مقاله گلایسین بتائین و اثرات آن در مقاومت گیاهان به تنشهای محیطی

بخشی از مقاله

چکیده

گلایسین بتائین یک ترکیب دو کاره - - amphoteric می باشد که درPH فیزیولوژیکی خنثی می باشد، قابلیت حلالیت زیادی در آب دارد و حاوی یک هیدروکربن نیمه غیر قطبی که حاوی3گروه متیل است - . - 8 در این ترکیب آمونیومی4 ظرفیتی، اتم نیتروژن بطور کامل متیله شده است . - 2 - این ترکیب بوفور در جلبک دریایی و حداقل 10 خانواده گیاهی مثل Chenopodiacea، Amarantacea، Gramineae، Compositea و Malvaceae یافت میشود. در واکنش به استرسهای محیطی در تعداد زیادی از گونه های گیاهی از جمله چغندرقند، اسفناج، جو ،گندم و سورگوم تجمع می یابد.

در این گونه ها ژنوتیپ های مقاوم بصورت معمولی مقدار بیشتری گلایسین بتائین را نسبت به ژنوتیپ های حساس تجمع می دهند. از گونه های گیاهی مانند برنج، خردل، آرابیدوپسیس وتنباکو بطور طبیعی در شرایط استرس گلایسین بتائین تولید نمی کنند، در این گونه گیاهان با تولید گیاهان تراریخت با ژنهای سنتز کننده گلایسین بتائین باعث افزایش تولید گلایسین بتائین ودر نتیجه افزایش مقاومت به استرسهایی همچون شوری، سرما، خشکی ودرجه حرارت های بالا می شود.

مکانیسم اثرات فیزیولوژیکی گلایسین بتائین عبارتند از: -1محافظت از پروتئین ها آنزیمها -2 محافظت از سلولها بطور غیر مستقیم از طریق انتقال علامت - علامت دهی - -3 محافظت از کمپلکس فتوسیستم -4II حفاظت از Membrance - -5 Rubisco integrity پیشرفت های اخیر در خصوصیات مولکولی مسیرهای سنتز گلایسین بتائین در گیاهان و باکتریها، ابزارهای مولکولی برای مسیرهای بیوسنتز گلایسین بتائین در گیاهانی که نمی توانند گلایسین بتائین را در اندامهای خود تجمع دهند فراهم اورده است. مطالعات بیوشیمیایی و بیوفیزیکی نشان داد که گلایسین بتائین غشا ها را در مقابل گرما، یخ زدگی و سرمازدگی محافظت می کند.

مقدمه

در شرایط طبیعی گیاهان اغلب در شرایط نامساعد محیطی رشد می کنند، از جمله این شرایط نامساعد می توان خشکی، شوری، سرما، یخ زدگی، درجه حرارت بالا، غرقابی وشدت نور بالارا نام برد به این شرایط نامساعد استرسهای غیر زیستی گویند. این شرایط باعث تولید گونه های اکسیژن فعال - ROS - ، و کاهش عملکرد می شوند که در شرایط حادتر گیاهان بکلی از بین میروند گیاهان برای حفاظت خود و غلبه بر این شرایط راهکارهای مختلفی را بکار میگیرند یکی از مکانیسمهای عمومی مقاومت تجمع محلولهای سازگار می باشد

محلولهای سازگار دارای وزن مولکولی پائین هستند و در غلظت های بالا خاصیت سمیت برای سلولها ندارند[2]، به شکل خنثی هستند، قابلیت حلالیت بالایی در آب دارند [8]، در همه ارگانیسم ها از Archae bactreia تا گیاهان و حیوانات تولید می شوند.[5] این محلولهای سازگار گیاهان را در مقابل استرسهای محیطی محافظت می نمایند، محافظت بوسیله شرکت در تنظیم اسمو لیتیکی سلولها، از بین بردن گونه های اکسیژن فعال ، حفاظت از سلامتی غشاء و...انجام می گیرد.

این ترکیبات شامل: -1 بتائین ها و ترکیبات وابسته به آن - گلایسین بتائین، آلانین بتائین، پرولین بتائین، Choline O-sulfate ،هیدروکسی پرولین بتائین و -2 Pipecolatebetaineپولیول ها و قندها - مانیتول، سوربیتول، ترهالوز - میباشد

این محلولها بمیزان زیادی محدود به سیتوپلاسم و اندامک های درون آن می باشد واغلب در واکوئل یافت نمی شود، مثلا در اتریپلکس 320mM در سیتوپلاسم و /240mM در واکوئل یافت می شود - . - 4 اگر چه تلاشهای زیادی در جهت تولید بیشتر این ترکیبات در گیاهان صورت گرفته اما موفقیت کمی حاصل شده است.[1] بنابراین شناسائی نقش و عمل، مسیرهای بیوسنتز، بهره برداری از ژنهای مناسب ومفید در تولید آنها، آزمایشات مستقیم در گیاهان تراریخت برای اعتبار بخشیدن به اهمیت تجمع آنها در سازگاری گیاهان به استرسهای محیطی را مورد توجه قرار می دهد 

در این تحقیق به دلیل فراوانی تعداد محلولهای سازگار به شرح گلایسن بتائین خواهیم پرداخت.

گلایسین بتائین

یک ترکیب دو کاره - - amphoteric می باشد که درPH فیزیولوژیکی خنثی می باشد، قابلیت حلالیت زیادی در آب دارد و حاوی یک هیدروکربن نیمه غیر قطبی که حاوی3گروه متیل است.[8] در این ترکیب آمونیومی4 ظرفیتی، اتم نیتروژن بطور کامل متیله شده است.

مسیرهای بیو سنتز،آنزیمها و ژنها

این ترکیب بوفور در جلبک دریایی و حداقل 10 خانواده گیاهی مثل Chenopodiacea، Amarantacea، Gramineae، Compositea و Malvaceae یافت میشود. مطالعه سنتز گلایسین بتائین بطور اساسی ابتدا درگونه های Chenopodiacea شروع شد. وسپس در . - 5 - Amarantacea,Germinacea گلایسین بتائین از کولین یا گلایسین از دو مسیر جداگانه سنتز می شوند.

دهیدراسیون کولین یا -N متیلاسیون گلایسین. در اغلب سیستمهای بیولوژیکی، بیوسنتز گلایسین بتائین بوسیله تبدیل کولین به گلایسین بتائین در دو مرحله دهیدروژناسیون/اکسیژناسیون ازطریق ماده حد واسط بتائین الدئید نا پایدار انجام می گیرد. در باکتری E.coli دو انزیم کولین دهیدروژناز - CDH - و بتائین الدئیددهیدروژناز - - BADH برای تولید و تجمع گلایسین بتائین لازم است.

همچنین در میکروارگانیسمهای هالوفیت مسیر جدیدی برای سنتز گلایسین بتائین پیدا شده است در این میکرو ارگانیسم ها 3 مرحله متیلاسیون بوسیله دو انزیم سارکوزین متیلوترانسفراز - GSMT - و سارکوزین دی متیل گلایسین متیل ترانسفراز - - SDMT با Sادنوزین متیونین بعنوان گروه دهنده متیل باعث تبدیل گلایسین به گلایسین بتائین می شود

در گیاهان عالی مسیر اصلی بیوسنتز گلایسین بتائین از سرین از طریق اتانول امین در کلروپلاست از کولین بوسیله انزیم کولین مونو اکسیژناز - CMO - تبدیل به بتائین الدئید می شود و بتائین آلدئید بوسیله BADH تبدیل به گلایسین بتائین میشود،CMO یک مونواکسیژناز وابسته به fd غیر معمول می باشد و یک آنزیم دایمر - - Dimmer یا تریمر - - Trimer با وزن مولکولی 43 کیلو دالتون می باشد ودر استرومای کلروپلاست واقع شده است. با احیاءfd در زنجیره انتقال الکترون فتوسنتز فعالیت CMOدر شرایط طبیعی به شدت وابسته به نور می باشد. خشکی و شوری نیز باعث بیان CMOمیشوند.BADH یک دهیدروژناز وابسته به NADمی باشد که تنها منحصر به بیوسنتز گلایسین بتائین نمی باشد بلکه در متابولیسم پلی آمین ها نیز نقش دارند و یک دایمر با وزن مولکولی 54 کیلو دالتون می باشد

مسیر بیوسنتز گلایسین بتائین در گیاهان

انزیم کلیدی در مسیر بیوسنتز کولین، فسفواتانول امینNمتیل ترانسفراز - - PEAMT است که هر سه مرحله واکنش متیلاسیون فسفو اتانول امین را به فسفو کولین را کاتالیز میکند. ژنPEAMT را از اسفناج جدا کرده و به گیاهان تنباکو انتقال دادند و باعث بیان CMOوBADHودر نتیجه سنتز گلایسین بتائین در کلروپلاست شده است.گیاهان تراریختی که PEAMT را بیان نمودند دارای بیش از 50 برابر کولین ازاد میباشند که به نوبه خود تجمع گلایسین بتائین را باعث میشوند.

گلایسین بتائین در واکنش به استرسهای محیطی در تعداد زیادی از گونه های گیاهی از جمله چغندرقند، اسفناج، جو ،گندم و سورگوم تجمع می یابد. در این گونه ها ژنوتیپ های مقاوم بصورت معمولی مقدار بیشتری گلایسین بتائین را نسبت به ژنوتیپ های حساس تجمع می دهند. البته این رابطه یک ارتباط کلی نیست، برای مثال رابطه معنی داری بین مقاومت به شوری وتجمع گلایسین بتائین در گونه های Triticum ، Agropyron و Elmus مشاهده نشده است، همچنین در ، در لاینهای مقاوم به شوری TrifoliumمانندT.alexandrinumنسبت به لاینهای حساس، افزایش تجمع دیده شده است. در لاینهای Lemon - C.lemon - در شرایط استرس شوری افزایش معنی داری در میزان گلایسین بتائین نسبت به شرایط معمولی مشاهده نشده است.اما بطور کلی بنظر میرسد یک رابطه ای بین تجمع گلایسین بتائین و مقاومت به استرسها در گونه ها وحتی ژنوتیپ های ویژه وجود داشته باشد.

بعضی از گونه های گیاهی مانند برنج، خردل، آرابیدوپسیس وتنباکو بطور طبیعی در شرایط استرس گلایسین بتائین تولید نمی کنند، در این گونه گیاهان با تولید گیاهان تراریخت با ژنهای سنتز کننده گلایسین بتائین باعث افزایش تولید گلایسین بتائین ودر نتیجه افزایش مقاومت به استرسهایی همچون شوری، سرما، خشکی ودرجه حرارت های بالا می شود. تعیین تولید گلایسین بتائین در میزان بالا در گیاهان تراریخت بوسیله تعیین قابلیت مصرف کولین بعنوان سوبسترا ویا کاهش انتقال کولین در کلروپلاست که بطور طبیعی باعث سنتز گلایسین بتائین میشود انجام می گیرد. هنگامیکه گیاهان برای تولید بیشتراسمولیت ها مهندسی میشوند دیگر فاکتورها مانند قابلیت مصرف سوبسترا و متابولیت های درگیر نیز باید در نظر گرفته شوند.[1] - موجود بودن کولین داخلی و انتقال کولین در عرض کلروپلاست

ژنهایی که آنزیمهای مسیر بیوسنتز گلایسین بتائین را کد می کنند کلون شدند و عبارتند از: کولین مونواکسیژناز - - CMOوBADH در گیاهان عالی گونه های مختلف گیاهان تراریخت میتوانند ظهور همه این ژنهای اختصاصی را بجز دو تای اخر را بیان نمایند، این گیاهان گلایسین بتائین را در سطوح مختلف تجمع میدهند و باعث افزایش مقاومت درشکلهای مختلف استرس می شوند

مکانیسم اثرات فیزیولوژیکی گلایسین بتائین -1 محافظت از پروتئین ها آنزیمها: مشخصه مولکولی گلایسین بتائین - هیدروکربن نیمه غیر قطبی - به ان اجازه می دهد که اثر متقابلی با دامنه های هیدروفوبیک و هیدروفیلیک ماکرومولکولها مانند انزیمها و ترکیبات پروتئینی داشته باشند دو فرضیه برای محافطت پروتئینها و انزیمها بوسیله گلایسین بتائین وجود دارد-1 گلایسین بتائین با ایجاد یک پوسته هیدراسیون در اطراف پروتئین باعث پایداری ساختار طبیعی انها میشود. -2 بخش اب گریز - هیدروفوبیک - گلایسین بتائین به بخش هیدروفوبیک پروتئین پیوند شده وبا پیوند آبی که ایجاد میکند در موقعی که سلول در شرایط کمبود اب قرار می گیرد با فعالیت در این مسیر گلایسین بتائین اجازه می دهد به دامنه هیدروفوبیک پروتئین ها که قابلیت دسترسی بیشتری به محیطهای ابی داشته باشند و با این روش از دناتره شدن پروتئین که بوسیله دهیدراسیون ایجاد می شود جلوگیری نمایند، البته این فرضیه بطور کامل پذیرفته نشده است

-2 محافظت از سلولها بطور غیر مستقیم از طریق انتقال علامت - علامت دهی - . این مسیر اغلب بوسیله MAPکینازها تنظیم می شود. اغلب مطالعات فیزیولوژیکی در مورد گیاهانی که با گلایسین بتائین تیمار شدند - مانند ارابیدوپسیس - نشان داده که تقریبا 360 ژن بیان انها تحت تاثیر گلایسین بتائین قرار گیرد که %6 انها در ارتباط با علامت دهی است مانند Lipoxygenase، Monodehydroascorbat reductase، Osmatin ، Putative receptor kinase ، Calmodolin، Receptor protein kinase , Protein [1] kinas

-3 محافظت از کمپلکس فتوسیستم : II کمپلکس فتوسیستم 2 حاوی بیش از10 پلی پپتید غشائی اصلی است همراه 3 پلی پپتید غیر اصلی 18 ،23و33 کیلو دالتونی است. هنگامیکه کمپلکس فتوسیستم 2 در معرض استرس - مثلا غلظت بالای - NaCl قرار می گیرد ، پلی پپتیذ های 18 و23 کیلو دالتونی از کمپلکس جدا می شوند و در نهایت باعث غیر فعال شدن کمپلکس می شود. غلظت بالای نمک با کاتیونهای دو ظرفیتی مانند MgCl2 در نهایت باعث جدا شدن پلی پپتید 33 کیلو دالتونی از کمپلکس می شود .گلایسین بتائین از جدا شدن پلی پپتید های غیر اصلی در حضور غلظت بالای نمک جلو گیری می کند.