X
تبلیغات
دکتر پیمان حسیبی - تنش اکسیداتیو در گیاهان زراعی

حسبنا الله و نعم الوکیل نعم المولی و نعم النصیر

تنش اکسیداتیو در گیاهان زراعی
نویسنده : دکتر پیمان حسیبی تاریخ : سه شنبه نهم فروردین 1390

گونه های اکسیژن واکنشگر (ROS) فرم هایی از اکسیژن اتمسفری(O2) می باشند که تا حدودی احیا شده اند. از برانگیخته شدن اکسیژن، سینگلت اکسیژن بوجود می آید، یا با انتقال یک ، دو ویا سه الکترون به اکسیژن به ترتیب رادیکال های سوپر اکسید ، پر اکسید هیدروژن یا رادیکال هیدروکسیل تشکیل می شود.بر خلاف اکسیژن اتمسفری ، ROS دارای توانایی نامحدود در اکسیداسیون اجزای سلولی مختلف بوده و می تواند منجر به تخریب اکسیداتیو سلول گردد (Asada and takahashi,1987,Dat et al , 2000,Hammond and Jones,1996)

تولید ROS در سلول های گیاهی:

گونه های اکسیژن واکنشگر در سلول های گیاهی دارای منابع تولید زیادی می باشند. برخی از آنها در متابولیسم طبیعی سلول مانند فتوسنتزو تنفس نقش دارند. بر اساس دیدگاه های رایج، ROS یک محصول ثانویه اجتناب ناپذیر ار متابولیسم هوازی می باشد) ( Asada and takahashi,1987. دیگر منابع ROS متعلق به مسیر هایی هستند که در طی تنش های غیر زیستی بوجود می آیند مانندمسیر glycolate oxidase  در پراکسیزوم ها طی تنفس نوری.

هر چند که در سال های اخیر منابع جدیدی از ROS در گیاهان معرفی شده اند،  این منابع شامل NADPH oxidase  ، amine oxidase و پراکسیداز های متصل به دیواره سلولی می باشند. این منابع در طی پروسه هایی مانند مرگ سلولی برنامه ریزی شده یاPCD) Programed Cell Death) و در تولید و تنظیم ROS نقش دارند( Dat et al , 2000,Grant and Loake,2000) . در حالیکه تحت شرایط طبیعی رشد مقدار تولید ROS در سلول ها  کم می باشد( 240 میکرومول بر ثانیه و یا 0.5 میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست  است) (Polle,2000). بسیاری از تنش هایی که باعث شکسته شدن مکانیزم های خود تنظیمی در سلول می شوند ، تولید ROS را افزایش میدهند(270 میکرومول بر ثانیه و یا 5 تا 15  میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست  است) (Polle,2000). این تنش ها شامل تنش های خشکی ، شوری ، سرمازدگی ، درجه حرارت بالا ، فلزات سنگین ، اشعه ماوراء بنفش ، آلاینده های هوا مانند اوزون و دی اکسید گوگرد ، تنش های مکانیکی ، فقر عناصر غذایی ، حمله پاتوژن ها و تنش های نوری می باشند Dat et al , 2000,Boeler et) al,1992,Cazale et al,1999 (. تولید ROS ناشی از این تنش ها در نتیجه میسر هایی مانند تنفس نوری در دستگاه فتوسنتزی و تنفس میتوکنریایی می باشد. این تنش ها نقطه آغاز تولید فعال ROS توسط NADPH oxidase هستند   (Pei et al,2000,Orozco and Ryan,1999). افزایش تولید ROS  در طی تنش می تواند یک علامت تهدید برای سلول باشد، اما همچنین تصور می شود که ROS می تواند به عنوان یک سیگنال برای فعال سازی مکانیزم های دفاعی عمل نماید(Knight ,2001,Desikin et al,2001). بنا براین ROS می تواند به عنوان یک شاخص سلولی برای تنش در نظر گرفته شود و نقش یک پیام رسان ثانویه را در مسیر signal transduction بازی نماید. اگر چه می توان از ROS در سطح پایدار(steady state) برای دیده بانی تنش در سطح درون سلولی استفاده نمود ، این سطح می بایست تحت کنترل بازدارنده های نفوذ ROS قرار گیرد ، زیرا تجمع بیش از حد ROS می تواند باعث مرگ سلول گردد(Asada and Takashima,1987,Hammond and Jones,1996). مرگ سلولی ناشی از ROS  میتواند در نتیجه واکنش های اکسیداتیو ی نظیر پراکسیداسیون لیپید های غشاء ، اکسیداسیون پروتئین ها ، ممانعت از فعالیت آنزیم ها و خسارت به DNA و RNA باشد. از طرف دیگر افزایش مقدار ROS میتواند باعث فعال شدن یک مسیر PCD گردد(Mitsuhara et al, 1999).  گونه های اکسیژن فعال می توانند در رویداد های سیگنالینگ شرکت نماید، برای تنظیم غلظت ROS توسط مکانیزم های اسکاونجینگ حداقل دو مکانیزم مختلف در سلول های گیاهی می بایست وجود داشته باشد: اول اینکه بتواند سطوح پایین ROS را برای مقاصد سیگنالینگ حفظ نماید ، و دوم اینکه قادر به برطرف کردن اثرات سمی آن در طی تنش باشد. در مجوع انواع مختلفی از ROS در سلول تولید میشود و تعادل بین سطح پایدار آنها بسیار مهم است. البته این تعادل به وسیله مکانیزم های اسکاونجینگ حفظ شده و بستگی به شرایط فیزیولوژیکی گیاه و محرک های متفاوت محیطی، نموی و و بیوشیمیایی دارد.

اسکاونجینگ ROS در سلول های گیاهی

مکانیزم های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل سوپر اکسید دیسموتاز(SOD )، آسکوربات پراکسیداز (APX) و کاتالاز (CAT) می باشند(Asada and Takahashi,1987,Willekens,1997).

 

 بین SOD ، APX  یا CAT برای تعیین سطح رادیکال های سوپر اکسید و پر اکسید هیدروژن تعادل برقرار است( Bowler,1991). میل ترکیبی APX (با مقادیر میکرو مولار) و CAT( با مقادیر میلی مولار) با پراکسید هیدروژن ، نشان دهنده اینست که این دو در دو کلاس متفاوت از آنزیمهای اسکاونجر قرار دارند. APX  مسئول تعدیل میزان ROS برای سیگنالینگ و CAT مسئول برطرف کردن زیادی ROS در طی تنش می باشد.

مسیر های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل: SOD ،که تقریبا در تمام اجزای سلولی پیدا شده است ، چرخه Water-Water در کلروپلاست ها ، چرخه آسکوربات گلوتاتیون در کلروپلاست ، سیتوزول ، میتوکندری، آپوپلاست و پراکسیزوم گلوتاتیون پراکسیداز و کاتالاز در پراکسیزوم می باشند. چرخه آسکوربات گلوتاتیون تقریبا در تمام اجزای سلول های گیاهی یافت شده ، علاوه بر این میل ترکیبی بالای APX برای پراکسید هیدروژن ، نشانگر نقش بسیار مهم آن در کنترل سطح ROS می باشد. اما CAT فقط در پراکسیزوم حضور دارد ، اما بطور حتم برای زدودن اثرات سمی ROS در طی تنش ضروری است          ( Lopez,2000). افزایش تعداد پراکسیزوم ها می تواند در اسکاونجینگ ROS( به ویژه H2O2) که از سیتوزول به درون پراکسیزوم منتشر می گردد، بسیار سودمند باشد. چرخه Water-Water می تواند انرژی مورد نیاز خود را مستقیما از دستگاه فتسنتزی تامین نماید اما منبع تامین انرژی چرخه آسکوربات –گلوتاتیون برای اسکاونجینگ ROS ، هنوز بطور کامل مشخص نشده. آنتی اکسیدان هایی مانند آسکوربیک اسید و گلوتاتیون که در غلظت های بالا ( به ترتیب 20-5 میلی مولار و 5-1 میلی مولار9) در کلروپلاست ها و دیگر اجزای سلولی یافت می شوند، در مکانیزم های دفاعی گیاهان طی تنش های اکسیداتیو بسار مهم هستند( Noctor and Foyer,1998). لذا نگهداری نسبتهای بالای آسکوربات و گلوتاتیون احیا شده در سلول ها برای اسکاونجینگ مناسب ROS بسیار ضروری می باشد.این نسبت به وسیله گلوتاتیون رداکتاز نگهداری می شود. مونو دی هیدرو آسکوربات رداکتاز(MDAR) و دی هیدرو آسکوربات رداکتاز (DHAR) از NADPH به عنوان نیروی احیا کننده استفاده می نماین (Noctor and Foyer,1998,Asada,1999).به طور کلی میتوان گفت بین آنتی اکسیدان های مختلف در گیاه تعادل وجود دارد. افزایش بیوسنتز گلوتاتیون در کلروپلاست ها نه تنها می تواند باعث خسارت اکسیداتیو به ساول ها گردد بلکه حفاظت آنها را نیز دچار مشکل می کند، که دلیل آن ایجاد تغییر در پتانسیل رداکس کلروپلاست ها می باشد(Creissen,1999).همچنین نسبت اکسید به احیا در آنتی اکسیدانهای مختلف می تواند به عنوان یک سیگنال برای تنظیم مکانیزم های اسکاونجینگ ROS انجام وظیفه نماید.

اجتناب از تولید ROS

اجتناب از تولید ROS میتواند به اندازه اسکاونجینگ آن مهم باشد. از آنجا که بسیاری از تنش های محیطی با سرعت زیاد تولید ROS همراه هستند، اجتناب یا کاهش اثرات تنش هایی مانند درجه حرارت پایین و یا خشکی ، خطر تولید ROS را کاهش خواهد داد. مکانیزم هایی که می توانند تولید ROS را در سلول های گیاهی کاهش دهند شامل : 1-سازگاری های آناتومیکی مانند حرکت برگها و پیچ خوردن برگها ، نمو یک اپیدرم منعکس کننده نور و مخفی کردن روزنه ها در ساختمان تخصصی شده ،              2  - سازگاری های فیزیولوژیکی نظیر متابولیسم C4 و CAM و 3- مکانیزم های مولکولی که باعث بهبود عملکرد دستگاه فتوسنتزی شده و آنتن های دریافت کننده نور  آنها را دوباره سازی می کند . با ایجاد تعادل بین انژی نورانی جذب شده توسط گیاه و قابلیت استفاده از دی اکسید کربن ، این مکانیزم ها میتوانند از کاهش عملکرد دستگاه فتوسنتزی جلوگیری کرده و مانع از انتقال الکترون ها به اکسیژن و تولید ROS گردند.برخی سیستمهای جایگزین در زنجیره انتقال الکترون کلروپلاست و میتوکندری که توسط گروهی از آنزیم ها به نام  Alternative oxidase( Aoxs) فعال می شوند ، می توانند تولید ROS را کاهش دهند.این آنزیم ها می توانند با برگرداندن جریان الکترون از طریق زنجیره های انتقال الکترون ، از جریان الکترون ها برای احیای O2 به H2O استفاده نمایند( شکل 2) . این آنزیم ها تولید ROS را به وسیله دو مکانیسم کاهش می دهند: 1- آنها از احیای O2 به   _O2 توسط الکترون ها جلوگیری می کنند و 2- آنها تمامی سطوح اکسیژن را که سوبسترای تولید ROS در اندامک ها می باشد احیا می کنند. کاهش میزان AOX میتوکندریایی ، حساسیت گیاهان به تنش های اکسیداتیو را افزایش می دهد (,Rizhsky,2001 Maxwell,1999).

 تولید و اسکاونجینگ ROS در اجزای سلولی مختلف

مدتها تصور بر این بود که کلروپلاست منبع اصلی تولید ROS در سلول ها می باشدو در نتیجه یکی از اهداف اصلی خسارت ROS طی دوره تتنش به شمار می رفت. امروزه مشخص گردیده که کلروپلاست ها از آنچه قبلا تصور می شد نسبت به خسارت ROS حساس نیستند (Karpinska,2000). دیگر سایت تولید ROS میتوکندری می باشد. نتایج تحقیقات نشان داده که میتوکندری نقش یک کلید تنظیمی PCD را داشته و سطوح زیاد ROS در میتوکندری می تواند باعث شروع مرگ سلولی برنامه ریزی شده گردد(Lam,2001).هم میتو کندری و هم کلروپلاست حاوی مکانیزم های اسکاونجینگ ROS می باشند. از آنجا که H2O2 می تواند از طریق منافذ آبی(Aquaporines) منتشر گردد ( Henzier and Steudle ,2000) ، ROS تولید شده در یک سایت سلولی تخصصی ( برای مثال کلروپلاست در طی تنش و آپوپلاست در طی حمله پاتوزن ها)می تواند سایر اجزای سلولی را نیز تحت تاثیر قرار دهد، بر اساس این فرضیه تنش هایی که باعث تولید مقدار زیاد ROS در کلروپلاست می شوند، مکانیزم های اسکاونجینگ ROS غیر کلروپلاستی و سیتوزولیک را القا می نمایند(Yoshimura,2000,Karpinsky,1997) و تولید ROS  در آپوپلاست ، تولید پروتئین های مسئول واکنش در برابر پاتوژن ها را القا می نماید( Hammomd and Jones,1996 ). با توجه به اینکه میتوکندری های گیاهی و هسته ها در فعال کردن PCD نقش دارند، مقدار ROS تولید شده در این اجزا طی دوره تنش می بایست به شدت کنترل گردد.پراکسیزوم ها دارای نقش بسیار مهمی در کنترل ROS دارند(Corpas,2001) . این اندامک ها نه تنها جایگاهی برای سم زدایی اثرات ROS توسط کاتالاز می باشند بلکه مکانی برای تولید آن توسط Glycolate oxidase و بتا اکسیداسیون اسید های چرب می باشند.در مجموع پراکسیزوم ها یکی از سایت های بیوسنتز  Nitric oxide(NO) می باشند (Corpas,2001) و NO در سلول های گیاهی باعث القای مرگ سلولی ناشی از ROS می شود(Delledonne,2001).

عملكرد اسيد آسكوربيك در گياهان

آسكوربات يك متابوليت مهم در گياهان است كه به عنوان يك آنتي اكسيدان به همراه اجزا ديگر سيستم­هاي آنتي اكسيداني فعاليت مي­كند و گياه را در مقابل صدمات اكسيداتيو كه از عوامل مختلفي از جمله متابوليسم هوازي, فتوسنتز و يك سري از آلودگي­ها ناشي مي­شود، حمايت مي­كند. تحقيقات اخير در زمينه گياهان ترانسژنيك و جهش يافته نشانگر نقش كليدي اسيد آسكوربيك در چرخه آسكوربات- گلوتاتيون است كه گياه را در مقابل تنش­هاي اكسيداتيو حفاظت مي­كند. همچنين آسكوربات به عنوان يك كوفاكتور براي فعال كردن بعضي از آنزيم­هاي هيدروكسيلاز (مثلاًٍ پروليل هيدروكسيلاز) و ويولوزانتين دپوكسيداز عمل مي­كند. آنزيم دوم, آسكوربات را به چرخه محافظت كننده نوري زانتوفيل ارتباط مي­دهد. همچنين به نظر مي­رسد كه آسكوربات تنظيم­كننده انتقال الكترون فتوسنتزي است. مسير بيوسنتزي آسكوربات در گياهان هنوز كاملاً شناخته نشده است و بررسي­ها براي پيشنهاد مسير در حال انجام است. آسكوربات در ديواره سلول يافت مي­شود كه اولين خط دفاعي سلول محسوب مي­شود. همچنين نشان داده شده است كه آسكوربات ديواره سلولي و آسكوربات اكسيداز موجود در ديواره سلولي در كنترل رشد نيز دخيل هستند و فعاليت بالاي آسكوربات اكسيداز با توسعه سريع سلول­ها همراه است. آسكوربات تنظيم­كننده تقسيم سلولي است كه پيشرفت را از مرحله G1 تاS  تحت تاثير قرار مي­دهد.

نقش آسكوربات در فتوسنتز بسيار مهم است و غلظت بالاي آن در كلروپلاست نشانگر اين مساله     مي­باشد.

عملكرد آسكوربات در سه جنبه مهم بيوشيميايي بررسي مي­شود:

1-  به عنوان آنتي­اكسيدان عمل مي­كند كه اين كار را با برداشتن پراكسيد هيدروژن انجام مي­دهد (چون كلروپلاست كاتالاز ندارد). پراكسيد هيدروژن از احیاء نوري اكسيژن در فتوسيستم يك به وجود مي­آيد. كاتاليزور اين فرايند آسكوربات پراكسيداز است كه در تيكالوئيد, پراكسيد هيدروژن ايجادشده را به محض تشكيل به دام مي­اندازد.

2-  از اكسايش آسكوربات، مالونيل دهيدرو اسكوربات تشكيل مي­شود كه توسط آسكوربات پراكسيداز به عنوان يك گيرنده مستقيم الكترون به فتوسيستم يك عمل مي­كند.

3-    به عنوان يك كوفاكتور براي ويولوزانتين دپوكسيداز عمل مي­كند.

آنچه مسلم است با افزايش دانسته­ها در مورد اين مولكول جالب توجه مي­توان گستره وسيعي از عملكرد آن را به صورت آنتي­اكسيدان در مكانيسم دفاعي و در فتوسنتز به عنوان تنظيم­كننده رشد بررسي كرد.

نقش پراكسيد هيدروژن به عنوان اكسيدان در گياهان

در اثر تنش­هاي زيستي و غير زيستي گونه­هاي فعال اكسيژن مانند H2O2 ، O2.- ،  -OH ايجاد مي­شود. نشان داده شده است كه توليد گونه­هاي فعال اكسيژن در اثر تنش­هاي مختلف منجر به تنش­هاي اكسيداتيو مي­شود كه به DNA ، پروتئين، پيگمنت­ها و همچنين پراكسيداسيون چربي­ها آسيب رسانده و در نهايت منجر به مرگ سلول مي­گردد. گونه­هاي فعال اكسيژن از طريق واكنش­هاي انتقال الكترون در ميتوكندري و كلروپلاست تشكيل مي­شود و سريعاً به H2O2  تبديل مي­شود. همچنين در سلول­ها، H2O2 از طريق واكنش­هايي كه واسطه آنزيمي دارند مانند گليكولات اكسيداز در تنفس نوري ايجاد مي­شود. اگسالات اكسيداز، اگسالات و اكسيژن را به H2O2 و CO2 تبديل مي­كند و NADPH اكسيداز كه الكترون را از NADPH به مولكول اكسيژن انتقال مي­دهد ، O2.-توليد مي­شود ( كه بعداٌ به H2O2  تبديل مي­گردد).

به نظر مي­رسد در ميان گونه­هاي مختلف فعال اكسيژن، H2O2 براي سيگنالينگ از بقيه فرم­هاي فعال اكسيژن مناسب تر باشد چون پايداري و نيمه عمر بالاتري دارد. در واقع توليد چنين گونه­هايي يك پاسخ متداول به هر دو نوع تنش زيستي و غير زيستي مي­باشد. اين تنش­ها شامل عوامل بيماري­زا، اليسيتورها (تحريك كننده­ها) ، گرما، سرما، نور   UVو ازن است. مثلاً در برگ گندم زمستانه كه در سرماي C° 4 قرار گرفت، ميزان H2O2 سه مرتبه بيشتر از شرايط كنترل است. از اين رو H2O2 يك مولكول نشانه در گياهان محسوب مي­شود.

به طور كلي تنش­هاي اكسيداتيو از يك عدم تعادل در توليد و متابوليسم گونه­هاي فعال اكسيژن ناشي مي­شود و براي بقاي سلول لازم است كه تعادل بين گونه­هاي فعال اكسيژن توليد شده و متابوليسم آن وجود داشته باشد.

خسارت اكسيداتيو به چربي­ها

پراكسيداسيون چربي­ها نمايانگر تنش­هاي اكسيداتيو در گياهان است كه مي­تواند تحت تاثير راديكال­هاي آزاد يا گونه­هاي فعال اكسيژن ايجاد شود. پراكسيداسيون ليپيد­ها منجر به تخريب غشاهاي بيولوژيكي مي شود. غشاهاي ليپيدي دو لايه­اي مخلوطي از فسفوليپيدها و گليكو­ليپيدها هستند كه زنجيره­هاي اسيد چرب به وسيله يك پيوند استري به كربن 1 و2 ستون اصلي گليسرول متصل مي­شود. واكنش­هاي پراكسيداسيون در ميان اين اسيدهاي چرب بسته به تعداد و موقعيت پيوندهاي دوگانه روي زنجيره آسيل متفاوت است. در واقع اتم­هاي هيدروژن پيوند­هاي اولفيني غيراشباع شديداٌ به حمله­هاي اكسيداتيو حساس هستند و ليپيدهاي غير اشباع غشاهاي گياهان، هدف اوليه چنين واكنش­هاي اكسيداتيوي مي­باشد كه در نتيجه آن ليپيد هيدروپراكسيد ايجاد مي­شود. اندازه­گيري مقدار اين ماده به دليل ناپايداري و واكنش پذيري زياد آن مشكل مي­باشد. بنابراين ميزان پراكسيداسيون ليپيدها را از روي محصولي كه از شكست ثانويه ليپيد هيدروپراكسيد­هاي اوليه ناشي مي­شود، تعيين مي­كنند. در اثر تخريب پراكسيدهاي اسيدهاي چرب اشباع نشده مالون دي آلدييد (MDA) به وجود مي­آيد كه به عنوان يك نشانگر (بیو مارکر) براي مشخص­كردن مقدار صدمات اكسيداتيو ليپيدها بكار مي­رود و مقدارش بسته به نوع تنش زيستي و غيرزيستي متفاوت مي باشد. برای مطالعه بیشتر می توانید به منابع زیر مراجعه کنید:

حسیبی، پیمان. ۱۳۸۶. بررسی فیزیولوژیکی اثر تنش سرما در مرحله گیاهچه ای ژنوتیپ های مختلف برنج. رساله دکتری تخصصی. دانشگاه شهید چمران اهواز. ۱۴۵ صفحه.

حسیبی، پ.، ف.، مرادی و م. نبی پور. 1387 . اثر دماي پايين بر سازوكار آنتي اکسیدان­های ژنوتیپ های حساس و متحمل برنج در مرحله گیاهچه ای. مجله علوم زراعی ایران. جلد دهم. شماره 3 (39). پاییز 1387. صفحات 280-262.

Ron Mittler. 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. TRENDS in Plant Science Vol.7 No.9: 405-410.




.:: This Template By : payamblog.Com - صبا ::.



آخرين عناوين مطالب

تمام حقوق اين وبلاگ و مطالب آن متعلق به دکتر پیمان حسیبی مي باشد.




قالب وبلاگ

سلامت باش