شناسایی سازوکار پاسخ به تنش خشکی در گیاهان

شناسایی سازوکار پاسخ به تنش خشکی در گیاهان

محققان در موسسه سالک (Salk)‌ گام بزرگی برای  سازگار کردن ارقام کشاورزی به کم آبی و سایر تنش‌های آب و هوایی از طریق مهندسی ژنتیک برداشتند.

به گزارش مرکز اطلاعات بیوتکنولوژی به نقل از پایگاه اطلاع‌رسانی موسسه تحقیقاتی سالک، تحقیقات جدید نشان می‌دهد در شرایط دشوار زیست محیطی برخی پروتئین‌ها رفتاری مانند راهبرها را در مدیریت پاسخ به تنش نشان می‌دهند. نتایج این پژوهش که جزییات آن در شماره 4 نوامبر مجله ساینس (Science) منتشر شد، می‌تواند به توسعه تکنیک‌های جدیدی برای بهینه‌سازی مصرف آب در گیاهان کمک کند.

ژوزف اکر (Joseph Ecker) از نویسندگان مقاله در این باره گفت: پاسخ گیاه به تنش‌ها در سطح مولکولی یک فرایند به شدت پیچیده و مرتبط با عملکرد صدها ژن است.

وی که محقق موسسه پزشکی هوارد هیوز (Howard Hughes)، مدیر آزمایشگاه تحلیل ژنومی سالک و دارای کرسی شورای بین‌المللی سالک در ژنتیک است افزود: ما راهبرهای اصلی را در این سمفونی کشف کردیم که می‌تواند سرنخ‌هایی را که به گیاهان در تحمل تنش‌هایی مانند خشکی در فرایند تغییرات آب و هوایی کمک می‌کند. اگر بتوانید یکی از این راهبرها را کنترل کنید همه ژن‌هایی که از آن تبعیت می‌کنند را کنترل کرده‌اید.

موفقیت هر گیاه در پاسخ به تنش‌ها امکان ادامه حیات یا رشد آن را در برابر تهدیدات تعیین می‌کند. همان‌طور که انسان‌ها هورمون‌هایی مانند آدرنالین دارند که به مقابله با تهدیدها کمک می‌کند، گیاهان هم برخی هورمون‌های اصلی دارند که به انها امکان می‌دهد به تنش‌های پیرامونی پاسخ دهند. یکی از این هورمون‌ها اسید ابسیزیک (abscisic acid) است. این هورمون گیاهی در ایجاد بذر و بهینه‌سازی آب تأثیرگذار است. هنگامی که آب کم می‌شود یا شوری زیادی است، ریشه‌ها و برگ‌ها اسید ابسیزیک تولید می‌کنند. اگرچه تصور می‌شود این هورمون در پاسخ گیاه به استرس مؤثر است، محققان در مورد اینکه بعد از آزاد شدن آن چه فرایندی در سراسر گیاه رخ می‌دهد اطلاعات کمی دارند.

لیانگ سانگ محقق آزمایشگاه زیست گیاهی سالک و نویسنده اول مقاله در این باره گفت: فقط تعداد محدودی از پروتئین‌های تنظیمی، بیان صدها تا هزاران ژن را دیکته می‌کنند. با پی بردن به اینکه این پروتئین‌های تنظیم‌کننده اصلی کدام هستند و چطور کار می‌کنند ما بهتر می‌توانیم پاسخ به تنش را بفهمیم و مدیریت کنیم.

تیم سالک در این مطالعه زمان دقیق تغییرات در فعالیت ژنتیکی گیاه برای پاسخ به اسید ابسیزیک را رصد کردند و دسته‌ای از پروتئین‌های اصلی را شناسایی کردند که طیف وسیعی از پاسخ به استرس‌های بیرونی از جمله خشکی را کنترل می‌کنند. این گروه تحقیقاتی از تکنیکی استفاده کرده است که محل اتصال این پروتئین‌های تنظیمی به DNA را مشخص می‌کند و این امر عامل مهمی در شناسایی عوامل بیان ژن برای پاسخ سلولی کارآمد به شرایط متغیر است.

گروه تحقیقاتی سالک بر پروتئین‌های تنظیمی مشخصی که به ترشح اسید ابسیزیک پاسخ می‌دهند متمرکز شده است. آنها گیاه شاهی گوش موشی (Arabidopsis thaliana) سه روزه را در معرض اسید ابسیزیک قرار دادند و بیان ژنی آن را در فواصل منظم به مدت 60 ساعت رصد کردند.

در این فرایند آنها 122 مجموعه داده‌ای شامل 33 هزار و 602 ژن را گردآوری کردند که 3 هزار و 61 ژن از آنها دست کم یک بار در یک زمان معین بیان شده بودند. آنالیز این داده‌ها سلسله مراتب کنترلی مورد نظر را به همراه برخی پروتئین‌های تنظیمی اصلی دخیل در بیان ژن آشکار کرد. پی بردن به طرح‌های اتصال پروتئین در یک زمان معین می‌تواند تا حد زیادی بیان ژن را در یک دوره زمانی مشخص توضیح دهد. بررسی این روابط پویا پاسخ هماهنگ گیاه در سطح ژنومی را به محرک‌های محیطی نشان می‌دهد.

سانگ در این باره گفت: با این نمای شبکه‌ای می‌توانیم پی ببریم که برخی از اجزای ترکیب به وسیله پروتئین‌های تنظیمی اصلی یکسانی مورد هدف قرار گرفته‌اند که این امر به تشخیص کنترل ژنتیک هماهنگ و دقیق گیاه کمک می‌کند. این تشخیص می‌تواند برای اهداف زراعی مهم باشد زیرا با تنظیم یک ژن می‌توان به امکان تحریک یا توقف مجموعه‌ای از ژن‌ها با هدف مهندسی هدفمند گیاه دست یافت.

نتایج این پژوهش مشابه مطالعات سال 2013 در آزمایشگاه اگر بر هورمون گیاهی اتیلن است که روشن می‌سازد چنین کنترل هماهنگ و سلسله مراتبی در فعالیت ژنی ممکن است با گیاهان گلدار نیز مشترک باشد. این مطالعات می‌تواند به دانشمندان در مهندسی ژنتیک ارقام زراعی متحمل به کم‌آبی کمک کند.