تکنولوژی غلات و صنایع غذایی

فنوتایپینگ صفات مرتبط به تحمل به خشکی (بخش اول)

مکانیسمهای مختلف سازگاری به خشکی: نظرات، اصطلاحات و صفات

در کشاورزی، واژه خشکی به شرایطی که میزان آب فراهم شده از طریق بارندگی و آبیاری (و یا یکی از آندو) برای تامین نیازهای تبخیر و تعرق گیاه ناکافی است اطلاق می شود. مثالهای ارائه شده در این بخش، برخی اصول در مورد مکانیسمهای مختلف فراهم کننده تسهیل تحمل گیاه و تقلیل اثرات منفی کمبود آب، را معرفی خواهند کرد. بطور کلی، تمایز مشخصی میان صفاتی که به گیاه  برای بقا در شرایط استرس خشکی شدید کمک می کنند و صفاتی که تلفات عملکرد را در گیاه تحت تاثیر تنش خفیف و یا متوسط، کاهش می دهند باید قائل شد. فعالیت های اصلاحی مدرن، شامل شرایط فنوتایپینگ، غالبا سطوح ثانویه تنش را در نظر می گیرند. اگرچه عملکرد، امری نادیده گرفته شده در اغلب مطالعات مولکولی انجام شده تحت شرایط آبیاری محدود است، اما روش مناسبی برای اندازه گیری ارزش کلی فنوتیپی هر نمونه است. نهایتا، دانش حاصل از مطالعات مرتبط به خشکی باید بطور مستقیم و یا غیر مستقیم، به یافتن اثرات تنش بر میزان عملکرد گیاه کمک نماید.

اساس مقاومت به تنش

در میان تعاریف مختلف مقاومت به خشکی که در طی دهه های گذشته ارائه شده اند، تعریف کلاسیک و معتبر توسط لویت (1972) ارائه شده که روشی مستدل برای تقسیم بندی استراتژی هایی که به گیاهان امکان کاهش اثرات منفی کمبود آب را می دهند، ارائه می دهد. لویت مکانیسمها یا استراتژی های متفاوت مقاومت به خشکی را بدو گروه گسترده طبقه بندی کرد: اجتناب از خشکی و تحمل به خشکی. از این لحاظ، جنبه های مورفوفیزیولوژیکی (برای مثال ریشه های عمیق، گلدهی زودرس، انباشت مومهای اپی کوتیکولی، تنظیم اسمزی و ...) که گیاه یا بخشهایی از آنرا قادر به مدیریت خشکی می کنند تحت عنوان، اجتناب از خشکی طبقه بندی شده اند. متقابلا، خصوصیاتی چون بازتوزیع کربوهیدراتهای محلول در آب، تجمع پروکتانت های مولکولی و ...، که امکان مدیریت بی نقص عملکردگیاه در شرایط خشکی شدید را فراهم می کنند تحت عنوان تحمل به خشکی طبقه بندی می شوند.

آزمایشات بدقت برنامه ریزی شده تحت شرایط کنترلی، به ما امکان تمایز قائل شدن میان عمل لوکوس اجتناب از خشکی و عمل لوکوس تحمل به خشکی را می دهند. مقالات مروری مختلف وکتب نگاشته شده، مکانیسمهای بنیادین تحمل به خشکی و استراتژیهایی که می توانند عملکرد را تحت چنین شرایطی بهبود دهند را بیان کرده اند.

از نقطه نظر عملی، اولین مرحله تعیین جمعیت از محیط های هدف است، که تحت عنوان TPE (جمعیت محیط های هدف) شناخته می شود. تفاوتهای  TPE، عمدتا بوسیله الگوهای بلند مدت اثرات متقابل محیط – ژنوتیپ تعیین می شوند. تعیین و شناسایی یکTPE ، بوسیله استفاده از مدلهای  شبیه سازی گیاه برپایه رکوردهای تاریخی داده های هوا، تسهیل می شود. شبیه سازی می تواند یک TPE را بوسیله تناوب وقوع استرس های غیر زنده خاص و بر پایه نیمرخ رطوبت خاک در طی چرخه رشد محصول توضیح دهد. در محیط های مدیترانه ای، گندم و جو معمولا تنش انتهایی را به سبب دماهای بالا در حین دوره پر شدن دانه تجربه می کنند. با این حال، در هرTPE، اثرات متقابل محیط و ژنوتیپ تابع نوسانات سالانه فاکتورهای محیطی (برای مثال بارندگی، دما، و ..)، بیماری (برای مثال بیماری اندامهای سبز گیاه) و یا پارازیت ها (برای مثال حشرات) می باشند. بطور ایده آل، فنوتایپینگ برای تحمل به خشک و پایداری عملکرد باید در رنج وسیعی از محیط های حاضر در TPE انجام گردد. در دهه های گذشته، طرح های محیط های چندگانه برای افزایش پتانسیل عملکرد و همچنین برای مدیریت پایداری عملکرد تحت شرایط تنش خشکی در ذرت گرمسیری و همچنین در دیگر محصولات بکار گرفته شده اند. در موارد اندکی، آنها همچنین امکان شناسایی QTL های اصلی اثرگذار بر عملکرد و دیگر صفات سازگار کننده به خشکی در گستره وسیعی از مقادیر دسترسی به آب را فراهم کرده اند.

راندمان مصرف آب و عملکرد دانه تحت شرایط محدودیت آب

راندمان مصرف آب (WUE) میزان ماده خشک تولید شده (عملکرد دانه در گیاهان دانه ای وقتی WUE فصلی مورد توجه قرار می گیرد) به ازای هر واحد از آب از دست رفته از طریق تبخیر و تعرق است. به درجات مختلف، WUE از هر صفت تاثیر گذار بر تثبیت CO₂ و شرایط آب گیاه، اثر می پذیرد. بنابراین، پایه ژنتیکی WUE شامل همه ژنهایی که خصوصیات بیوشیمیایی و مورفوفیزیولوژیکی تنظیم گر تعادل کربن و آب گیاه را مدیریت می کنند (برای مثال هدایت روزنه ای، ضخامت و زاویه برگ، فعالیت کربوکسیلاز فسفوانول پیرووات، اندازه و ساختار ریشه، OA و ..) است.

فرمول زیر که نقش اساسی WUE در تعیین عملکرد دانه (GY) گیاهان رشد یافته تحت شرایط محدودیت آب را تعیین می کند، توسط پاسیورا (1977) پیشنهاد شده است:

GY = W× WUE× HI

W مقدار کل آب تعرق شده از گیاه و تبخیر شده از مزرعه، و HI شاخص برداشت است، بعبارت دیگر نسبت بین عملکرد دانه و کل بیوماس. وقتی این فرمول استفاه می شود، ما باید به امکان وابستگی متقابل این متغیرها توجه داشته باشیم، چرا که گزینش برای بهبود WUE بمنظور افزایش عملکرد دانه، ممکن است بوسیله کاهش میزان آب استخراجی از خاک، تا حدودی اثر عکس (بر میزان عملکرد دانه) داشته باشد. در حقیقت، برخی از صفات نشان داده اند که هم بر WUE و هم بر W تاثیر گذارند. فاکتور بسیار مهم، هماهنگی الگوی توسعه فیزیولوژیکی گیاه و الگوی بارندگی فصلی است. صفت بنیه اولیه بطور بالقوه WUE و W را بهبود می دهد در حالیکه ریشه های عمیق و تنظیم اسمزی (و یا یکی از آندو) تحت شرایط مناسب، استخراج آب از خاک را افزایش می دهند.

با این همه باید به یاد داشت که کشاورزان دانه را برداشت می کنند و نه WUE را. این امر بدین معنا است که WUEکمتر ممکن است هنگامی که WUEنسبت عکس با عملکرد دانه دارد مطلوب باشد، همچنانکه در مورد WUE ذاتی متفاوت غلات، مشهور است. بنابراین، نباید WUE لزوما معادل تحمل به تنش دانسته شود. بهترین مثال بوسیله یک جمعیت از نتاج مربوطه مانند لاین های اینبرد نوترکیب (RILs) که از نظر ظرفیت استخراج خاک، به سبب تفاوت  در عمق ریشه و بنابراین ظرفیت بیشتر برای دسترسی به رطوبت ذخیره شده در لایه های عمیق تر خاک، متفاوت از یکدیگر می باشند ارائه شده است. چونکهWUE در ژنوتیپ های با هدایت روزنه ای پایین، اغلب به سبب شرایط آبی پایین تر، بالاتر است ژنوتیپ های پر مصرف تر (بعبارت دیگر با  WUEکمتر) و توانا برای استخراج آب بیشتر از خاک، مادامی که هدایت روزنه ای بیشتر را کنترل می کنند، عملکرد بالاتری خواهند داشت. بطور متضاد، تحت شرایط محدودیت رطوبت خاک، WUE پایین حاصل  از تبخیر و تعرق بسیار، مانع از تجمع ماده خشک و اختصاص آن به اندامهای زایشی می شود. این یافته یک نظریه بنیادین برای تفسیر رابطه علت – معلولی میان صفات مورفوفیزیولوژیک و عملکرد دانه تحت شرایط تنش ارائه می کند: علامت و مقدار این رابطه همگانی نیست و ممکن است بر اثر عوامل دینامیک (یعنی تناوب و زمان بندی و شدت دوره های خشکی) تغییر یابد.

یک فرمول نسبی برای نشان دادن کامل فاکتورهای تاثیر گذار بر WUE در گیاهان رشد یافته تحت شرایط محدودیت آب بوسیله ریچارد (1991) ارائه شده است:

WUE (biomass) = TE / (1 + Es / T)

TE راندمان تعرق (وزن خشک روی خاک / آب تعرق شده)، Es آب از دست رفته بواسطه تبخیر از سطح خاک و T آب از دست رفته بوسیله تعرق محصول است. آنالیز متغیرها در این فرمول ساختار مفیدی برای تدوین استراتژیهای زراعی و اصلاحی و بنابراین اهداف فنوتایپینگ، بهینه سازیWUE و بحداکثر رساندن عملکرد در محیطهای متفاوت از نظر توزیع بارندگی در حین چرخه رشد محصول، را ارائه می دهد.

در سطح برگ، WUE ذاتی نشان دهنده نسبت مقادیر تجمع لحظه ای CO2و تعرق روزنه ای است. گفته شده که فاکتورهای اثر گذار برWUE ذاتی می توانند از طریق هدایت روزنه ای کمتر و یا ظرفیت فتوسنتزی بالاتر و یا هر دو بدست آیند. همچنین در مورد تاثیرات منفی احتمالی بر عملکرد از طریق دستکاری هر متغیر هشدار داده شده است. نتیجه گیری شده که برای دستیابی به دانه های مناسبتر در عملکرد غلات که از WUE ذاتی بیشتر ناشی شده است، جداسازیWUE ذاتی و میزان رشد پایین محصول ضروری است. از نظر عملی، وقتی محصولات عمدتا در خاک با ذخیره رطوبت (وضعیت رطوبت مطلوب) رشد می یابند،  WUEاهمیت بیشتری می یابد، همچنانکه بوسیله آزادسازی ارقام گندمDrysdale  و Rees که مشخصا برای مناطق هدف ذکر شده (با ذخیره رطوبت مطلوب) برگزیده شده بودند، مشاهده گردید. 

کدام صفات؟

صفات مورفوفیزیولوژیک و QTL های مرتبط که بر مقاومت به خشکی اثر گذارند، می توانند به دو گروه ساختاری (بعبارت دیگر بیان تحت شرایط آبیاری مطلوب) و پاسخ به خشکی (بعبارت دیگر تنها تحت شرایط کمبود معنی دار آب بیان می شوند) تقسیم شوند. در حالیکه، صفات/ QTL های پاسخ به خشکی معمولا تنها تحت شرایط تنش نسبتا شدید خشکی بر عملکرد تاثیر می گذارند، صفات/QTL های ساختاری می توانند بر عملکرد تحت مقادیر کم و متوسط استرس خشکی نیز تاثیر گذارند. پاسخ QTL های مرتبط با صفات سازگاری به تنش خشکی (بعبارت دیگر تجمع اسمولیت ها، کاهش کربوهیدرات های محلول در آب) احتمالا بواسطه تنظیم بیان ژنهای ساختاری اساسی در پاسخ به پیامرسانی علائمی مانند تجمع اسید آبسیزیک (ABA) که بواسطه دهیدراسیون سلولی تقویت می شود، است. تحت شرایط رطوبت مطلوب خاک، وجود QTL های صفاتی که معمولا تحت عنوان ساختاری گروه بندی شده اند اما اندازه گیری آنها مشکل است (برای مثال، طول ریشه)، می تواند بواسطه ترتیب QTLهای صفات بیانگر شرایط رطوبت گیاه مانند درصد ABA، هدایت روزنه ای، کاهش دمای روزنه ای، نشان داده شود. علاوه بر این، آللهای QTL که بطور ساختاری گل دهی را تسریع می کنند، وقتی تنش خشکی در نزدیکی زمان گلدهی یا در طی دوره پر شدن دانه ( و یا هر دو زمان) رخ می دهد تاثیر مثبتی بر عملکرد خواهند داشت.

مدارک آزمایشگاهی نشان داده که پیشرفتهای حاصله بوسیله اصلاحگران درطی قرن گذشته می تواند عمدتا بواسطه تغییرات در صفات ساختاری موثر بر اجتناب از دهیدراسیون و نه صفات پاسخگو به تنش توضیح داده شود. از این لحاظ، توجهات بجای شناسایی صفاتی که بقای گیاه را تحت خشکی شدید افزایش می دهند، با توجه به امکان رابطه منفی تحت شرایط با شدت کمتر تنش، بطور فزاینده ای بر فنوتایپینگ صفاتی که بطور ساختاری عملکرد ذاتی را افزایش می دهند، متمرکز شده است.

صفات مورد بررسی بعنوان اهداف بالقوه گزینش برای بهبود عملکرد تحت شرایط محدودیت آب، باید بطور ژنتیکی با عملکرد همبسته بوده و توارث پذیری بالاتری نسبت به عملکرد داشته باشند. جنبه های مطلوب دیگر شامل وجود تنوع ژنتیکی کافی و عدم کاهش عملکرد تحت شرایط مطلوب می باشند. بطور ایده آل، اندازه گیری صفت هدف باید غیر تخریبی، سریع، دقیق و غیر گران باشد. همچنین باید اندازه گیری صفت با استفاده از تعداد کمی از گیاهان و بدون پروسه های طولانی برای کالیبره کردن سنسورها برای هر گیاه منفرد میسر باشد. در نهایت، بجای گزارش بر مبنای جنبه های کوتاه مدت در سطح سلولی، صفت ثانویه باید با کل چرخه رشد و یا بخشی از آن همراه بوده و مرتبط با سطوح بالاتر سازمان یابی فانکشنال(بطور مثال، میزان کانوپی)، و در نتیجه ارائه دهنده اطلاعات در مورد راندمان بلند مدت اکوفیزیولوژی گیاه، باشد. اطلاعات و مثالهای کلی ارائه شده در ادامه، درمورد تعدادی صفت که از نظر تاثیر بر مقاومت به تنش و WUE (ویا هر یک از آنها به تنهایی) مورد بررسی قرار گرفته اند، می باشند.