قسمت اول
خلاصه
کلسیم یک ماده غذایی ضروری برای گیاهان است . این عنصر از خاک به وسیله سیستم ریشه،، جذب و از طریق آوند چوبی به اندام هوایی گیاه منتقل می گردد. ریشه هم باید کلسیم را به آوند چوبی برساند،و هم نیاز سلول های ریشه به کلسیم ستوپلاسمی را برطرف کند تا سیگنال دهی درون سلولی انجام شود.
در اینجا، می خواهیم شواهد را مورد بررسی مجدد قرار دهیم تا متوجه شویم فرضیه فعلی درست است یا خیر: آیا کلسیم (Ca۲+) به صورت اپوپلاستیک درعرض ریشه به سمت نوار کاسپاری حرکت کرده و سپس از طریق سیتوپلاسمِ سلول های اندودرمی، نوار کاسپاری را دور می زند تا وارد آوند چوبی شود؟! خاطر نشان می شود علیرغم اینکه کانال های کلسیمی(Ca۲+) و Ca۲+-ATPases موجود می توانند جریان ورود و خروج کلسیم(Ca۲+) در سرتاسر غشاء پلاسمایی سلول های اندودرمی را کاتالیز کنند، بعید است این ظرفیت انتقال برای بارگذاری در آوند چوبی کافی باشد. علاوه بر این به نظر می رسد هیچ گونه رقابت یا تعاملی بین کاتیون های کلسیم، باریم، و استرانسیوم برای انتقال به اندام هوایی وجود ندارد. این فرآیند با مسیر سمپلاستیکی که حداقل دو مرحله انتقال کاتالیز- پروتئینی دارد، ناسازگار به نظر می آید . پس مقداری از انتقال کلسیم خالص به صورت اپوپلاستیک (Ca۲+) به آوند چوبی ارائه می گردد. سهم نسبی این دو مسیر برای تحویل کلسیم به آوند چوبی ناشناخته است . با این حال عملکرد جداگانه جریان های کلسیمی سمپلاستیک (Ca۲+) (برای تغذیه ریشه و سیگنال دهی سلولی) و جریان های کلسیمی(Ca۲+) اپوپلاستیک ( برای انتقال به اندام هوایی ) باعث می شود ریشه بتواند نیاز اندام هوایی به کلسیم را بدون لطمه به سیگنال های کلسیمی(Ca۲+) درون سلولی برآورده نماید . این فرآیند با ارتباط مشاهده شده بین میزان تعرق و انتقال کلسیم به اندام هوایی نیز تطابق دارد .
معرفی
کلسیم(Ca) یک ماده غذایی ضروری برای گیاه می باشد . کلسیم نقش های ساختاری متفاوتی داشته و برای آنیون های آلی و غیر آلی در واکوئل به عنوان ضد کاتیون عمل می کند . علاوه بر این، کاتیون کلسیم (Ca۲+) برای تقسیم سلولی و بزرگ شدن حجم سلول ضروری است و اختلالات زیاد در غلظت کلسیم سیتوپلاسمی ( [Ca۲+]cyt) وابسته به استرس خاص محیطی یا رشدی ، به پاسخ های فیزیولوژیکی مناسب منجر می شود. گیاهان به کلسیم بسیار زیادی نیاز دارند و میزان کلسیم بافت‌های سالم گیاهی معمولاً بین ۰٫۱ تا ۱ درصد ماده خشک است. گیاهان دو لپه ای نسبت به گیاهان تک لپه ای به کلسیم بیشتری در بافت هایشان نیاز دارند که به دلیل ظرفیت بیشتر آنها در تبادل کاتیونی در دیواره سلولی می باشد.
گیاهان عمدتاً از محلول خاک و بواسطه سیستم ریشه، کلسیم را جذب کرده و از طریق آوند چوبی به اندام های هوایی می رسد . در یک گیاه فعال در حال رشد ، جریان کلسیم در آوند چوبی زیاد است. به عنوان مثال، جوانه غلات با نسبت FW اندام هوایی به ریشه برابر با ۲ و نرخ رشد نسبی۰٫۲ d—۱ باید کلسیم را با سرعت تقریبی۴۰ nmol h—۱ g—۱۱ از ریشه منتقل کند تا میزان کلسیم اندام هوایی آن به مقدار ۰٫۱٪ وزن خشک برسد. ریشه باید بگونه ای عمل کند که بین تحویل کلسیم(Ca۲+) به آوند چوبی با نیاز سلولهای ریشه به استفاده از کلسیم سیتوپلاسمی برای سیگنال‌دهی درون سلولی، تعادل ایجاد شود. مقدار کمی کلسیم ستوپلاسمی (submicromolar) همواره باید در همه سلولهای ریشه حفظ شود و این کلسیم سیتوپلاسمی هنگامی که توسط محرک های مناسب به چالش کشیده می شود، باید به سرعت افزایش یابد. این فرآیند ممکن است به‌واسطه جریان بالای کلسیم (Ca۲+) در میان سلولهای ریشه، به خطر بیفتد، مگر اینکه بتوان آن را به خوبی کنترل کرد.
در این مقاله در مورد مکانیسم‌های احتمالی بحث می کنیم که بواسطه آنها ممکن است ریشه بدون به خطر انداختن سیگنال‌های کلسیمی سلولی، بر بارگذاری کلسیم در آوند چوبی تأثیر بگذارد، و بر مسیرهای حرکت کلسیم (Ca۲+) از ریشه تا آوند چوبی تاکید زیادی شده است.
آناتومی ریشه و ساختار و توسعه اندورم
ریشه از سلول های مختلفی تشکیل شده است. هر سلولی وظیفه خاص خود را دارد. در ابتدا معمولا لایه‌های سلولی بیرونی ریشه ( اپیدرم و کورتکس) در جذب آب و مواد معدنی، نقش اصلی را بازی می کنند. این لایه ها (پوست ) از سلولهای استوانه مرکزی، که به بارگیری، تخلیه و انتقال املاح در آوند چوبی و آبکش اختصاص داده شده اند، توسط لایه سلولی اندودرمی جدا می شوند(شکل ۱). بخش بیرونی غشاء پلاسمایی ریشه، آپوپلاست نامیده می شود. آپوپلاست شامل دیواره های سلولی، فضاهای بین سلولی و لومن های عناصر آوندی چوبی(حفره های عناصر آوندی) است. سیتوپلاسم به هم پیوسته سلول های ریشه را سمپلاست می نامند. در اصل، املاح ممکن است به صورت سمپلاستیک، با ورود به سلول های ریشه و حرکت از سلولی به سلول دیگر از طریق پلاسمودسماتا، و یا به صورت آپوپلاستیک، بدون عبور از غشاء پلاسمایی به آوند چوبی برسند.
با این حال، در ریشه بالغ، ارتباط هیدرولیکی آپوپلاست های پوست و استوانه مرکزی با حضور یک ساختار خارج سلولی به نام نوار کاسپاری محدود می شود. تصور می شود این ساختار که بر روی دیواره های جانبی و عرضی سلول های اندودرمی ، در همه ریشه های گیاهان آوندی وجود دارد، به عنوان مانعی برای حرکت آپوپلاستیک املاح عمل می کند (به نظر می رسد یک استثنا برای این مورد وجود دارد که نوار کاسپاری در Lycopodium پیدا نشده است ). نوار کاسپاری با برخی توصیفات در سرتاسر ریشه، از جمله مناطقی که بیشترین نفوذپذیری را نسبت به آب و املاح دارند، به جز چند میلی‌متری نوک ریشه، وجود دارد . اندودرم در سه مرحله توسعه پیدا می کند (شکل ۱) . در ابتدا، نوار کاسپری در دیواره طولی و عرضی سلول های اندودرم (مرحله I) رسوب کرده و محکم به غشای پلاسمایی سلول های اندودرم می چسبد. نوار کاسپاری عمدتاً از لیگنین تشکیل شده است، اما حاوی مقداری سوبرین نیز هست.
همه سلولهای اندودرم به دنبال افزایش طول سلول و همزمان با (یا کمی قبل از) بلوغ پروتوزایلم، تقریباً همزمان یک نوار کاسپاری ایجاد می‌کنند. در فاصله متغیری از کلاهک ریشه (Apex) ، لایه‌هایی از پلیمرهای آلیفاتیک سوبرین بر روی تمام سطح داخلی دیواره‌های کناری سلولهای اندودرمی رسوب می‌کنند (مرحله II). این رویداد اغلب با ظهور ریشه های جانبی همزمان است. لایه‌های سوبرین یک ساختار تیغه ای ایجاد می‌کنند که پروتوپلاست سلول اندودرمی را از آپوپلاست جدا می‌کند و متعاقباً دیواره سلولی کربوهیدراتی با رسوب لیگنین پوشیده می‌شود (مرحله III) . این آخرین مرحله توسعه اندودرم بیشتر نزدیک به سلول های آوند آبکش انجام می شود تا نزدیک سلولهای آوند چوبی و «سلولهای معبر» در مرحله I باقی می‌مانند. در حالی که سلول های اطراف سلول های معبر تا مرحله III پیش می‌روند. حدس می زنیم سلول های معبر در انتقال یون ها به استوانه مرکزی در ریشه های بالغ اهمیت دارند زیرا زمانی که اپیدرم و پوست از بین می رود، سلول های معبر تنها سلول هایی هستند که غشای پلاسمایی شان در تماس مستقیم با املاح خارجی قرار می گیرند (بنابراین قادر به جذب یون هستند.). تصور می‌شود که وجود لاملاهای سوبرینی ( تیغه میانی چوب پنبه ای ) مانع از جذب املاح توسط سلولهای اندودرم از آپوپلاست می‌شود، اما تصور نمی‌شود که بر حرکت املاح در آپوپلاست تأثیر بگذارد .
شکل ۱٫ نمای شماتیک از رشد اندودرم و تأثیر آن بر مسیر حرکت کلسیم به آوند چوبی . در ابتدا، نوار کاسپاری برای اصلاح آنتیکلینال (مقطع شعاعی و عرضی) دیواره های بین سلول های اندودرم (مرحله I) ایجاد می شود. فرض بر این است که این حرکت، آپوپلاستیک کلسیم (دیواره سلولی) به آوند چوبی را مسدود می‌کند و کلسیم را مجبور می‌کند تا برای رسیدن به آوند چوبی از طریق کانال‌های کلسیمی واقع در غشای پلاسمایی سلول اندودرمی وارد سمپلاست ریشه شود. سپس کلسیم سمپلاستیک توسط Ca2+ ATPases غشای پلاسمایی به سمت استوانه مرکزی به سوی آپوپلاست استوانه مرکزی پمپاژ می‌شود. متعاقبا، لایه‌هایی از پلیمرهای چوب پنبه ای آلیفاتیک بر روی تمام سطح داخلی محیط دیواره‌های سلولهای اندودرم (مرحله II) رسوب می‌کنند و سلول اندودرمی با رسوب دیواره‌ی سلولی سوم (مرحله III) پوشیده می‌شود. رسوب لاملاهای سوبرینی ، پروتوپلاست سلول اندودرمی را از آپوپلاست جدا می کند و از جریان کلسیم به داخل سلول های اندودرمی و در نتیجه انتقال کلسیم به آوند چوبی جلوگیری می کند.
مسیر سمپلاستیک برای حرکت کلسیم به سوی آوند چوبی
کاهش فوری و قابل توجه فشار ریشه ای در هنگام آسیب به اندودرم نشان می دهد که نوار کاسپاری مانع اصلیحرکت یون ها در میان ریشه است. علاوه بر این، مشخص شده است زمانیکه نوار کاسپاری وجود دارد کلسیم(Ca۲+) نمی تواند از مسیر آپوپلاست وارد استوانه مرکزی شود. این دیدگاه مبتنی بر (i) خصوصیت شیمیایی آبگریز نوار کاسپاری ،(ii) نفوذ سریع کاتیون‌های دو ظرفیتی (مانند Ca۲+ و Sr۲+) و ردیاب‌های غیرقابل نفوذ سلولی (UO۲+ La۳+, و رنگ‌های آبدوست) به کورتکس اما عدم ورود به استوانه مرکزی ریشه‌های گیاهان و (iii)مشاهده افزایش انتقال کلسیم (Ca۲+) به آوند چوبی در مناطقی از ریشه که نوار کاسپاری ناپیوسته یا پاره شده است، مربوط است .
حداکثر میزان انتقال کلسیم به آوند چوبی، در ناحیه نوک ریشه، که شامل سلول های نابالغ و تازه بالغ شده ریشه می باشد، است (شکل ۲). در این ناحیه، سلولهای اندودرمی دارای نوار کاسپاری (مرحله I) هستند. با اینکه هیچگونه شواهد مستقیمی مبنی بر اینکه لیگنین یا سوبرین موانع مؤثری برای حرکت آب و املاح محلول هستند وجود ندارد، اما فرض بر این است که این نوارهای کاسپاری(سوبرین و لیگنین) نسبت به کلسیم (Ca۲+) نفوذناپذیر هستند. بنابراین، کلسیم باید نوار کاسپاری را به صورت سمپلاستیک، قبل از تحویل آن به آوند چوبی، دور بزند (شکل ۱).
از آنجایی که حرکت کلسیم (Ca۲+) در سیمپلاست به کلسیم سیتوپلاسمی [Ca۲+]cyt محدود است، بیشترین حرکت عرضی کلسیم تا نوار کاسپاری در سرتاسر ریشه از طریق آپوپلاست انجام می گردد. با این حال، باید توجه داشت که کاتیون کلسیم (Ca۲+) تنها بخش کوچکی از کلسیم سیتوپلاسمی کل است و کلات‌های کلسیم ممکن است به صورت سمپلاستیک حرکت کنند. از آنجایی که کوتاه ترین مسیر سمپلاستیکی که نوار کاسپاری را دور می زند، از طریق سیتوپلاسم سلول اندودرم است، استدلال می شود که کلسیم (Ca۲+) از این مسیر برای به حداقل رساندن هرگونه آسیب به مکانیزم های سیگنالی کلسیمی( [Ca۲+]cyt استفاده می کند .با رسوب لاملاهای سوبرینی در اندودرم (مرحله II و III ) با اینکه سلول های اندودرمی هنوز به صورت سمپلاستیک از طریق پلاسمودسماتا به کورتکس و استوانه مرکزی متصل هستند، انتقال کلسیم به آوند چوبی به شدت محدود می شود. به نظر می رسد که این موضوع عدم وجود یک مسیر سمپلاستیک برای حرکت کلسیم بین کورتکس و استوانه مرکزی را تأیید می کند. مشاهده این که حرکت کلسیم به سمت آوند چوبی با غیرقابل دسترس شدن اپوپلاست سلولهای اندودرمی کاهش می‌یابد، این دیدگاه که کلسیم منحصراً از طریق سمپلاستِ سلولهای اندودرمی وارد آوند چوبی می‌شود را تایید می‌کند.
در نواحی قاعده ریشه ممکن است با ظهور ریشه های جانبی، مقداری کلسیم از طریق آپوپلاست به آوند چوبی برسد. در طول زمان تشکیل ریشه جانبی، سلول های اندودرمی تکثیر پیدا می کنند و دیواره های عرضی جدید تشکیل شده در این سلول ها فاقد نوار کاسپاری هستند. با این حال، نوارهای کاسپاری در قاعده پریموردرم ریشه جانبی رسوب می کنند و به سرعت با نوارهای کاسپاری اندودرم ریشه اصلی متصل می شوند.به طور مشابه، باند کاسپاری اندودرم ممکن است عملکرد خود را به عنوان یک مانع آپوپلاستیک زمانی که ریشه ها تحت رشد ثانویه (ضخیم شدن) قرار می گیرند، از دست بدهد، این فرآیند تنها پس از اینکه پوست با پریدرم جایگزین می شود، رخ می دهد.
شکل ۲٫ پروفایل انتقال کلسیم به اندام هوایی در امتداد ریشه اصلی گیاه کدوی تخم پوست کاغذی (Cucuubita pepo L.) و رابطه آن با رشد اندودرم. انتقال کلسیم در ناحیه نوک ریشه حداکثر است، جایی که سلولهای اندودرم دارای نوار کاسپاری (مرحله اندودرمI) هستند و به ابتدای مجاری آوند چوبی کاملا وصل می شوند و با چوب پنبه ای شدن سلولهای اندودرمی این اتصال کاهش می‌یابد (مرحله II اندودرم ). نتایج با محصور کردن بخش های کوتاه (۳٫۵ میلی متر) از ریشه های اصلی در سلول های جریان حاوی ۰٫۱۵ mM Ca2+ نشاندار شده با ۸۵Sr بدون حامل به مدت ۶ ساعت به دست آمده است.
در ریشه‌های بسیاری از گونه‌های گیاهی، به‌ویژه زمانی که در خاک رشد می‌کنند، یک اگزودرم (هیپودرم) ایجاد می‌شود که مشابه ترکیبات و خصوصیات شیمیایی نوارکاسپاری و لاملاهای سوبرینی سلولهای اندودرم است. با این حال، با ظهور ریشه‌های جانبی، یکپارچگی نوار کاسپاری اگزودرمی و متعاقب آن سوبرین اندودرم از بین می رود و رشد آن کاملا وابسته به شرایط محیطی ناپیوسته است، (البته این نوار کاسپاری اگزودرمی در گیاهانی که به روش هیدروپونیک رشد می‌کنند به آسانی تشکیل نمی‌شود). بنابراین، در بیشتر موارد، یک نوار کامل کاسپاری در اگزودرم به مناطقی محدود می‌شود که انتقال کلسیم به آوند چوبی حتی در غیاب آن حداقل است، و بنابراین بعید است که این ساختار بر حرکت کلسیم به آوند چوبی تأثیر بگذارد. طبق این دیدگاه، زیمرمن و استودل (۱۹۹۸) مشاهده کردند که انتقال رنگ PTSبه آوند چوبی از مسیر اپوپلاستیک تحت تأثیر حضور نوار کاسپاری اگزودرمی قرار نمی گیرد.
برای تحویل کلسیم به آوند چوبی بر اساس انتقال انحصاری کلسیم (Ca۲+) از میان سلول های اندودرمی در بسیاری از کتاب ها طرحی وجود دارد. بر اساس این طرح، کلسیم(Ca۲+) به صورت آپوپلاستیک از ریشه تا نوار کاسپاری حرکت می‌کند. برای دور زدن نوار کاسپاری، کلسیم (Ca۲+) از طریق کانال‌های نفوذپذیر کلسیمی (Ca۲+) وارد سیتوپلاسم سلول اندودرم می شود. سپس به طور فعال از سمپلاست از طریقCa۲+– ATPases or Ca۲+/H+ antiporters غشاء پلاسمایی به سمت سلولهای استوانه مرکزی خارج می‌شود. بصورت تئوری، لزوم عبور (Ca۲+) از غشای پلاسمایی سلولهای اندودرمی به ریشه اجازه می‌دهد تا مقدار و نوع مناسبِ انتقال کلسیم به اندام هوایی را کنترل کند. انتخابی بودن انتقال کلسیم در مسیر آپوپلاستیک، که بر اساس خواص تبادل یونی دیواره سلولی تعیین می شود، حداقل است. با این حال، با منحرف کردن جریان کاتیونی از میان سلول، پروتئین های انتقال دهنده در غشای سلولی می توانند به طور انتخابی حرکت کلسیم (Ca۲+) را به آوند چوبی کاتالیز کنند.
این می تواند با محدود کردن حرکت کاتیون های سمی به اندام هوایی برای گیاه مفید باشد. با این حال، شواهد نشان می دهد که این طرح ساده ممکن است نادرست باشد. در بخش بعدی امکان سنجی ترمودینامیکی و جنبشی مسیر انتقال سمپلاستیک ارزیابی خواهد شد. سپس عدم وجود گزینش پذیری یا رقابت بین کاتیون های دو ظرفیتی برای انتقال به اندام هوایی (که هر دو مورد از ویژگی های مسیرهای انتقال با واسطه پروتئین هستند) مطرح می شود.
