خشکی به عنوان یکی ازمهم ترین عوامل محدود کننده رشد و تولید گیاهان زراعی شناخته شده است. تغییرات فیزیولوژیکی که در اثر کمبود آب در گیاه ایجاد می‌شود و صدمات اکسیداتیو بیشترین صدمات را به گیاه وارد می کنند. آنزیم هاى آنتى اكسیدان از جمله مهمترین راهكارهاى دفاعى گیاهان در مهار گونه هاى اكسیژن فعال مى باشند. در این مطالعه، به جهت بررسی اثر تنش خشکی روی بیان ژن های آنتی اکسیدانت و میزان فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانت در گیاه دارویی کنجد انجام گرفت. ژن های مورد بررسی ، ژن های کاتالاز ، آسکوربات پراکسیداز و پلی فنیل اکسیداز بودند . ژن های بتا اکتین و آلفا توبولین نیز به عنوان ژن های رفرنس انتخاب شدند. به منظور بررسی اثر تنش در 6 دوره زمانی نمونه برداری صورت گرفت. پس از استخراج RNA و ساخت cDNA بررسی بیان ژن با استفاده از QRT-PCR انجام شد. پس از آن پاسخ آنزیمى، بیان نسبى ژن هاى كاتالاز ، آسکوربات پراکسیداز و پراکسیداز و برخى از شاخص هاى فیزیولوژیكى سنجیده شد. میزان بیان ژن آسکوربات پراکسیداز با گذشت زمان افزایش یافته در مقابل میزان بیان کاتالاز تغییرات منظمی مشاهده نشده است .بیشتر فعالیت آنزیم هاى آنتى اكسیدان در كنار بیان پایدارتر و بیشتر ژن هاى مورد نظر مشاهده شد. افزایش میزان بیان ژن آسكوربات پراكسیداز نشان داد كه این آنزیم مى تواند در برابر تنش خشکی پاسخ نشان داده و كمبود كاتالاز را جبران نماید. نتایج حاصل نشان داد که مقاوم ترین آنزیم برای مقابله با تنش آنزیم آسکوربات پراکسیداز می باشد. این آنزیم از همان روزهای ابتدای تنش افزایش فعالیت نشان داده ولی با افزایش زمان به خاطر آسیب به ساختارهای تولید کننده ی آنزیم ها، کاهش معنی داری را پیدا می کند. افزایش تحمل به خشکی با افزایش بیان ژن های کد کننده ی آنزیم های آنتی اکسیدان همراه شده است. مطالعات نشان می دهد همبستگی بین تحمل به خشکی و ظرفیت دفاع آنتی اکسیدانت وجود دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

 

فصل اول: مقدمهمقدمه………………………………………………………………………………………………………………….19

1-1-          کلیات……………………………………………………………………………………………………..19
1-2-1- گیاهان و تنش‌های محیطی………………………………………………………………………21
1-2-2- تنش خشکی…………………………………………………………………………………………22
1-2-3- لزوم معرفی گیاهان متحمل به خشکی…………………………………………………….23
1-2-4- کاهش رشد گیاه تحت تنش خشکی……………………………………………………….24
1-2-5- تنش خشکی و اختلال در فعالیت گیاه…………….….………………………………….25
1-2-6- مکانیم های تحمل خشکی…………………..…….…………………………………………..26
1-2-3 آنزیم‌………………………………………………………………………………………………………28
1-2-3-1 اصول کلی واکنش های آنزیمی…………………………………………….………………29
1-2-3-2 سوپراکساید دیسموتاز……………………………………………………………………….29
1-2-3-3 کاتالاز………………………………………………………………………………………………30
1-2-3-4 آسکوربات پراکسیداز…………………………………………………………………………30
1-2-4 بررسی ژن‌های واکنش دفاعی…………………………………………………………………..311-2-5 بیان ژن…………………………………………………………………………………………………..32
1 -2-6-1 تعریف و مفهوم Real- Time PCR………………………………………………..….33
1-2-6-2 استفاده از رنگ‌آمیزی فلورسنت DNA مانند SYBR Green…………….….34
1-2-6-3 مزایای روش Real- Time PCR…………………………………………………..……..34
1-2-6-4 روش های سنجش با Real- Time PCR………………………………………………34
1-2-6-5 روش بررسی کمی بیان ژن یا quantetive real-time PCR………………….37
1-2-6-6 آنالیز کمی mRNAبا استفاده از Real- Time PCR………………………………37
2 بررسی منابع……………………………………………………………………………………………………..43
2-1 تاثیر تنش خشکی بر بیان ژن‌ها……………………………………………………………………..46
3 مواد و روش‌ها……………………………………………………………………………………………………49
3-1 تهیه مواد گیاهی…………………………………………………………………………………………..49
3-2 تعیین سطح تنش خشکی القاشده به گیاه ……………………………………………………..49
3-3 اندازه‌گیری صفات مورفولوژی…………………………………………………..……………………50
3-4 مطالعات بیوشیمیایی……………………………………………………………………………………..51
3-4-1 سنجش فعالیت آنزیم‌ها…………………………………………………………………………….51
3-4-1-1 تهیه عصاره گیاهی……………………………………………………………….……………….51
3-4-1-2 استخراج پروتئین………………………………………………………………….…………….52
3-4-1-2-1 روش اندازه‌گیری میزان پروتئین کل…………………………………………………52
3-2-1-2-2 رسم منحنی استاندارد……………………………………………………….……………52
3-2-1-3 فعالیت آنزیمی آسکوربات پراکسیداز……………………………………..……………53
3-2-1-4 فعالیت آنزیمی کاتالاز…………………………………………………………….……………54
3-2-1-5 فعالیت آنزیمی سوپر اکسید دیسموتاز…………………………..……………………..54
3-2-1-6 فعالیت آنزیمی سوپراکسید از……………………………………….……………………..55
3-2-1-7 سنجش میزان پرولین ……………………………………………….…………………………55
3-2-2 تجزیه‌وتحلیل آماری…………………………………………………………………………………56
3-3 مطالعات مولکولی………………………………………..……………………………………………….56
3-3-1 استخراج RNA ……………………………………………………………………………………….56
3-3-1-1 استخراج RNA با روش ترایزول………………..…………………………………………..56
3-3-1-2 بررسی کیفیت و کمیت RNA استخراج‌شده…….……………………………………57
3-3-2-1 الکتروفورز…………………………………………………….……………………………………57
3-3-2-2 اسپکتروفتومتری………………………………………….……………………………………57
3-3-3 تیمار نمونه های RNA استخراج‌شده با آنزیم DNase……..………………………..58
3-3-4 سنتز c DNA تک‌رشته‌ای از RNA کل…………………………………………………..583-3-5 Real-Time PCR…………………………………………………………………………………59
3-3-5-1 بررسی بیان ژن‌های آنتی‌اکسیدانتی……………………………………………………59
3-3-5-2 بهینه‌سازی شرایط واکنش Real-Time PCR…………………………………..59
3-3-5-3 کنترل آلودگی Real-Time PCR…………………………………………………….60
3-3-5-4 چرخه های حرارتی Real-Time PCR……………………………………………..60
3-3-6 تجزیه‌وتحلیل مشاهدات………………………………………………………………………..60
 
فصل چهارم: نتایج……………………………………………………………………………………………63
4-1 استخراج RNA کل از بافت برگ و ریشه…………………………………………………….634-2 طراحی پرایمر…………………………………………………………………………………………..64

4-2-1 Melting curve……………………………………………………………………………………65

4-3 نتایج بررسی بیان ژن با استفاده از روش Real Time PCR………………………..67

4-3-1 الگوی تظاهر ژن سوپراکسید دیسموتاز…………………………………………………..67

4-3-2 فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز……………………………………………………….69

4-3-3 الگوی تظاهر ژن کاتالاز………………………………………………………………………….70

4-3-4 فعالیت آنزیم کاتالاز………………………………………………………………………………72

4-3-5 الگوی تظاهر ژن پلی فنل اکسیداز…………………………………………………………73

4-3-6 فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز………………………………………………………..74
4-4 نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………….774-5 پیشنهادات………………………………………………………………………………………………..78
 فصل پنجم: منابع………………………………………………………………………………………………..80
  

 
پیوست‌ها
شکل2-1 ……………………………………………………………………………………………………………………54

شکل 3-1…………………………………………………………………………………………………………………..59

شکل 4-1 …………………………………………………………………………………………………………………..60

شکل 4-2……………………………………………………………………………………………………………………60

شکل 4-3………………………………………………………………………………………………………………….63

شکل 4-4…………………………………………………………………………………………………………………..64

شکل 4-5…………………………………………………………………………………………………………………..66

شکل 4-6…………………………………………………………………………………………………………………..66

شکل 4-7………………………………………………………………………………………………………………….67

شکل 4-8………………………………………………………………………………………………………………….68

شکل 4-9………………………………………………………………………………………………………………….69

شکل 4-10………………………………………………………………………………………………………………….70

شکل 4-11………………………………………………………………………………………………………………….71

شکل 4-12 ………………………………………………………………………………………………………………..72

شکل 4-13…………………………………………………………………………………………………………………72

شکل 4-14…………………………………………………………………………………………………………………73

 

 

 

 

فهرست جداول

جدول2-1…………………………………………………………………………………………………………………..46

جدول 3-1…………………………………………………………………………………………………………………57

جدول 3-2…………………………………………………………………………………………………………………57

جدول 3-3………………………………………………………………………………………………………………..58

جدول 3-4…………………………………………………………………………………………………………………59

جدول 4-1…………………………………………………………………………………………………………………..61

جدول 4-2 …………………………………………………………………………………………………………………61

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

مقدمه

 

 

 

1-1 مقدمه

کنجد (Sesamum indicum L.) گیاه یک‌ساله، خودگشن با دیرینه زراعی طولانی که به علت دارا بودن درصد زیاد روغن و مقدار مناسب پروتئین به‌عنوان یک منبع تغذیه‌ای محسوب می‌شود (نصر، 1382). سطح زیر کشت جهانی كنجد در سال 2010 میلادی، در میان 10 کشور عمده تولیدکننده کنجد در جهان، کشور میانمار با تولید 000/720 تن در رتبه اول تولید قرار دارد. کشور هند با تولید 000/620 تن در رتبه دوم و چین با تولید 000/590 تن در رده سوم قرار دارد که در این‌ بین ایران با تولید 31848 تن در رده دهم قرار دارد. متوسط عملکرد کنجد در جهان در این سال 490 کیلوگرم در هکتار بوده است (فائو، 2010). مناطق اصلی کشت کنجد در کشور استان‌های فارس، خوزستان، جیرفت، بوشهر، اردبیل (مغان)، خراسان شمالی می‌باشد. پنج استان فارس، خوزستان، جیرفت، خراسان رضوی و اردبیل همه‌ساله 80 درصد سطح زیر کشت کنجد کشور را به خود اختصاص داده‌اند. در سال 1391 سطح زیر کشت کنجد در کشور به 43475 هکتار با تولید 39614 تن و عملکرد 912 کیلوگرم در هکتار بوده است.

کنجد به اسامی Till, Simsim, Gingelly, Benni,Seed معروف است. كنجد از دانه‌های روغنی مناطق گرم و نیمهگرم است، ولی كشت ارقام جدید آن به مناطق معتدله نیز گسترش‌یافته است. این گیاه دارای ارقام محلی زیادی است و در اغلب كشورها توسط كشاورزان خرده‌مالک و به‌صورت سنتی كشت و كار می‌شود (وایز، 2000). مقدار روغن در زمان رسیدگی فیزیولوژیكی به سطح ثابتی می‌رسد و تا زمان رسیدگی بذر نوسان اندكی دارد (فلوئر و داونی، 1970). آبیاری می‌تواند موجب افزایش مقدار روغن شود، درصورتی‌که تنش خشكی (میلر و رایتن، 1987) موجب كاهش آن می‌شود و به‌طورکلی عوامل محیطی اثرات معكوس بر مقدار روغن و پروتئین دارند. ازنظر درصد روغن و عملكرد روغن دانه ارقام مقاوم به تنش موفق‌تر عمل می‌نمایند (اسمیت، 1990). کشور ایران ازنظر اقلیمی در منطقه خشک نیمه‌خشک دنیا قرار دارد، ازاین‌رو خشکی یکی از مشکلات پیش روی زراعت کشور ماست. خشکی سبب تغییرات مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی متعددی در گیاهان می‌شود ضمن اینکه تحمل به خشکی در گیاهان نیز خصوصیتی ثابت نبوده و ممکن است در مراحل مختلف رشد هرگونه، متفاوت باشد (سایرام،2001). به‌طورکلی گیاهان، طیف وسیعی از تنش‌های محیطی را که نهایت منجر به بروز تنش اکسیداتیو می‌شود، درک می‌کنند. مکانیسم مقاومت در برخی از تنش‌ها به‌صورت یک ارتباط درونی و نتیجه یک برنامه‌ریزی هماهنگ و پیچیده است. در شرایط تنش عدم توازن بین فرآیند جذب انرژی و مصرف آن توسط اندام فتوسنتزی باعث تولید انواع اکسیژن فعال (ROS) و ناتوانی گیاه در مهار آن می‌گردد که درنهایت منجر به بروز تنش در غشای سلول و بروز علائم ناشی از صدمات اکسیداتیو شود (بلوخینا و همکاران، 2003). افزایش میزان رادیکال‌های فعال اکسیژن در گیاه باعث می‏شود که برای کاهش اثرات سمی تنش اکسیداتیو ناشی از تنش خشکی، مکانیسم‌های متنوعی در گیاه فعال شود. در این شرایط میزان آنتی‌اکسیدانت­ها افزایش‌یافته و آنزیم‌های مهارکننده ROSها در جهت کاهش اثرات سمی ناشی از تنش اکسیداتیو حاصل از تنش خشکی، افزایش پیدا می‌کنند (كافی و همكاران،1382). برای مقابله با تنش اکسیداتیو آنزیم‌های آنتی­‌اکسیدانت نظیر کاتالاز (CAT)، پراکسیداز (POD)، آسکوربات پراکسیداز (APX)، سوپر­اکسید ­دیسموتاز (SOD) و گلوتاتیون ردوکتاز (GR) باعث حذف و غیرفعال شدن گونه های فعال اکسیژن می‏شوند (دیرینک و مونتاگو،2002).

لذا بررسی اثرات تنش خشکی و الگوی رفتاری آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانت، می‌تواند به درک مکانیسم‌های دخیل در القاء مقاومت یا تحمل به گیاه کمک نماید، چراکه همبستگی بالایی در تحمل به تنش‌های محیطی و تغییرات غلظت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانت در گیاهان فتوسنتز کننده وجود دارد. از سوی دیگر با عنایت به اینکه سنتز هر ماده‌ای در سلول تحت کنترل ژن‌های مسئول سنتز آن است انتقال این ژن­ها به گیاهان دیگر و تولید ارقام محتمل به خشکی دور از ذهن نخواهد بود.

اهداف تحقیق حاضر عبارت‌اند از:

1- مقایسه الگوی بیان برخی ژن‌های دخیل در تنش خشکی در سطح آنزیم شامل کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و آسکوربات پراکسیداز و پراکسیداز در بافت برگ و ریشه

بررسی الگوی بیان برخی ژن‌های دخیل در تنش خشکی در سطح ترانسکریپتوم
 

 

 

 

 

 

1-2 کلیات

1-2-1 گیاهان و تنشهای محیطی

 

گیاهان در دوره حیاتشان با انواع تنشهای محیطی مواجه می‌شوند، این تنش‌ها شانس نمو و بقای گیاهان را محدود می‌کنند. در بسیاری از نقاط کره خاکی شرایط مناسب رشد فقط برای مدت کوتاهی دوام دارد و گیاهان مجبورند که در همین زمان کم، مراحل اساسی رشد خود را انجام دهند در برخی نقاط هم که شرایط برای رشد مناسب است، افزایش تراکم و تعداد گیاهان عامل ایجاد رقابت برای گیاهان در به دست آوردن مواد غذایی، آب و نور است (لارچر و همکاران، 2001).

درمجموع تنش یعنی شرایط نامناسبی که حتماً مرگ آنی در پی نداشته و به‌طور دائم یا موقت در یک محل اتفاق می‌افتد ولی بر عملکردهای حیاتی موجودات تاثیرداشته باشد (والتر و همکاران، 1985). از قوانین حرکت نیوتن چنین استنباط شده است که اگر هر موجودی تحت تاثیرعملی (تنش) قرارگیری عکس‌العملی (واکنش) از خود نشان می‌دهد. واکنش می‌تواند برگشت‌پذیر یا برگشت‌ناپذیر باشد. اگر واکنش از شدت کافی برخوردار باشد موجود زنده دچار یک تغییر پایدار یعنی صدمه یا مرگ می‌شود.

به‌هرحال دانشمندان علوم گیاهی تنش را با دو تعریف بوم‌شناختی و بیوشیمیایی موردتوجه قرار می‌دهند. تنش در مفهوم بوم‌شناختی: فشارهای زیست‌محیطی است که نسبت تولید ماده خشک را در قسمتی از گیاه یا تمامی آن محدود می‌کند اما تنش ازنظر بیوشیمیایی به معنی اختلال در تولید طبیعی ترکیبات مختلف گیاهی است. امروزه تنش را به دو گروه طبقه‌بندی می‌کنند اول تنش‌های زیستی[1]: تنش‌هایی که حاصل حمله یک موجود زنده به موجود زنده دیگر است مانند آفت‌ها، پاتوژنها و آللوپاتی؛ دوم تنش‌های غیر زیستی[2] شامل:

1- باد، فشار، صدا، نیروهای مغناطیسی و الکتریکی

2- شیمیایی، مثل شوری، یونی، علف‌کش‌ها و…

3- تشعشع، مثل پرتوهای A-B, UV- UV

4-آب، مثل غرقابی و خشکی

5- دما، مثل گرماو سرما

هر نوع از تنش‌ها در وهله اول تنش اولیه محسوب شده و منجر به تغییراتی در سیستم زیستی می‌شود.

اگر مدت‌زمان تنش اولیه کوتاه باشد اثرات آن در حد چند ثانیه یا دقیقه مشاهده می‌شوند؛ اما اگر مدت‌زمان بروز تنش طولانی باشد تنش ثانویه پدید آمده و آسیب حاصل از آن غیرمستقیم خواهد بود. گیاهان نیزمانندجانوران برای مقابله با این شرایط ناسازگارو سخت با استفاده از مکانیسم‌های متفاوت با تنش مقابله می‌نمایند که این مکانیزم‌ها شامل سازش و مقاومت بوده که مقاومت خود شامل تحمل کردن، اجتناب و فرار می­باشد (پارساد، 1996).

همه این تنش‌ها، پاسخ‌های مشترکی را در گیاهان القا می‌کنند ولی در شروع سیگنال باهم تفاوت داشته و همچنین گیرنده‌های آن‌ها متفاوت می‌باشند. این تنش‌ها با بیان یک سری از ژن‌ها گیاه را قادر به ترمیم آسیب ناشی از تنش کرده یا گیاه را در برابر تنشهای محیطی که آینده پیش خواهد آمد حمایت می‌کنند (باجوز و همکاران، 2008)؛ یعنی درواقع گیاه را با محیط سازگار کرده و بقای آن را بیشتر تأمین و تضمین می‌کنند و از این طریق به‌نوعی با محیط خود سازش یافته یا تطابق می‌یابند. سازش‌ها اعم از مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی به نحوی انجام می‌گیرد که گیاه بتواند بهتر با محیط تطابق پیدا کند و از امکانات مادی محیط خود به گونه شایسته‌ای استفاده کند. به‌طور مثال سازش بیوشیمیایی در گیاهان شامل انواع تغییرات بیوشیمیایی در سلول است. این تغییرات شامل تکامل راههای متابولیکی جدید، تجمع متابولیک‌های با وزن مولکول کم، سنتز پروتئین‌های خاص، مکانیسم‌های سم‌زدایی و تغییر در میزان فیتوهورمونها می‌باشند (باجوز و همکاران، 2008). در اغلب تنشهای محیطی، تغییرات ایجادشده گیاهان را در مواجهه با تنش کمک می‌کنند. یکی از عمده‌ترین تنشهای محیطی که اغلب گیاهان با آن مواجه­اند تنش خشکی می­باشد.

 

 

1-2-2 تنش خشکی

تنش خشكی زمانی در گیاه حادث می‌شود كه میزان آب دریافتی گیاه كمتر از تلفات آن باشد. این امر ممكن است به علت اتلاف بیش‌ازحد آب یا كاهش جذب و یا وجود هر دو مورد باشد (کوچکی،1374). یكی از نشانه‌های كمبود آب، كاهش تورژسانس و درنتیجه رشد و توسعه سلول به‌ویژه در ساقه و برگ‌ها است. به همین دلیل اولین اثر محسوس کم‌آبی را می‌توان از اندازه کوچک‌تر برگ‌ها یا ارتفاع گیاهان تشخیص داد. به دنبال كاهش سطح برگ، جذب نور نیز كم شده  و باعث كاهش ظرفیت كل فتوسنتزی گیاه شده و رشد و درنهایت عملكرد آن دچار نقصان می‌شود (حسنی، 1385). خشكی بر جنبه‌های مختلف رشد گیاه تاثیر گذاشته و موجب كاهش و به تأخیر انداختن جوانه‌زنی، كاهش رشد اندام‌های هوایی کاهش تولید ماده خشك می‌گردد. درصورتی‌که شدت تنش خشکی زیاد باشد، موجب كاهش شدید فتوسنتز، مختل شدن فرآیندهای فیزیولوژیكی، توقف رشد و سرانجام مرگ گیاه می‌شود (سینگ و همکاران، 1996). كمبود آب از مهم‌ترین مشكلات مناطق خشك و نیمه‌خشک می­باشد كه بر روی رشد و نمو گیاهان اثر می‌گذارد (اهدایی، 1372). نواحی خشك و نیمه‌خشک مناطقی هستند كه كل تعرق گیاهان در آن 50% تعرق در شرایط بدون تنش ویا حتی كمتر از این مقدار باشد. متأسفانه كمبود آب تنها منحصر به این نواحی نمی‌شود، بلكه حتی در شرایط آب‌وهوای مرطوب و یا توزیع نامنظم بارندگی نیز منجر به محدود شدن آب قابل‌دسترس و درنتیجه كاهش رشد گیاه می‌شود (کافی، 1384). در كشور ما به‌جز سواحل دریای خزر و قسمت‌های كوچكی از شمال غربی كشور بقیه مناطق جزء مناطق خشك و نیمه‌خشک محسوب می‌شوند. این در حالی است كه مناطق خشك كشور نسبت به مناطق نیمه‌خشک آن از وسعت بیشتری برخوردار است (اهدایی، 1372).

1-2-3 لزوم معرفی گیاهان متحمل به خشکی

5/۹۷ درصد آب‌کره زمین در دریاها و دریاچه‌ها است که آب‌شور را تشکیل می‌دهد. 5/۲ درصد باقیمانده آب شیرینی است که در زمین وجود دارد که از آن ۳/۰ درصد آب رودخانه‌ها ۸/۳۰ درصد آب‌های زیرزمینی و ۹/۶۸ درصد یخچال‌ها و پوشش دائمی برف کوه‌ها است. کشور ایران به خاطر قرار گرفتن در كمربند خشك جغرافیایی و نوار بیابانی كه در 25 تا 40 درجه عرض شمالی واقع‌شده است، از شرایط آب‌وهوایی برخوردار است كه جزو مناطق كم باران جهان بشمار می‌آید. باوجود  قرارگرفتن کشور ایران در کمربند خشک جهانی تغییرپذیری شدید اقلیمی، بارش تنها معادل یک‌سوم متوسط جهانی می­باشد (حیدری شریف‌آباد و همکاران،1381). بر اساس گزارش‌ها در سال 1380 حدود 2/6 میلیون هکتار زراعت آبی و 4 میلیون هکتار زراعت دیم و 1/1 میلیون هکتار از باغات تحت تاثیرداشته خشک‌سالی قرارگرفته‌اند. خسارت ناشی از خشک‌سالی  بر باغات در این سال بالغ‌بر 520 میلیون دلار بود. بر اساس تحقیقات انجام‌گرفته در کشور، اثر مستقیم خسارت ناشی از کاهش هر 1 میلی‌متر بارندگی برابر 98 میلیارد ریال است (غفاری،1386). ﺗﻨﺶ ﺧﺸﻜﻲ ﺑﻴﺶ از ﻫﺮ ﻋﺎﻣﻞ دﻳﮕﺮی ﻣﻮﺟﺐ ﻛﺎﻫﺶ رﺷﺪ و ﺗﻮﻟﻴﺪ ﮔﻴﺎﻫﺎن می‌گردد. ﺑﻬﺘﺮﻳﻦ راه ﻣﻘﺎﺑﻠﻪ ﺑﺎ ﺧﺸﻜﻲ اﺳﺘﻔﺎده ﺑﻬﻴﻨﻪ از آب و اﺻﻼح ﮔﻴﺎﻫﺎن ﺑﺮای اﻓﺰاﻳﺶ ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺑﻪ ﺧﺸﻜﻲ اﺳﺖ. ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺑﻪ ﺧﺸﻜﻲ، ﺗﻮاﻧﺎﻳﻲ ﮔﻴﺎه ﺑﺮای رﺷﺪ ﻣﻄﻠﻮب در ﺷﺮاﻳﻂ ﺗﻨﺶ است.

1-2-4 کاهش رشد گیاه تحت تنش خشکی

ﺑﻴﺶ از 80 درﺻﺪ ﺑﺎﻓﺖ ﮔﻴﺎﻫﻲ را آب ﺗﺸﻜﻴﻞ می‌دهد (مارشال، 1986) و ﻛﻤﺒﻮد آن در ﮔﻴﺎﻫﺎن ﻋﻮارض ﺷﺪﻳﺪی را به‌سرعت آﺷﻜﺎر می‌سازد و مهم‌ترین ﻋﺎﻣﻞ ﻣﺤﺪودﻛﻨﻨﺪه رﺷد و ﻧﻤﻮ ﮔﻴﺎﻫﺎن ﻣﺤﺴﻮب می‌شود. ﺑﺮای اﻳﻨﻜـﻪ ﮔﻴـﺎه ﺑﺘﻮاﻧـﺪ آب ﺟﺬب ﻛﻨﺪ، ﺑﺎﻳﺴﺘﻲ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ آب سلول‌های رﻳﺸﻪ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ اﻃـﺮاف آن ﻛﻤﺘـﺮ ﺑﺎﺷـﺪ (هوگنبوم، 1987). درواقع در ﺷـﺮاﻳﻂ ﺗـﻨﺶ ﺧﺸﻜﻲ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ آب ﻣﺤﻴﻂ ﮔﻴﺎه منفی‌تر از ﺷﺮاﻳﻂ ﻃﺒﻴﻌﻲ ﺑﻮده و ﺟﺬب آب ﺗﻮﺳﻂ ﮔﻴﺎه ﺑﺎ ﻣﺸﻜﻞ ﻣﻮاﺟﻪ می‌شود. ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت ﺑﺴﻴﺎری در ﻣﻮرد ﺗﺄﺛﻴﺮ ﻛﻤﺒﻮد آب ﺑﺮ رﺷﺪ و ﻧﻤﻮ ﮔﻴﺎﻫﺎن انجام‌شده اﺳـﺖ اﻳـﻦ ﺗﺤﻘﻴﻘـﺎت ﺣـﺎﻛﻲ از آن اﺳﺖ ﻛﻪ ﻛﺎﻫﺶ رﺷﺪ ﺑﻪ دﻻﻳﻞ ﻣﺨﺘﻠﻔﻲ ﺣﺎدث می‌شود. وﻗﺘﻲ ﮔﻴﺎﻫﺎن ﺑﻪ آب ﻛﺎﻓﻲ دﺳﺘﺮﺳﻲ ﻧﺪاﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﻨﺪ، ﻣﻘﺪار مواد ﺑﺎزدارﻧﺪه رﺷﺪ ازجمله آﺑﺴﻴﺰﻳﻚ اﺳﻴﺪ، در ﮔﻴﺎه اﻓـﺰاﻳﺶ می‌یابد. از ﻃﺮﻓـﻲ ﺑﺮﺧـﻲ از ﻣﺤﻘﻘـﺎن ﻛـﺎﻫﺶ ﻣﻘـﺪار هورمون‌های ﻣﺤﺮك رﺷﺪ ﻣﺎﻧﻨﺪ اکسین­ها، جیبرلین‌ها ﺳﻴﺘﻮﻛﻴﻨﻴﻦ­ﻫﺎ در ﮔﻴﺎه را براثر ﻛﻤﺒﻮد آب ﮔـﺰارش کرده‌اند (فهیمی،1996). در ﮔﻴﺎﻫﺎن ﻧﺨﺴﺘﻴﻦ آﺛﺎر ﻛﻤﺒﻮد آب به‌صورت ﺑﺴﺘﻪ ﺷﺪن روزنه‌ها ﺑﺮوز می‌کند. ازآنجایی‌که ﺑـﺮای اﻧﺠـﺎم ﻋﻤـﻞ ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﺗﺒﺎدﻻت ﮔﺎزی ﺿﺮوری اﺳﺖ، ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ، در اﺛﺮ ﻛﻤﺒﻮد آب و ﺑﺴﺘﻪ ﺷﺪن روزنه‌ها ﺗﺒﺎدﻻت ﮔﺎزی کاهش‌یافته و درنتیجه کربن مونواکسید ﻛﻤﺘﺮی در دﺳﺘﺮس ﮔﻴﺎه ﻗﺮار می‌گیرد و شدت ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﻛﺎﻫﺶ می‌یابد (مارتین و رزای،1992). ﺗﻨﺶ ﺧﺸﻜﻲ از ﻃﺮﻳﻖ ﻋﻮاﻣﻞ ﻏﻴﺮ روزنه‌ای ﻧﻴﺰ ﺑﺮ ﺷﺪت ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ تاثیر می‌گذارد. ﺑﻄﻮرﻳﻜﻪ واکنش‌های ﺑﻴﻮﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ همچنین دﺳﺘﮕﺎه ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰی در اثر ﻛﻤﺒﻮد آب آسیب‌دیده و درنتیجه ﺷﺪت ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﻛﺎﻫﺶ می‌یابد. ﻋﻼوه ﺑـﺮ اﻳـﻦ در ﺷﺮاﻳﻂ ﺗﻨﺶ ﺧﺸﻜﻲ ﺳﻄﺢ ﺑﺮگ ﻧﻴﺰ کاهش‌یافته و اﻳﻦ امر نیز ﺑﺎﻋﺚ ﻛﺎﻫﺶ ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﺧـﺎﻟﺺ می‌شود (استراک، 1981). تنش خشکی با کاهش سطح برگ، انسداد روزنه­ها، کاهش فعالیت­های پروتوپلاسمی و تثبیت گازکربنیک، کاهش سنتز پروتئین و کلروفیل سبب تقلیل فرایند فتوسنتز می­گردد (امام، 1383).

جانسون و هرتز ثابت کرده­اند که پتانسیل آب برگ میزان فتوسنتز را مستقیماً تحت تاثیر قرار می­دهد. با افزایش تنش آب فتوسنتز تا نقطه فتوسنتز کاهش می­یابد و به‌طور مستقیم بر فرایندهای بیوشیمیایی مربوط به فتوسنتز اثر گذاشته و به‌طور غیرمستقیم ورود گازکربنیک به داخل روزنه­ها را که به علت تنش آب مسدود باشند را کاهش می­دهد (فائو، 2005).

شرایط تنش شدید تنفس، جذب گازکربنیک، انتقال مواد فتوسنتزی و انتقال مواد خام در آوندهای چوبی به حد بسیار کم نزول کرده و این در حالی است که فعالیت آنزیم‌های هیدرولیز کننده افزایش می­یابد، کاهش مواد فتوسنتزی موجب اشباع برگ­ها از این مواد می­گردد. درنهایت کاهش فتوسنتز را در پی خواهد داشت (کوچکی،1365).

بویر با تشریح فیزیولوژیکی غلات تحت تنش اظهار داشته تنش رطوبتی موجب کاهش فتوسنتز، پیری زودرس و ریزش برگ­های پایین گیاه می­گردد (بویر، 1995). در شرایط تنش كاهش ماده خشك می‌تواند به دلیل فشار آماس سلول ناشی از كاهش سطح برگ گیاه همچنین كاهش نرخ فتوسنتزی به دلیل محدودیت‌های بیوشیمیایی ناشی از كمبود آب از قبیل كاهش رنگ‌دانه‌های فتوسنتزی به‌خصوص كلروفیل ها باشد (لاولر،2002).

 

1-2-5 تنش خشکی و اختلال در فعالیت گیاه

 

تغییرات فیزیولوژیکی که در اثر کمبود آب در گیاه ایجاد می‌شود، صدمات اکسیداتیو نیز از عوامل مهم محدودکننده رشد و تولیدات گیاهی هستند که در اثر عدم وجود شرایط مناسب ایجاد می‌شود. بیشترین صدمه در گیاهان صدمه اکسیداتیو در سطح سلول است (آلن،1995). آلن گزارش کرده است که بیشترین خسارت در گیاهان که از طریق تنشهای مختلف اعمال می‌شود، در ارتباط با خسارت اکسیداتیو در سطوح مختلف سلولی است. ارگانیزم‌های فتوسنتز کننده هوازی در طول دوره زندگی در معرض میزان متفاوتی از سمومی هستند که این سمیت در گیاهان عالی از کمبود آب حادتر است (سایرام وهمکاران، 2001). نتایج مطالعات نشان می‌دهد در شرایط تنش و حتی تحت غلظت‌های بالای CO2 محیطی، بازهم فتوسنتز کاهش می‌یابد که بیان‌کننده این امر است که دستگاه فتوسنتز صرف‌نظر از بسته شدن روزنه‌ها، تحت تاثیر قرارگرفته است. در شرایط تنش کمبود آب روزنه‌ها در گیاه بسته می‌شوند و متعاقب آن غلظت CO2 در بافت مزوفیل کاهش می‌یابد و به دنبال این وضعیت واکنش‌های تاریکی فتوسنتز مختل شده و محصولات حاصل از واکنش‌های روشنایی که شامل ATP، NADPH است، مصرف نمی‌شود. در چنین شرایطی به دلیل عدم اکسید شدن مولکول NADPH، مصرف NADP+ جهت دریافت الکترون کاهش می‌یابد، بنابراین مولکول اکسیژن در مسیر زنجیره انتقال الکترون به‌عنوان پذیرنده جانشین الکترون عمل می‌کند و منجر به شکل‌گیری رادیکال سوپر اکسید (O2–)، پر اکسید هیدروژن (H2O2) و رادیکال هیدروکسید (OH–) می‌گردد (سایرام و همکاران،2000؛تارکان،2005). فعالیت گونه‌های فعال اکسیژن[3] (ROS) ممكن است سبب بروز صدماتی همچون اكسید شدن لیپیدها، (درنتیجه منجر به تغییر ساختار غشاء و درنتیجه ازهم‌پاشیدگی یكپارچگی آن می‌شود)، تغییر ساختمان پروتئین‌ها و اكسید شدن گروه‌های سولفید­ریل (‌-SH)، غیرفعال شدن آنزیم‌ها، بی‌رنگ شدن و یا از بین رفتن رنگ‌دانه هادی مانند کلروفیل و سایر ترکیبات رنگیزه‌ای و هم‌چنین حمله مداوم به مولکول‌های آلی مثل DNA و درنتیجه اختلال در رشته‌های DNA گردد(حبیبی و همکاران، 2004؛ موهنتی، 2003؛ میتلر و همکاران، 2002).

 

1-2-6 مکانیسم­های مقاومت به خشکی در گیاهان

گیاهان دارای مکانیزم­های مختلفی برای مواجه با تنش می‌باشند. ﻓﺮار از ﺧﺸﻜﻲ یکی از مکانیم هاست ﻛﻪ ﮔﻴﺎه ﺗﻼش می‌کند ﺑﺎ رﺷﺪ ﺳﺮﻳﻊ و کوتاه‌مدت ﺧﻮد ﻗﺒﻞ از ﺗﺨﻠﻴﻪ رﻃﻮﺑﺖ ﺧﺎك ﺑﺬرﺗﻮﻟﻴﺪ ﻛﻨﺪ. ﺗﺤﻤﻞ ﺑﻪ ﺧﺸﻜﻲ مکانیزم دیگری است که ﺗﻮﺳﻂ ﺗﻨﻈﻴﻢ اﺳﻤﺰی، اﻓﺰاﻳﺶ ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ ارﺗﺠﺎع، ﻛﺎﻫﺶ اﻧﺪازه ﺳﻠﻮل و آب ﻛﺸﻴﺪﮔﻲ از ﻃﺮﻳﻖ ﺗﺤﻤﻞ ﭘﺮوﺗﻮﭘﻼﺳﻤﻲ و ﺗﻐﻴﻴﺮ در ﺧﺼﻮﺻﻴﺎت دﻳﻮاره ﺳﻠﻮﻟﻲ از روش‌های ﺗﺤﻤﻞ ﮔﻴﺎه به شمارمی رود. (نیلسون و ارکوت، 1996؛ کوچکی و همکاران، 1372) ﺗﻨﻈﻴﻢ اﺳﻤﺰی با ﻛﺎﻫﺶ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﺳﻤﺰی ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﺗﺠﻤﻊ ﻣﻮاد ﺣﻞ ﺷﻮﻧﺪه در ﭘﺎﺳﺦ ﺑﻪ ﻛﻤﺒﻮد آب ایجاد می‌شود. ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﺳﻤﺰی در داﺧﻞ ﺳﻠﻮل ﺑﺎ اﺿﺎﻓﻪ ﻳﺎ ﺣﺬف ﻛﺮدن ﻣﻮاد ﺣﻞ ﺷﻮﻧﺪه از ﺳﻠﻮل انجام می­شود ﺗﺎ زﻣﺎﻧﻲ ﻛﻪ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﺳﻤﺰی درون ﺳﻠﻮل ﺑﺎ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ ﻣﺤﻴﻂ اﻃﺮاف ﺳﻠﻮل تقریبا ﺑﺮاﺑﺮ ﺷﻮد و اﻳﻦ ﻣﻮرد اﻏﻠﺐ ﺑﺮای ﮔﻴﺎﻫﺎن ﭘﺴﺖ ﺑﻜﺎر می‌رود. ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ آب ﻛﻞ می‌تواند در ﻫﻨﮕﺎم بروز ﺧﺸﻜﻲ ﺗﻮﺳﻂ تنظیم اﺳﻤﺰی ﺑﺎ ﻛﺎﻫﺶ ﻣﻴﺰان پتانسیل آب ﺳﻠﻮل و ﻳﺎ افزایش مواد ﺣﻞ ﺷﻮﻧﺪه و با دﺧﺎﻟﺖ ﻗﻨﺪﻫﺎ ﺗﻨﻈﻴﻢ ﮔﺮدد و ﺑﺴﺘﻪ ﺑﻪ ﮔﻮﻧﻪ ﮔﻴﺎﻫﻲ، اسمولیتها اﺻﻠﻲ و ﻛﻠﻴﺪی در ﺗﻨﻈﻴﻢ اﺳﻤﺰی ﻣﺘﻔﺎوت اﺳﺖ. ﺑﺮای ﻣﻮاد ﺗﺠﻤﻊ ﻳﺎﻓﺘﻪ اﺛﺮات ﻣﺨﺘﻠﻔﻲ گزارش‌شده اﺳﺖ. اﻳﻦ ﻣﻮاد می‌توانند ﺑﺎ اﻓﺰاﻳﺶ ﻧﮕﻬﺪاری آب و ﺣﻔﻆ ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ تورگر ﺳﺒﺐ ﺗﻨﻈﻴﻢ اﺳﻤﺰی ﺷﻮﻧﺪ. در ﺗﻌﺪادی از واکنش‌های ﺑﻴﻮﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﺟﺎﻧﺸﻴﻦ آبگردند و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﺑﺎ ﻟﻴﭙﻴﺪﻫﺎ ﭘﻴﻮﻧﺪ داده و از ﺗﺨﺮﻳﺐ ﻏﺸﺎء جلوگیری نمایند و ﻳﺎ از ﺗﻔﻜﻴﻚ کمپلکس‌های ﭘﺮوﺗﺌﻴﻨﻲ و ﻳﺎ غیرفعال ﺷﺪه آنزیم‌ها ﺟﻠﻮﮔﻴﺮی ﻛﻨﻨﺪ (زانگ و همکاران،1996).

در ﺑﺮاﺑﺮ ﺗﻨﺶ ﺧﺸﻜﻲ واﻛﻨﺶ ﻋﻤﻮﻣﻲ ﺗﺠﻤﻊ ﻣﻮاد ﺣﻞ ﺷﻮﻧﺪه ﺳﺎزﮔﺎر ﺻﻮرت می‌گیرد ﻛﻪ ﺑﺴﻴﺎری از آن‌ها اﺳﻤﻮﻟﻴﺘﻬﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ ﻛﻪ ﺑﺎﻋﺚ ﺗﻨﻈﻴﻢ اﺳﻤﺰی می‌شود. ﺗﺠﻤﻊ و ﻧﻮع ﻣﺎده ﺣﻞ ﺷﻮﻧﺪه در ﺑﺮاﺑﺮ ﺗﻨﺶ ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﺳﺎزﮔﺎری در گونه‌های ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻣﺘﻔﺎوت اﺳﺖ ﻛﻪ ﺷﺎﻣﻞ آﻣﻴﻨﻮاﺳﻴﺪﻫﺎ (پرولین), ﻗﻨﺪﻫﺎ (ساکارز، فروکتان) ﭘﻠﻲ مر‌ها (مانیتور، سوربیتول) اسیدآمینه‌ (ﮔﻼﻳﺴﻴﻦ، ﺑﺘﺎﺋﻴﻦ) یون‌ها (ﭘﺘﺎﺳﻴﻢ)، اﺳﻴﺪﻫﺎی آﻟﻲ (مالت و ﻧﻴﺘﺮات) می‌باشند؛ مثل ﺗﺠﻤﻊ ﮔﻼﻳﺴﻴﻦ ﺑﺘﺎﺋﻴﻦ در ﺑﺮاﺑﺮ ﺗﻨﺶ اﺳﻤﺰی ﺧﺼﻮﺻﻴﺖ ﺑﺎرز در ﺧﺎﻧﻮاده Plumbaginaceae است درحالی‌که در ﺗﻨﺒﺎﻛﻮ و ﺑﺮﻧﺞ ﺳﻴﺮ ﺑﻴﻮﺳﻨﺘﺰی ﮔﻼﻳﺴﻴﻦ بتائین دیده ﻧﺸﺪه اﺳﺖ (صفر نژاد، 1996؛رونتین همکاران، 2002). ﻛﻤﺒﻮد آب ﺳﺒﺐ ﺑﻴﺎن ژن‌های ﺧﺎص می‌شود و ﺑﻴﺎن اﻳﻦ ژن‌ها ﺑﺎ پاسخ‌های ﺳﺎزﮔﺎری ﮔﻴﺎﻫﺎن ﺗﺤﺖ تنش در ارﺗﺒﺎط اﺳﺖ (شین واری،2000). ﺗﻨﺶ آب ﺑﻪ ﺳﺒﺐ ﺗﻐﻴﻴﺮات ﺑﻴﺎن ژن‌ها در ﮔﻴﺎﻫﺎن به‌رغم ﻛﺎﻫﺶ ﺳﻨﺘﺰ ﭘﺮوﺗﺌﻴﻦ ﻛﻞ ﺑﺎﻋﺚ ﺗﻮﻟﻴﺪ پروتئین‌های ویژه‌ای می‌گردد ﻛﻪ سلول‌ها و به‌طورکلی ﮔﻴﺎه را در برابر تنش ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ می‌کنند (صفرنژاد،1996). اﻳﻦ پروتئین‌ها ﺷﺎﻣﻞ چاپرون‌ها، LEAs (Late embryogenesis, abundant) اﺳﻤﻮﺗﻴﻦ و پروتئین‌های ﺿﺪ ﻳﺨﺰدﮔﻲ، پروتئین‌های متصل به mRNA و آنزیم‌های ﻛﻠﻴﺪی ﺑﺮای بیوسنتزی اﺳﻤﻮﻟﻴﺘﻬﺎ، پروتئین‌های ﻛﺎﻧﺎل آب، ﻧﺎﻗﻠﻴﻦ پرولین و ﻗﻨﺪﻫﺎ و آنزیم‌های سم‌زدا می­باشند. پروتئین‌های LEA،پروتئین‌های ﻣﺘﺼﻞ ﺑﻪ mRNA و چاپرون‌ها در ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ ماکرو مولکول‌هایی ﻫﻤﭽﻮن آنزیم‌ها، ﻟﻴﭙﻴﺪﻫﺎ و mRNA در ﺑﺮاﺑﺮ دﻫﻴﺪراﺳﻴﻮن دﺧﺎﻟﺖ دارﻧﺪ. پرولین، ﮔﻼﻳﺴﻴﻦ ﺑﺘﺎﺋﻴﻦ و ﻗﻨﺪﻫﺎ به‌عنوان اسمولیتها ﻋﻤﻞ ﻛﺮده و از سلول‌ها در برابر دهیدراسیون ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ می‌نماید. پروتئین‌های ﻛﺎﻧﺎل آب، ﻧﺎﻗﻠﻴﻦ ﻗﻨﺪﻫﺎ و ﻧﺎﻗﻠﻴﻦ پرولین در اﻧﺘﻘﺎل آب، ﻗﻨﺪﻫﺎ و پرولین ﺑﺎ ﻋﺒﻮر از ﻋﺮض ﻏﺸﺎﻫﺎی ﭘﻼﺳﻤﺎﻳﻲ و ﺗﻮﻧﻮﭘﻼﺳﺖ در ﺗﻨﻈﻴﻢ ﻓﺸﺎر اﺳﻤﺰی ﺗﺤﺖ ﺷﺮاﻳﻂ ﺗﻨﺶ ﻋﻤﻞ می‌کنند. آنزیم‌های سم‌زدا شامل سوپر اکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT)، آسکوربات پراکسیداز (APX) و گلوتاتیون ردوکتاز (GR) می‌باشند در ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ ﺳﻠﻮل در ﺑﺮاﺑﺮ اﻛﺴﻴﮋن ﻓﻌﺎل ﻋﻤﻞ می‌کند (یاماگیچی،2002). ﺗﻮﻟﻴﺪ پروتئین‌های دﻳﮕﺮ ﻧﻴﺰ در ﺑﺮاﺑﺮ ﺗﻨﺶ آب ﻫﻤﭽﻮن (responsive to ABA) RABs dehydrins و پروتئین‌های ذﺧﻴﺮه روﻳﺸﻲ در ﮔﻴﺎﻫﺎن ﻣﺨﺘﻠﻒ گزارش‌شده‌اند (Artlip and Funkhouser,1995).