سرما
در زمان رشد گامتوفیت نر در برنج مانع هاگ ریزی می شود و باعث سترونی نر می شود. تفاوتها
در فراساختار سلولی که در معرض سرمای ملایم قرار گرفته اند شامل هاگ ریزی با شکل دیواره
ضعیف گرده، ایجاد حفره نابهنجار و بزرگ شدن بیش از حد (hypertrophy)[2] تاپتوم(tapetum)[3] و تراکم نشاسته در پلاستید[4] آندوتسیوم[5] در بساک پیش از مرحله
میوتیک[6] می شود. دیواره ی بساک ها در طی آزادسازی تتراد(tetrad) نیز به شکل نابهنجاری برآمده می شود همانطور که در طبقه بندی ایمنی
شیمیایی سلول[7] نشان داده شده است.ظاهر ناقل مونوساکارید ویژه بساک برنج بشدت از سرما
تاثیر می پذیرد. بهم ریخته شدن متابولیسم کربوهیدرات که با ژن های مهارکننده OSINV4
و OSMST8 در سرما برانگیخته می شوند، باعث
ذخیره غیر معمول نشاسته در آندوتسیوم می شود و با علاِیم دیگری مانند ایجاد حفره و
شکل دیواره ضعیف هاگ همراه می شود. به نظر می رسد تجزیه برآمدگی زودرس، بدنه اصلی دیواره
گرده بعدی را محدود می کند. ایجاد حفره و هاپرتروفی نیز از علایم عدم تعادل تراوش است که با بازجذب
فرآورده تجزیه بساک در صورت عدم فعالیت OSMST8
برانگیخته می شود.
مقدمه
آسیب
سرما روی القاء گل و تولید گرده تاثیر می گذارد و در برخی گونه های حساس باعث سترونی
نر می شود.پیامدهای اجتماعی و اقتصادی سرما و استرس های محیطی در طول مدت رشد تناسلی
بخصوص در دانه های حبوبات مانند برنج و گندم مهم هستند، چرا که فراورده های تولید مثل
جنسی این دانه ها، مهمترین کالای بازار را برای بشر فراهم می کند.
در
40 سال اخیر، دانشمندان در ژاپن تصمیم گرفتند در مورد حساس ترین مرحله تاثیر سرما روی
برنج تحقیق کنند. آنها تشخیص دادند که مرحله جوانه زنی حساس ترین دوره آسیب سرما روی
برنج است.مدت زمانیکه بیشترین حساسیت به سرما در زمان رشد بساک وجود دارد،مرحله اولیه
هاگ ریزی است یعنی زمانیکه هاگ از تتراد رها می شود. به زمان شروع میوز به عنوان دومین
مرحله حساس رشد گرده در حرارت پایین، توجه شده است.
نیشیاما
دگرگونی سلولی رشد هاگ در بساک برنج سرمازده را توضیح داده است،که این محقق پیشگام
تحقیق در این عرصه است. بیشترین حجم تحقیق
او روی مورفولوژی تاپتال تحت شرایط سرما،متمرکز شده است.تغییرات مورفولوژی بیشتر
همراه با انبساط بوده است که نیشیاما آن را به عنوان هایپرتروفی تاپتال توضیح داده
است. محققان دیگر به طبقه بندی هایپرتروفی انواع مختلف پرداختند.
اگر
چه، هیچ تحقیقی تا به امروز منتشر نشده است که نشان دهد هایپرتروفی تاپتال در بساک
های زنده است،پس این مسئله نامشخص است که این یکی از علائم سلولی از استرس سرماست یا
فرآورده مصنوعی. بعلاوه، جدا از برخی مشاهدات اخیر،تحقیقات کمی روی مراحلی که منجر
به هایپرتروفی می شود انجام شده است.در حقیقت،تحقیقات جزئی روی هر یک از خصوصیات آسیب
سرما در بساک برنج انجام شده است.ساتاک،دیگر پیشقدم در این زمینه،حجم زیادی از تحقیقات
را در طی دهه 1970تا 1980 منتشر کرد،که به نظر می رسد این تحقیقات در مرحله فیزیولوژی
گیاهی تنها با توجه کمی به علائم سلولی،متوقف شده است.ایتو(1978) و ساتاک (1976) نیز
به بی نظمی متابولیک در بساک سرما زده،کمی پرداخته اند.
شکل
دیواره هاگ نیز تحت شرایط استرس،بسیار مهم است.کمبود آب مانع شکل مناسب دیواره هاگ
در گندم و برنج می شود که با متابولیسم کربوهیدرات در بساک همراه است.پدیده ای مشابه
متابولیسم به هم ریخته کربوهیدرات در بساک برنج تحت استرس سرما،اخیرا گزارش شده است،در
حالیکه،علائم سلولی شکل دیواره هاگ تا کنون گزارش نشده است.برآمدگی و دیواره ویژه اطراف
سلول ها در هاگ،دیاد(جفتی) و تتراد،نقش مهمی در شکل دیواره هاگ ایفا می کند. تجزیه
برآمدگی زودرس در تنباکو ناپایدار،باعث سترونی نر می شود.دقیقا قبل ازمرحله میوز تغییر
موقعیت بساک،سلول های مادر هاگ را از تاپتوم جدا می کند.علاوه بر این،روابط سیمپلاستیک
[8] از طریق پلاسمودسماتا[9] بین تاپتوم و دیگر لایه های سلول در زمان میوز یا بعد
از آن مشاهده نشده است. ممکن است در این حالت یک گذرگاه تولید شکر متناوب،در بساک فعال
شود،که شامل آنزیم اینورتیس[10] و ناقلان مونوساکارید MST)) است.
مطالعات
روی حالت ژن RT PCR و سیتوهیبرید شدن در برنج نشان می دهد که آزمایشات
ویژه تاثیرات سرما در مرحله هاگ جوان، ژن OsINV4
آنزیم اینورتیس ویژه دیواره محدود سلول بساک را مهار می کند.ژن OsMST8 مونوساکارید گامتوفیت نر ویژه
در برنج نیز ایزوله شده و مشخصات آن تعیین شده است،که نشان می دهد این ژن نقش مهمی
در انتقال مونوساکاریدها ایفا می کند که این مونوساکاریدها فرآورده های نیشکر هستند
که بوسیله آنزیم اینورتیس شکافته شده اند، همچنان که از فرآورده های تجزیه بساک برای
رشد هاگ استفاده شده است.
برای
شناخت بیشتر مراحل مهم بیوشیمی،این تحقیقات دگرگونی ارگانیسم سلولی در دوره رشد هاگ
و نقش اصلی ژن Os MST8 در بساک برنج سرمازده بوده اند را ثبت کرد.
3.نتایج
1-3
تغییرات در هاگ ریزی و سلول های تاپتوم
بعد
از 4 شب سرما،تناوب شدیدی در لایه های بساک و هاگ ریزی دیده شد. بخش عرضی یک بساک زیر
نور میکروسکوپ نشان داد که هاگ ها با حفره هایی با شکل مناسب و لایه های دیگر بساک
درمیکروسپورانجیا[11] در بساک نرمال دیده شدند(شکل
1).در رشد نرمال بساک که مرحله رها سازی هاگ ها را در پی دارد،هاگ های کروی آزاد شناور
در حفره دیده میشوند و طرح مشخص دیواره را بدست می آورند(شکل2). تاپتوم در این مرحله
شامل سیتوپلاسمیک[12] و تعداد زیادی اوربیکول های[13] کاملا رشد کرده است.در بساک های
سرمازده که در مرحله آزادسازی هاگ برداشت شدند،در
رشد هاگ ها آسیب قابل ملاحظه ای دیده شد که این آسیب بیشتر در اطراف دیواره هاگ بود(شکلb,c 2)،اما آسیب هایی مثل تغییر شکل و بی نظمی مشاهده
نشد(شکلb 2).سلول
های تاپتوم بشدت دگرگون شده بودند.سلول های تاپتال تغییر شکل داده ی روی حفره شامل
حفره هایی با اندازه های متفاوت بودند(شکل ( 2b.بساک هایی که در مرحله رها سازی هاگ برداشت شدند،نشان دادند که سرما،شکل
دیواره هاگ را بطور جدی دگرگون می کند(شکل 2c )،اگر چه هاگ ها با حجم زیاد
سیتوپلاسمیک،مشخص می شوند اما خالی از حجم اسپوروپولنین[14] مناسب نیستند(شکل 2c,e ). دیواره هاگ ها در مرحله آزادسازی هاگ به خوبی پیکره بندی می شود
و شامل چندین لایه است که این لایه ها تکتوم[15]،باکولا[16]،فوت(پایین ترین لایه) نام
دارند(شکل 2d ).شیارهای کوچکی در لایه های فوت و تکتوم دیده
شده اند(شکل 2d ).دیواره هاگ در بساک سرمازده بدرستی شکل نگرفتند(شکل
2c,e ).دیواره هاگ عاری از هر گونه پیکره بندی مناسب
بود.تنها مقدار کمی از اسپروپولنین ظاهرا بطور رندم روی دیواره هاگ سرما زده باقی مانده
بودند(شکل 2e ). دیگر آسیب های جدی سرما،هایپرتروفی تاپتال
بود(شکل 2f ).اگرچه بندرت دیده شده، بنظر می رسید که سیتوپلاسمیک شامل سلول های
تاپتال بساک سرما زده بودند که به داخل حفره ریخته شدند(شکل 2f,g ). مشاهدات هایپرتروفی در عکس هایی که در نور میکروسکوپ(شکل 2g)از بساک های زنده گرفته شدند، نشان داد که این یک پدیده مصنوعی آماده
سازی برای TEM نبود.
3.2-انباشتگی
نشاسته اضافی در آندوتسیوم
در
حرارت نرمال در مرحله پیش از میوتیک، بلافاصله پس از مرحله آزادسازی هاگ، سلول های
آندوتسیوم شامل کلروپلاست هایی[17] در امتداد دیگر ارگانل ها[18] بودند(شکل 3a )این کلروپلاست ها از ساختمان غشایی داخلی بسیار کوچک با دانه های
بسیار ریز نشاسته تشکیل شده بودند و در همان راستا امتداد یافته بودند.(شکل 3a,c ). کلروپلاست هایی که از دانه های ریز نشاسته تشکیل شده بودند فضای
تیره ای در اطراف هر دانه ریز داشتند که نشان می داد این دانه های ریز نشاسته تنزل
یافته اند(شکل 3c ). لایه های سلول آندوتسیوم پس از سرما بررسی
شدند و کلروپلاست هایی در مرحله آزاد سازی هاگ در آنها دیده شد (شکل 3b ).سایز و تعداد دانه های ریز نشاسته این کلروپلاست ها افزایش یافته
بود(شکل 3b,d )
که همراه بود با فقدان انباشتگی نشاسته روی غشا که این جزییات ، انحطاط تیلاکوئید[19]
و دانه را مانند غشاهای بیرونی در این کلروپلاست ها نشان می داد (شکل 3b,d ).
3.3-تجزیه
برآمدگی زودرس
در
طی مراحل دیاد در بساک های نرمال ، برآمدگی در اطراف دیاد و نیز روی پلیت(صفحه) سلول
بین دو سلول دیاد دیده شد(شکل a.4).در
لایه ایمونوگلد[20] لایه برآمده نازکی خارج از دیاد دیده شد(شکلa.4). بساک های سرمازده، برآمدگی های پراکنده ای را در سلول های دیاد نشان
دادند(شکلb.4).
ذرات بسیار ریز زرد رنگ در خارج از سلول های دیاد بطور تصادفی دیده شدند(شکلb.4). در سلول های تتراد تحت حرارت نرمال، لایه ایمونوگلد برآمده، بین
4 هاگ تتراد دیده شد. اگر چه این نمایه ها در پایین ترین بخش دیواره خارجی این هاگ
ها رشد کرده بودند. در هاگ های تتراد بساک های سرما زده،برآمدگی بندرت دیده شد.(شکل
4c ). این مغایرت آشکار با تعداد زیاد ذرات زرد
رنگ در حرارت نرمال در مرحله یکسانی دیده شد(بیتر از 150 ذره زرد رنگ برای هر بخش
مشابه در دیواره ها ). که نشان می دهد آن برآمدگی در اطراف هاگ های رشد کرده زودتر
از زمان پیش بینی شده تنزل پیدا کردند، چیزی که در بساک های نرمال مشاهده نشد. دیواره
های هاگ های تتراد بساک های نرمال با طرح اصلی دیواره تفاوت داشتند،اگر چه،دیواره هاگ
ها در هاگ های تتراد بساک های سرما زده، عاری از هر گونه پیکره بندی بودند(شکل 4d ).
3.4
–OsMST8 mRNA در سیتو هیبرید شدن .
شرایط
سرما در مرحله رشد هاگ، حالت ژن OsMST8 را مهار می کند. بساک های گیاهانی
که در حرارت نرمال رشد کرده اند و در مرحله آزادسازی هاگ بودند حالت ژن OsMST8
را در تاپتوم، هاگ ها و آوندها نشان دادند(شکل (5aدر
صورتیکه بساک ها در مراحل مشابه پس از 4روز سرما، حالت ژن مهارشده OsMST8 را در لایه های بساک و آوندها نشان نمی دهند.
[1]
- gametophyte :مرحله تولید گامت در یک گیاه که با تناوب نسل
ها مشخص شده است.
[2]
- hypertrophy :بزرگ شدن بیش از حد یک عضو.
[3]
- tapetum: بافت مغذی درون بساک.
[4]
- plastid :هر یک از اندامک های سیتوپلاسمی رنگدانه موجود
در سلول گیاهی.
[5]
- endothecium : بافت درونی بساک.
[6]
- meiotic :مراحل تقسیم سلولی در ارگانهای تناسلی که تعداد
کرومزوم ها را در سلول های تناسلی از دیپلویید به هاپلویید کاهش می دهد و منجر به تولید
اسپورها در گیاهان می شود.
[7]
- immunocytochemical :
استفاده از علم ایمنی شیمیایی در مطالعه سلول.
[8]
- symplastic : گیاه شناسی سیستم مداوم پروتوپلاستها که با
پلاسمودسماتا مرتبط شده و با دیواره سلول محدود شده است.
[9]
- plasmodesmata : رشته ای از سیتوپلاسم که از طریق روزنه ها
از دیواره های سلولی می گذرد و به پروتوپلاست سلول های گیاهی زنده مجاور متصل است.
[10]
- invetase : آنزیمی که هیدرولیز ساکاروز را به گلوکز و
فروکتوز، کاتالیز می کند.
[11] - microsporangia : ساختاری در گیاهان هاگدار است که هاگ ریزی در آن شکل می گیرد شبیه
به کیسه گرده در گیاهان دانه دار است.
[12]
- cytoplasmic : مربوط به سیتوپلاسم.
[13]
- orbicule
[14] - sporopollenin :
لیمری که دیواره بیرونی اسپورها و دانه گرده ها را تشکیل می دهد.
[15]
- tectum : ( بالاترین لایه)
[16]
- bacula
[17] - chloroplast
[18] - organelle :
ساختار متفاوت درون یک سلول مانند میتوکوندریون ، واکویل یا کلروپلاست که عملکرد خاصی
را انجام می دهند.
[19]
- thylakoid : غشایی شبیه به کیسه است که یک واحد ساختاری
دانه ای است و در کلروپلاست های سلول های گیاهی است.
[20]
- immunogold
