بخشی از مقاله
چکیده
گلدهی زودرس یا ساقهروی یک خصوصیت نامطلوب است که سبب کاهش شدید عملکرد شکر و تداخل با عملیات برداشت در چغندرقند میشود. متیلاسیون DNA به طور مستقیم بر روی تنظیم بیان ژن اثر گذاشته و نقش محوری در تنظیم فراژنتیک رشد گیاه دارد. همچنین پیشنهاد شده است که متیلاسیون DNA مکانیسمی برای حفظ مراحل رشد و نمو در ساقه ها بوده و میتواند در تعدیل تغییر فاز رویشی تاثیر داشته باشد. در حقیقت، متیلاسیون DNA میتواند این واقعیت را که چرا زمانی که فاز رشدی یک بافت به پایان میرسد بسیار دشوار است که آن را به مرحله قبل بازگرداند، توضیح دهد.
.1 مقدمه
گیاهان چرخههای روز و شب و فصلی را دنبال میکنند تا سوخت و ساز، رشد و نمو خود را با تغییر شرایط محیط زیست پیرامون خود تطبیق دهند. این انعطاف پذیری نیازمند درک پیام یا ادغام آن، تغییر بیان ژن در پاسخ به علائم و برقراری این پاسخ تا زمان تغییر مجدد شرایط است. یک گام عمده در چرخه زندگی گیاه گذار از مرحله رویشی به زایشی است که گلدهی را به عنوان یک صفت مهم برای انطباق پذیری گیاه کنترل میکند. نشانه های فصلی مانند دما و طول روز، این اطمینان را حاصل میکنند که گلدهی با شرایط مطلوب برای فرار از تنش و به حداکثر رساندن فتوسنتز و تولید بذر همزمان میشود.
در آب و هوای معتدل، گونه های خاصی از جمله غلات معتدله - مانند گندم و جو - و گونه های دو لپه ای - مانند آرابیدوپسیس و چغندرقند - نیاز به قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای پائین زمستان در جهت سرعت بخشیدن به پیشرفت از فاز رویشی به زایشی دارند که تحت عنوان فرایند بهاره سازی از آن یاد میشود .[2-1] نیاز به بهاره سازی یک صفت تطبیقی است که مانع از شروع گلدهی پیش از زمستان و بروز خسارت شدید سرما در مریستم های حساس گل میشود.
دوره طولانی مدت سرما در طول زمان در حافظه گیاه ثبت شده و سبب تحریک گلدهی همزمان با افزایش درجه حرارت در بهار میشود .[3] سیگنال بهاره ازیس از طریق میتوز انتقال پذیر بوده، اما در نسل جنسی بعدی مجدداً تنظیم شده و این تضمین را میدهد که نتاج قادر به پاسخگویی به بهاره سازی باشند .[2] مکانیزم های خاموشی فراژنتیکی در حال حاضر بسیار مورد توجه قرار گرفته و گزارشات منتشر شده در این زمینه در حین نگارش این مقاله دال بر این موضوع است.
.2 ساقهروی گیاه چغندرقند
چغندرقند - Beta vulgaris L. - گیاه ریشه ای دو ساله ای است که در حدود 20 درصد از نیاز شکر دنیا را تامین میکند. بسته به شرایط آب و هوایی، چغندرقند میتواند به عنوان یک گیاه بهاره - اقلیم معتدل - یا پائیزه - اقلیم گرم تر - کشت شود .[5-4] کشت انواع محصولات پائیزه در مناطق معتدل سرد میتواند باعث حداقل 26 درصد افزایش در عملکرد شکر شود
با این حال،این گونه عموماً به عنوان محصول بهاره کشت شده و در پائیز پیش رو برداشت میشود؛ کل فصل رشد اولیه آن به رشد رویشی، تولید شکر و ذخیره آن اختصاص دارد. برای القاء ساقهروی - رشد سریع ساقه و به دنبال آن گلدهی - ، چغندرقند نیاز به قرارگرفتن طولانی مدت در معرض درجه حرارت پایین، بین 2 تا 10 درجه سانتی گراد دارد؛ پدیده ای که از آن تحت عنوان بهارهسازی یاد میشود. این فرایند نیازمند تقسیم میتوزی سلولهای غیرجنسی در مریستم انتهایی ساقه برای تشکیل اندامهای گلدهی به دنبال آن است
کسب توانایی گلدهی به صورت میتوزی پایدار بوده و شامل شکلی از حافظه سلولی است که میتواند برای چندین هفته تا فراهم شدن شرایط نوری مطلوب برای القای ساقه روی برقرار بماند. بنابراین، تحت شرایط روز بلند، ساقهروی با مصرف شکر ذخیره شده در ارتباط است که در چغندرهای ورنالیزه شده روی میدهد و به دنبال آن معمولاً توسعه گل آذین نامحدود اتفاق میافتد. به طور گستردهای پذیرفته شده است که این گیاه میتواند به ساقه برود و گل ندهد اما به ندرت بدون ساقهروی گل میدهد
هوای سرد در فصل بهار میتواند شرایط سرمایی فصل زمستان را برای بهارهسازی تقلید کرده و سبب ساقهروی شود. به ازای ساقهروی نابهنگام یک بوته در مترمربع در مزرعه، 12 درصد کاهش در عملکرد شکر ریشه رخ میدهد .[8] انتظار میرود که تغییرات آب و هوایی جهانی، ساقهروی گیاهان چغندر را تحت تاثیر قرار داده و اجازه کشت زودهنگام را بدهد.
تحمل به ساقهروی یک صفت کمی است که بازتاب دهنده عکس العمل ژنوتیپهای دوساله به ساقهروی بعد از مواجه با سرماست. چندین پارامتر برای اندازهگیری تحمل به ساقهروی مورد استفاده قرار میگیرند که عبارتند از شاخص ساقهروی که با تعداد بوتههای به ساقه رفته در ارتباط است، و تاخیر در ساقهروی که میانگین تعداد روزهای مورد نیاز برای شروع عینی ساقهروی است
در حال حاضر، انتخاب ارقام دارای ساقهروی دیرهنگام براساس فنوتیپ است تا معیار ژنوتیپ و مکانیزم هایی که تنوع در تحمل به ساقهروی را در بین ژنوتیپهای چغندر کنترل میکنند هنوز ناشناختهاند. به دلیل مجموعه اثرات متقابل شدید بین ژنوتیپ و محیط، پیشرفتهای اولیه در زمینه مقاومت به ساقهروی از طریق انتخاب واریتههای مختص به هر اقلیم که در آن مکان امکان رشد دارند صورت میپذیرد. برخلاف چغندرقند، چغندرهای وحشی یکساله و دوساله نیاز متنوعی برای بهارهسازی دارند
عادت رشد یکساله در چغندرقند تحت کنترل ژنتیکی عامل غالب مندلی تحت عنوان B یا ژن ساقهروی است که نیاز به بهارهسازی را با توسعه گلدهی مرتفع می سازد .[9] چغندرهای یکساله BB - یا - Bb نسبت به بهاره سازی بیتفاوت بوده، در حالی که چغندرهای دوساله - bb - به بهارهسازی عکس العمل نشان میدهند. دو جایگاه ژنی دیگر که ساقهروی را تحت تاثیر قرار میدهند، تحت عنوان B2 و B4 شناسایی شدهاند. جایگاه ژنی B2 مستقل از جایگاه ژنی B بوده و به نظر میرسد که نسبت به B حالت اپیستازی دارد، در حالی که جایگاه ژنی B4 به جایگاه ژنی B متصل بوده و ساقهروی سالیانه را مستقل از B سبب میشود.
.3 کنترل فراژنتیک ساقهروی
مکانیسم فراژنتیک، بنا به تعریف آن، اجازه میدهد که وضعیتهای تغییر یافته از طریق تقسیم سلولی، حتی در صورت عدم وجود محرک القا کننده آن، پایدار مانده و شکل گیری یک حافظه مولکولی را که به نگهداری این واکنشها منجر شود پی ریزی میکند
یکی از اولین فرآیندهای توصیف شده که مستلزم تنظیم فراژنتیکی در گیاهان است بهارهسازی می باشد. این فرایند بیانگر توانایی سلولهای گیاهی در یادآوری سپری کردن دورههای طولانی مدت سرما یا زمستانگذرانی است. این حافظه بهارهسازی حتی از طریق کشت بافت نیز همچنان پایدار میماند؛ به گونهای که هر کدام از سلولهای گیاه بهارهسازی شده را میتوان کشت کرده و گیاهان جدیدی را تولید کرد که بدون نیاز به سرمادهی طولانی مدت گل دهند
با این وجود، هر نسل جنسی از گیاهان باید دوباره بهارهسازی شوند زیرا وضعیت بهارهسازی شده به طور موثری در طول میوز یا تشکیل جنین تنظیم مجدد میشود. کارکرد زیستی بهارهسازی هماهنگ کردن زمان گلدهی با فصل بهار و بازگشت شرایط مطلوب محیطی است. این عمل ضامن شکل گیری موثر گل، گردهافشانی، و تشکیل میوه است. اصلاح برای بهارهسازی، محدوده کشت بسیاری از محصولات عمده را افزایش داده است
کنترل ژنتیکی ساقهروی برای نخستین بار در گیاه مدل یکساله آرابیدوپسیس - Arabidopsis thaliana - بررسی شد .در این گیاه، بهارهسازی مستلزم خاموشی فراژنتیکی ژن FLOWERING LOCUS C - FLC - است. این عامل رونویسی MADS-box به عنوان بازدارنده گلدهی عمل کرده و از بیان ژنهای مورد نیاز برای تغییر مریستم به سرنوشت گل از قبیل ژن FLOWERING LOCUS T - FT - که پیام القای گلدهی را رمز میکند جلوگیری میکند. خاموشی فراژنتیکی ژن FLC پایدار بوده و میتواند به سلولهای خواهری از طریق تقسیم میتوز منتقل شود اما بیان آن در هر نسل به حالت اول باز میگردد
در چند سال گذشته، چندین ژن بهارهسازی در چغندرقند از طریق مشابهتیابی با توالی آرابیدوپسیس شناسایی شدهاند. حفاظت جزیی و تنوع در اساس ژنتیکی ساقهروی و گلدهی بین این دو گیاه ردیابی شده است .[14] در واقع، روش ژنتیک معکوس به شناسایی ژن - BvFL1 - FLOWERING LOCUS C-like منجر شد. نشان داده شده است که بیان BvFL1 در چغندرقند در خلال بهارهسازی کاهش یافته اما برخلاف AtFLC، پس از بهارهسازی پایدار نمیباشد
بعلاوه دو پارالوگ از ژن FT آرابیدوپسیس به نام BvFT1 و BvFT2 جداسازی شده و دارای عملکرد متضادند .[14] در چغندرقند دوساله، BvFT1 به عنوان بازدارنده گلدهی عمل کرده و به تدریج در طول بهارهسازی کاهش یافته که القای BvFT2 را که ارتولوگ FT است و گلدهی را ترویج میدهد امکان پذیر میسازد. اخیراً، ژن ساقهروی B براساس نقشه ژنتیکی همسانه سازی و توالییابی شده است که چندین بازآرایی بین آللهای یکساله و دوساله و حضور چندین ژن مرتبط را آشکار ساخت
یکی از آنها ژن تنظیم کننده پاسخ کاذب به نام BOLTING TIME CONTRL 1 - BvBTC1 - است که به عنوان تنظیم کننده بالا دست BvFT1 و BvFT2 عمل کرده و در گیاهان یکساله در طول روزهای بلند بیان آن افزایش مییابد. در گیاهان دوساله، آلل مغلوب نادر Bvbtc1 نقش ترویج دهنده ساقهروی را حفظ کرده اما نسبت به طول روز حساسیت آن کاهش یافته که توسط بهارهسازی به حالت اول باز می گردد. به شیوهای مشابه، جایگاه ژنی B2 براساس نقشه همانندسازی و توالییابی شده که ژن عامل رونویسی انگشت روی تحت عنوان BvBBX19 را که در طول روز تنظیم شده و مانند BvBTC1 در بالا دست BvFT1 و BvFT2 عمل میکند، آشکار میسازد
مشاهده ساقهروی پس از بهارهسازی در گیاهانی که بیان ژنهای Bvbtc1 و BvFT2 در آن ها از طریق آر ان آ مداخله گر - RNAi - خاموش شده بود نشان میدهد که مکانیسمهای دیگری در شروع ساقهروی در چغندرقند دخیلاند .[14] علاوه بر این، مکانیسمهایی که بیان این گونه ارتولوگهای چغندرقند را کنترل میکنند به خوبی شناخته نشدهاند. وگ و همکاران [17] عملکرد ژن BvFL1 را با استفاده از آرانآ مداخله گر و بیان بالای آن در گیاهان چغندرقند تراریخته مورد مطالعه قرار دادند. خاموشی BvFL1 با استفاده از آرانآ مداخله گر نه تنها نیاز به بهارهسازی را برای چغندرهای دوساله مرتفع نکرد بلکه اثر محسوسی بر زمان ساقهروی پس از بهارهسازی نیز نداشت، در حالی که بیان بالای BvFL1 منجر به تاخیر ملایم در فنوتیپ ساقهروی گردید.
کاهش بیان BvFL1 از طریق آرانآ مداخله گر یا بیان بالای آن، بیان ژنهای تنظیم کننده مرکزی گلدهی شامل BvBTC1، BvFT1 و BvFT2 را تحت تاثیر قرار نداد. این داده ها نشان داد که BvFL1 تنظیم کننده اصلی پاسخ به بهارهسازی در چغندرقند نمیباشد. به مانند آرابیدوپسیس [11] کنترل فراژنتیکی بهارهسازی در چغندرقند برای اولین بار توسط ترپ-گنتیل و همکاران [9] گزارش شد. آن ها نشان دادند که متیلاسیون هیستون در ساقهروی پس از بهارهسازی تاثیر داشته و تیمار افزایش متیلاسیون DNA منجر به تاخیر در ساقهروی و بازدارندگی آن شد.
