دانشمندان رمز زبان نوری گیاهان را کشف کردند

به گزارش پارسینه و به نقل از scitechdaily، برای نخستین بار، دانشمندان کشف کرده‌اند که یک ترکیب شیمیایی که معمولاً با متابولیسم گیاه مرتبط است، می‌تواند عملکرد یک پروتئین حساس به نور را «بازبرنامه‌ریزی» کند. این ارتباط غیرمنتظره که در نشریه Nature Communications منتشر شده، گامی مهم در درک عملکرد مولکولی گیاهان به شمار می‌رود.

اریک گروت‌وُلد، استاد بنیاد پژوهشی دانشگاه ایالتی میشیگان و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «در آینده می‌توان از این سازوکار برای تنظیم دقیق رشد، توسعه و واکنش‌های گیاه به تنش‌های محیطی استفاده کرد.» او افزود: «این کشف می‌تواند منجر به تولید محصولاتی شود که در برابر تنش‌های نوری مقاوم‌تر بوده و نور را به‌طور مؤثرتری مصرف کنند بدون اینکه صرفاً به تغییرات محیطی وابسته باشند.»

 اگرچه نور خورشید برای گیاهان ضروری است، اما تابش بیش‌ازحد می‌تواند آسیب‌زا باشد به‌طوری که نور شدید ممکن است مانند آفتاب‌سوختگی به گیاه آسیب بزند. برای محافظت از خود، گیاهان ترکیباتی مانند فلاونوئیدها و رنگدانه‌ها تولید می‌کنند که نقش «ضدآفتاب طبیعی» را ایفا می‌کنند. این ترکیبات تخصصی، همانند موادی که آفات را دفع یا گرده‌افشان‌ها را جذب می‌کنند، مزیت تکاملی برای گیاهان فراهم می‌سازند.

 جهش ژنتیکی معماگونه

در ابتدا، تیم گروت‌وُلد در حال بررسی گونه‌های جهش‌یافته گیاه مدل Arabidopsis بودند که قادر به تولید یکی از آنزیم‌های مهم فلاونوئیدی نبودند. در جریان آزمایش‌ها، آن‌ها متوجه شدند که یکی از انواع جهش‌یافته در برابر نوع خاصی از نور دچار مشکلات جدی در رشد می‌شود در حالی که نمونه‌های طبیعی و سایر جهش‌یافته‌ها در همان شرایط سالم باقی می‌ماندند.

عامل این اختلال، ترکیبی به نام نارینژنین چالکون (NGC) بود. این مولکول معمولاً در مسیر متابولیکی تولید فلاونوئیدها ساخته می‌شود، اما به دلیل فقدان آنزیم کلیدی در گیاه جهش‌یافته، NGC در سلول‌ها تجمع یافته بود.

پس از شناسایی این ترکیب، پژوهشگران به دنبال پاسخ به پرسش بزرگ‌تری رفتند: چرا این اتفاق می‌افتد؟

با ایجاد هزاران گونه جهش‌یافته از Arabidopsis و پرورش آن‌ها در شرایط نوری سخت، تیم تحقیقاتی توانست تعدادی گیاه را شناسایی کند که بدون نقص رشد می‌کردند. وجه مشترک این نمونه‌های موفق، جهش در ژنی به نام UVR8 بود — پروتئینی که معمولاً نور فرابنفش (UV-B) را تشخیص می‌دهد.

آزمایش‌های بیوشیمیایی نشان دادند که NGC با UVR8 تعامل فیزیکی برقرار کرده و آن را «بازبرنامه‌ریزی» می‌کند، به‌طوری که حتی بدون حضور نور فرابنفش، سیگنال‌های تنظیم رشد ارسال می‌شود.

 نوعی گفت‌وگوی تازه درون گیاه

تا پیش از این، چنین ارتباطی بین متابولیسم تخصصی و گیرنده‌های نوری شناخته نشده بود. نان جیانگ، نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر سابق گروه گروت‌وُلد که اکنون استاد دانشگاه هاوایی است، گفت: «ما از این کشف شگفت‌زده شدیم — اینکه یک واسطه متابولیکی مانند NGC بتواند عملکرد پروتئینی حساس به نور مانند UVR8 را مستقیماً تنظیم کند.»

او افزود: «این نوع گفت‌وگو بین متابولیسم تخصصی و سیگنال‌دهی گیرنده‌های نوری، دیدگاه کاملاً جدیدی درباره نحوه ادغام وضعیت متابولیکی با درک محیطی در گیاهان ارائه می‌دهد.»

در فیزیولوژی گیاه، می‌توان UVR8 را مانند بازیگری در صحنه نمایش و NGC را مانند عوامل پشت‌صحنه دانست. NGC معمولاً در پشت‌پرده فعالیت می‌کند، در حالی که UVR8 فقط در پاسخ به نور فرابنفش وارد عمل می‌شود. اما در این کشف، به نظر می‌رسد که عوامل پشت‌صحنه حالا نقش کارگردان را ایفا می‌کنند.

خوش‌شانسی این بود که گروت‌وُلد برای شناخت بیشتر UVR8 نیازی به جست‌وجوی دور نداشت همکارش رابرت لَست، استاد برجسته دانشگاه، سال‌ها پیش این پروتئین را برای نخستین بار جدا کرده بود. او گفت: «دو دهه پیش، UVR8 آخرین نوع گیرنده نوری در گیاهان بود که نمی‌شناختیم گیرنده‌ای برای نور فرابنفش نوع B. دیدن این تعامل جدید و غیرمنتظره واقعاً هیجان‌انگیز است.»

چرا این کشف برای گیاهان و محصولات کشاورزی مهم است؟

به گفته گروت‌وُلد، این ارتباط مولکولی غیرمنتظره می‌تواند به گیاهان کمک کند تا سیگنال‌های نوری را بهتر در فرآیند رشد خود ادغام کنند. او توضیح داد: «اگر فقط با نور UV به گیاه تابش کنید، تقریباً کشنده است اما اگر شدت آن را صد برابر افزایش دهید در کنار نور سفید، گیاه کاملاً می‌داند چگونه با آن کنار بیاید.»

او افزود: «ما فکر می‌کنیم NGC دقیقاً همین کار را می‌کند ادغام سیگنال‌های نوری با سیگنال‌های رشد و توسعه.»

این یافته‌ها افق‌های جدیدی برای اصلاح گیاهان بر اساس نور گشوده‌اند. با تغییر توانایی گیاه در درک نور و تولید ترکیبات خاص، می‌توان محصولاتی تولید کرد که در شرایط کم‌نور یا محیط‌های سخت بهتر رشد کنند یا در برابر عوامل بیماری‌زا واکنش مؤثرتری نشان دهند.

نان جیانگ در پایان گفت: «این پژوهش لایه‌ای جدید از پیچیدگی تنظیمی را آشکار می‌کند. نشان می‌دهد که گیاهان می‌توانند از مولکول‌های کوچک نه فقط به‌عنوان محصولات نهایی یا ترکیبات دفاعی، بلکه به‌عنوان پیام‌رسان‌های سیگنالی برای تنظیم دقیق فرآیندهای فیزیولوژیکی مانند رشد و توسعه استفاده کنند.»