مسیرهای حرکت کلسیم به سمت آوند چوبی – قسمت دوم

قسمت دوم

امکان ترمودینامیکی و جنبشی انتقال کلسیم (Ca^۲+)  به آوند چوبی منحصراً از میان سلول های اندودرمی

ایده انتقال کلسیم به آوند چوبی بر اساس انتقال انحصاری از میان سلول‌های اندودرمی مستلزم وجود کانال‌های کلسیمی (Ca^۲+) غشای پلاسمایی کافی در سمت کورتکس و انتقال‌دهنده‌های خروج کلسیمی کافی(Ca^۲+) در سمت استوانه مرکزیِ،  نوار کاسپاری برای کاتالیز کردن جریان کلسیم (Ca^۲+)  به آوند چوبی است. یک گرایش الکتروشیمیایی قابل توجه که باعث جریان کلسیم  (Ca^۲+) از طریق کانال های کلسیمی (Ca^۲+) به داخل تمام سلول های ریشه می شود، وجود دارد . چندین نوع کانال نفوذپذیر کلسیمی (Ca^۲+) در غشای پلاسمایی سلول های ریشه گزارش شده است شامل کانال های کلسیمی(Ca^۲+) با فعالیت  دپلاریزه (depolarization-activated Ca^۲+ channels )، کانال های کاتیونی حساس به ولتاژ (VIC) و کانال های کاتیونی یک طرفه کننده به بیرون (KORC یا NORC) است. علاوه بر این، این احتمال دارد که هر دو کانال  کلسیمی (Ca^۲+) حساس به مکانیزم (فعال شده با کشش) و پیام رسان دوم فعال شده نیز وجود داشته باشند . همه این کانال ها یک نقشی در سیگنال دهی درون سلولی ایفا می کنند. از آنجایی که دپلاریزاسیون غشای پلاسمایی یک پاسخ غیر اختصاصی به بسیاری از محرک‌ها است، تصور می‌شود که کانال‌های(Ca^۲+) کلسیمی با فعالیت دپلاریزه، به مثابه پاسخی فوری، یک سیگنال سرتاسری اولیه در سلول‌های  گیاهی تولید می‌کنند. کانال های کلسیمی فعال با هایپرپلاریزاسیون (هیپرپلاریزه)  برای ورود  کلسیم  به سلول های ریشه در حال رشد طولی (هیپرپلاریزه) ضروری هستند، مانند سلول های ناحیه رشد طولی و سلول های تارهای کشنده، و ممکن است میزان و جهت افزایش طول سلول ریشه را تعیین کنند. تصور می‌شود کانال‌های حساس مکانیکی در تنظیم فشار اسمزی و تعیین آلومتری حجم  سلولی و ریخت زایی نقش دارند. ویژگی‌های خودتنظیمی ناشی از جریان کلسیم  (Ca^۲+) از طریق KORC و NORC جریان یونی غیر اختصاصی را از طریق از سلول‌های ریشه انجام می دهند. کانال‌های کلسیمی (Ca^۲+)فعال شده پیام‌رسان دوم در پاسخ‌های دفاعی نقش دارند و کانال‌های کلسیمی (Ca^۲+) غیر حساس به ولتاژ احتمالاً برای حفظ ثبات کلسیم سیتوپلاسمی پایه در سلول ها جهت گذراندن زمستان لازم هستند. احتمالا هیچ کدام یک از این کانال ها در جریان تغذیه کلسیم نقشی ندارند . در واقع، حتی اطلاعات کمی در مورد توزیع آنها در ریشه وجود دارد. با این حال، تخمین زده شده است که برای کاتالیز جریان کلسیم به آوند چوبی، به تراکم کانال های کلسیمی  (Ca^۲+) در غشای پلاسمایی سلول های اندودرمی تا بیش از دو کانال در میکرومتر ( µm^—۲) مربع مورد نیاز است . اگرچه این مقدار زیاد است، اما غیرقابل تصور نیست.

وجود Ca^۲+-ATPases در غشای پلاسمایی سلول های ریشه هم از نظر بیوشیمیایی و هم از نظر الکتروفیزیولوژیک  ثابت شده است. از نظر ترمودینامیکی این مکانیسم انتقال برای پمپاژ (Ca^۲+) از سیتوپلاسم سلول های اندودرم به آپوپلاست استوانه مرکزی امکان پذیر است. با این حال، در مورد اینکه آیا Ca^۲+-ATPases می‌تواند جریان کافی کلسیم (Ca^۲+) را به آوند چوبی برساند تا نیازهای تغذیه‌ای اندام هوایی را کاتالیز کنند یا خیر، تردید  وجود دارد. . اگر جریان کلسیم  (Ca^۲+) به آوند چوبی منحصراً از طریق سلول‌های اندودرمی رخ دهد، تراکم Ca^۲+-ATPases مورد نیاز از ظرفیت  پروتئین غشای پلاسمایی فراتر می‌رود. در واقع، حتی اگر بسیاری از سلول های داخل استوانه مرکزی به جریان کلسیم  (Ca^۲+) از سمپلاست به آوند چوبی کمک کنند، مکانیسم همچنان از نظر حرکتی به چالش کشیده می شود. بنابراین، بعید است که یک مسیر سمپلاستیک به تنهایی بتواند جریان کلسیم فیزیولوژیکی لازم را به آوند چوبی برساند.

مشاهده کلسیم با غلظت بیشتر (Ca^۲+) در شیره خام آوند چوبی بیرون آمده از ریشه های قطع شده از کلسیم محلول در محیطی که ریشه گیاهان در آن رشد می کند اغلب نشان دهنده انتقال فعال کلسیم(Ca^۲+) به استوانه مرکزی می باشد. با این حال، این پدیده را می توان صرفاً به دلیل داشتن پتانسیل الکتریکی منفی تر آپوپلاست استوانه مرکزی نسبت به محیط ریشه و در نتیجه، تمرکز کاتیون ها در آوند چوبی نسبت داد.

یک جایگزین  آپوپلاستیک برای انتقال کلسیم به آوند چوبی

زمانی که کلسیم (Ca^۲+) از طریق یک مسیر سمپلاستیک به آوند چوبی برسد، انتظار می رود نشان دهنده ویژگی های انتقال کاتالیز پروتئینی  باشد. بنابراین، انتقال سمپلاستیک (Ca^۲+) به آوند چوبی باید انتخابی باشد، رقابت برای انتقال بین کاتیون‌های نفوذپذیر وجود داشته باشد، و فرآیند انتقال باید در غلظت‌های بالای کاتیون‌های نفوذپذیر اشباع شود.

کانال های کلسیمی (Ca^۲+) در غشای پلاسمایی سلول های ریشه، نشان دهنده تفاوتی قابل توجه بین کاتیون های نفوذ پذیر می باشد. به طور کلی، Ba^۲+  ازSr^۲+  یا  Ca^۲+ نفوذپذیرتر است. این نشان می دهد که نسبت های‌ تجمعی Sr/Ca و Ba/Ca در ریشه‌های گیاه از نسبت‌های موجود در محلول اطراف  ریشه‌ها بیشتر است و کاتیون‌های دو ظرفیتی برای جذب در ریشه‌ها رقابت می‌کنند. به طور مشابه، Ca^۲+-ATPases گیاهان، قارچ‌ها و حیوانات دارای ظرفیت  بالایی برای انتقال کاتیون هستند و Ca^۲+ را به Ba^۲+   یا Sr^۲+   ترجیح می‌دهند. در مقابل، برای انتقال به نظر می رسد به اندام هوایی، هیچ انتخابی بین  Ba^۲+ ،Sr^۲+  و  Ca^۲+  وجود ندارد.

در واقع، اغلب مشاهده می شود نسبت Ca : Ba : Sr در اندام هوایی با محلولی که ریشه ها در معرضآن قرار می گیرند یکسان است و اینکه ارتباط نزدیکی بین تجمع Ca ، Sr و Ba توسط گونه های گیاهی رشد کرده در یک بستر وجود دارد. این برای همه گونه های گیاهی یافت می شود و تحت تأثیر مرحله رشد گیاه قرار نمی گیرد. همچنین مشاهده شده است که وجود Ba یا Sr در یک بستر آگاه بر محتوای کلسیم اندام هوایی گیاهان Auabidopsis تأثیر نمی گذارد و بالعکس (شکل ۳).

این مشاهدات نشان می دهد که هیچ رقابتی بین این کاتیون های دو ظرفیتی برای انتقال به اندام هوایی وجود ندارد؛ هر چندکه آنها برای جذب در سلول های ریشه رقابت می کنند. از آنجایی که انتقال دهنده های کاتیونی روی غشای سلولی انتخابی هستند، این مشاهدات با مسیر سمپلاستیک از طریق ریشه که یک مسیر انحصاری برای حرکت Ca2+، Ba2+ و Sr2+ به سمت آوند چوبی است، مطابقت ندارد.

تجمع Ca، Ba و Sr توسط بافت اندام هوایی اغلب به صورت خطی است و با غلظت این کاتیون ها در محلول غذایی اطراف ریشه ارتباط دارد (شکل ۳). این فرآیند به طور قابل توجهی با جذب کاتیون های دو ظرفیتی توسط سلول های ریشه، جریان از طریق کانال های کلسیمی (Ca^۲+) و فعالیت های Ca^۲+-ATPase     که روابط هذلولی با افزایش غلظت کاتیون های دو ظرفیتی را نشان می دهد، در تضاد است. فقدان یک جزء قابل اشباع در فرآیند انتقال، که ممکن است در صورت دخالت  یک پروتئین انتقال دهنده قابل انتظار باشد، دوباره مسیر آپوپلاستیک را سمت به آوند چوبی نشان می‌دهد.

علاوه بر این، اثر قابل‌توجه تعرق بر جریان کلسیم (Ca^۲+) به اندام هوایی را می توان به عنوان شاهدی مضاعف و غیرمستقیم از جریان قابل توجه آپوپلاستیک قابل توجه به سمت آوند چوبی در نظر گرفت. کلسیم آپوپلاستیک(Ca^۲+) با تعرق در گیاه و با کشش ناشی از آن جابه‌جا می‌شود و سرعت تحویل کلسیم (Ca^۲+) به آوند چوبی به سرعت جریان آب آپوپلاستیک بستگی دارد.

بحث و نظر

شکل ۳٫میزان کاتیون دو ظرفیتی اندام هوایی گیاه گوش موشی Auabidopsis thaliana : این گیاهان  به مدت ۲۱ روز در آگار ۰٫۸٪ (W/V) حاوی یک محیط غذایی کامل  با ۳ میلی مولار کلسیم (نمادهای بسته) یا ۱۰ میلی مولار کلسیم (نمادهای باز)، و غلظت‌های مختلف Ba یا Sr رشد کردند . محیط‌های غذایی در تمام آزمایش‌هایِ حاوی باریم (Ba ) فاقد سولفات بودند. (A) میزان Sr اندام هوایی (دایره ها) به صورت خطی با افزایش میزان Sr در آگار افزایش یافت. به طور مشابه، میزان کلسیم اندام هوایی (مربع ها) با افزایش میزان کلسیم در آگار افزایش یافت. محتوای کلسیم آگار تأثیری بر میزان Sr اندام هوایی نداشت و افزایش میزان Sr در آگار تأثیر کمی بر میزان کلسیم اندام هوایی داشت. (B) میزان Ba اندام هوایی (دایره ها) به صورت خطی با افزایش میزان Ba در آگار افزایش یافت. میزان کلسیم اندام هوایی (مربع ها) به طور مشابه با افزایش میزان کلسیم درآگار افزایش یافت. میزان کلسیم در آگار هیچ تأثیری بر میزان Ba اندام هوایی نداشت و افزایش میزان Ba در آگار تأثیر کمی بر میزان کلسیم اندام هوایی داشت. (C, D) نسبت های Ba: Ca و Sr: Ca در بافت های اندام هوایی با نسبت های موجود در آگار یکسان بود. داده ها از سه یا چهار آزمایش به دست امده اند .

در کتاب های مرجع نشان داده شده است که  برای استقرار کلسیم (Ca^۲+)  در آوند چوبی باید در بخشی ‌ از سفر خود از سیمپلاست ریشه عبور کند (شکل ۱).  علاوه بر این، مخصوصا ذکر شده که کلسیم (Ca^۲+) به صورت آپوپلاستیک در عرض ریشه به سمت نوار کاسپاری حرکت می‌کند، سپس با ورود به سمپلاست سلول اندودرم از طریق کانال‌های کلسیمی (Ca^۲+) قبل از اینکه به طور فعال از طریق Ca^۲+-ATPase  به سمت استوانه مرکزی ترشح شود، آن را دور می‌زند. به صورت نظری، این به ریشه اجازه می دهد تا سرعت و گزینشی بودن  انتقال کلسیم به اندام هوایی را کنترل کند. با این حال، برخی شواهد نشان می دهد که این نظریه  نادرست است. اولاً، اگرچه این مسیر از نظر ترمودینامیکی امکان پذیر است و سلول های اندودرمی احتمالاً با ناقل های کلسیمی  (Ca^۲+)  مجهز می باشند، در مورد اینکه غشای پلاسمایی سلول های اندودرمی بتواند از نظر فیزیکی حاوی تعداد پروتئین های Ca^۲+-ATPase  کافی برای کاتالیز کردن جریان (Ca^۲+) مشاهده شده به آوند چوبی باشد، تردید وجود دارد.

ثانیا  ، هیچ گونه گزینش  یا تعاملی  بین  Ba^۲+ ،Sr^۲+  و  Ca^۲+   برای انتقال به اندام هوایی وجود ندارد و غلظت این کاتیون ها در بافت اندام هوایی گیاه  به طور خطی با غلظت آنها در محیط غذایی اطراف ریشه  مرتبط است. این نشان می‌دهد بعید است این کاتیون‌های دو ظرفیتی قبل از تحویل آنها به آوند چوبی از طریق غشای پلاسمایی (که بخشی از  پدیده‌های انتخاب‌پذیری، رقابت و اشباع را ایجاد می‌کند) منتقل شوند. بنابراین، این موارد حاکی از  مسیری جایگزین جهت آپوپلاستیک برای انتقال کلسیم به اندام هوایی  است.

اگر نوار کاسپاری به کاتیون‌های دو ظرفیتی نفوذپذیر باشد، به احتمال زیاد برای سایر یون‌ها و املاح نیز نفوذپذیر است. از این رو  جای تعجب نیست که از این مسیر جایگزین اپوپلاستیکی انتقال به آوند چوبی، برای Na^+ ، Cl^–  و ABA  بر اساس ارتباط قوی بین انتقال شان و ذرات متحرک املاح آپوپلاستیک استفاده شوند . این فرآیند همچنین با ضریب انعکاس ریشه (σ) برای املاح کمتر از یک  نشان داده شده است. هر چند اندودرم سد محکمی برای حرکت املاح است ، ضریب انعکاسی برای حرکت املاح  از میان ریشه هاعموما کمتر از ضریب انعکاسی این املاح برای انتقال از میان  غشاهای سلولی است. این مشاهدات استودل و همکارانش را بر آن داشت تا یک مدل «انتقال مرکب» واضح  را برای حرکت املاح به آوند چوبی پیشنهاد کنند. این مدل، ریشه را به عنوان یک ساختار مرکب پیچیده که در آن مسیرهای موازی (سمپلاستیک و آپوپلاستیک) با خواص انتقال متضاد به انتقال شعاعی کلیه املاح کمک می کنند، مطرح می کند  . این با ضرایب انعکاس  ریشه ای پایین برای املاح و با نفوذپذیری غیرفعال بیشتر و ضرایب انعکاس پایین مشاهده شده در بخش‌های  نزدیک به نوک ریشه بیشتر سازگار است. همچنین با این مشاهدات که افزایش جریان آب باعث کاهش ضرایب انعکاس ریشه برای املاح می شود، مطابقت دارد. در میزان تعرق بالا، آب بیشتری از طریق  مسیر آپوپلاستیک به سمت آوند چوبی حرکت می کند و این امر انتقال آپوپلاستیک املاح را نیز بالا می برد . زمانیکه میزان تعرق کم است مانند شب هنگام یا در شرایط استرس (خشکسالی، شوری بالا، کمبود مواد مغذی) مسیر آپوپلاستیک کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و جریان سمپلاستی املاح غالب خواهد بود.

برای محل این مسیر جایگزین آپوپلاستیکی چند پیشنهاد می توان ارائه داد. اولا، ممکن است نسبت بالایی از جریان املاح آپوپلاستیک خالص در نوک ریشه ، جایی که اندودرم هنوز رشد نکرده است وجود  داشته باشد. دوما، ممکن است یک جریان آپوپلاستیک قابل توجه در مناطقی که ریشه های جانبی به اندودرم رخنه می کنند وجود داشته باشد. سوم، حدس زده شده است که نوار کاسپاری، حتی اگر مانع اصلی برای جریان عرضی املاح از طریق آپوپلاست باشد، مانع موثری  نیست.

این فرضیه که کلسیم تنها با دور زدن نوار کاسپاری از طریق سمپلاست سلول اندودرمی به آوند چوبی می‌رسد، بر این فرض استوار است که نوار کاسپاری نسبت به (Ca^۲+) نفوذناپذیر است. این فرض با آزمایش مستقیم تأیید نشده است، و گفته شده است که نوارهای کاسپاری بدون موم ( wax-free Casparian)، موانع ناقصی برای جریان های آپوپلاستیک آب و املاح محلول هستند.

با این حال، اگر نوار کاسپاری در اندودرم مرحله I به طور قابل ملاحظه ای نسبت به کلسیم (Ca^۲+) نفوذپذیر بود و نفوذپذیری آن در طول زمان توسعه لامل های سوبرینی (اندودرم حالت II) کاهش ‌یابد، بنابراین می‌توان نمودار حرکت کلسیم به سمت آوند چوبی را ناشی  از انتقال آپوپلاستیک به آوند چوبی (حداقل تا حدی) تفسیر کرد. چنین کاهشی در نفوذپذیری نوار کاسپاری ممکن است با تغییر در ترکیب شیمیایی اجزای لیگنین، سوبرین یا موم آن در طول زمان گذار اندودرم به مرحله II ایجاد شود. اگر این اتفاق بیفتد، آنگاه ویژگی‌های انتقال کلسیم به اندام هوایی (یعنی عدم گزینش ‌پذیری و عدم رقابت بین کاتیون‌ها یا اشباع جریان املاح) می‌تواند با رشد اندودرم مربوط باشد.

نظریه دو مسیر موازی برای حرکت کلسیم به آوند چوبی می تواند به جدایی عملکرد جریان های (Ca^۲+) سمپلاستیک و آپوپلاستیک در داخل ریشه ها دلالت کند. جریان کلسیمی (Ca^۲+) سمپلاستیک برای تغذیه ریشه و سیگنال دهی سلولی مهم هستند، در حالی که جریان کلسیمی (Ca^۲+) آپوپلاستیک به انتقال کلسیم به آوند چوبی کمک می کنند. این نظم با تغییرات متضاد مشاهده شده در فعالیت اختصاصی جریان های کلسیمی (Ca^۲+) از سلول‌های ریشه نشاندار شده رادیواکتیوه  به محیط خارجی و آوند چوبی مطابقت دارد و با گزارش‌هایی که نشان می‌دهد گیاهان به تنش‌های محیطی با اصلاح موانع آپوپلاستیک در ریشه‌ها پاسخ می‌دهند، سازگار است. یکی از پیامدهای یک مسیر آپوپلاستیک غالب برای حرکت کلسیم (Ca^۲+) به سمت آوند چوبی، مشکلات موجود در کنترل مقدار و گزینش پذیری جریان های کاتیونی به اندام هوایی است. . در این زمینه، افزایش چوب پنبه ای شدن اندودرمی در پاسخ به وجود ۱۰۰ میکرومولار کادمیوم (۱۰۰ µM Cd^۲+)  یا ۱۰۰ میکرو مولار سدیم (۱۰۰ mM Na⁺) در محلول اطراف ریشه ، می‌تواند به عنوان یک پاسخ سازگار تفسیر شود که حرکت سمپلاستیک و آپوپلاستیک کاتیون‌های سمی را به آوند چوبی محدود می‌کند.

در نتیجه، احتمالاً دو مسیر موازی در بین ریشه‌ها وجود دارد که کلسیم (Ca^۲+) را به آوند چوبی تحویل می‌دهد. این مسیرها  (۱) از طریق سمپلاست سلولهای اندودرمی یا (۲) به طور کامل از طریق آپوپلاست در نظر گرفته می شوند. مقدار نسبی این دو مسیر جریان کلسیمی (Ca^۲+) ناشناخته است . اگرچه کتاب مرجع  نشان می‌دهد که مسیر سمپلاستیک غالب است، شواهدی هم وجود دارد که نشان می‌دهد انتقال آپوپلاستیک کلسیم  (Ca^۲+) به آوند چوبی نیز ممکن است رخ دهد. در واقع، استفاده از یک مسیر آپوپلاستیک برای حرکت کلسیم (Ca^۲+) به آوند چوبی ممکن است یک گزینه ارجح باشد که از طریق آن ریشه بتواند نیاز اندام هوایی برای کلسیم را بدون به خطر انداختن سیگنال‌های سیتوپلاسمی کلسیمی درون سلولی   [Ca^۲+]_cytتامین کند. برای درک فیزیولوژی روابط کاتیون های دو ظرفیتی در گیاهان، لازم است  مقدار بزرگی نسبی جریان های کلسیمی (Ca^۲+)از طریق مسیرهای سمپلاستیک و