سلول‌های بنیادی گیاهی به سطوح کمی از اکسیژن نیاز دارند

Arabidopsis (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © Vasiliy Koval / Adobe Stock
 

گیاهان به عنوان ریه های سبز سیاره ما عمل می کنند. حقیقتاً این طور است، و این به علت ظرفیت یک درخت منفرد بزرگ است که هر سال، از طریق یک سری واکنش های پر از نور خورشید در فتوسنتز، بیش از 120 کیلوگرم اکسیژن را به جو زمین رها می کند. با این حال در حوادث سیل، بافت گیاهی ممکن است کمبود اکسیژن شدیدی را تجربه کند، وضعیت استرسزایی که هر سال منجر به ضرر قابل توجهی در محصولات کشاورزی مهم مانند برنج، گندم و جو می شود.
 
محققانی از گروه زیست شناسی دانشگاه کپنهاگ، دانشگاه پیزا در ایتالیا و دانشگاه آچن RWTH و دانشگاه هایدلبرگ هر دو در آلمان در حال حاضر کشف کرده اند که غلظت های کم اکسیژن (هیپوکسی) شرایط مهمی را برای رشد گیاه فراهم می کند.
 
پروفسور Ole Pedersen، از دانشگاه کپنهاگ می گوید: "در حالی که مجهز به نسلی جدید از پروب های میکروسکوپی اکسیژن بودیم قادر به اندازه گیری غلظت اکسیژن یک توده بافتی حدود سی سلول، که به آن به عنوان مری‌اِستم رأسی جوانه اشاره می شود، شدیم." "ما دریافتیم که در این منطقه یک موقعیت ویژه کم اکسیژن، سلول های بنیادی را که مسئول تولید برگ و گل های تازه هستند پوشش می دهد. در اینجا، سطوح پایین اکسیژن، نرخی را کنترل می کنند که در آن برگ های جدید با ارتقاء پایداری یک پروتئین، به نام ZPR2، که مسئول تکثیر و تمایز سلولی است، تولید می شوند."
 
از این رو، بسیاری از بافت های گیاهی به شدت در حضور هیپوکسی ناشی از رویداد سیل، رنج می برند، اما این مطالعه جدید به وضوح نشان می دهد که هیپوکسی پیش نیازی برای نگهداری سلول های بنیادی است.
 
این کشف به دنبال آنهایی است که در سالهای اخیر در مورد کنترل متابولیسم گیاهان در آنااروبیوسیس به عمل آمده است، وهمچنین در مجله‌های نیچر و نیچر کامیونیکیشنز منتشر شده است و نشان دهنده یک گام به جلو در جهت درک این است که چگونه تولید اندام های جدید به پارامترهای محیطی‌ای وصل است که بر رشد و باروری گیاه تاثیر می گذارند .
 
نیاز به سطوح پایین اکسیژن برای حفظ سلول های بنیادی منحصر به گیاهان نیست. همچنین انواع متعددی از سلول های بنیادی حیوانات، از جمله انسان، دارای ویژگی های مشابه هستند. این امر قابل توجه است زیرا گیاهان و حیوانات تنها در زمینه تکاملی بسیار متمایز شده اند، در حالی که هر دو نشان دهنده بالاترین سطح پیچیدگی بر حسب ساختارهای چند سلولی در بافت هایشان هستند. ظاهرا استقرار و نگهداری اکسیژنِ پایین پبش نیازی برای فعالیت «کارخانه‌های» سلول های جدید است و بنابراین به طور مستقل در هر دو گیاهان و حیوانات گسترش یافته است.
 
کاربردهای این کشف، دو برابر است. پرورش دهندگان در حال حاضر یک هدف جدید برای انتخاب تنوع های محصول جدید دارند، که سازگاری بهتری برای حفظ باروری در محیط های زیر بهینه که بر تنفس تاثیر می گذارند، مثل دمای بالا یا سیلاب سریع، دارند. علاوه بر این، محققان هم اکنون سلول های بنیادی گیاهان و حیوانات را برای کشف اسرار بقای سلول های بنیادی و توسعه اندام ها، مقایسه خواهند کرد.
 

یک مطالعه منتشر شده در مجله ساینس نشان دهنده بینش های جدیدی است در مورد چگونگی پاسخ سلول ها به محرومیت از اکسیژن. محققان دریافتند که کروماتین، مجتمعی از DNA و پروتئین هایی که در آن همه ژن ها ساکن هستند، به سرعت در پاسخ به اکسیژن کم تغییر می کند.
     
اکسیژن برای زندگی انسان ها ضروری است. مهم است که محرومیت از اکسیژن (هیپوکسی) در انواع بیماری های انسانی از سکته مغزی گرفته تا سرطان دیده می شود.
 
پروفسور سونیا روچا از مؤسسه زیست شناسی یکپارچه دانشگاه، که این مطالعه را هدایت کرد، توضیح می دهد: " درک این که چگونه سلول ها کمبود اکسیژن را حس می کنند و به آن واکنش نشان می دهند کلید ممانعت از آسیب و بهبود نتایج برای بیماران است. غلظت های کم اکسیژن (هیپوکسی) شرایط مهمی را برای رشد گیاه فراهم می کند. علاوه بر این، آن همچنین به یک سوال اساسی در زیست شناسی مربوط به نحوه استفاده از اکسیژن در سلول ها می پردازد."
 
محققان می خواستند این فهم را، با یک تمرکز خاص بر شناسایی سریع ترین فرایندهای آغاز شده توسط سلول ها هنگام مواجه شدن با محرومیت از اکسیژن، بهبود ببخشند.
 
کار قبلی بر فعال کردن "عوامل وادار کردنی هیپوکسیا" (HIF ها) -- که عوامل رونویسی هستند که به کاهش ها در اکسیژن در دسترس واکنش نشان می دهند و قادر به فعال کردن صدها ژن هستند -- متمرکز بود. لکن، همچنین فهمیده شده است که این پاسخ ها چند ساعت طول می کشد تا نصب شوند.
 
برای جستجوی فرآیندهای سریعتر، تیم به دنبال تغییرات مولکولی خاص حادث در پیِ دوره های کوتاه از هیپوکسی در سلول های انسانی بود. آنها مشخص کردند که کروماتین به سرعت در پاسخ به اکسیژن کم تغییر می کند و این که این تغییرات برای پاسخ سلول به اکسیژن کم در چند ساعت بعد، لازم است. آنها در ادامه نشان دادند که مکانیسم تغییر کروماتین از طریق بازداری از یک کلاس از آنزیم هایی است که برای فعالیتشان نیاز به اکسیژن دارند. این یافته های کاملا غیر منتظره برای اولین بار نشان می دهد که تغییرات در کروماتین مقدم است بر فعال سازی اظهار ژن در پاسخ به پایین آمدن سطح اکسیژن.
 
پروفسور Rocha می افزاید: "این آنزیم ها در تنوعی از ارگانیسم ها وجود دارد، و در شرایط تکاملی، مقدم بر HIF ها، که یک مکانیزم قدیمی برای حس و پاسخ به تغییرات در دسترسی به اکسیژن است، می‌باشد. و همچنین نشان می دهد که هدف قرار دادن این آنزیم های وابسته به اکسیژن می تواند یک مسیر معتبر برای درمان های دارویی آینده باشد."
 
منبع: مطالب ارائه شده توسط دانشکده علوم - دانشگاه کپنهاگ و دانشگاه لیورپول