برای سال‌ها دانشمندان تصور می‌کردند گیاهان گرما را از طریق پروتئین‌هایی که عمدتاً در شب فعال می‌شوند، حس می‌کنند. اما یافته‌های تازه نشان می‌دهد که ماجرا بسیار پیچیده‌تر است.
یک مطالعه جدید به سرپرستی پروفسور مِنگ چن از دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید نشان می‌دهد که در طول روز، گیاهان برای تشخیص گرما و تنظیم رشد خود، به ترکیبی از سیگنال‌های حرارتی و قند متکی هستند.
کشف تازه درباره حس کردن گرما در روز
تغییر در درک قدیمی دانشمندان
این پژوهش نگاه دیرینه دانشمندان به نحوه‌ی احساس گرما در گیاهان را متحول می‌کند. یافته‌های جدید نشان می‌دهد که گیاهان در طول روز، با ادغام نور خورشید، قند و سیگنال‌های درونی، فرایند ترمورمورفوژنز (رشد ناشی از گرما) را کنترل می‌کنند.
ترمورمورفوژنز چیست؟
ترمورمورفوژنز به فرایند رشد و تغییر شکل گیاه در پاسخ به دمای بالا گفته می‌شود که معمولاً با بلند شدن ساقه و تغییراتی در فیزیولوژی همراه است.
گیاهان در روز چطور گرما را حس می‌کنند؟
مدل‌های قدیمی چه می‌گفتند؟
پروفسور چن توضیح می‌دهد:
«در کتاب‌های درسی آمده که پروتئین‌هایی مانند فیتوکروم B و ELF3 حسگرهای حرارتی اصلی در گیاهان هستند. اما این مدل‌ها براساس داده‌های شبانه شکل گرفته است.»
بررسی شرایط واقعی
هدف محققان این بود که بفهمند در روز، زمانی که نور و دما همزمان زیاد هستند، چه اتفاقی می‌افتد. چراکه این شرایط، همان وضعیتی است که اکثر گیاهان در طبیعت با آن مواجهند.
رفتار متفاوت فیتوکروم B در روز
در مدل‌های قبلی، نقش فیتوکروم B (phyB) و ELF3 در شب بررسی شده بود. اما در نور شدید روز، phyB دائماً فعال باقی می‌ماند و دیگر نمی‌تواند نقش حسگر گرما را ایفا کند.
نتایج آزمایش‌ها روی گیاه آرابیدوپسیس
شرایط شبیه‌سازی شده
گروه تحقیقاتی، گیاه آرابیدوپسیس را در دماها و شدت‌های مختلف نور قرمز، از جمله شرایط شبیه به آفتاب ظهر، آزمایش کردند.
شناسایی دو واکنش حرارتی
طبق مقاله، دو نوع واکنش حرارتی در گیاه مشاهده شد:
- بین ۱۲ تا ۲۱ درجه سانتی‌گراد → وابسته به phyB
- بین ۲۱ تا ۲۷ درجه سانتی‌گراد → مستقل از phyB و فعال به کمک قند
این واکنش دوم حتی در نور شدید نیز فعال باقی می‌ماند.
نقش قند در تشخیص گرمای روز
قند فقط سوخت نیست
این مطالعه نشان می‌دهد که قند، فراتر از یک منبع انرژی است. قند در طول روز، نقش سیگنال حرارتی را ایفا می‌کند.
پروفسور چن می‌گوید:
«در آن لحظه بود که فهمیدیم قند تنها رشد را تغذیه نمی‌کند، بلکه مانند یک پیام‌رسان عمل می‌کند و به گیاه می‌گوید که هوا گرم است.»
چگونه این فرآیند اتفاق می‌افتد؟
در دمای بالا، کلروپلاست‌ها نشاسته ذخیره‌شده را به ساکارز (نوعی قند) تجزیه می‌کنند. این ساکارز، پروتئین PIF4 را که عامل رشد است، تثبیت می‌کند.
- در نبود قند، PIF4 تجزیه می‌شود.
- در حضور قند، PIF4 حفظ می‌شود، مشروط بر اینکه پروتئین ELF3 هم از حالت سرکوب خارج شده باشد.
قند مستقل از نور هم عمل می‌کند
آزمایش‌ها نشان داد افزودن ساکارز به گیاهان جهش‌یافته، حتی در تاریکی، رشد را احیا می‌کند. این موضوع ثابت می‌کند که قند، سیگنال گرمایی روز را مستقل از نور منتقل می‌کند.
برای رشد، هم قند لازم است هم گرما
شرط دوم: آزادی از سرکوب
پروفسور چن توضیح می‌دهد:
«PIF4 برای ماندن به دو چیز نیاز دارد: قند و آزادی از سرکوب. دما هر دوی این شرایط را فراهم می‌کند.»
عملکرد شبیه به گیت منطقی AND
این سیستم مانند یک مدار منطقی AND در الکترونیک عمل می‌کند.
برای رشد حرارتی کامل:
- ساکارز باید PIF4 را تثبیت کند.
- دمای بالا هم باید سرکوب ELF3 را برطرف کند.
اگر یکی از این دو نباشد، گیاه نمی‌تواند به‌درستی رشد کند. اما در حضور هر دو، PIF4 ژن‌های وابسته به اکسین را فعال می‌کند و باعث بلند شدن گیاه می‌شود.
پروتئین ELF3 مانع رشد است تا زمانی که گرم شود
نقش دوگانه ELF3
جالب است که ELF3 در دو سطح، جلوی PIF4 را می‌گیرد:
- جلوی تولید آن را می‌گیرد
- فعالیتش را سرکوب می‌کند
در دمای بالا، ELF3 غیرفعال می‌شود و PIF4 فرصت فعالیت می‌یابد.
این یافته، دیدگاه قدیمی را که ELF3 فقط در شب فعال است، کاملاً تغییر می‌دهد.
تصاویر میکروسکوپی و داده‌های صفحه ۸ مقاله
این تصاویر نشان می‌دهد که حتی در نبود ELF3، گیاهان می‌توانند در پاسخ به قند رشد کنند. اما فعال شدن ژن‌های وابسته به PIF4 مانند IAA19 و YUC9 فقط در حضور همزمان قند و گرما اتفاق می‌افتد.
چشم‌انداز: مهندسی محصولات مقاوم به گرما
بازنگری در مدل ترموسنسینگ
پروفسور چن می‌گوید:
«این یافته درک ما از حسگرهای گرمایی در گیاهان را تغییر می‌دهد. مسئله فقط روشن یا خاموش شدن پروتئین‌ها نیست، بلکه پای انرژی، نور و قند هم در میان است.»
ارزش عملی برای کشاورزی
با توجه به افزایش دمای جهانی، محصولات کشاورزی باید قابل اعتمادتر رشد کنند. آگاهی از اینکه تجزیه نشاسته و سیگنال‌دهی قندی رشد را تنظیم می‌کند، به دانشمندان کمک می‌کند گیاهانی مقاوم‌تر در برابر گرما تولید کنند.
همکاری سه حسگر حرارتی
پژوهشگران نشان می‌دهند که چگونه سه حسگر phyB، ELF3 و کلروپلاست-ساکارز با هم کار می‌کنند. این ساختار چندحسگری به گیاه امکان می‌دهد حتی در شرایط دشوار، رشد خود را تنظیم کند.
نتیجه‌گیری: قند، مغز متفکر خاموش گیاهان
گیاهان زندگی خاموشی دارند، اما درون آن‌ها ماشین‌های هوشمندی فعالیت می‌کند. در گرمای روز، آن‌ها فقط واکنش نشان نمی‌دهند، بلکه محاسبه می‌کنند.
با استفاده از قندها برای درک محیط، دقیق و هوشمندانه زمانی که شرایط مناسب است، رشد می‌کنند.
این مطالعه، صرفاً دانسته‌های ما را بیشتر نمی‌کند، بلکه آن را بازنویسی می‌کند.
این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است.
