1-کلیات

• شوری

1-1-1-مقدمه

شوری عبارت از حضور بیش از اندازه نمک­های قابل حل و عناصر معدنی در محلول آب و خاک است که منجر به تجمع نمک در ناحیه ریشه شده و گیاه در جذب آب کافی از محلول خاک با اشکال روبه رو می­ شود . خاک شور به خاک­هایی اطلاق می­ شود که بیش از 1 /0 درصد نمک داشته باشند. حد بحرانی نمک برای گیاهان 5/0 درصد وزن خاک خشک می­باشد(ابوگادالله، 2010).

شوری خاک یکی از عوامل غیرزنده­ی حساسی است که عملکرد محصول را در نواحی خشک و نیمه خشک تحت تاثیر فرار می­دهد. 4/3 سطح زمین حاوی آب­های شور می­باشد، بنابراین عجیب نیست که مقدار قابل توجهی از سطح زمین، تحت تاثیر نمک باشد. نزدیک به 800 میلیون هکتار از خشکی­های کره­ی زمین در شرایط شوری قرار دارند(مانس و تستر، 2008). میزان اراضی تحت شرایط شوری در ایران در حدود 24 میلیون هکتار گزارش شده است که معادل 15 درصد زمین­های کشاورزی کشور است(شاکر، 1996). شوری، خاک­هایی را که حاوی غلظت­های مشخصی از نمک­های محلول هستند را تحت تاثیر قرار می­دهد و می ­تواند رشد و حیات گیاه را تحت تاثیر قرار دهد(مانس و تستر، 2008) و سبب سمیت در گیاه شود. در کشاورزی شوری اثر منفی روی رشد وعملکرد اقتصادی بسیاری از محصولات مهم دارد (مس و هافمن، 1997، یوکوییو همکاران، 2002 و ویدایانتان و همکاران، 2003) .

مشخصه­های یک خاک شور، سطوح سمی کلریدها و سولفات سدیم آن است. مساله­ی شوری خاک به واسطه­ آبیاری، زهکشی نامناسب، پیشروی دریا در مناطق ساحلی و تجمع نمک در نواحی بیابانی و نیمه بیابانی در حال افزایش است (احمدی­خواه 1389). بنابراین می­توان گفت که در آینده، شوری تهدیدی برای تامین غذا می­باشد. لذا برای غلبه بر این مشکل، تلاش بر این است تا گونه­ های متحمل به شوری را با ارزش­های اقتصادی و اکولوژی در خاک­های شور تولید کنند(رزما و فلاورز، 2008).

1-1-2 اثرات شوری بر روی گیاهان

عدم توانایی گیاه برای جابجایی از زیستگاه طبیعی خود، سبب شده است که گیاهان متحمل شرایط نامطلوب بسیاری چون شوری، خشکی و دمای بالا شوند. داشتن خصوصیتی مانند تحمل به شوری، گیاهان را قادر به رشد و تکمیل چرخه­ی زندگی خود در محیط دارای غلظت زیاد نمک محلول می­سازد.

شوری برای رشد گیاه یک عامل محدودکننده است، زیرا سبب محدودیت­های تغذیه­ای از طریق کاهش جذب فسفر، پتاسیم، نیترات و کلسیم، افزایش غلظت یون­های درون سلول و تنش اسمزی می­گردد. جذب یون­های سمی به ویژهNa+ و Cl–با جذب سایر یون­های مغذی به ویژه K+ و Ca2+ رقابت می­نماید و موجب کاهش غلظت این یون­ها در گیاهان می­ شود(خان، 2008). در نتیجه با افزایش غلظت یون­های سدیم و کلر و کاهش غلظت پتاسیم رشد گیاه مختل می­ شود.

شوری ثبات یونی گیاه را مختل می­ کند که نتیجه­ آن افزایش سمیت Na+ در سیتوپلاسم و کمبود یون­های ضروری نظیر K+ است(هاسگاوا و همکاران، 2000). در تنش شوری یون سدیم جذب یون پتاسیم را از سلول­های ریشه، مختل می­ کند. در این شرایط یون سدیم پس از ورود به سلول­ها با غلظت بالا انباشته می­ شود که برای آنزیم­ها، سمی و مضر است. همچنین نفوذ یون­های سدیم و کلر در لایه ­های آبدار پروتئین از ایجاد پیوند­های غیرکووالانسی در بین اسیدهای آمینه­ی پروتئین ممانعت می­ کند که این موجب تغییر ساختار و از کار افتادن پروتئین­ها و کاهش فعالیت بسیاری از آنزیم­ها از جمله روبیسکو می­گردد(احمدی خواه 1389). به نظر می­رسد این کاهش فعالیت ناشی از اختلال در اسیدیته­ی استرومای کلروپلاست به دنبال خروج یون پتاسیم و همچنین تغییر ساختار فضایی این آنزیم به دلیل آب کشیدگی سلول می­باشد(جسکه، 1984).

فتوسنتز از جمله مهمترین فعالیت­هایی است که تحت تنش، مورد بازدارندگی قرار می­گیرد. شوری از سه طریق سبب کاهش فتوسنتز می­گردد(ونگ و همکاران، 1997 و ملونی و همکاران، 2003) :

الف) کاهش سطح برگ

ب) بسته شدن روزنه­ها،کاهش تبادلات گازی، کمبود دی اکسید کربن و افزایش میزان گونه­ های فعال اکسیژن (ROS) در کلروپلاست

ج) نقصان عمل کلروپلاست که بر فعالیت آنزیم­ های فتوسنتزی و عمل فتوسیستم­ها تاثیر می­گذارد.

در شرایط تنش شوری تغییرات ساختمانی از جمله کاهش و تعداد روزنه­ها، ضخیم شدن کوتیکول، چوبی شدن زودرس و افزایش قطر و تعداد آوندهای چوبی حادث می­ شود(رومرو-آراندا و همکاران، 2001)

1-1-3 -واکنش گیاهان به شوری

مکانیسم سازگاری همه­ی گیاهان به استرس شوری به دلیل غلظت­های بالایNaCl، به عنوان محلول­ترین و گسترده­ترین نمک، شامل تنظیم اسمزی، کاهش غلظت یون­های سمی در سیتوپلاسم از طریق دفع و/یا بیرون راندن Na+، تقسیم Na+ به درون واکوئل و مکانیسم دفاع آنتی اکسیدانت می­باشد. با این حال گیاهان را در ارتباط با تنش شوری به دو گروه هالوفیت (شوررست) و گلیکوفیت (شیرین رست) تقسیم ­بندی کرده ­اند. گیاهان بومی­خاک­های شور به شوری مقاوم بوده و غلظت­های بالایی از نمک را تحمل می­ کنند و گیاهان حساس به شوری غلظت­های پایین­تری از نمک را تحمل نموده و در غلظت­های بالاتر از حد آستانه، دچار بی­رنگی برگ و کاهش وزن خشک می­گردند(تایز و زایگر، 1381).

1-1-3-1- اجتناب و تحمل

گیاهان سازوکارهای مختلفی دارند که از فروپاشی تعادل ترمودینامیکی یا شیمیایی بین محیط بیرون و درون سلول جلوگیری می­ کند. از آن جمله می­توان به سازوکارهای حفاظتی و مقاومتی در جهت اجتناب از تنش و توانایی پروتوپلاسم­های گیاهی برای مقاومت در برابر تنش اشاره کرد. بنابراین مقاومت در برابر تنش شامل کاهش تنش یا اجتناب از تنش و تحمل تنش می­باشد. این دو همان پاسخ دینامیکی گیاه در برابر تنش می­باشند (لارچر، 1995) . به طور کلی تحمل شوری در گیاهان به خصوصیاتی بستگی دارد که می­توان آنها را در سه دسته­ی اصلی جای داد(وینکوو، 1998):

1)جذب و دفع نمک گیاهان از طریق

الف) جلوگیری از ورود نمک

ب) دفع نمک از طریق غدد نمکی

برخی از گیاهان مقاوم به شوری مانع از نفوذ یون­ها به ریشه نمی­گردند، در عوض در سطح برگ­های آنها غده­های نمکی وجود دارد که دفع نمک از این طریق صورت می­گیرد. ترشح نمک از شیوه ­های تنظیمی گیاهان هالوفیت در تحمل به شوری محسوب می­ شود(آتکینسون و همکاران، 1967). غده­های نمکی برای ترشح و دفع نمک، تخصص یافته­اند(بارهومی و همکاران، 2007). مطالعات انجام شده در میان گونه­ های مختلف گیاهی نشان داده است که برخی مکانیسم­های تحمل به شوری همچون دفع از طریق غده­های نمکی تنها در معدودی از گیاهان وجود دارد و به عنوان یک سازوکار عمومی در همه­ی گیاهان دیده نمی­ شود(نیو و همکاران، 1995).

پ) انتقال آن به برگ­های مسن برای ایجاد مصونیت از اثرات سمی آنها

2.خصوصیات مورفولوژیکی و پراکنش املاح در ساقه­ها و ریشه ­های گیاه که ممکن است میزان تعرق و باز وبسته شدن روزنه­ها را کنترل نمایند.

3.وقایع فیزیولوژیکی و متابولیکی که اثر وجودی نمک را در سطح سلول خنثی می­ کند.

مورفولوژی گیاه و انتقال نمک در آوندها نیز تحت کنترل ژن­هایی با الگوی تنظیمی پیچیده است که دست­ورزی آنها مشکل می­باشد. با وجود این سازوکارهای سلولی-مولکولی نظیر حفظ تعادل یون­ها و توزیع مناسب آنها در درون سلول و نیز تغییرات فیزیولوژیکی و متابولیکی از سازوکارهای موثر در سازگاری به تنش شوری می­باشند(وینکو، 1998 و نیو و همکاران، 1995).

در برخی منابع از سه عمل درون سلولی در برابر اثرات زیانبار شوری ذکر شده است که به عنوان معیارهای قابل اطمینانی برای تحمل به شوری معرفی شده ­اند:

1. خروج یا توقیف Na+ و Cl–برای جلوگیری از سمیت آنها درون سلول
2. حفظ سطح سلولی مناسب K+ و Ca2+مورد نیاز برای فعالیت­های متابولیسمی
3. حفظ فشار تورژسانس بدون توجه به پتانسیل آب خارج (ژو و همکاران، 2001)

سازوکارهای تحمل به شوری از طریق تنظیم نمک به اشکال مختلف در گیاهان مختلف گزارش شده و در بسیاری از گونه­ های زراعی و مرتعی مشاهده شده است.

1-1-3-2: سیستم دفاعی آنتی­اکسیدانت

تنش­های محیطی گوناگون از جمله شوری با برهم زدن شرایط مطلوب، سبب بروز اختلالات متابولیسمی در سلول­های گیاهی می­گردند که یکی از عوامل اصلی این اختلالات افزایش تولید انواع گونه­ های اکسیژن فعال می­باشد. این گونه­ ها به دلیل داشتن الکترون آزاد، بسیار واکنش پذیر بوده و ممکن است برای سلول­های گیاه سمی باشد. بنابراین سیستم دفاعی گیاه برای مقابله با اثرات سمی آنها، از سیستم پاک کنندگی آنتی اکسیدانت استفاده می­نماید.

1-1-3-2-1: گونه­ های فعال اکسیژن(ROS)

به دلیل دو نقش کاملا متفاوت اکسیژن در سیستم­های بیولوژیکی، این مولکول مانند شمشیر دولبه عمل می­ کند. از طرفی، پیش نیاز واکنش­های هوازی بوده و سبب رشد ونمو می­گردد و از طرفی دیگر، احیای همزمان دو مولکول اکسیژن در سیستم بیولوژیکی سبب تولیدROS می­گردد که عامل به هم خوردگی نظم پروسه­های طبیعی سلول می­باشد و در نهایت سبب مرگ سلول می­گردد(اسلساک و همکاران، 2007).

به نظر می­رسد که ROS نقش مهمی به عنوان سنسورهای محیطی و یا تعدیل کننده­ های الگوی بیان ژن در نمو و دفاع گیاه بر عهده داشته باشد. استرس­های اکسیداتیو و مراحل نمو گیاه مثل بلوغ بذر نیز سبب تولید گونه­ های اکسیژن فعال می­گردد.

ROS اغلب به عنوان محصول جانبی متابولیسم­های طبیعی سلول، در میتوکندری، کلروپلاست، پراکسی­زوم و هسته­ی بسیاری از انواع ارگانیسم­های زنده تولید می­گردد (دل ریو و همکاران، 1989 و پراساد و همکاران، 1994). تولید و تخریب ROS یک پدیده­ سلولی تنظیم شده می­باشد. با این حال اصطلاح استرس اکسیداتیو برای توضیح موقعیتی است که تجمع ROS بیشتر از ظرفیت ارگانیسم برای نگهداری هوموستازی رداکس(Redox) سلولی است. برای مثال قرارگیری بافت گیاه در معرض استرس­هایی مانند سرما، یخ زدگی، اشعه­ی فرابنفش(UV)، ازون، خشکی، نور شدید، حشره­کش­ها و صدمات فیزیکیاغلب سبب تحریک تولید یا تقویت تولید ROS­ها می­گردند(بوولر و همکاران، 2000). میزان و محل تجمع ROS در سلول، به گونه، بافت، و سن رشد گیاه و همچنین ویژگی، مدت زمان و درجه­ استرس به کار گرفته شده، بستگی دارد. گفته می­ شود اگر استرس اکسیداتیو که در گیاه اعمال می­ شود، به حداقل برسد، سبب متحمل شدن گیاه به چندین استرس محیطی خواهد شد(مالان و همکاران، 1990 و ویلکنز و همکاران، 1994).

انتقال الکترون از زنجیره­ی انتقال الکترون به ترکیبات یا مولکول­ها، مسیر اصلی تولید ROS تحت شرایط انواع بسیاری از استرس­هاست(الستنر، 1991 و فویر و همکاران، 1994). همچنین استرس­ها اغلب می­توانند روی پروتئین، لیپید، واکنش پروتئین-لیپید و یکپارچگی آن تاثیر بگذارد(گراهام و پترسون، 1982 و نیشادا و ماراتا، 1996). در نتیجه برای متابولیسم­هایی که شامل واکنش­های رداکس می­باشند، تجمع ROS تسهیل می­یابد. استرس­های دیگری چون در معرض قرارگیری ازن نیز می ­تواند به طور مستقیم، از طریق واکنش با اجزای تشکیل دهنده سلول، سبب تجمع ROS شوند(رانئیری و همکاران، 1996).

استرس­های زنده یا غیر زنده تنها فاکتورهایی نیستند که سبب تحریک یا افزایش تولید ROS می­گردند. این گونه­ های فعال از طریق فرایند­های پیری که به صورت طبیعی یا القایی طی می­شوند نیز تولید می­گردند(فیلسوف-هاداس و همکاران، 1994 و هدگس و فویر، 2000). پیری به صورت کلی به عنوان یک پدیده­ ژنتیکی تعریف شده است که منجر به مرگ سلول، ارگان­ها یا همه­ی ارگانیسم­ها می­گردد(نودن و گوایمت، 1989). همچنین آنها در طول مراحل نموی گیاه مثل بلوغ