بخشی از مقاله
سیگنال دهی سلول در طی فشارهای ناشی از سرما، خشکی و شوری
مقدمه :
درجه حرارت کم، خشکی و شوری بالا، شرایط فشاری رایج هستند که بطور نامطلوب بر رشد گیاه و تولید محصول اثر نی گذارد. واکنش های سلول و مولکولی گیاهان به فشتارهای محیطی بطور گسترده مطالعه شده است. فهم مکانیزیم ها توسط اینکه کدام اینکه کدام گیاهان سیگنال های محیطی را دریافت و آنها را به سیستم های سلولی منتقل می کنند تا واکنش های تطابقی را فعال کنند، از اهمیت بیولوژی یا زیست شناسی است. علم و دانش درباره انتقال سیگنال فشار هم برای توسعه مستمر پرورش منطقی و استراتژی های ژن پیوندی برای رشد مقاومت فشار در محصولات لازم و ضروری است. در این دیدگاه، ما در ابتدا ویژگی های رایج انتقال سیگنال فشار در گیاهان را بررسی می کینم و سپس برخی از تحقیقات اخیر درباره تحلیل های پایه ای اجزای سیگنال دهنده را آزمایش می کینم در آخر تلاش می کنیم تا این اجزاء و شیوه های مذکور را در شبکه های انتقال سیگنال قرار دهیم به سه نوع سیگنال ده کلی، گروه بندی می شوند.
راههای انتقال کلی سیگنال فشار :
یک راه کلی برای انتقال سیگنال با درک سیگنال شروع و با تولید پیام رسان های ثانویه دنبال می شود (برای مثال فسفات های انیوستیول و گونه های اکسیژنی واکنشی) پیام رسان های ثانویه می توانند سطوح +2Ca بین سلول را مدل بندی کنند و اغلب یک پروتئین آبشاری دارای فسفر را بوجود می آوردند که در نهایت به پروتئین های مشمول در عوامل موثر در حفظ و تنظیم سلول منجر می شوند که مجموعه های خاص ژن های موثر در فشار (شکل 1) را کنترل می کنند. محصولات این ژن ها ممکن است در تولید مولکول هائی منظم مانند اسید abscisic هورمون های گیاهی (ABA)، اتیلن و اسید سالیسیک (SA) شرکت کنند. این
مولکول ها می توانند به ترتیب یک حلقه ثانویه از سیگنال دهی را بوجود آورند که ممکن است. راه کلی ذکر شده در بالا را دنبال کنند، اگر چه اجزاء مختلف اغلب در این فرآیند مشمول می باشد. (شکل 1 و 2) انتقال سیگنال به تطابق و همکاری آنی و محیطی مناسب مقام مولکول های سیگنال ده نیاز دارد. از این رو مولکول های خاصی وجود دارد که در فرآیند اصلاح، ارائه یا جمع کردنی اجزاء سیگنال ده شرکت می کنند ولی مستقیماً برفرآیند سیگنال تکیه ندارند. آنها همچنین برای انتقال صحیح سیگنال های فشاری مهم می باشند. این پروتئین ها شامل اصلاح کننده های برای مثال آنزیم هایی برای لیپید سازی پروتئین، فرآیند متیل سازی، گلیکوژن، اسکاف فولدها و انطباق دهندگان (شکل 1) می باشد.
تنوع فشارهای آبیوتیک به عنوان سیگنال هایی برای گیاهان و نیاز به نسورهای چندگانه :
درجه حرارت کم، خشکی و شوری بالا محرک های بسیار پیچیده ای هستند که صفات بسایر متفاوتی دارند و هر یک از آنها ممکن است سلول گیاه را با اطلاعات کاملاً مختلف مجهز کنند. برای مثال درجه حرارت پایین ممکن است بلافاصله منجر به محدودیت های مکانیکی، تغییراتی در فعالیت های ماکرو مولکولی و پیتانسیل اسمزی کاهش یافته در محیط سلول شود. درجه شوری بال شامل هردوی اجزای (شیمیائی) و اسمزی (فیزیکی) است تنوع اطلاعات موقوف شده در سیگنال های فشاری آبیوتیک، یک جنبه از پیچیدگی سیگنال دهی فشار را تأکید می کنند.
بر مبنای این تنوع، نامحتمل است که فقط یک سنور وجود دارد که شرایط فشار را درک می کند و مقام سیگنال های متعاقب را کنترل می کند. تقریباً یک سنسور سیگنالی ممکن است فقط شاخه هائی از کاسکا (آبشارهای) سیگنالی که منظم کند که با یک جنبه از شرایط فشاری اجرا می شوند. برای مثال درجه حرارت کم برای تغییر سیالی غشاء شناخته شده است.
یک سنسوری که این تغییر را بررسی می کند، یک آبشار سیگنالی واکنشی به سیلی غشاء را اجرا می کند ولی الزاماً سیگنال دهی بکار رفته با یک پروتئین بین سلول که فعالیتش مستقیماً تحت تأثیر درجه حرارت کم است را کنترل نمی کند. از این رو ممکن است سنسورهای مقدماتی وجود داشته باشد که سیگنال فشار اولیه را درک کنند.
سیگنال های ثانویه (یعنی هورمون ها و پیام رسان های ثانویه) می توانند آبشار دیگری از رویدادهای سیگنالی را بکار اندازد از سیگنال دهی اولیه در آن زمان متفاوت باشد (یعنی یا تأخیر) و حتی در فضا (برای مثال سیگنال ها ممکن است درون یا در میان سلول ها اشاعه یابند و گیرنده های آنها هم در موقعیت های سلولی فرعی مختلف از سنسورهای اولیه باشند) (شکل 2) این سیگنال های ثانویه ممکن است در ویژگی و خصوصیت از محرک اولیه متفاوت باشند و با راههای فشاری مختلف سهیم شد. و زیر بنای تعامل بین راههای سیگنال ده برای فشارهای متفاوت و فشار از نوع محافظت پیوندی باشند. بنابراین یک شرط فشار اولیه، ممکن است راههای سیگنال دهی چندگانه را فعال کند و در زمان و فضا و خروجی ها متفاوت باشد. این راه ها ممکن است با یکدیگر و با استفاده از اجزاء مشترک تولید کننده شبکه های درهم ادغام شده اتصال یابند و یا تعمل داشته باشند.
سنسورهای بالقوه برای سیگنال های فشار آپیوتیک :
بسیاری از سنسورهای مختلف با ارائه تموع سیگنال های فشاری طبق انتظار می کنند، گرچه هیچ یک برای شرایط سرما خشکی و شوری تأیید نشده اند. مقام این فشارها برای القای جریان موقتی +2Ca به سیتوپلاسم سلول شنان داده شده اند.
بنابراین کانال های مسئول برای این جریان +2Ca ممکن است نشان از یک نوع سنسور برای این سیگنال های فشاری باشد.
فعالسازی کانال های +2Ca خاص توسط سرما ممکن است از تغییرات فیزیکی در ساختارهای سلولی ناشی شود. این پدیده که در تحقیقات توصیف شده نشان می دهد که جریان +2Ca القاء شده توسط سرما در گیاهان فقط با دنبال کردن افت سریع درجه حرارت روی می دهد و آن سیالی غشاء و سازمان دهی مجدد cytoskeletal در فرآیند سیگنال دهی نخستین سرما مشمول می باشند.
نوع دیگر سنسور پروتئین غشاء برای دریافت درجه حرارت پایین می توانست یک هسیتیدین کیناس دو جزء باشد. شواهد بسان می دارند که سینوبا کتریوم هستدین کیناس 33Hik و با سیلوس سابتیلیس هستیدین کیناس Desk سنسورهای دمائی هستند که بروژن desaturase را در واکنش به تغییرات نزولی درجه حرارت منظو می کنند. در ژنوم Arabidopsis thaliana چندین کیناس مستیدین دو جزئی قانونی مشخص شده است، اگرچه هیچ شواهدی برای هر یک از این کسناس هینیدین ها به عنوان سنسورهای هائی گزارش نشده است.
در گیاهان فشارهای ناشی از سرما، خشکی و شوری، همگی انبوه اسمزهای سازگار و آنتی اکسیدایت ها را تحریک می کنند. در مخمرها و حیوانات راههای کیناس پروتئن میتوژنی فعال (MAPK) مسئول تولید اسمزهای سازگار و آنتی اکسیدانت ها هستند. این راههای MAPK توسط گیرنده ها و سنسورهای فعال می شوند. نظیر پروتئین کیناس تیروزسین، گیرنده های گروهی پروتئین ها و کیناس مستیدین دو جزئی.
در میان این پروتئین های از نوع گیرنده، کیناس هستیدن به روشنی در گیاهان مشخص می شود. یک کیناس هستیدن Atltkl , Arabidopsis می تواند موتاسیول را در سنسور کیناس هستیدین دو جزئی مخمر SLNI تکمیل کند و بنابراین مکمل است در تغییر سیگنال فشار اسمزی در گیاهان مشمول شود. درک عمل AtHKi ViVo و دیگر کیناس هیسیدن های قانونی و رابطه آنها با راههای MAPK تسمزی فعال در فاشر بطور قطع در انتقال سیگنال فشار اسمزی نور ساطع خواهد کرد.
راههای منجر شده به فعال سازی ژن های نوع (LEA) یعنی رویان های فراوان در هانگام، شامل عامل موثر در دی هیدراسیون/ و گروه تکراری (cRt)C از ژن های موثر در فشار ممکن است از راه های تولید اسمولیت قانونی متفاوت باشند. فعال سازی ژن های نوع LEA ممکن است فعالانه و بطور واقعی راههای تعمیری آسیب دیده را نشان دهند. چون فعالیت phospholipase در گیاهان با پروتئین های g قانونمند (منظم) شده و phoshoinositols هم بروز این ژن های LEA مانند را تحت فشار سرما، خشکی و شوری مدل بندی می کنند.
گیرنده های مرتبط به پروتئین g ممکن است وجود داشته و در درک سیگنال ثانویه است گرفته از این فشارها عمل می کنند. در این صورت تحلیل سیگنال دهی فشار در موجود جهش یافته Ga آرابید و سپس gpal از روی میل و علاقه خواهد بود. گیرنده های مرتبط به پروتئین G ممکن است به عنوان یک نوع از گیرنده های محدود غشائی برای ABA عمل کنند.
مولکول های سیگنال ثانویه بین سلول :
یک جواب اولیه به درجه حرارت کم، خشکی و فشار ناشی از شوری در سلول های گیاهان، افزایش یا صعود گذرا در +2Ca سیتوسولیک است که از فشار یا جریان فضا apoplastic نشئت گرفته یا از ذخایر درونی رها می شود. نشتی حساس به لیگاند کنترل می شود. این لیگاندها، پیام رسانی های ثانویه هستند که در سلول های حیوانات برای مثال پلی فسفات انیوسیتول، ریبوس مدور ADA و فسفات دینوکلوتید آذنین اسید اسید نیکوتینیک توصیف شده است.
این مولکول ها همگی قادر هستند تا نشتی را در گیاه سلول های گیاه و بصورت خاص در سلول های حافظ القاء کنند.
یک ویژگی مهم از نقش به عنوان یک سیگنال، حضور موارد گذاری بصورت تکراری است. این موارد گذرا ممکن است هم با پیام رسان های ثانویه راند فرست (حلقه اول) تولید شوند و هم با مولکول های سیگنال ده نظیر ABA که ممکن است خودشان به عنوان نتیجه ای از آبشارهای سیگنال های اولیه تولید شوند. (شکل 2) این حلقه های سیگنال های ممکن است نتایج کاملاً مختلف و بنابراین معانی فیزیولوژیکی خاص را داشته باشند.
فسفولیپیدها :
به عنوان یک مانع منتخب بین سلول های زنده و محیط اطرافشان، غشاء و پلاسما، نقش کلیدی در درک و انتقال اطلاعات اضافی (خارجی) بازی می کند. بر مبنای فشار اسمزی، تغییرات در ترکیب فسفولیپید در گیاهان به مانند ارگان های دیگر بررسی می شوند. با این حال در طول عرضه و در معرض گذاری فشار، نقش اصلی فسفولیپیدها (ستون و فقرات غشاهای سلولی) ممکن است به عنوان مقدمه ای برای تولید موللکولهای پیام رسان ثانویه عمل کنند. در حالیکه آنزیم های شکاف خورده مربوطه، D , C , Ar , Phospholi passos هستند و بیشترین مورد مطالعه فوسفولیفاز C از گونه فسفونوسیتید است. PL – PLC فسفات دو تائی Phsphotidylinositol4-5 را بر مبنای فعال سازی، هیدرولیز می کند. خود PIP2
یک سیگنال است و ممکن است در چندین فرآیند مشمول شود نظیر گرفتن مجموعه های سیگنال ده برای موقعیت های غشائی خاص و مجموعه های آنها. هیدرولیز کردن PIP2 در سلول های حیوانات برای کمتر کردن حساست یک نوع محصول +k تحریک شده توسط پروتئین g نشان داده شده است از این رو PIP2 می تواند به طور مستقیم بر هموستانسیر یون سلولی تأثیر بگذارد. در طول فشار اسمزی سلول های گیاهان ممکن است تولید PIP2 را با تنظیم نمود PI5K افزایش دهند، یعنی ژنی که یک فسفاتی دی لینوستیول 4 فسفاته و 5 شوند. فشارهای ناشی از خشکی یا شوری هم، سطوح mRNA را برای ایزوفرم های PL – PLc خاص منظم می کنند. این افزایش در ارائه PL – PLc می تواند در شکاف افزایش PIP2 برای تولید دو مولکول مهم دیاسیلگلیوسرول و انیوستیول 5 . 4 . 1 اتریفسفات (IPC) سهیم شود. دیاسیاگلیسرول و 2 IP، پیام رسان های ثانویه هستند که می توانند پروتئین کیناس C را فعال کرده و باعث رهائی و نشستی شوند.
در گیاهان نقش 3IP در تراوش از ذخایر سلول بطور گسترده گزارش شده است. افزایش و صعود گذرا در گیاهان بر مبنای ارائه به نور، پاتوژن، جاذبه، آنکیسا و یا چند هورمون گیاهی صورت می گرفت سطوح 3IP در گیاهان آرابیدوپسیس تحت فشارهای نمکی افزایش می یابد و چارچوب زمانی برای این افزایش مرتبط با تغییرات اعمال شده در سطوح سیتوسولیک است. افزایش گذرا در سطوح 3IP همچنین در بافت های گیاهان یا سلول های پرورش یافته درطی فشارهای تحت نمک مشاهده شد. خوداری از فعالیت PL – PLc افزایشی 3IP گذرا را برانداخت و القای فشار اسمزی ژن های RD29A , GR47 واکنش دهنده نسبت به فشار را مانع شد. هورمون فشاری ABA هم افزایش گذرا در سطوح 3IP در پرتوپلاست های سلول های نگهبان و سیافا =با را استنتاج می کند و همچنین در دانه های Arabidopsic.
سطوح 3IP سلولی با اراوه نقش مهم 3IP در سیگنال دهی، باید هم از طریق تولید کنترل شده و درجه زدائی تنظیم شود. مطالعات بیوشیمیائی پیشنهاد می کنند که در سلول های حیوانات، 3IP یا از طریق یک راه سه کیناس پلی فسفات اینوسیتول و یا یک راه انیوسیتول پلی فسفات 5 فسفاته تجزیه می شود و منجر به تولید انیوستیول 1 . 3 . 4 . 5 تترافسفات و
انیوسیتول 1 . 4 دو فسافتی می شود. با این حال اطلاعات با توجه به تغییر 3IP در گیاهان محدود می شوند. برای مطالعه رابطه بین سطوح 3IP و بروز ژن ها، بورنت ات آل (2001) یک Ins 5 مرحله ای (5 فازی) را بطور مازاد بیان کرد و یک تأخیر در القای ABA برای ابراز ژن القای در سرما در گیاهان ژن فسفات را پیدا کرد. در یک تحقیق مستقل، سنجر و چوا (2001) Ins5 Pase Atp5 Pu را تحت کنترل یک توضیح دهنده قابل القاء قرار دادند. آنها متوجه شدند که بروز AtP5PU انبوه 3IP را در جواب به بکارگیری ABA کاهش داد و القای بروز ژن های واکنش در برابر ABA نظیر KIN2 , RD29A, RD22 کم کرد. این نتایج بیان کرد که تولید 3IP القائی برای القای این ژن ها سهیم می باشند این تحقیقات نشان می دهند که اصلاح و تغیر دوز Ins5Pase می تواند سطوح 3IP القائی تحت محرک ها را تنظیم کند و بر فشار تأثیر بگذارد. در ژنوم آرابیدوپسیس، تقریباً 10 فاز Ins5 قانونی (در مقایسه با تنها 5 اینوستول پلی
فسفات یک فسفات به FRY1 مانند) وجود دارد. احتمال دارد که ایزوفرم های متفاوت، گونه های فرعی مختلف داشته باشد و یا موقعیت های فرعی که عملیات متمایز را در تجزیه 3IP تولیدی، در واکنش به محرک های متفاوت بکار ببرند. آشکارا نقش Ina5 Pcses در تنظیم سطوح اینوستیول فسفات باید با تغییرات کاهش عملکرد Ina5Pcse خطاب داده شود.
در یک صحنه ژنتیک با استفاده از یک گزارش firefly luciferase تحت کنترل پرومتور (توضیح دهنده) RD29A واکنشی در برابر فشار، ایکسونگ است. آل یک موجود جهش یافته آرابید و
پسیس fiery1 را ایزوله کرد و به کنار گذاشت که یک القای توسعه یافته از ژن های واکنشی در برابر فشار تحت کاربردی ABA، سرما، خشکی و شوری به نمایش گذاشت. لکونی سازی موقعیتی ژن PRY1 آشکار کرد که آن یک آنزیم دو عملی را با نیکوتیدایس 3 (2)، 5 دو فسفاته و با فعالیت های Inslpas رمز گذاری می کند. Pry1 برای ژن SAL1 که قبلاً توصیف شد، مهم بوده و با خاصیت توانایی آن برای ارائه مقاوت افزایش نمک به هنگام بروز در سلول های مخمر ایزوله شد. برای اینکه گیاهان جهش یافته fry1، علائم کارائی سولفر را نشان ندادند و همچنین فعالیت نیوکلیوتیداس 3 (2) (5)دو فسفات Pry1 که در شبیه سازی سولفور عمل می کند و بصورت فرآیند غیر قابل جدا شدن آشکار می شود. بنابراین فرض شده که تغییرات در فعالیت Inslpose مسئول بروز ژن تقویتی در مولکول های جهش یافته fry1 در واکنش به فشار و کاربرد ABA باشند نتایج بدست آمده از این تحقیقات، سؤالات جالبی را بوجود
آورده بر این منوال چه که 3IP در گیاهان از طریق یک راه 5 فسفات یا یک راه افسفاته و یا هر دو (شکل 3) تجزیه می شود و آنچه که در توزیع های مسیر برای پایانه کلی سیگنال سازی 3IP چندین تحقیق گزارش کرده اند که اینوسیتول 4 . 5 دو فسفات کاتابولیت آنی و نخستین از 3IP با برچسب H در گیاهان است و ارائه می کنند که در این گیاهان 3IP ، اول از طریق یک مسیر 1 فسفاتی هیدرولیز می شود با این حال Ins1Pase که مسئول این پایانه اولیه سیگنال 3IP در گیاهان است، مشخص نشده است. علاوه بر این Ins1Pases مشخص
شده در بیشتر سلول های حیوانی، 3IP را هیدرولیز نمی کنند. در انواع سلولی حیوانات که 1 فسفات ها ممکن است پایانه های اولیه سیگنال های 3IP باشند، شناخت مولکولی این فسفات ها هنوز ناشناخته است. در آراییر و پسیس ها، فعالیت Pry1 / SAL1 در هیدرولیز Ins (1 . 4) P2 و اینوستیول 1 . 3 . 4 تری فسفات قبلاً توصیف شد ولی اینکه آن می توانست 3IP را هیدرولیز کند یا نه، ناشناخته ماند. با استفاده از 3IP به عنوان یک لایه فرعی، پروتئین Fry1 یافته شد تا یک فعالیت محدود قابل اندازه گیری را داشته باشد (تقریباً 1 درصد نسبت به توانایی آن در هیدرولیز کردن Ins (1 . 4)P2 یا In2 (1 . 3 . 4) P3) فعالیت ViVo مربوطه به Fry1 در 3IP و اهمیت مستقیم، فقدان Fry1 به ناچار تجزیه 3IP را با مانع شدن
تجزیه بیشتر Ins (1 . 4) P2 و Ins (1 . 3 . 4) , P3 (شکل 3) کم می کند. اندازه گیری سطوح 3IP در Pry1 و گیاهان نوع وحشی با ABA انجام می شد در حالیکه ABA صعود گذرا در سطوح 3IP در گیاهان گونه وحشی را القاء کرد و سطوح 3IP در گیاهان جهش یافته Fry1 بالاتر بود است. سطوح 3IP ثابت به احتمال، برای بروز افزایش ژن های واکنش در بابر فشار در گیاهان جهش یافته Pry1 سهیم می شوند. جالب است تا ذکر کنیم که در حالیکه بروز ژن های مشمول مثل AbH , Hspv0 , C.R15A , KIN1 , RD29 A در گیاه جهش یافته fry1 توسعه یافت القای ژن های دیگر واکنش در برابر فشار مثل C.R47 در مقایسه با بروز آن در نوع وحشی توسعه و افزایش یافت. این خود نشان می دهد که C.R47 ممکن است از طریق
یک راه متفاوت از مسیر بکار رفته توسط ژن های دیگر تنظیم شود.
انبوه سازی شواهد بیان می دارند ph.sph.lipcsed (PLD) هم در انتقال سیگنال های فشار مشمول هستند. PLD که فسفولیپیدها را برای تولید اسید فسفاتیدیک (PA) هیدرولیز می کند، دیگر پیام رسان دوم است که در سلول های حیوانات می تواند PL PLc و پروتئین کیناس c را فعال کند. PA ممکن است همچنین به عنوان یک پیام رسان در گیاهان عمل کند. در پروتوپلاست های سلول نگهبان، فعالیت PLD، اسنداند استوماتال ABA القائی را حد متوسط قرار می دهد. فرآیند خشکی و Hyper. sm. larity و PLD را فعال و منجر به افزایش گذرا
در سطوح PA در گیاهان می شوند. PLD آشکار می شود که با فشارهای اسمزی از طریق یک پروتئین g مستقل از ABA فعال شود. با این حال فعالیت مازاد PLD ممکن است یک اثر منفی بر مقاومت فشار گیاه وارد آورد. PA یک لیپید غیر دو لایه ای است که دارای شکل 6 و حجمی بوده و ممکن است غشاها را در غلظت های بالا از حالت ثابت خارج کند. فعالیت های PLD القائی تحت فشار خشکی در کالیتوارهای حساس با خشکی بالاتر هستند تا کالتیوارهای مقاوم در برابر خشکی و ارائه می کنند که یک فعالیت PLD بالا ممکن است تکمیل غشاء را به خطر اندازد. عدم کارائی آیید و پسیس ها در PLDx و در انطباق با این عقیده برای فشار غریزی، مقاوم تر نشان دادند.
