الأساس الفسيولوجي والكيموحيوي لتحمل النباتات للملوثات البيئية
Physiological and biochemical basis for environmental pollutants tolerance
تستطيع بعض النباتات التغلب على سمية الملوثات وتحويلها إلى أشكال أقل سمية. كما تلعب بعض المركبات النباتية مثل البولي أمين Polyarmines و Mettallothionine و Adenosyltransferase دوراً في حماية النبات من ضرر الأوزون. علاوة على ذلك، تتميز بعض أصناف المحاصيل بالقدرة على الاستشفاء من الضرر الحادث للكلوروفيل من خلال ميكانيكية الإصلاح، والذي سجل في صنف عباد الشمس Php R3 المقاوم للأوزون والصدأ، في حين يستمر الضرر على الأصناف الحساسة Grobbelaar are Mohn, 2002)) .
كما ظهرت بعض الحاميات النباتية Heavy metals or herbicide safener مثل 67 - AD والتي تعمل على حماية النبات من الأثر الضار للملوثات أو تقليل هذا الأثر، حيث صاحب استخدامها في الذرة الشامية تحسن مؤشرات نمو المجموع الخضري والجذري ونشاط الأنزيمات تحت تأثير المعاملة بالعناصر الثقيلة ومبيدات الحشائش (شكل 1) (Aioub, 1994).
شكل (1): تاثير خلط بعض الحاميات النباتية مثل Safener AD-67 مع مبيدات الحشائش Fluo و Acif والفلزات الثقيلة على نمو الجذور والسيقان لهجين الذرة الشامية (A) الصنف بيونير Rosa (B), 3839
تشير (gr): معدل النمو
SFW: الوزن الغض للسيقان.
RFW: الوزن الغض للجذور.
(عن أيوب، 1994).
وعموماً ترجع قدرة النباتات على تحمل التلوث إلى العديد من الصفات النباتية التي يمكن مناقشتها على النحو التالي :
أولاً: الصفات الفسيولوجية Physiological characters
1- محتوى الكلوروفيل والكارتينويدات Chlorophyll and cartenoids contents
يعتبر محتوى الكلوروفيل والكارتينويدات مؤشر بسيط موثوق به يدل على مدى تحمل سلالات وأصناف المحاصيل للتلوث البيئي، كما يمثل نموذج جيد لتعيين سمية الملوثات في النباتات الراقية .
فقد وجد ارتباط معنوي بين ثبات الكلوروفيل والمقاومة لضرر الأوزون، على جانب وفقد الكلوروفيل والأعراض المرئية للنكرزة في الأصناف الحساسة من المحاصيل البقولية والدخان، على الجانب الآخر (Knudson et al., 1977 and Poornima et al 2003). ولاحظ Saurer وآخرون (1991) نقص تركيز الكلوروفيل ومعدلات النتح وصافي تمثيل ثاني أكسيد الكربون الممتص بأوراق القمح وكفاءة استخدام الماء في أوراق أصناف القمح الحساسة نتيجة التلوث بالأوزون. كما وجد (Lee, 1999) توافق قوى بين التغيرات في استشعاع الكلوروفيل في البقوليات والأعراض المرئية لضرر الأوزون كما لوحظ حدوث زيادة في محتوى كلورفيل بعض أصناف الدخان نتيجة التأثير المشترك للمعاملة بالعناصر الثقيلة كالنحاس والزنك والرصاص والإصابة بفيروس البطاطس (X Shevchenko et al, 2002). مقترحاً أهمية استخدام هذه الصفة مؤشراً لميكانيكية التمثيل الضوئي والأيض وغربلة النباتات لمقاومة التلوث.
2- سلوك الثغور Stomatal behaviour
تختلف استجابة ثغور أصناف المحاصيل لإجهاد الملوثات البيئية حيث لوحظ أن ثغور الأصناف المقاومة للأوزون تقفل عند التعرض للغاز، ومن ثم يتوقف التبادل الغازي إلى الأنسجة، ثم تستعيد فتحها عندما يخلو الهواء من التلوث في حين، تظل ثغور الأصناف الحساسة مفتوحة ويحدث التبادل الغازي وضرر الخلايا البارنشيمية واحتراق الأنسجة فقد ارتبطت مقاومة صنف الدخان Bel - B وحساسية الصنف Bel - W3 للأوزون مع سلوك الثغر والصفات الكيموحيوية للأوراق (1975 ,Rhoads and Brennan).
كما أن انخفاض كثافة الثغور بمقدار الثلث كان مرتبطاً مع المقاومة النصفية مودياً إلى نقص كمية الأوزون الداخل إلى الورقة، حيث بلغت كثافة الثغور 25 - 26 / مم2 على السطح السفلى للورقة في صنفين مقاومين من الدخان، في حين كان المدى من 35 - 41 / مم2 في صنفين قابلين للإصابة (عن : 1982 ,.Reinert et al).
هذا وقد وجدت اختلافات بين أصناف القطن والطماطم في الحساسية للأوزون، إلا أنها لم ترتبط مع الاختلافات في معدل انفتاح الثغور (1990 Temple, 1990 a and) في حين تمتع صنف الفاصوليا المصري جيزة 3 بالمقاومة العالية لضرر الأوزون لتمتعه بقدرة جيدة على التحكم في غلق الثغور لمنع دخول الغاز كما يمتلك الصنف جهار دفاعياً مقاوماً للأكسدة يعمل بكفاءة لحماية الأغشية الخلوية من أضرار المواد المؤكسدة (Madkour, 1998) .
ومن المعروف أن حمض الابسيسيك يؤثر على استجابة الثغور. فقد تميزت أصناف الأرز المقاومة للأوزون بمحتوى عالي من حمض الابسيسيك مقارنة بالأصناف الحساسة. وأنه يمكن إضافته خارجياً لتقليل ضرر الأوزون على النباتات من خلال حثه قفل الثغر (Jeong et al, 1980) .
وتتأثر حركة ونشاط الثغر بإجهاد العناصر الثقيلة، فعند تعريض سلخ من إبيدرم الفول البلدي لعناصر الكادميوم والزنك والرصاص والنحاس والزئبق والفضة حدث قفل للثغور.. وكان تأثير المعادن الثقيلة على الترتيب كما يلى ؛ الزئبق والفضة > النحاس > الكادميوم والزنك > الرصاص . كما أدت العناصر الثقيلة إلى فقد في محتوى البوتاسيوم K+ من الخلايا الحارسة والتأثير على مسار انتقاله. وعند تقدير المقاومة الثغرية للنباتات المعرضة لإجهاد الكادميوم والزنك والنحاس في بيئات مائية كانت أقصى مقاومة ثغرية نتيجة إجهاد الكادميوم وأقل مقاومة لعنصري النحاس والزنك Kumar and Sharma, 2003)) .
ثانيا: الصفات الكيموحيوية .Biochemical characters
1- مضادات الأكسدة Antioxidants
تمتلك الأصناف المقاومة لضرر الأوزون جهازاً دفاعياً مقاوماً للأكسدة يعمل بكفاءة لحماية الأغشية الخلوية من الأكسدة. فقد ثبت أن التعرض للملوثات ينتج عنه تكوين مركبات مؤكسدة نشطة جداً في التفاعل بداخل الخلية، وهذه المركبات تسبب ضغوطاً فسيولوجية تدفع الخلية إلى تخليق البروتينات الأنزيمية اللازمة لتحويل هذه المركبات إلى صورة غير ضارة لحماية أغشيتها من الأكسدة والتلف. حيث تعتمد مقاومة الأصناف على الاتزان الفسيولوجي الداخلي لتركيز إنزيمي سوبر أوكسيد ديسميوتيز (SOD) والجلوتاثيون المختزل (GR) وهما من الأنزيمات المضادة للأكسدة، والتي تؤدى إلى التخلص من أيونات السوبر أوكسيد (فوق الأوكسيد) الضارة بالخلية والناتجة عن التعرض للأوزون وغيره من الانحرافات الفسيولوجية (1998 ,Madkour).
فقد أظهرت الدراسات حدوث زيادة ملحوظة في مستويات مضادات الأكسدة من الجلوتاثيون الكلى Total glutathioner وأنزيمات الجلوتاثيون المختزل Glutathione reductase و Glutathione-S-transferase ، والبيروكسيديز Peroxidase و Ascorbate Peroxidase و (Superoxide dismutase (SOD وغيرها من المكونات الكيموحيوية في الأصناف المتحملة حال التعرض للملوثات البيئية، فقد وجد Tanaka وآخرون (1990) ارتباط عالي بين نشاط انزيم الجلوتاثيون المختزل ومقاومة أصناف الدخان للأوزون. كما ازداد نشاط أنزيمات البيروكسيديز والجلوتاثيون المختزل و Glutathione -S- transferase في نباتات بنجر السكر المعرضة لتأثير الأوزون ومبيد Dixon et al., 1996) phenmedipham). وزادت مستويات الجلوتاثيون الكلى والمختزل في صنف البسلة Progress المقاوم للتلوث بثاني أكسيد الكبريت مقارنة بالصنف الحساس Nugget . ولوحظ ارتفاع نشاط أنزيم (Superoxide dismutase (SOD في الصنف المقاوم، ولكن متأخراً عن نشاط أنزيم Nitrate reductase ولم يتأثر مستوى حمض الاسكوربيك (Madamanchi and Alsehr, 1991). كما لم تتضح أي علاقة بين التركيزات المطلقة لحمض الاسكوربيك وتحمل أصناف فول الصويا للأوزون، ولكن ارتبطت مستويات التحمل مع القدرة على تجميع نواتج التمثيل الغذائي (Hess et al., 1983).
هذا وقد صاحب تعرض صنف القمح Aniene لإجهاد النيكل زيادة نشاط إنزيم المبيروكسيديز و guaiacol والمركبات الفينولية في الجذور والسيقان، والتي تقوم بالتخلص من Scavenger شقوق البيروكسيد الناتجة من سمية النيكل Pandolfini et al., 1992)) .
وقد تباين محتوى الجلوتاثيون Thiols في جذور وسيقان هجيني الذرة الشامية Favea وبيونير 3839 بعد 72 ساعة من المعاملة بالفلزات الثقيلة (شكل 2 ) . وكان مستوى الجلوتاثيون مرتفعاً في جذور الهجينين وأظهرا تحملاً لعنصر الكادميوم. كما أظهر الهجين بيونير 3839 تحملاً للنيكل، في حين كان الهجين Favea حساس للعنصر، واختلف الهجينين في حساسيتهما لباقي الفلزات (1994 ,Aion) .
شكل (2): مستويات الجلوتاثيون Thiols في السيقان والجذور لهجيني الذرة الشامية Favea وبيونير 3839 بعد 72 ساعة من التعرض للفلزات الثقيلة (عن: أيوب 1994).
وقد تباينت أصناف الريب في مقاومتها للأوزون والتلوث بالكادميوم وتميز الصنف Pusas Jai Kisan المقاوم للكادميوم بزيادة ملحوظة في محتوى الجلوتاثيون ونشاط SOD وحمض الاسكوربيك وتجميع المادة الجافة ونشاط مضادات الأكسدة. وأشارت الدراسة إلى أهمية Metallothionine, Polyamines و Phytochelatins و Adenosyltransferase كمركبات مسئولة عن الحماية من ضرر الأوزون وسمية عنصر الكادميوم (2004 ,.Qadir et al) فقد ازداد تركيز Phytochelatins مع إجهاد الكادميوم، كوسيلة للتخلص Chelate من سمية العنصر Ann Tukendorf and Rauser, 1990)) .
وفى الأجواء الصناعية القريبة من المراكز الصناعية في روسيا، لوحظ زيادة نشاط أنزيم البيروكسيديز والـ Apoplastic في أصناف المحاصيل المعرضة للتلوث بالكبريت والنحاس والنيكل. وحدد نشاط البيروكسيديز كمؤشر لإجهاد التلوث حتى مساحة 40 كم من مصدر التلوث (1999 ,.Roitte et al).
2 محتوى الأحماض الأمينية والبرولين :
Amino acids and proline content
لوحظ في عديد من الأنواع النباتية حدوث زيادة في محتوى الأحماض الأمينية الحرة والبروتين عقب التعرض للملوثات البيئية. فقد صاحب تعرض أوراق نباتات القمح المتقدمة في العمر لتأثير غاز ثاني أكسيد الكبريت زيادة في تركيز الأحماض الأمينيه الكلية والبروتين الذائب Huang et a)، كما ظهر نفس التأثير وزاد محتوى البروتين عقب تعرض أوراق فول الصويا لمدة 24 ساعة للأوزون (1973 ,.Tingey et al) في إشارة إلى زيادة التخليق الحيوي للأحماض الأمينية والبروتينات تحت هذه الظروف.
وعند تعريض صنفا فول الصويا Dare الحساس للأوزون و Hood المقاوم لجرعة قدرها 5 μI/L من الأوزون لمدة ساعتين تحت ظروف غرف النمو، لوحظ انخفاض تفاعل النترات Nitrate reaction بأكثر من 50% في الصنف الحساس، ولم يتغير معنوياً في الصنف المقاوم (1978 ,Purvis). كما أشارت الدراسات المتقدمة إلى دور البولي اميتاب Polyamines في الحماية من ضرر الأوزون والعناصر الثقيلة (2004 ,.Qadir et al)، أنه لوحظ في بعض الأنواع النباتية مثل المرأى حدوث نقص في المحتوى الكلى من الأحماض الأمينية والأمينات والأسبرجين والجلوتامين عقب التعرض لغاز ثاني أكسيد الكبريت والذى أعزى إلى هدم الأنزيمات المسئولة عن مسارات تخليق تلك الأحماض الأمينية. إلا أن Noji وآخرون (2001) لاحظوا زيادة تخليق الحمض الأميني المستئين في أصناف الدخان المتحملة للتلوث بثاني أكسيد الكبريت والسلفيت والأوزون.
وفيما يتعلق بدور البرولين في تحمل الإجهاد البيئي، لوحظ زيادة تراكمه في أوراق وجذور النباتات كاستجابة كيموحيوية لإجهاد ملوثات الهواء والعناصر الثقيلة. فقد لوحظ زيادة معنوية في مستويات تراكم البرولين في صنف الأرز TK M9 – GR3 المقاوم للتلوث بغاز ثاني أكسيد الكبريت مقارنة بالصنف CO43 الأكثر حساسية للغاز (1988 ,.Anbazhagan et al). كما زاد محتوى البرولين بأوراق الفول البلدي تحت إجهاد الفلزات الثقيلة من الكادميوم والنحاس والزنك (2003 ,Kumar and Sharma) وكذا في حشيشة الليمون Lemongrass تحت إجهاد الكادميوم والزئبق والرصاص (2003 ,.Handique et al). ويفسر ذلك دور البرولين كمؤشر للإجهاد وتحمل التراكيب الوراثية للملوثات البيئية.
3- محتوى الأحماض الدهنية Fatty acids content
يحتوي الغشاء الخلوي لخلايا النبات على محتوى عالي من الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة والتي تختلف كميتها حسب البيئة التي يعيش فيها النبات. وقد تباينت نتائج الأبحاث فيما يتعلق بدور الأحماض الدهنية في الحماية من ضرر الملوثات البيئية أو تأثير التلوث البيئي على تخليق الأحماض الدهنية والليبيد. فقد تأكد تأثير الأوزون على التخليق الحيوي لليبيدات في الكبلوروبلاست المعزولة. وكذا تأثير غاز ثاني أكسيد الكبريت السلبي على محتوى الأحماض الدهنية والليبيد والذي أعزى إلى أكسدة سلاسل الأحماض الدهنية ونشاط الشقوق الحرة وتجمع مادة Malonaldehyde والتي تتكون في أوراق عديد من الأنواع النباتية المضارة بالغاز (1979 ,Peiser and Yang) .
وقد أظهرت نتائج الدراسات المتقدمة باستخدام النباتات المعدلة وراثياً والسلالات الطفرية، أن التغيرات في محتوى الأحماض الدهنية غير المشبعة؛ الأوليك واللينوليك واللينولينيك مرتبطة بشدة مع تحمل النباتات لمختلف طرز الإجهاد سواء غير الحيوي أو الحيوي (Iba, 2003) .
4- محتوى الكربوهيدرات Carbohydrate content
قد يزيد أو ينقص مستوى السكريات الذائبة والكربوهيدرات في أوراق النباتات المعرضة للملوثات البيئية. فقد أشارت الدراسات إلى تأثير ملوثات الهواء مثل الأوزون وثاني أكسيد الكبريت على أيض الكربوهيدرات.
هذا وقد ارتبطت مقاومة نباتات الفاصوليا للأوزون مع محتوى الأوراق العالي من السكر الذائب (1962 Duggar et al.,). كما تميزت النباتات المعرضة لثاني أكسيد الكبريت بزيادة كميات السكريات الذائبة والمختزلة ونقص في السكريات غير المختزلة (1979 ,Malhotra and Sarkar) ، وظهرت زيادة ملحوظة في محتوى السكر الذائب والفينول في نباتات القمح المتحملة عقب التعرض لملوثات الهواء Agrated et al., 2003) ).
