فناوری فیزیولوژی گیاهی

یکی از تفاوت‌‌های آشکار بین ما جانوران و خویشاوندان سبز رنگ دورمان، یعنی گیاهان، میزان جنبش و جابه‌جایی ماست. ما پذیرفته‌ایم که هوش را از روی کارها بسنجیم، زیرا کارهایی که انجام می‌دهیم نشان می‌دهند که در مغز ما چه می‌گذرد. بنابراین، چون گیاهان خاموش و بی ‌جنبش به چشم می‌آیند و در یک جا ریشه دوانده‌‌اند، زیاد تیز هوش و زرنگ به نظر نمی‌رسند. اما گیاهان نیز جنبش دارند و به برانگیزاننده‌های پیرامون خود پاسخ می دهند.

گیاهان با حساسیت چشمگیری دست کم 15 متغیر محیطی گوناگون را پیوسته بررسی می‌کنند. آن‌ها می‌توانند این پیام های ورودی را پردازش کنند و با کمک دسته‌ای از مولکول‌ها و راه‌های پیام ‌رسانی، خود را برای پاسخ درست آماده سازند. بنابراین، توان محاسبه‌ گری گیاهان بی‌مغز شاید به اندازه‌ی بسیاری از جانوران با مغزی باشد که می‌شناسسیم.

ساقه‌ی در حال رشد می‌تواند با کمک پرتوهای قرمز دور(مادن قرمز)، نزدیک‌ترین همسایه‌های رقیب خود را حس کند و پیامد کارهای‌ آن‌ها را پیش‌بینی کند و اگر لازم باشد، به شیوه‌ای از رخ‌دادن آن پیامدها پیش‌گیری کند. برای مثال، هنگامی که همسایه‌های رقیب به نخل استیلت (Stilt) نزدیک می شوند همه‌ی گیاه به سادگی جابه‌جا می‌شود. ریزوم برخی گیاهان علفی با رشد کردن به سوی بخش بدون رقیب و یا سرشار از مواد غذایی، جای زندگی خود را بر می‌گزیند. سس که نوعی گیاه انگل است، طی یک یا دو ساعت پس از نخستین برخوردش با گیاه میزبان، توانایی بهره‌برداری از آن را می‌سنجد. خلاصه، گیاهان می‌توانند ببینند، بچشند، لمس کنند، بشنوند و ببویند.

در این مقاله که در دو بخش تنظیم شده است، با گوشه‌هایی از رفتارهای هوشمند گیاهان و سازوکار چگونگی رخ دادن آن‌ها آشنا می‌شویم.

دوری از سایه

ساقه‌ی در حال رشد می‌تواند با کمک نور قرمز دور، نزدیک‌ترین همسایه‌های رقیب خود را حس کند و پیامد کارهای‌ آن‌ها را پیش‌بینی کند و اگر نیاز باشد، به شیوه‌ای از رخ‌دادن آن پیامدها پیش‌گیری کند. این فرایندها را مولکول‌هایی به نام فیتوکروم میانجی‌‌گری می‌کنند. فیتوکروم‌ها، گیرنده‌ها و حسگرهای نور در گیاهان هستند.

هر فیتوکروم از یک بخش دریافت‌کننده‌ی نور و یک بخش دگرگون‌کنند‌ی پیام تشکیل شده است. بخش دریافت‌کننده‌ی نور ساختمان تتراپیرولی دارد و از راه اسید آمینه‌ی سیستئین به بخش دگرگون‌کننده‌ که گونه‌ای پروتئین است، پیوند می‌شود. فیتوکروم در پاسخ به طول موج‌های گوناگون نور، به شکل کارا و ناکارا درمی‌آید. شکل ناکارا (Pr) پس از جذب فوتون‌های قرمز به شکل کارا (Pfr) در می‌آید. Pfr که فوتون‌های قرمز دور (مادون قرمز) را بهتر دریافت می‌کند، در پاسخ به این طول موج‌ها به Pr دگرگونه می‌شود.

ساز و کار فیتوکروم

در نور خورشید، نسبت نور قرمز به قرمز دور نزدیک 2/1 است. اما در یک جامعه‌‌ی گیاهی این اندازه کاهش می‌یابد، زیرا رنگیزه‌های فتوسنتزی، از جمله کلروفیل، نور قرمز را جذب می‌کنند. تغییر در نسبت نور قرمز به مادون قرمز شاخص قابل اطمینانی برای ارزیابی نزدیکی گیاهان رقیب است. در جامعه‌های فشرده پرتوهای قرمز دوری که از برگ‌های گیاهان بازتاب می‌یابند یا پراکنده می‌شوند، پیام روشن و منحصر به فردی است که از نزدیکی رقیبان آگاهی می‌دهد. پس از درک نسبت پا یینی از نور قرمز به قرمز دور، گیاهی که از سایه دوری می‌گزنید (گیاه آ فتاب پسند) بر رشد طولی خود می‌افزاید و اگر ترفنندهایش کارگر افتند، جنبه‌های دیگر پاسخ دوری از سایه باعث شتاب گرفتن گلدهی و تولید پیش از زمان دانه می‌شوند تا بخت ماندگاری افزایش یابد.

دانشمندان در آزمایشی گروهی از گیاهان را زیر فیلتری پرورش دادند که نسبت نور قرمز به قرمز دور را کاهش می‌داد و بنابراین، پاسخ دوری از سایه را بر می ‌انگیخت. این گیاهان نسبت به گیاهانی که زیر نور کامل خورشید می‌روییدند، رشد طولی بیش‌تری پیدا کردند. البته، اندازه‌ی رشد طولی به اندازه‌ی آفتاب‌پسندی گیاه ارتباط دارد. گیاهان صحرایی نسبت به گیاهانی که به طور معمول در سایه‌ی درختان چنگل می‌رونید، رشد طولی بیش‌تری پیدا کردند.

فیتوکروم‌ها اغلب فعالیت پروتئین‌کنیازی را از خو د نشان می‌دهند. این مولکول‌ها با پیوند زدن گروه‌های فسفات به پروتئین ها، فعالیت آن‌ها را تغییر می‌دهند. بر این اساس، آن‌ها با تغییر فعالیت پروتئین‌هایی که در تنظیم ژن‌ها دخالت دارند، بر فعالیت آن‌ها تاثیر می‌گذارند. ژن‌های زیادی در گیاهان شناخته شده‌اند که از راه فیتوکروم در پاسخ به نور تنظیم می‌شوند. البته، فیتوکروم‌ها بخشی از پاسخ‌های زیستی را از راه تغییرهایی در تعادل یون‌ها در سلول پدید می‌آورند.

تکامل فیتوکروم‌ها

توان درک نسبت نور قرمز به قرمز دور، در نهاندانگان رشد چشمگیری پیدا کرده است. سرخس‌ها و خزنده‌ها به طور معمول با واکنش‌های بردباری به سایه، به انبوهی جامعه گیاهی پاسخ می‌دهند. بازدانگان تا اندازه‌ای واکنش‌های دوری از سایه را نشان می‌دهند. شاید تکامل توان شناسایی پیام‌های نوری که از گیاهان پیرامون بازتاب می‌یابد، برای پیشرفت نهاندانگان تا وضعیت کنونی که در فرمانروی گیاهان حرف اول را میزنند، سرنو شت‌ساز بوده است. اگر فیتوکروم ها نبودند هنوز هم گیاهان دوران کربونیفر ما را در بر گرفته بودند.

فیتوکروم‌ها در آغاز در نیاکان پروکاریوتی گیاهان امروزی به وجود آمدند. به نظر می‌رسد در آن‌ها به صورت حسگرهای نور کار می‌کردند. شاید توانایی بی‌نظیر فیتوکروم ‌ها در دگرگونه شدن به شکل‌های کارا و ناکارا در پاسخ به کیفیت نور، در پروکاریوت‌های آغازین اهمیت کارکردی زیادی نداشته است، اما این ویژگی طی تکامل گیاهان خشکی، گزینش و اصلاح شده و به صورت حسگر پیچیده‌ای در آمده است که اهمیت آن با اهمیت بینایی در جانوران برابری می کند. به عبارت دیگر، شاید بتوان فیتوکروم‌ها را چشم‌های گیاهان به شمار آورد.

فرار از سایه

گیاهان برای دوری از چتر سایه‌انداز همسایگان خود، می‌توانند به کارهای چشم‌گیرتری دست بزنند. برای مثال، نخل استیلت (Socratea exorthiza) ساقه‌ای دارد که مانند شخصی که عصا زیر بغل دارد، بر ریشه‌های عصا مانند گیاه تکیه دارد و اغلب نیز به طور مستقیم با زمین تماس ندارد. نام معمولی این گیاه نیز به همین ویژگی اشاره دارد. (واژه استیلت به معنای پایه و تکیه گاه است.) از این رو، این گیاه استوایی را می‌توان نخل پایه‌دار نامید.

هنگامی که همسایگان نخل پایه‌دار بر میزان نور دریافتی گیاه تاثیر می‌گذارند یا به منبع غذایی آن دست ‌درازی می‌کنند، نخل فرار را برقرار تریجح می‌دهد و همه‌ی گیاه به جایی جابه‌جا می شود که بسیار آفتابی است. برای این جابه جایی ریشه های تکیه گاهی جدید به سوی جای آفتابی رشد می‌کنند و ریشه‌های طرف سایه‌انداز شده,،آرام‌آرام می‌میرند. در این رفتار گیاه، به خوبی هدف‌دار کار کردن را می‌بینیم.

در جست و جوی غذا
گیاهان در جست و جوی مواد غذایی می توانند خاک پیرامون خود را ارزیابی کنند و به جاهایی سر بکشند که بهترین چیزها در آن جا یافت می‌شوند. دانشمندان به تازگی برای گیاهان آزمون‌های هوشی را سامان داده‌اند که به کمک آن‌ها می‌توان دریافت گیاهان در کندوکاو پرامون‌شان تا چه اندازه‌ای خردمندانه کار می‌کنند. آنان با کاشتن گیاهان در خاک ناهمگون، یعنی خاکی که قطعه‌های آن از نظر کیفیت مواد غذایی با هم تفاوت دارند، هوش گیاهان را می‌سنجد.

پیچک باغی (Glechoma hederace) توجه گیاه‌شناسان را به خود جلب کرده است. این گیاه همان طور که روی زمین می خزد، در دو بعد رشد می کند. هر جا که مناسب باشد، از ساقه زیر زمینی آن ریشه‌هایی به سوی زمین و ساقه‌هایی به سوی بالا پدید می‌آیند. وقتی گیاه در خاک مرغوبی قرار گیرد، انشعاب و شاخ و برگ بیش‌تری تولید می کند. هم‌چنین، توده‌هایی از ریشه پدید می‌آورد تا با سرعت بیش‌تری از خاک قطعه‌ای که در آن می‌روید، بهره برداری کند. اما هنگامی که این گیاه خزنده در قطعه‌ی فقیرتری قرار می‌گیرد، با سرعت بیش‌تری گسترش خود را به بیرون از آن قطعه‌، پیش می‌برد تا به هر گونه‌ای از آن ‌جا فرار کند. در این حالت، ساقه‌ی زیر زمینی گیاه نازک‌تر است و انعشاب کم‌تری دارد.

این تغییر در الگوی رشد باعث می شود، ساقه‌های هوایی جدید دورتر از گیاه والد شکل گیرند و در محیط تازه‌ای به جست و جوی مواد غذایی بپردازند. البته، میزان رشد فقط با کیفیت مطلق یک قطعه ارتباط ندارد، بلکه میزان مرغوبیت آن در مقایسه با قطعه‌های پیراون نیز برای گیاه مهم است. در واقع، گیاه قطعه‌ای را به عنوان قطعه‌ی مرغوب شناسایی می‌کند که دست کم دو برابر سرشار تر از قطعه‌های پیرامون باشد. اما پیش از این پاسخ‌های هوشمندانه، گیاه باید بتواند کیفیت قطعه‌ای را که در آن می‌روید بسنجد.

دو پژوهشگر انگلیسی ژنی را در گیاه رشادی (Arabidopsis) کشف کرده‌اند که به ریشه‌ها این توانایی را می‌دهند که برای پیدا کردن قطعه‌های سرشار از نیترات و نمک‌های آمونیوم، خاک را بچشد. فراورده‌ی این ژن به ریشه‌ها امکان می‌دهد به جای جست و جوی تصادفی و پر هزینه، به سوی مواد غذایی رشد کنند. این دو پژوهشگر برای شناسایی ژن‌هایی که ممکن است در این کار دخالت داشته باشند، جهش یافته‌های گوناگونی از رشادی را پرورش دادند تا سرانجام جهش یافته‌ای را پیدا کردند که نمی‌توانست با توسعه‌ی ریشه‌های جانبی از ریشه‌های اصلی، به جست و جوی نیترات بپردازد. به این ترتیب آنان ژنی را کشف کردند که برای شناسایی نیترات ضروری است.

چشایی در گیاهان

ریشه‌های گیاهان می‌توانند رفتارهای هوشمندانه‌تری نیز از خود بروز دهند. در دانشگاه تگزاس، استنلی روکس و کولین توماس آنزیمی به نام آپیراز را بر سطح ریشه‌ها کشف کردند که به آن‌ها توانایی می‌دهد در جست و جوی ATP تولید شده از سوی میکروب‌های خاک، قطعه‌های گوناگون خاک را مزه مزه کنند. آپیراز به صورت پروتئینی متصل به غشا تولید می‌شود که بخش دارای فعالیت کاتالیزوری آن به سوی بیرون سلول است. این آنزیم با فعالیت آبکافتی خود فسفات گاما و بتا را از مولکلول ATP یا ADP جدا می کند. گیاهان به کمک این آنزیم بخشی از فسفات معدنی لازم برای رشد خود را به دست می‌آورند. این دو پژوهشگر در آزمایشی نشان دادند، گیاهان تراژنی که مقدار زیادی آپیراز تولید می‌کردند، نسبت به گیاهان دیگر، رشد بیش تری داشتند.

مکنده‌های گیاه سس (Cuscuta) نیز برای غارت بهترین گیاه میزبان از حس چشایی بهره می‌گیرند. این گیاه که توان فتوسنتز کردن ندارد، به گرد ساقه‌های میزبان می پیچد و برای به دست آوردن مواد غذایی و آب، ساختارهای مکنده خود را درون آن‌ها فرو می‌کند. هوش این انگل گیاهی در ارزیابی مقدار انرژی که می‌توان از میزبان به دست آورد و مقدار انرژی که برای بهره برداری از آن باید صرف شود، به کمک گیاه می‌آید.

از لحظه برخورد انگل با گیاه میزبان تا آغاز گرد آوری مواد غذایی از آن، نزدیک 4 روز است. این زمان برای ارزیابی میزان پرباری میزبان و تصمیم گیری برای تولید پیچ‌ های کم تر یا بیش تر به دور آن، کافی است. پیچ‌های بیش‌تر به تولید مکنده‌های بیش‌تر و در نتیجه بهره برداری بیش تر از میزبان می‌انجامند. اما اگر میزبان پربار نباشد تولید پیچ‌های بیش‌تر نوعی هدر دادن انرژی به شمار می ‌آید.

در دهه 1990 کولین کلی نشان داد راهبردهایی که گیاه سس برای جست و جوی بهترین میزبان به کار می‌گیرد، با مدل‌های ریاضی که برای توضیح جنبه‌های اقتصادی جست و جوی غذا در جانوران ابداع شده بودند، هماهنگی دارند. بنابراین، سس ممکن است زرنگ‌ترین شکارچی پیرامون ما نباشد، اما در جست و جوی شکار به خوبی جانورانی که می شناسیم، کار می کند.

لامسه در گیاهان

گیاهان گوشتخوار از جمله گیاه دیونه (Dionea muscipula) با سرعت شگفت‌آوری به برخورد حشره‌ها با کرک‌های حساس روی برگ‌هایشان پاسخ می‌دهند. با واکنش گل قهر (Mimosa pudica) به کوچک‌ترین برخورد آشنا هستید. اما این گیاهان، تنها گیاهانی نیستند که می‌توانند برخورد را درک کنند. آن‌ها نسبت به دیگر گیاهان، فقط لامسه نیرومند‌تری دارند.

گیاهان معمولی برای پاسخ دادن به کشیدهای باد به لامسه نیاز دارند. باد می‌تواند بر میزان شاخ و برگ در گیاهان اثر منفی داشته باشد. از این رو، گیاهان می‌کوشند با تقویت بافت‌های بخش‌هایی که به نوسان در می‌آیند، در برابر باد پایداری کنند. البته، هزینه کردن انرژی برای بافت‌ها ممکن است کشاورزان را نگران کند. در یک آزمایش مشاهده شد وقتی گیاه ذرت هر روز به مدت 30 ثانیه تکان داده شود، میزان محصول تا 30 الی 40 درصد کاهش می‌یابد.

پژوهشگران می‌خواهند بدانند چگونه پیام لمس، بافت‌های محکم‌تری تولید می‌کند. بیش‌تر پژوهش‌های کنونی روی کلسیم متمرکز شده است. هنگامی که گیاهان به سویی کشیده می‌شوند، یون‌های کلسسیم از واکوئل‌ها به درون سیتوزول جریان پیدا می‌کنند. بیرون رفتن این یون‌ها ، که تنها یک دهم ثانیه به درازا می کشد، به فعال شدن ژن‌هایی می‌انجامد که با تقویت دیواره‌ی سلول ارتباط دارند. تاکنون پنج ژن از این ژن‌های لامسه (TCH) شناسایی شده‌اند. یکی از این ژن ها، رمز ساختن پروتئین کالمودولین را در خود دارد که حسگر اصلی کلسیم در گیاهان و جانوران است. در سال 1995 جانت برام چهارمین ژن لامسه (TCH4) را کشف کرد که آنزیمی به نام زیلوگلوکان اندوترانس گیکوزیلاز را رمز می‌دهد. این آنزیم روی دیواره‌ی سلولی گیاهان اثر می‌گذارد و با تغییرهایی که در اجزای اصلی سازنده‌ی آن‌ها پدید می‌آورد، بر قدرت و استحکام آن‌ها می‌افزاید.

منبع: جزیره دانش