌هایی است که می‌توانند در صورت نیاز باز یا بسته شوند.
یافته‌ای که پژوهشگران را غافلگیر کرد
Ive De Smet که هدایت گروه تحقیقاتی در مرکز VIB-UGent را بر عهده دارد، به Earth.com گفت زمان‌بندی این اتفاق برای پژوهشگران غیرمنتظره بوده است.
او گفت چیزی که آن‌ها را شگفت‌زده کرد، «همبستگی نزدیک با ظهور پویایی روزنه‌ها در گیاهان خشکی‌زی» بود.
مخمر برای مقابله با گرما از سازوکار متفاوتی استفاده می‌کند
مخمر نانوایی روزنه‌ای برای باز کردن ندارد، اما دارای خویشاوند نزدیکی از UBP24 به نام Ubp3 است. در موقعیت معادل، Ubp3 یک اسیدآمینه با بار منفی دائمی دارد. این پروتئین همیشه بار لازم را حمل می‌کند، بنابراین به برچسب اضافی نیاز ندارد.
این اسیدآمینه به‌ندرت تغییر می‌کند. هشت گونه Saccharomyces با ترجیحات دمایی متفاوت همگی این ویژگی را دارند.
در یک آزمایش قبلی نیز مخمرهایی که طی ۶۰۰ نسل از دمای ۷۷ درجه فارنهایت، معادل ۲۵ درجه سانتی‌گراد، به ۱۰۴ درجه فارنهایت، معادل ۴۰ درجه سانتی‌گراد، منتقل شدند تغییری در این اسیدآمینه نشان ندادند.
جایگزین کردن این اسیدآمینه با یک اسیدآمینه خنثی باعث کاهش سرعت رشد مخمر در تمام دماهای آزمایش‌شده شد. بیشترین اثر در دمای ۶۸ درجه فارنهایت، معادل ۲۰ درجه سانتی‌گراد، مشاهده شد.
بخش مربوط به مخمر این پژوهش با همکاری گروه Kevin Verstrepen در KU Leuven انجام شد.
De Smet گفت این نتیجه را پیش‌بینی نکرده بود، زیرا «تغییر تنها یک اسیدآمینه برای تغییر واکنش مخمر به گرما کافی بود.»
کاربرد سیستم خنک‌کننده گیاهان در محصولات کشاورزی هنوز آزمایش نشده است
پژوهشی که در نهایت به این یافته‌ها منجر شد، با مقایسه نهال‌های thale cress و گندم آغاز شده بود. هر دو گیاه تا حدود ۹۵ درجه فارنهایت، معادل ۳۵ درجه سانتی‌گراد، گرم شدند.
هشت پروتئین در هر دو گیاه برچسب یکسانی دریافت کردند که UBP24 نیز یکی از آن‌ها بود.
این نزدیک‌ترین مرحله این تحقیق به آزمایش روی یک محصول غذایی محسوب می‌شود. هیچ بخشی از این پژوهش در مزرعه آزمایش نشده است. اصلاحات ژنتیکی که اکنون در محصولات کشاورزی بررسی می‌شوند نیز از چند مسیر متفاوت آغاز شده‌اند.
De Smet گفت این یافته «اکنون می‌تواند برای مثال در برنامه‌های اصلاح نژادی استفاده شود یا از طریق ویرایش هدفمند ژنوم برای ایجاد یک جهش در محصولات کشاورزی به کار رود.»
آزمایشگاه او همچنین پروژه‌ای را با مرکز Ecotron در UHasselt آغاز کرده است تا گیاهان را تحت یک سناریوی اقلیمی آینده آزمایش کند.
با این حال، کاربرد عملی این یافته در آینده نزدیک انتظار نمی‌رود. De Smet گفت: «هنوز مدتی زمان لازم است تا این دانش در یک محصول کشاورزی به کار گرفته شود و آن را در برابر گرما مقاوم‌تر کند.»
معمای هم‌زمانی گرما و خشکسالی
پرسش بزرگ‌تر همان مسئله‌ای است که نویسندگان مطالعه نیز مطرح کرده‌اند. آن‌ها هنوز نمی‌توانند توضیح دهند وقتی یک گیاه به‌طور هم‌زمان با خشکسالی و گرما روبه‌رو می‌شود، OST1 چگونه بین بستن روزنه‌ها برای حفظ آب و باز کردن آن‌ها برای خنک شدن انتخاب می‌کند.
گام بعدی De Smet ترسیم شبکه گسترده‌تر سیگنال‌دهی پیرامون UBP24 است. او قصد دارد این بررسی را تا «سطح تک‌سلولی، یعنی در سلول‌های نگهبان منفرد» ادامه دهد.
مطالعه کامل این پژوهش در مجله علمی Nature Plants منتشر شده است.
سؤالات متداول درباره سیستم خنک‌کننده گیاهان
گیاهان در گرمای شدید چگونه خود را خنک می‌کنند؟
گیاهان روزنه‌های برگ را باز می‌کنند تا آب تبخیر شود. این تبخیر به کاهش دمای برگ کمک می‌کند و عملکردی مشابه عرق کردن در بدن دارد.
پروتئین UBP24 چه نقشی در تحمل گرما دارد؟
UBP24 از پمپ AHA1 محافظت می‌کند. این پمپ در فرایندی نقش دارد که ورود آب به سلول‌های اطراف روزنه و باز شدن آن را ممکن می‌کند.
OST1 در گرما چه کاری انجام می‌دهد؟
OST1 که به نقش خود در بستن روزنه‌ها هنگام خشکسالی شناخته می‌شود، در شرایط گرمایی در مسیری مشارکت می‌کند که به باز ماندن روزنه‌ها منجر می‌شود.
آیا این یافته برای مقاوم کردن محصولات کشاورزی به گرما استفاده شده است؟
هنوز خیر. این سازوکار در مزرعه آزمایش نشده است، هرچند پژوهشگران امکان استفاده از آن در اصلاح نژادی یا ویرایش هدفمند ژنوم محصولات کشاورزی را مطرح کرده‌اند.
اگر گیاه هم‌زمان با گرما و خشکسالی روبه‌رو شود چه اتفاقی می‌افتد؟
این موضوع هنوز مشخص نیست. پژوهشگران نمی‌دانند OST1 چگونه میان باز کردن روزنه‌ها برای خنک شدن و بستن آن‌ها برای جلوگیری از اتلاف آب تصمیم می‌گیرد.
جمع‌بندی
سیستم خنک‌کننده گیاهان بر توانایی کنترل روزنه‌های برگ و تبخیر آب متکی است. شناسایی نقش UBP24، AHA1 و OST1 تصویر دقیق‌تری از واکنش مولکولی گیاهان به گرمای شدید ارائه می‌دهد، اما استفاده از این دانش برای تولید محصولات کشاورزی مقاوم‌تر به گرما همچنان به پژوهش و آزمایش بیشتری نیاز دارد.
برای دنبال کردن تازه‌ترین پژوهش‌ها درباره گیاهان، تغییرات اقلیمی و کشاورزی، مطالب علمی فوت‌وفن را دنبال کنید.
