گیاهان روش شگفتانگیزی برای ترمیم آسیبهای خود دارند. اگر بخشی از یک گیاه آسیب ببیند، فرآیند بازسازی آغاز میشود. ساقهای که شکسته است، شاخههای جانبی جدید ایجاد میکند و بوتهای که هرس شده، دوباره ضخیمتر رشد میکند. شاید تصور کنید گیاه فقط محل آسیبدیده را با غذای قندی خود پر میکند تا آن را ترمیم کند.
اما واقعیت پیچیدهتر از این است. حیوانات میتوانند رگهای خونی را گشاد کنند و سوخت بیشتری را به محل زخم برسانند، اما گیاهان نمیتوانند ساختار انتقالی خود را جابهجا کنند.
یک مطالعه جدید مسیر حرکت این سوخت را در طول فرآیند ترمیم زخم بررسی کرده و نشان داده است که گیاهان رفتار غیرمنتظرهای با قند خود دارند.
چرا ترمیم زخم در گیاهان به قند نیاز دارد؟
بازسازی بافت یکی از پرهزینهترین فرآیندهایی است که یک گیاه انجام میدهد. سلولهای جدید باید به سرعت تقسیم شوند و رشد کنند. این فرآیند مقدار زیادی قند مصرف میکند؛ همان سوختی که گیاه از طریق فتوسنتز تولید میکند.
اما رساندن این سوخت به محل زخم، بخش دشوار ماجرا است.
این مسئله توجه ایدان افرونی، زیستشناس گیاهی در دانشگاه عبری اورشلیم، و روتم ماتوسویچ، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه او را به خود جلب کرد.
آنها روی گیاه Arabidopsis thaliana کار کردند؛ گیاهی کوچک از خانواده خردل که بهطور گسترده در پژوهشهای گیاهشناسی استفاده میشود.
برای آغاز آزمایش، آنها نوک ریشه گیاه را که محل رشد آن است، جدا کردند و روند بازسازی آن را مشاهده کردند. حذف برگها یا متوقف کردن فتوسنتز با استفاده از یک ماده شیمیایی باعث شد روند ترمیم متوقف شود. اما زمانی که دوباره به گیاه قند داده شد، نوک ریشه توانست ترمیم شود.
قند در محل زخم متوقف میشود
قطع کردن نوک ریشه ممکن است مرگبار به نظر برسد، اما همانطور که آزمایشهای قبلی نشان داده بودند، بخش باقیمانده ریشه طی چند روز دوباره نقطه رشد کامل خود را ایجاد میکند.
پرسش اصلی این بود که قند در این فاصله زمانی به کجا میرود.
پژوهشگران حرکت ساکاروز، یعنی قند اصلی که گیاه برای انتقال استفاده میکند، را با کمک یک نمونه درخشان دنبال کردند. در ریشه سالم، ساکاروز مستقیماً به نوک ریشه منتقل میشد. اما پس از ایجاد بریدگی، حرکت آن متوقف شد و از ورود به منطقهای که قرار بود دوباره رشد کند، جلوگیری شد.
این موضوع یک تناقض ایجاد کرد. قند تولیدشده در برگها برای ترمیم ضروری بود، اما قند اصلی انتقالی گیاه اجازه ورود به محل زخم را نداشت. بنابراین باید ماده دیگری وجود میداشت که سوخت را در آخرین مسیر به سلولهای آسیبدیده برساند.
ردیابی حرکت قند در زمان واقعی
برای پیدا کردن بخش گمشده این فرآیند، تیم تحقیقاتی از حسگر درخشانی به نام Glifon استفاده کرد. این حسگر ابتدا برای ردیابی قند در سلولهای حیوانی و انسانی توسعه داده شده بود.
در گیاهان، این حسگر هر جایی که قند تجمع پیدا کند، روشن میشود.
نشانگر مربوط به گلوکز، یعنی نوع سادهتری از قند نسبت به ساکاروز، در نوک ریشه سالم خاموش باقی ماند. اما پس از آغاز ترمیم، در نواری روشن درست زیر محل بریدگی فعال شد. شدت این درخشش در نخستین روز افزایش پیدا کرد.
تا پیش از این پژوهش، هیچکس حرکت دوباره توزیعشده قند را درون بافت زندهای که در حال ترمیم است، مشاهده نکرده بود.
گیاه محل زخم را با قند معمول خود پر نمیکرد. بلکه نوع دیگری از قند، یعنی گلوکز، را در جایی جمع میکرد که سلولهای جدید در حال شکلگیری بودند.
گیاهان چگونه قند را در محل ترمیم ذخیره میکنند؟
به نظر میرسد یک واکنش ژنتیکی سریع، این فرآیند را هدایت میکند. تنها چند ساعت پس از ایجاد بریدگی، گیاه ژنهایی را در اطراف محل زخم فعال میکند؛ پیش از آنکه سلولهای جدید با کمبود سوخت مواجه شوند.
این ژنها بخشی از تجهیزات لازم برای تغییر مسیر حرکت قند را تولید میکنند.
دو عامل اصلی در سیستم انتقال قند
- اولین عامل، آنزیمی است که ساکاروز را بین سلولها به گلوکز تبدیل میکند. پژوهشهای قبلی ارتباط این مرحله را با جذب قند توسط بافتهای نیازمند انرژی نشان داده بودند.
- عامل دوم، یک پمپ سلولی است که گلوکز آزادشده را وارد سلولهای در حال ترمیم میکند.
این دو عامل در کنار هم مانند یک تله قندی عمل میکنند. تبدیل ساکاروز به گلوکز و کشیدن آن به داخل سلولها باعث میشود سلولهای نزدیک به زخم مقدار کمتری قند داشته باشند. پژوهشگران معتقدند همین کمبود، باعث میشود منبع قند گیاه به سمت محل ترمیم هدایت شود.
به این ترتیب، سوخت مورد نیاز به محل آسیب میرسد بدون اینکه گیاه مجبور باشد مسیرهای ثابت انتقال خود را تغییر دهد.
ژنهایی که پشت فرآیند ترمیم گیاه قرار دارند
برای بررسی اینکه آیا این سیستم واقعاً باعث ترمیم میشود، پژوهشگران ژنهای مربوطه را یکییکی غیرفعال کردند.
گیاهانی که این ژنها را نداشتند، در ترمیم آسیبها دچار مشکل شدند؛ بهخصوص زمانی که میزان قند کم بود، شرایطی که در طبیعت بسیار رایج است.
اما نتیجه معکوس حتی جالبتر بود. نسخههای اضافی از یکی از ژنهای انتقالدهنده قند باعث شد گیاهان با مقدار بسیار کمتری سوخت، سریعتر ترمیم شوند. این گیاهان توانستند ترمیم کامل را با حدود یکسوم مقدار قندی که گیاهان معمولی نیاز داشتند، انجام دهند.
البته این فرآیند محدودیت داشت. سوخت بیشتر همیشه به معنای ترمیم بهتر نبود. اگر فعالیت انتقالدهنده قند بیش از حد افزایش پیدا میکرد، سرعت ترمیم دوباره کاهش مییافت. به نظر میرسد گیاه در یک محدوده دقیق و کنترلشده فعالیت میکند.
گیاهان از قبل برای ترمیم زخم آماده میشوند
زمانبندی این واکنش نیز نکته مهمی را نشان داد. ژنهای مرتبط با قند تنها چند ساعت پس از آسیب فعال شدند؛ مدتها پیش از آنکه گیاه یک یا دو روز بعد با کمبود سوخت مواجه شود.
این سیستم از قبل آماده شده بود، نه اینکه پس از گرسنگی سلولها ساخته شود.
افرونی گفت: «آسیب با یک تغییر سریع و محلی در انتقال قند همراه است.»
گیاه زخم را نه فقط یک وضعیت اضطراری برای واکنش فوری، بلکه یک نیاز مشخص میبیند که باید برای آن آماده شود. به همین دلیل، سوخت محدود خود را بهصورت هدفمند مدیریت میکند.
همین راهبرد در نوع کاملاً متفاوتی از آسیب نیز مشاهده شد. زمانی که تمام سیستم ریشه یک گیاهچه جدا شد، گیاه از پایه ساقه ریشههای جدید تولید کرد و همان ژنها در اطراف محل زخم فعال شدند.
کمک به بازسازی سریعتر محصولات کشاورزی
آنچه این مطالعه مشخص کرده، یک فرآیند کاملاً قابل اندازهگیری است. یک گیاه آسیبدیده قند را بهصورت مساوی در سراسر بدن خود توزیع نمیکند.
بلکه با تغییر مسیر حرکت قند، یک نقطه متمرکز از گلوکز را در محل آسیب ایجاد میکند؛ آن هم به شکلی سریع و هدفمند. افزایش فعالیت این سیستم باعث سرعت گرفتن روند ترمیم میشود.
این یافته میتواند کاربردهای عملی مهمی داشته باشد. محصولات کشاورزی دائماً در معرض آسیبهای ناشی از طوفان، حشرات و ماشینآلات قرار دارند و اغلب باید در شرایطی مانند خشکسالی یا گرمای شدید، با ذخیره انرژی محدود خود را بازیابی کنند.
گیاهی که بتواند سوخت خود را کارآمدتر هدایت کند، میتواند سریعتر به شرایط عادی بازگردد.
حسگر درخشان مورد استفاده در این پژوهش نیز بهخودیخود یک دستاورد مهم محسوب میشود.
برای نخستین بار، پژوهشگران میتوانند حرکت قند را در یک گیاه زنده مشاهده کنند و ببینند در کجا تجمع پیدا میکند. این موضوع پرسشهای تازهای درباره نحوه مدیریت انرژی گیاهان هنگام رشد و ترمیم ایجاد کرده است.
این مطالعه در مجله علمی bioRxiv منتشر شده است.
جمعبندی
گیاهان برای ترمیم زخمهای خود از یک سیستم هوشمند مدیریت قند استفاده میکنند. آنها با تبدیل ساکاروز به گلوکز و هدایت آن به محل آسیب، انرژی لازم برای بازسازی را فراهم میکنند.
اگر به شگفتیهای دنیای گیاهان و تازهترین یافتههای علمی علاقه دارید، مقالات علمی ما را دنبال کنید.
