دیواره سلولی، سلولهای گیاهی در حال رشد تشکیل شبکه ای سلولزی از میکروفیبریلها واقع در ماتریکس پلی ساکاریدی و پروتئینی را می دهد.
دیواره های سلولی به سلول گیاهی ثبات شکل می دهند ولی در برابر رشد سلولی انعطاف پذیری خاصی از خود نشان می دهند.Exapasin نوعی پروتئین سلولی است که باعث سست شدن دیواره و رشد بهتر سلول می شود.
رشد سلولی از مهمترین عوامل تعیین میزان طول گیاه می باشد.
در این مقاله به نحوه کنترل رشد سلول از طریق Exapasin می پردازیم
ساختار اندامهای زایشی گیاهی نقش اصلی را در طبقه بندی گیاهان Linneeus ایفا می کند.
این نشان می دهد که شکل و اندازه دیگر گیاهان به میزان زیادی بسته به تغییرات شرایط محیطی می باشد در نور کم گیاهان برگهای کوچک ولی قد بلند با شاخه های کم دارند و در نور کافی برگها گسترده می شوند و ساقه دارای شاخه های متعدد می گردد.
این نوع واکنشهای فراسلولی معمولاً برگرفته از واکنشهای درون سلولی در برابر تغییرات محیط می باشند.
انعطاف پذیری زیاد در رشد گیاهان باعث ایجاد فرصتی برای کنترل رشد برای گیاه است.
قدرت تغییر در اندازه و شکل گیاه یک نکته مهم در کشاورزی محسوب می شود.
اندازه یک اندام می تواند تحت تاثیر افزایشی اندازه سلول ها و یا افزایش تعداد آنها باشد.
در نتیجه افزایش اندازه سلول و تعداد سلولهامی توانند دو عامل کنترل کننده اندازه بافتها به حساب آیند.
در این مقاله بیشتر بر روی چگونگی کنترل رشد بافتها از طریق افزایش اندازه سلول می پردازیم.
سلولهای حیوانی از طریق افزودن ماده حیاتی به خود بزرگ می شوند ولی سلولهای گیاهی اغلب از طریق وارد کردن آب به واکوئلهای خودشان اندازه خودشان را افزایش می دهند که این بدون هیچ گونه افزایش در مقدار ماده سیتوپلاسمی صورت می گیرد.
ورود آب به داخل واکوئلها فشار تورژسانسی بر روی دیواره سلولی وارد می کند که باعث ثبات شکل سلولها می شود.
بنابراین سلول گیاهی تنها زمانی می تواند افزایش حجم یابد که دیواره سلولی سست شود.
با اینکه ورود آب به داخل سلول و سست شدن دیواره سلولی دو عامل اصلی در رشد سلولهای گیاهی به حساب می آیند، ولی آندوسیتوز آب نمی تواند یک عامل محدود کننده هم محسوب می شود زیرا میزان آب ورودی بسیار زیاد است.
به بیان دیگر تغییر در دیواره سلولی نقش اساسی و محوری در افزایش حجم سلولی ایفا می کند.
تلاشهای انجام شده برای یافتن فاکتورهای مربوط به گسترش دیواره سلولی به کشف expansin منجر شد.
Expansin عمل وارد شدن به داخل دیواره سلولی را همراه با از بین بردن پیوندهای هیدروژنی بین پلیمرهای دیواره انجام می دهد.
مولکولهای اگزوژن expansin قابلیت توسعه سلولی و اندام زایی در گیاهان را دارند.
نحوه بیان ژنهای expansin به میزان زیادی وابسته به رشد اندامها و شکل گیری درست آنها دارد.
علاوه بر این بررسیهای جدید شامل دستکاری در نحوه بیان ژنهای expansin نقش expansin در رشد اندامهای گیاهی را به اثبات رسانیده است.
این مقاله به بررسی این امکان که رشد اندامها تحت کنترل expansin باشد، می پردازد.
Expansin
اهمیت نقش دیواره سلول گیاهی اولین بار توسط Heyn در اوائل دهه 1930 در هلند مورد توجه قرار گرفت.
Heyn دریافت که ساقه های تیمار شده با اکسین انعطاف پذیری بیشتری دارند و بررسی های بیشتر مشخص کرد که هورمون رشد گیاهی از طریق ایجاد دگرگونی در ساختار دیواره در رشد سلولی دخالت دارد.
بعدها در دهه 1980 نشان داده شد که دیواره سلولهای ساقه در بافر اسیدی (6=PH) توسعه و گسترش زیادی می یابند .
این یافته ها، تائیدی بر نظریه رشد اسیدی بود که می گوید رشد سلول های گیاهی با میانجیگری اکسین احتیاج به اسیدی شدن دیواره سلولی دارد.
نکاتی که Cosgrove در تئوری تاثیر اسید بر توسعه دیواره سلولی بیان گردد.
نشان گر معدود دیدگاه هایی در این پدیده بود:
1) تیمار با گرما یا پروتئاز باعث از بین رفتن دیواره سلولی می شود.
2) مقادیر بالایی از Q10 دیده شد.
3) پیوندهای احیاگر –SH قابلیت گسترش را بالا می برند.
پیوندهای احیاگر –SH قابلیت گسترش را بالا می برند.
موارد فوق قویاً این فکر را تقویت می کرد که در توسعه اسیدی دیواره سلولی از طریق تعدادی واکنش های آنزیمی موجود در دیواره سلولی کنترل می شوند.
Cosgrove و همکارانش از هیپوکوتیل خیار، اولین پروتئین دیواره ای را کشف کردند که قادر به توسعه و رشد دیواره سلولی این گونه گیاهی بود، و آنها نام این پروتئین را expansin گذاشتند.
Expansin در خیار می تواند بر روی رشد سلول های غیرفعال شده از طریق حرارت تاثیر بگذارد که این نشان دهنده نقش دگرگون کننده expansin می باشد.
محدوده گسترده PH (3 تا 5) و دیگر خصوصیتها در رشد دیواره، متناسب با نقطه نظرات ارائه شده در نظریه اولیه رشد اسیدی دیواره بود.
قبل از کشف expansin ، آنزیمهای هیدرولیز کننده دیواره سلولی مثل سلولاز و گزیلوگلوکان اندوترانس گلیکوزیلاز به عنوان آنزیمهای سست کننده دیواره سلولی معرفی می شوند.
بهر حال دخالت داشتن واکنشگر هیدرولیز کننده در انعطاف پذیری دیواره سلولی و فعالیت آنزیمهای expansin نمی توانست ثابت شود.
پرسش در این جا بود که چگونه آنزیمهای expansin قادر به توسعه دیواره سلول بدون داشتن فعالیتهای هیدرولیز کننده هستند.
در یک آزمایش جالب که به وسیله کاغذ صافی سلولزی انجام شد، نشان داده شد که expansin از طریق گسستن پیوندهای هیدروژنی باعث رشد دیواره سلولی می شود.
در آزمایش دیگری که به بررسی مولکول هدف expansin اختصاص داشت، تمایل بالای expansin برای ایجاد تغییر در مولکول های همی سلولز و سلولز کریستال نشده، پیشنهاد شد.
بر اساس این یافته ها تصور می شود که expansin از طریق شکستن پیوندهای هیدروژنی در محل اتصال بین میکروفیبریلهای سلولزی و پلیمرهای همی سلولزی ماتریکس باعث رشد دیواره سلولی می شود.
ژنهای expansin در تمام شاخه های زیر سلسله گیاهی اعم از نهانزادان آوندی، بازدانگان و قسمت اعظم نهاندانگان شناسایی شده است.
بر اساس توالی های همولوگ و برخی خصوصیات بیوشیمیایی expansin به دو زیر خانواده با نامهای a و B تقسیم می شود.
با اینکه شباهت بین اسیدهای آمینه دو زیر خانواده در حدود 25% می باشد ولی برخی از توالی های باقی مانده کاملاً حفظ شده اند.
یک مقایسه ژنی بین توالی سلولاز در قارچها و باکتریها این نتیجه را بدست می دهد که مولکول expansin به عنوان کاتالیزور در فعالیت سلولازی و بسیاری از توالی های آروماتیک (به خصوص انتهای کربونیل آنها) در پیوندهای سلولزی شرکت می کند.
وظیفه expansin در این روند که به نظر می رسد از نظر بیوشیمیایی متفاوت با سلولز باشد در حال بررسی است.
Expansin و رشد اندامها مکالمات منتشر شده و آزمایشات انجام شده بر روی expansin سلولهای گیاهی نشان داده که میزان expansin سلولی در رابطه مستقیم با رشد اندام گیاهی است.
میزان تجلی ژنهای expansin در سلولهای بافتهای در حال رشد بسیار بیشتر از بافتهای تمایز یافته است.
Expansin در خیار، در نواحی در حال رشد هیپوکوتیل بیشتر بیان می شود.
همانند سازی ژن expansin برنج در بافتهای در حال رشد مثل ریشه، کولئوپتیل و میانگره ها نسبت به بافتهای تمایز یافته و بالغ بسیار بیشتر صورت می گیرد.
در میانگرههای برنج، میزان پروتئین و expansin فعال بسیار بیشتر از بافتهای تمایز یافته می باشد.
تجلی ژن expansin در فیبر کتان در زمان ازدیاد طول فیبر، افزایش قابل توجهی می یابد.
ژنهای expansin همچنین تحت تاثیر هورمونهای گیاهی و شرایط محیطی می باشند که آن هم بر روی رشد گیاه تاثیر می گذارد.
همانند سازی ژن expansin در برنج آبی (QsEXP4) ، 30 دقیقه بعد از تزریق جیبرلین یا به زیر آب رفتن میانگره، افزایش می یابد که این زمان خیلی کوتاهتر از زمان طویل شدن اندامها در پاسخ به این عوامل می باشد.
ژن expansin در یک هاگزای دیگر به نام R.diphyllum نیز تاثیر پذیر از رطوبت و اتیلن می باشد.
همچنین تجلی ژم expansin در سویا در طی تمایز سلولی تحت تاثیر سیتوکینین و تجلی ژن expansin در کاج تحت تاثیر اکسین می باشد.
این امکانات در مورد تجلی ژن این نتیجه را به ما می دهد که از طریق تاثیر پذیری هورمونی و همچنین محیط اطراف خودش در رشد اندامهای گیاهی دخالت دارد و ژنهای حیاتی آن نیز در طول تکامل حفظ شده اند.
از دیگر یافته های شگفت انگیز که نشان دهنده نقش حیاتی expansin می باشد از طریق فعالیتهای اگزوژن بر روی expansin خالص سازی شده از مریستم راس ساقه گوجه فرنگی بدست آمد.
Expansin در نظر گرفته شده از بافت مریستمی نه تنها قادر به تغییر کامل در پرایموردیوم می باشد، بلکه باعث تغییر در فیلوتاکسی (تغییر کامل در مریستم ساقه) نیز می شود.
این نتایج محققان را به این فرض نزدیک کرد که expansin احتمالاً فاکتور داخلی است که قادر به تغییر در پرایموردیوم از طریق باز کردن فضاهای بین لایه های اپیدرمی مریستم ساقه می باشد.
این نتیجه همچنین ایجاد سوال در مورد مکانیسم اندام زایی در گیاهان می کند، که چگونه نمو سلولی باعث تغییر در اندام زایی می شود.
Expansin اگزوژن همچنین می تواند نمو سلولی مثل تنباکو را تحت کنترل داشته باشد.
شواهدی در دست است که نشان می دهد expansin همانگونه که در رشد اندامها دخالت دارد در اندام زایی اولیه نیز دخالت دارد.
ژن expansin در گوجه فرنگی و سه ژن expansin در برنج در هنگام پدیدار شدن پرایموردیوم برگی مریستم راس ساقه، بیان می شود.
بر اساس آزمایش انجام گرفته توسط Fleming نشان داده شد که بیان ژن گوجه فرنگی سریعتر از پدیدار شدن پرایموردویمهای برگی، انجام می گیرد.
Expansin برنج در غلظت بالا در ریشه اولیه و ریشه های فرعی دیده شده است.
پدیدار شدن یک اندام جدید وابسته به تقسیم سلولهای فعال و نمو سلولی است.
Expansin در این اندامهای پرایموردیومی می تواند باعث نمو سریع سلولها شود.
Expansin همچنین می تواند از طریق غیرمستقیم باعث پیشرفت تقسیم سلولی شود.
یکی بودن زمان تقسیم سلولی و رسیدن به حداکثر حجم خودش دلالت بر این دارد که تقسیم سلولی با اندازه حجم سلول رابطه دارد.
Expansin از طریق افزایش حجم سلولی باعث تسریع تقسیم سلولی در بافتهای پرایموردیومی می شود.
نقش دیگری که می توان برای expansin در حین اندام زایی قائل شد، ایجاد تمایز سلولی یا بافتی در هنگام دیواره سازی می باشد.
بیان expansin در Zinnia در هنگام تمایزیابی تراکئیدها (که شامل طویل شدن سلولها نمی شود) افزایش می یابد.
آزمایشات مشخص کننده نقش expansin در طی رشد و نمو گیاهی به تازگی به نتیجه رسیده است.
از آنجا که خانواده بزرگی از expansin در گیاهان دیده می شود (در گیاه Arabidopsis در حدود 30 نوع) در نتیجه امکان تداخل نتایج آزمایشات در تحقیقات ژنتیکی دیده می شود.
در تحقیقات اولیه بر روی نحوه تجلی expansin و با استفاده از پروموتوری به نام 35 s cauliflower mosaic viruses که تجلی گر تمام ژن expansin می باشد، فنوتیپهایی در Arabidopsis ظاهر شد که نشان دهنده نقش حیاتی expansin در طی اندام زایی گیاه می باشد.
برای محدود کردن صفات فنوتیپی به یک بافت مشخص از طریق یک پروموتور مخصوص که بیان کننده ژن expansin در Arabidopsis تغییر ایجاد کردیم.
نتیجه این آزمایش یک سری راه حلهایی برای فهم نقش expansin در رشد دیواره سلولی به محققان ارائه کرد.
این expansin که به نام ATEXP10 شناخته می شود در رگبرگهای اصلی و فرعی و دمبرگ برگهای در حال رشد دیده می شود.
ژنهای حساس و غیرحساس تجلی یافته توسط پروموتور مخصوص این ژن، نشاندهنده تغییرات فنوتیپیک در اندازه و مورفولوژی برگ و دمبرگها می باشد.
تغییر در ژن گیاهان غیر حساس منجر به کاهش اندازه برگها و طول رگبرگها و دمبرگها می شود.
ولی تغییر محسوسی در پهنای برگها دیده نمی شود.
بر اساس این تغییرات مرفولوژیکی اندازه سلولی در رگبرگها به طور قابل توجهی نسبت به انواع کنترل شده کاهش یافته است.
علاوه بر این، دیواره سلولی در انواع تغییر یافته به میزان زیادی کاهش رشد داشته است، که ارتباط تنگاتنگی با کاهش میزان expansin دارد.
برعکس در گیاهان حساس ، در موارد فوق الذکر افزایش دیده شده است.
به عنوان مثال 18درصد افزایش طول در برگها دیده شده است.
این نتایج نشان می دهد که ATEXP10 به طور مشخص کنترل کننده طول برگها در Arabidopsis از طریق کنترل توسعه دیواره سلولی می باشد و به طور کلی تائیدی بر نظریه کنترل رشد سلولی به وسیله expansin می باشد.
این بررسی ها همچنین نظریه ای را پیشنهاد می کند که وجود یک همکاری تنگاتنگ بین بافتها برای ساخت یک اندام جدید را اعلام می کند.
از آنجا که درصد زیادی از ATEXP10 در رگبرگ و دمبرگ دیده می شود.
هرگونه تغییر در میزان expansin به روی حجم و اندازه کلی برگ تاثیر می گذارد .
یک امکان این است که رشد پهنک در ارتباط با رشد رگبرگ اصلی می باشد.
که این امر می تواند یا به دلیل اتصال بین سلولها و یا به دلیل تاثیرات فیزیولوژیکی باشد که رگبرگ و پهنک متقابلاً بر روی هم دارند.
چرخش برگها به دور رگبرگ اصلی در توالی های غیر حساس به ATEXP10 می تواند به دلیل تعامل ناقص بین رگبرگ و پهنک باشد.
ژن جهش یافته lam-1 در تنباکو که ضخامت برگها را تحت کنترل دارد( این جهش باعث کاهش ضخامت برگها می شود) برگها حالت استوانه ای به خود می گیردولی طولشان تغییر نمی کند.
رگبرگ احتمالاً عامل اصلی در تعیین طول برگ محسوب می شود.
رگبرگ دارای کلانشیم و اسکلرانشیم می باشد و سلولهای آن به شدت قطبی شده اند و فاقد فضای های بین سلولی می باشند.
این خصوصیات ساختاری می تواند به عنوان یک عامل محدود کننده برای رشد کل برگ محسوب شود.
نقش expansin در تنظیم رشد بافتها مکانیسم رشد سلولی در گیاهان را می توان به رشد بافتها تعمیم داد.
و از زمان انتشار نظریه Hofmester در قرن 19، این باور وجود داشت که یک اندام در حال رشد از دو بخش کاملاً مجزا ساخته شده است یک بخش در حال گسترش و یک بخش در حال فشرده شدن می باشد.
در مورد نحوه رشد از آنجا که مناطق اپیدرمی در ساقه حالت استحکامی و مناطق داخلی تر حالت گسسته تر به خود می گیرند ناشی می شود.
این نظریه که به نام «کشش بافتی» خوانده می شود از آنجا ناشی می شود که بین دو منطقه تفاوت ساختاری وجود دارد و دیواره سلولی مناطق اپیدرمی ضخیم تر از دیواره سلولی پارانشیمها درونی است و جهت گیری میکروفیبریلهای سلولزی در سلولهای درونی خیلی انعطاف پذیری بیشتری برای ازدیاد طول نسبت به انواع اپیدرمی دارد.
بر این اساس لایه اپیدرمی به عنوان یک فاکتور محدود کننده رشد تمام اندام محسوب می شود.
کشش بافتی در بافت و اندامهای گوناگونی مثل ساقه ، برگ ، راس ساقه و ریشه و بافتهای جلبکی دیده می شود.
کشش بافتهای را می توان در بین سلولهای وزیکوله و سلولهای پارانشیمی نیز مشاهده کرد که سلولهای وزیکوله با دارا بودن دیواره سلولی ضخیم به عنوان یک عامل محدود کننده رشد عمل می کنند.
این نظریه اعلام می کند که سلولهای محدود کننده رشد با دیواره سلولی ضخیم در تمام یک اندام در حال رشد پخش می باشند.
خصوصیت انتشاری expansin مؤید این مطلب است که در سلولهای اپیدرمی و وزیکوله در میانگرههای در حال رشد برنج، expansin رونویسی شده و پروتئین آن دیده می شود.
میزان گسترش expansin در این قسمتها می تواند عاملی برای شکل گیری اولیه اندامها باشد.
وجود expansin در راس ساقه دلیلی دیگر بر تائید نظریه کشش بافتی می باشد.
تنظیم شکل و اندازه یک اندام در کشاورزی بسیار مهم می باشد.
با توجه به اهمیت تناسب بافتهای گیاهی ایجاد تغییر در جهت گیری اندامها به عنوان یک مبحث در حال رشد مورد اهمیت قرار گرفته است.
در این مقاله مثالی ارائه شده که نشانگر نقش پروتئین expansin در رشد گیاه می باشد رشد اندامهای گیاهی نشان از انعطاف پذیری زیاد آنها در برابر شرایط محیطی و فیزیولوژیکی می باشد.
بنابراین بررسی و بسط و گسترش اندرکنشهایی که در این روند صورت می گیرد، شانس ما را برای ایجاد گیاهان ایده ال افزایش می دهد.