بخشی از مقاله
باکتریهاي تولید کننده سیدروفور و امکان تأمین آهن مورد نیاز گیاه
امیرارسلان کاویانیفرد1، ایرج دلفانی2، الماس نعمتی3، فرهاد گیلاوند4، زینب آهنگران5 بتول مستی چراغ آباد6
چکیده
از جمله فعالیتهایی که توسط میکروارگانیسمها براي گیاه وساطت میگردد تسهیل در فراهم آرودن شرایطی براي دسترسی بهتر گیاه به آهن (با ترشح سیدروفورها) و در نتیجه امکان جذب آن است. سیدروفورهاي باکتریایی در چهار دسته تقسیم بندي شده اند. دسته اول شامل سیدروفورهاي فنل – کاتکول (Phenol – Catecolates) هستند که از آن جمله میتوان به انتروباکتین (Entrobactin)، آگروباکتین (Agrobactin)|، پیوکلین (Pyochelin) و مایکوباکتین (Mycobactin) اشاره نمود. هیدروکساماتها (Hydroxamates) دسته دیگري از سیدروفورها را تشکیل می دهند. آئروباکتین (Aerobactin)، شیزوکینن (Schizokine) و همچنین فرياکسامینهاي حلقه اي (نوع E و (D و خطی A)، B، D1، G1 و( G2 از این دسته هستند. گروه بعدي سیدروفورهاي نوع کربوکسیلات (Carboxilate) هستند که مشخص ترین نمونه آن ریزوباکتین (Rhizobactin) است. دسته چهارم سیدروفورهاي باکتریایی، پیووردین ها (Pyoverdin) هستند. این سیدروفورها، کروموپپتیدهاي محلول در آب و به رنگ سبز – زرد هستند. تا کنون جنسهاي زیادي از باکتریها شناسایی شدهاند که بخصوص در ناحیه ریزوسفري در ایفاي این نقش مشارکت فعال دارند.
کلمات کلیدي: سیدروفور، باکتري، انتروباکتین، ریزوباکتین، فري اکسامین.
مقدمه
باکتریهاي ریزوسفري محرك رشد گیاه (PGPR) از باکتریهاي آزادزي خاك هستند. این باکتریها اغلب در نزدیکی یا حتی در داخل ریشه گیاهان یافت میشوند (رسولی و همکاران 1382، اسدي رحمانی و همکاران .(1383 ریزوسفر معمولا به لایه نازك 1 الی3 میلیمتري از خالک اطراف ریشه اطلاق میشود که موجودات زنده آن از نظر کیفی و کمی تحت تاثیر فعالیتهاي ریشه نظیر تنفس و ترشحات ریشه اي قرار دارند. PGPR ها از طرق الف: تثبیت نیتروژن ب: سنتز و تولید سیدروفورهاي کمپلکس کننده آهن ج: تولید هرمونهاي گیهاي نظیر اکسینها و سیتو کینها د: انحلال ترکیبات معدنی فسفات ه: ایجا رقابت با عوال بیماریزاي گیاهی به واسطه تولید آنتی بیوتیکها و ترکیبات قارچ کش، رشد گیاهان را بهبود میبخشند. تحریک رشد گیاه توسط سویه هاي زیادي از باکتریهاي جنس Acetobacter، Artrobcter ، Bacillus، Clistridium، Entrobacter، Hydrogenophaga،Seratia ، Azosprillumو Pseuodomonas گزارش شده است. از مهمترین باکتریهاي PGPR جنس Pseuodomonas هستند که تحت شرایط کمبود آهن
2010MarchBranch,DezfulIAUinMachineryAgricultural&SciencePlantSoil,Water,ofConferenceNational
سیدروفور ترشح مینمایند (خاوازي و ملکوتی 1380، رسولی و همکاران .(1380 همچنین استوباکترها نیز بوسیله متابولیتهاي محرك رشد گیاه از این گروه هستند (خسروي .(1376 تقریبا تمام باکتریهاي هوازي و قارچها سیدروفور تولید مینمایند، لیکن توانایی تولید در گونه ها و سویه هاي مختلف داخل هر گونه متفاوت میباشد ..(Laura J . et al. 2000)
باکتریهاي جنس سودوموناس باکتریهایی هستند از خانواده Pseuodomonaceae که به شکل میلهاي راست یا کمی خمیده، داراي تاژك قطبی، بدون اسپور، گرم منفی میباشند. این باکتریها، هوازي و از نظر منبع انرژي و کربن شیمیوارگانوتروف (منبع انرژي و کربن از مواد آلی) هستند. باکتریهاي سودوموناس و بالاخص سودوموناسهاي فلورسنت از مهمترین اعضاي جامعه میکروارگانیسمهاي ریزوسفري میباشند که مطالعات بسیار زیادي در خصوص PGPR بودن آنها و اثرات مثبت ناشی از تلقیح آنها در گیاهان شده است. کونه هاي فلورسنت شامل P. flourecense، P. putida، P. aerogenosa، P. chloraphis و همچنین پاتوژنهاي گیاههی نظیر P. syringae، و P. cichorri هستند. مشخصه عمومی سودوموناسهاي فلورسنت تولید پیگمانهایی است که در برابر نور، فرابنفش (254 nm) بویژه در شرایط کمبود آهن خاصیت فلورسانس دارند. به این پیگمانهاي با خاصیت فلورسانس و محلول در آب سیدروفور (Sidrophore) گفته میشود. سیدروفورها کلاتها یا ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین (کمتر از 1000 دالتون هستند) و با میل ترکیبی شدید و اختصاصی براي کمپلکس شدن با آهن فریک (Fe 3+) و سایر کاتیونها از جمله روي (Zn 2+) هستند. این ترکیبات در شرایط کمبود آهن ( Fe 3+ ≤ 10 µM) و به منظور مقابله با آن ترشح و کمپلکسهاي پایداري (Kf= 10 30) با آهن (III) نا محلول تشکیل داده و آن را بصورت ترکیب محلول و در دسترس در می آورند و از این طریق بطور موثري آن را به داخل سلولها منتقل مینمایند. سیدروفورهاي باکتریایی در چهار دسته تقسیم بندي شده اند. دسته اول شامل سیدروفورهاي فنل – کاتکول ( Phenol – (Catecolates هستند که از آن جمله میتوان به انتروباکتین (Entrobactin)، آگروباکتین (Agrobactin)، پیوکلین (Pyochelin) و مایکوباکتین (Mycobactin) اشاره نمود. هیدروکساماتها (Hydroxamates) دسته دیگري از سیدروفورها را تشکیل می دهند. آئروباکتین (Aerobactin)، شیزوکینن (Schizokine) که توسط باسیلوس مگاتریوم و سیانوباکتر جنس آنابنا تولید میشود و همچنین فرياکسامینهاي حلقه اي (نوع E و (D و خطی A)، B، D1، G1 و( G2 از این دسته هستند. فري اکسامینهاعمدتاً توسط اکتینومایستها ترشح میشوند. گروه بعدي سیدروفورهاي نوع کربوکسیلات (Carboxilate) هستند که مشخص ترین نمونه آن ریزوباکتین (Rhizobactin) است و توسط باکتري ریزوبیوم ملیلوتی تولید میشود. دسته چهارم سیدروفورهاي باکتریایی، پیووردین ها (Pyoverdin) هستند. این سیدروفورها، کروموپپتیدهاي محلول در آب و به رنگ سبز – زرد هستند و توسط سودوموناس هاي فلورسنت تولید میشوند و به دلیل رنگ روشن و خاصیت پرتوافشانی، این خصوصیت فنوتیپی به سهولت با استفاده از محیط King B قابل تشخیص است. نزدیک به 70 نوع پیووردین با ساختمان مختلف شناسایی شده است. سودوبامتین (Pseodobactin) از سیدروفورهاي نوع پیووردین بوده و توسط Pseodomonas B10 تولید میشود. غلظت سیدروفورهاي باکتریایی در خاك بین 4 تا 300 میکرومول و غلظت انواع قارچی بین 30 تا 240 میکرومول در گرم خاك گزارش شده است. توانایی بسیار بالاي تولید سیدروفور، توسط سویه هاي مختلفی از سودوموناسها گزارش شده است Crowley) و Yu، :1991 رسولی و همکاران، .(1384 سودوموناسها بواسطه تولید سیدروفورها و ایجاد رقابت براي سوبستراهاي مختلف بویژه آهن، اثر بازدارنگی قابل ملاحظه اي علیه عوامل بیماریزاي قارچی نظیر پاخوره غلات و مرگ پتیومی دارند.
استراتژیهاي جذب آهن در گیاهان: طبق مطالعات کلاسیک Mrschener و (1994) Romheld، گیاهان از نظر تغذیه آهن و مکانیسمهاي پاسخ به کمبود آن در دو استراتژي تقسیم بندي میشوند. در استراتژي I، گیاهان دولپه اي و تک لپه اي هاي غیر گرامینه با القاء سیستم آنزیمی احیاء کننده در سطح سلولهاي ریشه، ترشح H+ و ترکیبات احیاء گننده و کلات کننده به کمبود آهن پاسخ میدهند. گیاهان علفی تک لپه اي (غلات) با تولید فیتوسیدروفورها (PS) به شرایط کمبود آهن و روي عکس اعمل نشان میدهند که این نحوه پاسخ به استراتژي II معروف است. فیتوسیدروفورها یکسري اسیدهاي آمینه غیر پروتئینی از خانواه اسید موژینئیک ( Mugineic (acid هستند که مانند سیدروفورهاي میکروبی تمایل شدیدي به کمپلکس شدن به اهن و روي دارند. این ترکیبات کلات کننده Fe 3+، در ریزوسفر ترشح شده و توسط یک سیستم جذب اختصاصی در سطح ریشه به داخل منتقل میشوند.
بنابرین گیاهانی که قادر به استفاده از سیدروفورها ي میکروبی بعنوان حامل آهن III هستند، به اتکاي توانایی اشان دراستفاده از منابع متعدد آهن در شرایط مختلف خاك، کارائی بالایی نسبت به آهن نشان میدهند. بهرحال، بواسطه حضور سیدروفورها، قابلیت استفاده و تحرك آهن در محیط ریشه افزایش یافته و کمپلکس سیدروفور- آهن تشکیل شده می تواند در محلول خاك همراه باجریان تودهاي به سطح ریشه برسد و آهن ازطریق مکانسیم عمل آنزیم احیا کننده کلات آهن III موجود درغشاي پلاسمایی (گیاهان استراتژي
(I و یا از طریق فرایند تبادل لیگاندي با فیتوسیدروفورها (گیاهان استراتژي (II جذب شود. تحقیقات چنین نشان داده که در خاك هاي غنی از ریز مغذي ها،در منطقه ریزوسفر که ترشحات ریشه اي و مواد آلی فراوان است، غلظت سیدروفورهاي هیدروکساماتی بالا است yehuda) و همکاران،.(1996 جذب ترکیبات سیدروفوري توسط گیاه :استفاده از پتانسیل ژنتیکی گیاهان و تنوع بیولوژیکی خاك به عنوان یکی از اصول کشاورزي پایدار در راستاي حفاظت از محیط زیست تلقی می شود.گیاهان زراعی به منظور تولید مطلوب،بایستی عناصر غذایی را به نحو موثري جذب و توزیع نمایند.نتایج متعددي در مورد تاثیر وکارایی ترکیبات سیدروفوري آهن به عنوان منبع آهن براي گیاهان گزارش شده است.تجمع واستفاده از ترکیبات سیدروفوري آهن در منطقه اي با فعالیت شدید میکروبی از جمله در نزدیکی ریشه گیاهان گزارش شده است.مهمترین مکانیسم فراهمی آهن براي گیاهان،بر اساس میزان احیاء کلات هاي آهن پایه گذاري شده است.طبق تحقیقات انجام شده پتاسیل رادکس غشاي پلاسمایی گیاهان کلروزه معادل -370 میلی ولت برآورد گردیده در حالیکه در مورد فري اکسامین ب (FOB)این پتانسیل -470 می باشد. برعکس، Fe-EDDHA پتانسیل رادکسی معادل -230 میلی ولت داشته و بدان سبب میزان جذب آن توسط گیاهان بالا است، چه پتانسیل رادکس آن بزرگتر از پتانسیل غشا است. عامل محدود کننده دیگر تمایل کلات به ترکیب شدن باFe2+ بعد از احیاءFe 3+می باشد. علی رغم این محدودیت هاي پتانسیل رداکس در جذب آهن بواسطه FOB،مطالعات بلند مدت،نشان از توانایی گیاهان مختلف در استفاده از این سیدروفور به عنوان منبع آهن داشته است.با اینحال براي رفع کامل کلروز آهن در حدود غلظتی معادل 10برابر بیشتر از Fe-EDDHA مورد نیاز است.گیاهان،آهن را مستقیما ازمحلول خاك جذب نمی نمایند،بلکه مراحل جذب بطور متناوب در ریزوسفر و در حضور میکروارگانیسم، اتفاق میافتد ( Siebner-Freibach et al. .(2003 مکانیسم هاي جذب کمپلکس سیدروفور- آهن :بر اساس مطالعات انجام شده مقدار بیشتر سیدروفور FOB و سایر سیدروفورهاي مشابه آن در خاك به سطوح رس ها می چسبند وامکان جذب آهن را براي گیاهان مهیا می نمایند. در گیاهان کاشته شده در خاك در مقایسه با گیاها ن هیدرو پونیک،اثر فعالیت میکروبی درافزایش غلظت آهن آپوپلاست وسطوح ریشه بسیار مشهود است .(Takahiro, Y. et al 2002) سیدروفورهایی که در خاك جذب سطحی سطوح رس ها شده اند،توسط مکانیسم تبادل کاتیونی در محلول خاك،مکانیسم عمل احیاء کننده هاي آزاد شده در محلول خاك و مکانیسم ناقل (Shuttle) یا انتقال توسط اسیدهاي آلی، فیتوسیدروفورها ویا حتی سایر سیدروفورهاي میکروبی، آهن مورد نیاز گیاه را تامین می نماید. غلظت اسید هاي آلی در ریزوسفر می تواند به 50تا 9000میکرومول برسد. این ترکیبات در انتقال آهن از سطوح تبادلی به ریشه گیاهان نقش دارند.کارایی این مکانیسم به هنگام اسیدي شدن ریزوسفر افزایش می یابد. از طرف دیگر ترشح سیترات و مالات در شرایط کمبود آهن تشدید می یابنداخیراً. نشان داده شده ترکیبات حاصل از تجزیه جزئی محصولات سیدروفوري و متابولیت هاي ناشی از فعالیت میکروب ها به عنوان منبع کارآمد آهن براي گیاهان عمل می کنند.
جذب کمپلکس سیدروفور- آهن توسط پدیده هاي تبادل لیگاندي و مکانیسم ناقل :انتقال آهن از یک لیگاند به لیگاند دیگر به ثابت هاي پایداري پایداري دو لیگاند وابسته است،لیکن سایر عوامل نیز در تاثیر این مکانیسم براي تامین آهن به گیاهان دخیل هستند:الف) غلظت مطلق و نسبی کلات ها،آهن ویون هاي محلول خاك، ب)PHمحلول، ج)سنتیک یا سرعت واکنش هاي کمپلکس شدن آهن . هر گونه تغییر در یکی از این عوامل باعث تغییر در تعادل شیمیایی خواهد گردید. به عنوان مثال حضور غلظت بالایی از کلات ضعیف مثل دي هیدرو کسامات می تواند پدیده تبادل لیگاندي با کلات قوي نظیرFOBو حتی لیگاند خیلی ضعیف مانند اسید آلی را عملی سازد
.(Laura J. et al . 2000)
در محیط هاي طبیعی، حضور ترکیب هاي محلول که به عنوان ناقل آهن از فاز جامد به ریشه گیاه عمل می نمایند، حاوئز اهمیت بوده و توانایی گیاه در کسب آهن از این نافل ها یک عامل تعیین کننده است. ارزیابی عوامل موثر در تبادل لیگاندي آهن سیدروفوري نشان داده که اسید سیتریک کمپلکس کننده ضعیف آهن در محلول هاي بافر شده باCaCO3 بوده و در غلظت هاي بالایی در ریزوسفر موجود است. اسید سیتریک به راحتی توسط گیاه جذب و انتقال می گردد. لیکن نظر به این که پیوند ضعیفی با آهن ایجاد می کند، به عنوان ناقل آهن در خاك از اهمیت کمی برخوردار است. ترکیبEDDHA از نظر انتقال آهن از منابع سیدروفوري در مسیرهاي طولانی به عنوان بهترین ناقل عمل می کند، این کارآیی EDDHA با توجه به ثابت پایداري و تمایل آن به کمپلکس نمودن آهن، در مقایسه با سیدروفورها قابل توجیه استبعلاوه. پتانسیل رداکس نسبتاً بالاي آن، مکانیسم نسبتاً کارآیی را مهیا می نمایدتبادل. لیگاندي عمدتاً به گیاهان استراتژي IIنسبت داده شده بود که اخیراً وجود این مکانیسم در گیاهان استراتژي I نیز به اثبات رسیده است (Laura J. et .al. 2000)
سیدروفور جذب سطحی شده (آهن سیدروفوري) همانند یک کود کند رها عمل کرده و مزایاي یک منبع آهن را دارد. این منبع همانند Fe-EDDHA از منطقه ریزوسفر آبشویی نشده و براي استفاده مداوم گیاه به شکل قابل استفاده باقی می ماند. فراهمی آهن از این مخزن، عمدتاً به تامین لیگاند کافی بستگی داشته که می تواند از یک طرف آهن را از سیدروفور گرفته و از طرف دیگر آن را به شکل
قابل استفاده گیاهی (بویژه در خاك هاي آهکی) در اختیار ریشه قرار دهد .(Takahiro, Y. et al 2002) به نظر می رسد در خاك به ویژه ترکیبات بیوشیمیایی موجود در ریزوسفر می توانند به اندازه کلات EDDHA در پیشبرد مکانیسم ناقل نقش داشته باشند. نمونه بارز این ترکیبات، ریزوفرین (Rhizoferrin) بوده که به عنوان حامل قوي آهن به گیاهان عمل می نماید. همچنین این سیدروفور داراي بار منفی بوده که آن را به شکل محلول در خاك نگه داشته و آهن آن براي گیاهان قابلیت استفاده بالایی دارد. بنابراین تبادل لیگاندي حتی زمانی که ثابت پایداري ناقل پایین است، می تواند اتفاق افتد. مجموع ترکیباتی که که از سطوح رس ها آزاد می شوند، همراه با غلظت هاي بالاي ترشح پروتون ها و اسید هاي آلی از ریشه می توانند در میکروسایت هاي ریزوسفري موثر باشند Siebner-) .(Freibach et al. 2003
در تحقیقی درسا ل1382 توسط رسولی صدقیانی و همکاران 52, نمونه خاك ریزوسفري (خاك به همراه بوته هاي گندم) از غالب نقاط گندم خیز کشور تهیه گردید. ازاین نمونه ها 201 ایزوله منتسب به جنس سودوموناس هاي فلورسنت جداسازي گردید. گروه بندي این ایزوله ها با استفاده ازالکتروفورز پروتئین هاي محلول انجام و ایزوله ها در22 گروه متنوع قرار گرفتند .نتایج تست هاي بیو شیمیا یی نشان داد که این ایزوله ها 53 درصد گونه 44 P.fluorescenceدرصد گونه P.putida و 3 درصد P.aeruginasa بودند. میزان تولید سیدروفورها توسط این ایزوله ها با روش cas-agar ارزیابی ونشان داده شد که تمامی این ایزوله ها توانایی تولید سیدروفو را داشتند لیکن میزان تولید سیدرفور در این ایزوله ها متفاوت بود .هاله نارنجی رنگ (سیدروفور) در25 درصد ایزوله ها کمتر از 15 میلی لیتر در روز,در61درصد ایزوله ها بین 15-20میلی لیتر درروز ودر 14 درصد ایزوله ها بیش از20 میلی لیتر درروز بود. درمقایسه با سویه هاي خارجی 7nsk 2 وpgpr وهم چنین بیو کنترول (کنترل کننده بیو لوژیکی) بیماري هاي قارچی به کارمی روند.برخی ازسویه هاي بومی توانایی بیشتري از نظر تولید سیدروفورواکسین نشان دادند.میزان ترشح اکسین (به عنوان یک صفت (pgpr دربرخی از گونه ها به بالاتر از 60 میلی گرم درلیتر رسید . گونه p.putida ازنظر تولید اکسین کارایی بیشتري نسبت به دو گونه دیگر داشت . هم چنین تعدادي از سویه هاي جدا شده توانایی انحلال فسفات هاي معد نی نا محلول رانیز داشتند.
