راز پیام‌رسان‌های پنهان گیاهان؛ چگونه قندها و متابولیت‌ها زندگی گیاهان را نجات می‌دهند؟

1

گیاهان شاید در ظاهر ساکن و بی‌حرکت به نظر برسند، اما در درون خود شبکه‌ای از ارتباطات پیچیده دارند. آن‌ها باید همواره میان دریافت انرژی و جلوگیری از از دست دادن بیش از حد آب تعادل برقرار کنند. برای دهه‌ها دانشمندان گمان می‌کردند پیام‌رسان‌های داخلی در این فرآیند نقش دارند، اما ماهیت دقیق این مولکول‌ها ناشناخته باقی مانده بود.

تحقیقی تازه به رهبری پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State) سرانجام ماهیت این پیام‌ها را آشکار کرد. این کشف نه تنها یک معمای قدیمی را حل کرده است، بلکه مسیرهای جدیدی برای تحقیقات کشاورزی و تاب‌آوری گیاهان پیشنهاد می‌دهد.

چگونه گیاهان بین غذا و آب تعادل ایجاد می‌کنند

به گفته پروفسور سارا اسمن (Sarah Assmann):

«این کشف درک ما را از چگونگی هماهنگی متابولیسم داخلی گیاه – واکنش‌های شیمیایی تولید انرژی – با محیط خارجی به شکل چشمگیری ارتقا می‌دهد. این فرآیند برای رشد و بقای گیاه حیاتی است.»

او اضافه می‌کند:

«یافته‌های ما دریچه‌های جدیدی به روی پژوهش‌های آینده در زمینه بهبود تاب‌آوری گیاهان و افزایش عملکرد محصولات باز می‌کند.»

در سطح برگ، سلول‌های نگهبان (Guard cells) دهانه‌های ریزی به نام روزنه (Stomata) را کنترل می‌کنند. این منافذ مانند دهان‌های میکروسکوپی عمل می‌کنند؛ با باز شدن آن‌ها گیاه می‌تواند دی‌اکسید کربن را جذب کند و «غذا بخورد»، اما همزمان در معرض خطر از دست دادن آب حیاتی خود نیز قرار می‌گیرد.

پیام‌رسان‌های مرموز گیاهی

پروفسور اسمن توضیح می‌دهد:

«برای گیاهان خشکی‌زی همیشه یک معامله وجود دارد؛ یا باید جذب حداکثری دی‌اکسید کربن برای فتوسنتز را انتخاب کنند، یا باید مانع از دست رفتن بخار آب شوند. اگر آب زیادی از دست بدهند، گیاه خشک می‌شود و حتی ممکن است بمیرد.»

روزنه‌ها همان جایی هستند که این انتخاب حیاتی رخ می‌دهد. دانشمندان سال‌ها حدس می‌زدند یک پیام‌رسان به سلول‌های نگهبان دستور می‌دهد که چه زمانی روزنه‌ها باز یا بسته شوند.

اکنون پژوهش جدید نشان می‌دهد قندها (از جمله ساکارز، گلوکز و فروکتوز) و همچنین اسید مالئیک نقش این پیام‌رسان‌های حیاتی را ایفا می‌کنند. این متابولیت‌ها یک حلقه بازخوردی ایجاد می‌کنند که تولید انرژی گیاه را به کنترل روزنه‌ها پیوند می‌دهد.

رهگیری سیگنال‌ها در برگ گیاهان

پژوهشگران با دو گیاه مدل آرابیدوپسیس تالیانا (Arabidopsis thaliana) یا «رشاد» و لوبیا‌سبز (Fava beans) کار کردند تا سیستم تولید انرژی در گیاهان را بررسی کنند.

با استخراج مایع آپوپلاستیک از برگ‌هایی که در معرض نور قرمز یا تاریکی بودند، آن‌ها توانستند ترکیبات شیمیایی را جداسازی کنند. نور قرمز فرایند فتوسنتز را تحریک می‌کند و شناسایی سیگنال‌های فعال را آسان‌تر می‌سازد.

در این فرایند، ۴۴۸ ترکیب شیمیایی در این مایع شناسایی شد. پروفسور اسمن تأکید می‌کند:

«ما صدها متابولیت در مایع آپوپلاستیک شناسایی کردیم که تاکنون کسی با این گستردگی آن‌ها را بررسی نکرده بود. این خود به‌تنهایی یک دستاورد مهم است، چون سرنخ‌های زیادی درباره پیام‌رسان‌های احتمالی برای سایر فرآیندهای گیاه به ما می‌دهد.»

نقش قندها در کنترل مصرف آب گیاهان

آزمایش‌های بیشتر نشان دادند قندها به طور مستقیم باعث باز شدن روزنه‌ها در حضور نور قرمز می‌شوند.

وقتی این ترکیبات در برگ‌های دست‌نخورده آزمایش شدند، جذب دی‌اکسید کربن افزایش یافت و همزمان الگوی آزادسازی آب تغییر کرد. این موضوع نقش پیام‌رسانی آن‌ها را تأیید کرد.

در سطح سلولی مشخص شد قندها ماشین‌آلات مولکولی داخل سلول‌های نگهبان را تحریک می‌کنند و باعث فعال شدن آن‌ها برای باز کردن روزنه‌ها می‌شوند.

این تحقیق نخستین تصویر کامل از گفت‌وگوی درونی بین فتوسنتز و تنظیم آب در گیاهان را ارائه می‌دهد.

چه چیزی گیاهان را مقاوم می‌کند؟

مطالعه منتشر شده در Nature Plants تأکید می‌کند که کنترل روزنه‌ها فقط بر پایه هورمون‌ها نیست، بلکه محصولات متابولیکی خود می‌توانند پیام‌رسان‌های قدرتمندی باشند.

به گفته پروفسور اسمن:

«گیاهان نمی‌توانند خود را از جا کنده و به مکان دیگری بروند؛ آن‌ها باید با هر شرایط محیطی – از جمله خشکسالی و گرما – کنار بیایند.»

بنابراین تیم پژوهشی از سطح مولکولی تا آزمایش‌های میدانی به دنبال درک عواملی است که مقاومت گیاهان را افزایش می‌دهند تا عملکرد محصولات کشاورزی بهبود یابد.

همکاری جهانی در این کشف

این پروژه حاصل همکاری پژوهشگرانی از:

• دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State)
• دانشگاه عبری اورشلیم (The Hebrew University of Jerusalem)
• دانشگاه ناگویا (Nagoya University)
• مرکز علوم منابع پایدار ریکن (RIKEN Center for Sustainable Resource Science)
• دانشگاه می‌سی‌سی‌پی (University of Mississippi)

بخشی از تأمین مالی پژوهش نیز توسط بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) انجام شد.

نتیجه‌گیری

این مطالعه نه تنها ماهیت پیام‌رسان‌های پنهان گیاهان را آشکار کرد، بلکه راه‌های نوینی برای افزایش بهره‌وری محصولات و مقاومت گیاهان در برابر تغییرات اقلیمی گشود.

اگر به آینده کشاورزی، مقاومت گیاهان در برابر خشکسالی و نقش قندها در متابولیسم علاقه دارید، این مقاله را با دوستان و همکارانتان به اشتراک بگذارید و دیدگاه خود را ثبت کنید.