پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد
عنوان : اثر شوری بر گیاهان
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
“مقدمه“
رشد و نمو طبیعی گیاهان اساساً به توانایی آنها در مبارزه و غلبه کردن به استرسهای محیطی وابسته است . ناتوانی گیاه برای جابجایی، عامل اصلی قرار گرفتن آن در معرض تنشهای زیستی و غیرزیستی میباشد. (دابرووسکا و همکاران، 2007). تنشهای غیرزیستی مثل شوری بالا، خشکی، نور و دمای بالا منجر به کاهش تولید محصولات زراعی در سراسر جهان میشود که در این میان، شوری خاک یکی از بزرگترین تهدیدها برای کشاورزی به شمار میرود به طوریکه در سال 2002 توسط کایا و همکاران تخمین زده شده است یک _ سوم زمینهای زراعی جهان تحت تنش شوری قرار دارند(کایا و همکاران، 2002). تنش شوری، رشد گیاهان و مراحل مختلف جوانه زنی، رشد رویشی، تولید گل و تشکیل میوه را تحت تاثیر قرار داده(جیتش و همکاران، 2006) و ارتباط و همبستگی غشاهای سلولی و فعالیت آنزیمها و دستگاه فتوسنتز را مختل میکند. بنابراین در بسیاری از مناطق خشک و نیمهخشک جهان، افزایش تحمل شوری به منظور تولید پایدار محصول، امری ضروری است و میتواند منجر به ثبات عملکرد در خاکهای شور شود(میلر و همکاران، 2009). یکی از تغییرات بیوشیمیایی که تحت تنش شوری اتفاق میافتد، تولید بیش از حد رادیکالهای فعال اکسیژن ROS ( Reactive oxygene species ) میباشدROS .ها در غلظتهای بالا برای سلول سمی هستند و میتوانند به طور جدی به کلروفیل II ، پروتئینها، لیپیدهای غشایی و اسیدهای نوکلئیک آسیب برسانند. تولید این ترکیبات نظیر پراکسید هیدروژن (H2O2 ,Hydrogen peroxide )، سوپراکسید (O2¯, Superoxide ) و رادیکال هیدروکسیل(HO¯ ,Hydroxil) باعث اکسیداسیون پروتئینها، DNA و لیپیدها میشود(مودونالد، 1999). ROSها عموماً در غلظتهای پایین در ارگانلها تولید میشوند اما در طی تنش، سرعت تولید آنها افزایش مییابد. از این رو سلول مکانسیمهای آنتیاکسیدانت را به منظور ایجاد تعادل بین تولید و تجزیهی ROS ها درخود ایجاد کرده است. اجزای ابتدایی این مکانیسم شامل آنتیاکسیدانتها با وزن مولکولی پایین ) آسکوربات (Ascorbate)، گلوتاتیون(Glotathion) ، کارتنوئید (Cartenoeid) ، فلاونوئید (Flavnoeid) و توکوفرول(Tocopherol)
(، آنزیمها ) سوپراکسید دیسموتاز (SOD: SuperOxide Dismutase) ، کاتالاز (Catalase)،گلوتاردوکسین (Glutaredoxins)، گلوتاتیون پراکسیداز و پراکسیدازهای دیگر ( و آنزیمهای دخیل در سیکل آسکوربات-گلوتاتیون )گلوتاتیون ردوکتاز (GR, Glotathion Reductase) ، آسکوربات پراکسیداز (APX, Ascorbate Peroxidase)، مونودهیدروآسکوربات ردوکتاز (MDHAR, Monodehydro Ascorbate Reductase) و دهیدروآسکوربات ردوکتاز (DHAR) میباشند. در این میان MDHAR یک آنزیم با کوآنزیم فلاوین آدنین دی نوکلئوتیدی (FAD) است که به فرم آیزوزیمهای کلروپلاستی، میتوکندریایی و سیتوسولی یافت میشود. MDHAR برای مونودهیدروآسکوربات (MDHA) که پذیرندهی الکترون این آنزیم است، بسیار اختصاصی عمل میکند. و NADPH بخشندههای الکترون برای این آنزیم محسوب میشوند، حال آنکه از بین این دو MDHAR ، NADH را ترجیح میدهد. باززایی فرم احیاشدهی آسکوربات در سیکل آسکوربات – گلوتاتیون توسط این آنزیم انجام میگیرد.
اعضای تیره ی Poaceae از ردهی تکلپهایها، به عنوان گیاهانی با مقاومت بیشتر به تنشهای محیطی شناخته شدهاند(گرانتز و همکاران، 1995). آلوروپوس لیتورالیس گونهای متعلق به این تیره است که این قابلیت را دارد که به عنوان یک منبع مهم ژنتیکی برای برنامههای بیوتکنولوژی، به منظور بهبود مقاومت به شوری در گیاهان مهم زراعی مثل گندم و برنج، مورد استفاده قرار گیرد. این گیاه یک هالوفیت چند ساله، از خویشاوندان نزدیک گندم است و به صورت علف هرز در مردابها و مناطق شور وخشک رشد میکند. آلوروپوس حاوی ژنوم دیپلوئید (2n=2X=14) با اندازه ی حدود 342Mb می باشد(کایا و همکاران، 2002). این گیاه قادر است نمک را توسط غدد نمکی به خارج ترشح کند و به این ترتیب شوری را تا 1 درصد، به خوبی تحمل میکند. علاوه بر این، فتوسنتز در این گیاه از نوع متابولیسم C4 است که به آن انعطاف پذیری بیشتری در برابر تنشهای شوری و خشکی میدهد. با توجه به تحمل شرایط محیطی دشوار، این گیاه واجد خصوصیات فیزیولوژیکی و مولکولی برجستهای است که میتواند به عنوان منبعی برای شناسایی ژنهای جدید و مفید مقاوم به تنش، از جمله شوری جهت بهبود و اصلاح عملکرد محصولات زراعی مورد استفاده قرار گیرد (گرانتز و همکاران، 1995).
دانش مهندسی ژنتیک یا DNA نوترکیب در اوایل سال 1970 پس از کشف آنزیمهای برشدهنده اسیدهای نوکلئیک، روش تعیین توالی نوکلئوتیدهای مولکول DNA ، پلاسمید و ناقلهای ویروس برای مهندسی ژنتیک پایهگذاری شد و اولین گیاه تراریخت مقاوم به بیماریها در سال 1986 ایجاد گردید. سپس تکنولوژی تولید این گیاهان به سرعت پیشرفت نمود به طوریکه در حال حاضر سالیانه صدها گیاه تراریخت با خصوصیات جدید تولید میشوند. تکنولوژی انتقال ژن، یک ابزار قدرتمند برای افزایش دانستههای ما در مورد پتانسیل شبکهی دفاعی در برابر آسیبهای به وجود آمده در اثر تنش را فراهم میآورد(ساکیهاما و همکاران، 2002). بررسیهای گیاهان تراریخته حاوی ژنهای آنزیمهای آنتیاکسیدانت، افزایش مقاومت این گیاهان به آسیبهای آنتیاکسیداتیو را نشان داده است(ساکیهاما و همکاران، 2002).
1-کلیات
- شوری
1-1-1-مقدمه
شوری عبارت از حضور بیش از اندازه نمکهای قابل حل و عناصر معدنی در محلول آب و خاک است که منجر به تجمع نمک در ناحیه ریشه شده و گیاه در جذب آب کافی از محلول خاک با اشکال روبه رو میشود . خاک شور به خاکهایی اطلاق میشود که بیش از 1 /0 درصد نمک داشته باشند. حد بحرانی نمک برای گیاهان 5/0 درصد وزن خاک خشک میباشد(ابوگادالله، 2010).
شوری خاک یکی از عوامل غیرزندهی حساسی است که عملکرد محصول را در نواحی خشک و نیمه خشک تحت تاثیر فرار میدهد. 4/3 سطح زمین حاوی آبهای شور میباشد، بنابراین عجیب نیست که مقدار قابل توجهی از سطح زمین، تحت تاثیر نمک باشد. نزدیک به 800 میلیون هکتار از خشکیهای کرهی زمین در شرایط شوری قرار دارند(مانس و تستر، 2008). میزان اراضی تحت شرایط شوری در ایران در حدود 24 میلیون هکتار گزارش شده است که معادل 15 درصد زمینهای کشاورزی کشور است(شاکر، 1996). شوری، خاکهایی را که حاوی غلظتهای مشخصی از نمکهای محلول هستند را تحت تاثیر قرار میدهد و میتواند رشد و حیات گیاه را تحت تاثیر قرار دهد(مانس و تستر، 2008) و سبب سمیت در گیاه شود. در کشاورزی شوری اثر منفی روی رشد وعملکرد اقتصادی بسیاری از محصولات مهم دارد (مس و هافمن، 1997، یوکوییو همکاران، 2002 و ویدایانتان و همکاران، 2003) .
مشخصههای یک خاک شور، سطوح سمی کلریدها و سولفات سدیم آن است. مسالهی شوری خاک به واسطهی آبیاری، زهکشی نامناسب، پیشروی دریا در مناطق ساحلی و تجمع نمک در نواحی بیابانی و نیمه بیابانی در حال افزایش است (احمدیخواه 1389). بنابراین میتوان گفت که در آینده، شوری تهدیدی برای تامین غذا میباشد. لذا برای غلبه بر این مشکل، تلاش بر این است تا گونههای متحمل به شوری را با ارزشهای اقتصادی و اکولوژی در خاکهای شور تولید کنند(رزما و فلاورز، 2008).
1-1-2 اثرات شوری بر روی گیاهان
عدم توانایی گیاه برای جابجایی از زیستگاه طبیعی خود، سبب شده است که گیاهان متحمل شرایط نامطلوب بسیاری چون شوری، خشکی و دمای بالا شوند. داشتن خصوصیتی مانند تحمل به شوری، گیاهان را قادر به رشد و تکمیل چرخهی زندگی خود در محیط دارای غلظت زیاد نمک محلول میسازد.
شوری برای رشد گیاه یک عامل محدودکننده است، زیرا سبب محدودیتهای تغذیهای از طریق کاهش جذب فسفر، پتاسیم، نیترات و کلسیم، افزایش غلظت یونهای درون سلول و تنش اسمزی میگردد. جذب یونهای سمی به ویژهNa+ و Cl–با جذب سایر یونهای مغذی به ویژه K+ و Ca2+ رقابت مینماید و موجب کاهش غلظت این یونها در گیاهان میشود(خان، 2008). در نتیجه با افزایش غلظت یونهای سدیم و کلر و کاهش غلظت پتاسیم رشد گیاه مختل میشود.
شوری ثبات یونی گیاه را مختل میکند که نتیجهی آن افزایش سمیت Na+ در سیتوپلاسم و کمبود یونهای ضروری نظیر K+ است(هاسگاوا و همکاران، 2000). در تنش شوری یون سدیم جذب یون پتاسیم را از سلولهای ریشه، مختل میکند. در این شرایط یون سدیم پس از ورود به سلولها با غلظت بالا انباشته میشود که برای آنزیمها، سمی و مضر است. همچنین نفوذ یونهای سدیم و کلر در لایههای آبدار پروتئین از ایجاد پیوندهای غیرکووالانسی در بین اسیدهای آمینهی پروتئین ممانعت میکند که این موجب تغییر ساختار و از کار افتادن پروتئینها و کاهش فعالیت بسیاری از آنزیمها از جمله روبیسکو میگردد(احمدی خواه 1389). به نظر میرسد این کاهش فعالیت ناشی از اختلال در اسیدیتهی استرومای کلروپلاست به دنبال خروج یون پتاسیم و همچنین تغییر ساختار فضایی این آنزیم به دلیل آب کشیدگی سلول میباشد(جسکه، 1984).
فتوسنتز از جمله مهمترین فعالیتهایی است که تحت تنش، مورد بازدارندگی قرار میگیرد. شوری از سه طریق سبب کاهش فتوسنتز میگردد(ونگ و همکاران، 1997 و ملونی و همکاران، 2003) :
الف) کاهش سطح برگ
ب) بسته شدن روزنهها،کاهش تبادلات گازی، کمبود دی اکسید کربن و افزایش میزان گونههای فعال اکسیژن (ROS) در کلروپلاست
ج) نقصان عمل کلروپلاست که بر فعالیت آنزیمهای فتوسنتزی و عمل فتوسیستمها تاثیر میگذارد.
در شرایط تنش شوری تغییرات ساختمانی از جمله کاهش و تعداد روزنهها، ضخیم شدن کوتیکول، چوبی شدن زودرس و افزایش قطر و تعداد آوندهای چوبی حادث میشود(رومرو-آراندا و همکاران، 2001)
1-1-3 -واکنش گیاهان به شوری
مکانیسم سازگاری همهی گیاهان به استرس شوری به دلیل غلظتهای بالایNaCl، به عنوان محلولترین و گستردهترین نمک، شامل تنظیم اسمزی، کاهش غلظت یونهای سمی در سیتوپلاسم از طریق دفع و/یا بیرون راندن Na+، تقسیم Na+ به درون واکوئل و مکانیسم دفاع آنتی اکسیدانت میباشد. با این حال گیاهان را در ارتباط با تنش شوری به دو گروه هالوفیت (شوررست) و گلیکوفیت (شیرین رست) تقسیمبندی کردهاند. گیاهان بومیخاکهای شور به شوری مقاوم بوده و غلظتهای بالایی از نمک را تحمل میکنند و گیاهان حساس به شوری غلظتهای پایینتری از نمک را تحمل نموده و در غلظتهای بالاتر از حد آستانه، دچار بیرنگی برگ و کاهش وزن خشک میگردند(تایز و زایگر، 1381).
1-1-3-1- اجتناب و تحمل
گیاهان سازوکارهای مختلفی دارند که از فروپاشی تعادل ترمودینامیکی یا شیمیایی بین محیط بیرون و درون سلول جلوگیری میکند. از آن جمله میتوان به سازوکارهای حفاظتی و مقاومتی در جهت اجتناب از تنش و توانایی پروتوپلاسمهای گیاهی برای مقاومت در برابر تنش اشاره کرد. بنابراین مقاومت در برابر تنش شامل کاهش تنش یا اجتناب از تنش و تحمل تنش میباشد. این دو همان پاسخ دینامیکی گیاه در برابر تنش میباشند (لارچر، 1995) . به طور کلی تحمل شوری در گیاهان به خصوصیاتی بستگی دارد که میتوان آنها را در سه دستهی اصلی جای داد(وینکوو، 1998):
1)جذب و دفع نمک گیاهان از طریق
الف) جلوگیری از ورود نمک
ب) دفع نمک از طریق غدد نمکی
برخی از گیاهان مقاوم به شوری مانع از نفوذ یونها به ریشه نمیگردند، در عوض در سطح برگهای آنها غدههای نمکی وجود دارد که دفع نمک از این طریق صورت میگیرد. ترشح نمک از شیوههای تنظیمی گیاهان هالوفیت در تحمل به شوری محسوب میشود(آتکینسون و همکاران، 1967). غدههای نمکی برای ترشح و دفع نمک، تخصص یافتهاند(بارهومی و همکاران، 2007). مطالعات انجام شده در میان گونههای مختلف گیاهی نشان داده است که برخی مکانیسمهای تحمل به شوری همچون دفع از طریق غدههای نمکی تنها در معدودی از گیاهان وجود دارد و به عنوان یک سازوکار عمومی در همهی گیاهان دیده نمیشود(نیو و همکاران، 1995).
پ) انتقال آن به برگهای مسن برای ایجاد مصونیت از اثرات سمی آنها
2.خصوصیات مورفولوژیکی و پراکنش املاح در ساقهها و ریشههای گیاه که ممکن است میزان تعرق و باز وبسته شدن روزنهها را کنترل نمایند.
3.وقایع فیزیولوژیکی و متابولیکی که اثر وجودی نمک را در سطح سلول خنثی میکند.
مورفولوژی گیاه و انتقال نمک در آوندها نیز تحت کنترل ژنهایی با الگوی تنظیمی پیچیده است که دستورزی آنها مشکل میباشد. با وجود این سازوکارهای سلولی-مولکولی نظیر حفظ تعادل یونها و توزیع مناسب آنها در درون سلول و نیز تغییرات فیزیولوژیکی و متابولیکی از سازوکارهای موثر در سازگاری به تنش شوری میباشند(وینکو، 1998 و نیو و همکاران، 1995).
در برخی منابع از سه عمل درون سلولی در برابر اثرات زیانبار شوری ذکر شده است که به عنوان معیارهای قابل اطمینانی برای تحمل به شوری معرفی شدهاند:
- خروج یا توقیف Na+ و Cl–برای جلوگیری از سمیت آنها درون سلول
- حفظ سطح سلولی مناسب K+ و Ca2+مورد نیاز برای فعالیتهای متابولیسمی
- حفظ فشار تورژسانس بدون توجه به پتانسیل آب خارج (ژو و همکاران، 2001)
سازوکارهای تحمل به شوری از طریق تنظیم نمک به اشکال مختلف در گیاهان مختلف گزارش شده و در بسیاری از گونههای زراعی و مرتعی مشاهده شده است.
1-1-3-2: سیستم دفاعی آنتیاکسیدانت
تنشهای محیطی گوناگون از جمله شوری با برهم زدن شرایط مطلوب، سبب بروز اختلالات متابولیسمی در سلولهای گیاهی میگردند که یکی از عوامل اصلی این اختلالات افزایش تولید انواع گونههای اکسیژن فعال میباشد. این گونهها به دلیل داشتن الکترون آزاد، بسیار واکنش پذیر بوده و ممکن است برای سلولهای گیاه سمی باشد. بنابراین سیستم دفاعی گیاه برای مقابله با اثرات سمی آنها، از سیستم پاک کنندگی آنتی اکسیدانت استفاده مینماید.
1-1-3-2-1: گونههای فعال اکسیژن(ROS)
به دلیل دو نقش کاملا متفاوت اکسیژن در سیستمهای بیولوژیکی، این مولکول مانند شمشیر دولبه عمل میکند. از طرفی، پیش نیاز واکنشهای هوازی بوده و سبب رشد ونمو میگردد و از طرفی دیگر، احیای همزمان دو مولکول اکسیژن در سیستم بیولوژیکی سبب تولیدROS میگردد که عامل به هم خوردگی نظم پروسههای طبیعی سلول میباشد و در نهایت سبب مرگ سلول میگردد(اسلساک و همکاران، 2007).
به نظر میرسد که ROS نقش مهمی به عنوان سنسورهای محیطی و یا تعدیل کنندههای الگوی بیان ژن در نمو و دفاع گیاه بر عهده داشته باشد. استرسهای اکسیداتیو و مراحل نمو گیاه مثل بلوغ بذر نیز سبب تولید گونههای اکسیژن فعال میگردد.
ROS اغلب به عنوان محصول جانبی متابولیسمهای طبیعی سلول، در میتوکندری، کلروپلاست، پراکسیزوم و هستهی بسیاری از انواع ارگانیسمهای زنده تولید میگردد (دل ریو و همکاران، 1989 و پراساد و همکاران، 1994). تولید و تخریب ROS یک پدیدهی سلولی تنظیم شده میباشد. با این حال اصطلاح استرس اکسیداتیو برای توضیح موقعیتی است که تجمع ROS بیشتر از ظرفیت ارگانیسم برای نگهداری هوموستازی رداکس(Redox) سلولی است. برای مثال قرارگیری بافت گیاه در معرض استرسهایی مانند سرما، یخ زدگی، اشعهی فرابنفش(UV)، ازون، خشکی، نور شدید، حشرهکشها و صدمات فیزیکیاغلب سبب تحریک تولید یا تقویت تولید ROSها میگردند(بوولر و همکاران، 2000). میزان و محل تجمع ROS در سلول، به گونه، بافت، و سن رشد گیاه و همچنین ویژگی، مدت زمان و درجهی استرس به کار گرفته شده، بستگی دارد. گفته میشود اگر استرس اکسیداتیو که در گیاه اعمال میشود، به حداقل برسد، سبب متحمل شدن گیاه به چندین استرس محیطی خواهد شد(مالان و همکاران، 1990 و ویلکنز و همکاران، 1994).
انتقال الکترون از زنجیرهی انتقال الکترون به ترکیبات یا مولکولها، مسیر اصلی تولید ROS تحت شرایط انواع بسیاری از استرسهاست(الستنر، 1991 و فویر و همکاران، 1994). همچنین استرسها اغلب میتوانند روی پروتئین، لیپید، واکنش پروتئین-لیپید و یکپارچگی آن تاثیر بگذارد(گراهام و پترسون، 1982 و نیشادا و ماراتا، 1996). در نتیجه برای متابولیسمهایی که شامل واکنشهای رداکس میباشند، تجمع ROS تسهیل مییابد. استرسهای دیگری چون در معرض قرارگیری ازن نیز میتواند به طور مستقیم، از طریق واکنش با اجزای تشکیل دهندهی سلول، سبب تجمع ROS شوند(رانئیری و همکاران، 1996).
استرسهای زنده یا غیر زنده تنها فاکتورهایی نیستند که سبب تحریک یا افزایش تولید ROS میگردند. این گونههای فعال از طریق فرآیندهای پیری که به صورت طبیعی یا القایی طی میشوند نیز تولید میگردند(فیلسوف-هاداس و همکاران، 1994 و هدگس و فویر، 2000). پیری به صورت کلی به عنوان یک پدیدهی ژنتیکی تعریف شده است که منجر به مرگ سلول، ارگانها یا همهی ارگانیسمها میگردد(نودن و گوایمت، 1989). همچنین آنها در طول مراحل نموی گیاه مثل بلوغ بذر تجمع پیدا میکنند و در متابولیسم فتوسنتز و تنفس در شرایط غیر استرس به صورت طبیعی تولید میشوند. بنابراین میتوان گفت، ROSها هم در سلولهای تحت شرایط استرس و هم در سلولهایی که در شرایط استرس قرار ندارند، به صورت طبیعی تولید میشوند( هالیول و گاتریدج، 1989). لازم به ذکر است که تولیدROS در شرایط طبیعی در سلول اندک است(پل، 2001). اما در شرایط استرس به علت بر هم خوردن تعادل میان تولید و پالایش ROS، در سلول تجمع یافته و استرس اکسیداتیو ایجاد میگردد (باولر و همکاران 1992 و 2000).
به طور کلی میتوان گفت ROSها در هنگام احیای اکسیژن، تولید میگردند.اکسیژن برای احیای خود به 4 الکترون احتیاج دارد و آب نیز به عنوان محصول نهایی تولید میگردد. هرگاه به دلایلی احیای اکسیژن به صورت کامل صورت نگیرد، رادیکالهای فعال اکسیژن تولید میگردند( هالیول و گاتریدج، 1985).
ROS ویژگیهای خاصی برای اجزای مختلف سلولی دارند و بسته به در دسترس بودن و غلظت سلولهای هدف، متوسط عمر آنها از نانوثانیه (.OH) تا میلی ثانیه( H2O2& O2–) اندازهگیری شده است(ساران و همکاران، 1988). ROS، نقش واضحی در پراکسیداسیون لیپید( ژانگ و یانگ، 1998، برسگم و همکاران، 1998 و دلگون و استفان، 1998) ، از هم گسیختن پلی ساکاریدها(مانک و همکاران، 1989) ، تخریب نوکلئیک اسید(فلوید و همکاران، 1989 و بکانا و همکاران، 1998) و پروتئین(تریپی، 1992 و ایتورب-ارماکستکس و همکاران، 1998) دارند. برای گیاهان علائم ویژهای، حضور مقدار زیاد ROS را نشان میدهند. این علائم شامل ممانعت از نمو کلروپلاست (پوسکاتا وهمکاران، 1974)، سفید شدن رنگدانهها (الستر و اوسوالد، 1994)، تداخل در یکپارچگی غشا (بیدینجر و همکاران، 1990)، غیرفعال شدن انواع بسیاری از آنزیمها، پروتئازها(لاندری و پل، 1993 و کاسانو و همکاران، 1994) و آسیب و موتاسیون DNA میباشد.
رادیکالهای فعال اکسیژن شامل سوپراکسید(O2–)، پراکسید هیدروژن (H2O2)، هیدروکسیل (OH)، و اکسیژن منفرد (1O2, Singlet oxygen) میباشند.
تعداد صفحه : 77
قیمت : 14700تومان