منظمات النمو النباتية (الهرمونات) واستخداماتها
Plant growth regulators (hormones)
منظمات النمو النباتية الطبيعية هي مركبات عضوية تُنتج بكميات ضئيلة نسبيا، حيث يتباين تأثيرها بحسب طبيعة تركيبها (التنظيم الخاص للجزيئات). فهي تؤدي إلى تشجيع أو تثبيط أو تغيير منحى نمو النباتات، ويمكنها الانتقال من مناطق إنتاجها إلى مواقع استخدامها مشكلة بذلك صلة وصل بين أعضاء نباتية مختلفة.
تقسم منظمات النمو الطبيعية إلى أربع مجموعات رئيسية هي:
- الأوكسينات Auxins .
- الجيبريلينات Gibberellins .
- السيتوكينينات Cytokinins
- مجموعة مثبطات النمو وتضم بشكل رئيسي :
• الإيتلين Ethylen
• حمض الأبسيسيك Abscissic acid
كما توجد بعض المركبات والمواد الاصطناعية المشابهة من حيث طبيعة التأثير والتركيب لمنظمات النمو الطبيعية التي تنتجها النباتات إضافة إلى وجود بعض المواد الكيميائية التي تختلف اختلافا كلياً حيث تركيبها عن الهرمونات الطبيعية إلا أنها تتمتع بنفس خاصية التأثير الفسيولوجي، ولهذا تستخدم أحيانا في مجالات زراعية تطبيقية متعددة منها : مثبطات النمو (مضادات الجيبريلينات)، بعض مبيدات الأعشاب والمواد المستخدمة بهدف خف الأزهار والعقد الحديث، إضافة إلى العديد من الهرمونات الاصطناعية المستخدمة على نطاق واسع في ميدان زراعة الأنسجة النباتية La culture in vitro .
من ناحية أخرى، يجمع علماء فسيولوجيا ومنهم Couduroux و Chaussat (1980)، Champagnol (1984) على تقسيم منظمات النمو إلى مجموعتين رئيسيتين هما:
المجموعة الأولى وتتمثل بمنظمات النمو داخلية الإنتاج، أي تلك التي يصنعها النبات وتساهم بقدر معين في تحديد مسار الوظائف الفسيولوجية لأعضاء النبات المختلفة والتي تعتمد اعتمادًا رئيسًا على المخزون الوراثي، حيث يتجلى ذلك من خلال الشكل الظاهري لنمو وتطور النبات.
أما المجموعة الثانية فهي منظمات النمو خارجية الإنتاج وتشمل جميع المركبات التي تتألف من جزيئات طبيعية أو اصطناعية، حيث تستخدم من قبل الباحثين بهدف دراسة تأثيراتها المختلفة على تشكل الأعضاء ونمو وتطور النباتات.
1- الأوكسينات Auxins :
تطلق تسمية الأوكسينات على مجموعات منظمات النمو الطبيعية والاصطناعية التي تضم حمض الإندول الخلي (IAA) وبعض المركبات الكيميائية المشابهة له من حيث الصيغة أو التركيب الحلقي التي تتألف من نواة أندولية غير مشبعة وسلسلة جانبية.
1-1- الأوكسينات الطبيعية (Indol acetic acid):
يعتبر حمض الإندول الخلّي (IAA ,Indol acetic acid) الأوكسين الرئيسي الذي تنتجه النباتات الراقية بشكل طبيعي وكذلك البكتريا والفطريات، حيث يشير Augé ورفاقه إلى أن تسمية الأوكسين جاءت من خلال نمط تأثيره على استطالة سويقات بعض النباتات النجيلية (Auxese)، ويعتبر الحمض الأميني التريبتوفان Tryptophane المادة الأولية لإنتاج الأوكسين الطبيعي. وتوجد بعض أنواع الفصيلة الصليبية التي تحتوي على مركبات مثل: إندول - اسيتونتريل Indole acetonitrile وحمض إندول البيروفيك Indol pyruvique Acide تتحول بواسطة أنزيمات خاصة تحتويها أنسجة النباتات إلى AIA. كما اكتشفت حديثاً مركبات أخرى ذات نشاط أوكسيني كحمض الفينيل Acide phenyl acetique وهو من المشتقات الكلورية للأوكسين الطبيعي.
الصيغة الجزيئية للأوكسين الطبيعي C10H9O2N :AIA
الصيغة الحلقية للأوكسين الطبيعي (AIA)
أ- عملية استقلاب الأوكسين الطبيعي (IAA) داخل النبات :
يوضح الرسم التخطيطي للشكل التالي باختصار شديد مراحل استقلاب الأوكسين الطبيعي والتي تشمل عمليات الإنتاج والهدم داخل النبات (Chaussat & Couduroux, 1980) .
ب- مناطق إنتاج واستخدام الأوكسين في النبات:
ترتبط ماهية إنتاج الأوكسين في النبات ارتباطا رئيسا بطور نموه، حيث تتوضع مراكز إنتاجه في القمم النامية، الأوراق الفتية، البراعم النشطة، البداءات الزهرية والثمار الصغيرة (داخل النبات).
ينتقل الأوكسين من مناطق إنتاجه إلى مراكز استخدامه بنفس اتجاه الجاذبية الأرضية بسرعة 3-10 مم/ساعة فخلال هجرته هذه يتفكك قسم منه بواسطة أنزيمات الأوكسين أوكسيداز auxins-oxidases وبوجود الضوء وهذا ما يفسر ارتفاع تركيزه بالقرب من مناطق إنتاجه.
يؤدي الأوكسين وظيفة مهمة في تحديد الوظائف والظواهر الفسيولوجية للنبات، حيث تعتمد درجة تأثيره على كميته والتفاعل أو التأثير المتبادل مع منظمات النمو الأخرى، إلا أنه يمكن حصر أهمها بالنقاط التالية:
شكل يبين مراحل عملية استقلاب الأوكسين (IAA) داخل النبات.
- زيادة واضحة في استطالة وحجم الخلايا، نتيجة لدخول كمية كبيرة من الماء بسبب التركيز المرتفع للأوكسين داخلها.
- تغير في نفاذية الأغشية الخلوية، يترجم ذلك من خلال طرح شوارد الهيدروجين +H وخلق وسط حامضي يؤدي إلى تقليل درجة مقاومة جدران الخلايا وزيادة امتصاص شوارد البوتاسيوم +K.
- تأثير عام على عملية الاستقلاب وخصوصاً تصنيع الـ RNA الريبوزومي الذي يساهم بشكل فعال في إنتاج البروتينات.
- تشجيع الانقسام الخلوي لطبقة الكامبيوم، حيث ساهم ذلك في نجاح التجارب الأولى لزراعة الأنسجة النباتية مخبرياً وسمح بالحصول على نسيج خلوي متجانس (الكالوس أو الكنب). إضافة إلى أثره المهم في عملية تشجيع التجذير ولهذا تسمى الأوكسينات الاصطناعية بهرمونات التجذير.
- تشير أبحاث Miginia (1974) إلى أثر الأوكسين المعيق لتفتح البراعم الجانبية، حيث تتفتح إثر تطويش القمة النامية للفرع.
- المساهمة في تأخير سقوط الأوراق ونضج الثمار.
2-1- الأوكسينات الإصطناعية:
صُنعت أعداد كبيرة من المركبات الكيميائية ذات التأثير الأوكسيني المتباين، حيث سمحت الدراسات والتجارب الحيوية بتحديد درجة فعاليتها ومن هذه المركبات :
- حمض بيتا - إندول الزبدة (Acide β- Indole -Butyrique, AIB)، الذي يستخدم بشكل واسع في ميدان زراعة الأنسجة النباتية مخبريا وفي عملية تجذير عقل الزيتون.
الصيغة الحلقية للأوكسين الاصطناعي (AIB)
- حمض - ألفا – نفتالين الخلي (Acide a -Naphtalene Acetique, ANA) ومشتقاته مثال:
* حمض 2 - نفتو كسي الخلّي (Acide 2-Naphtoxy Acetique, ANOA).
* نفتالين أسيد أميد (Naphtalene Acetamide, NAD).
- حمض 2،4 – دي كلور فينوكسي اسيتيك (Acid 2,4-Dichlorophenoxyacetique, 24-D)، حيـث يدخل بشكل أساسي في تركيب مبيدات الأعشاب ومحاليل خف الأزهار .
تجدر الإشارة إلى أنه عادة ما تستخدم الأوكسينات الاصطناعية في المجالات الزراعية التطبيقية والمخبرية وذلك لكونها أكثر ثباتاً وفعالية وأقل كلفـة مقارنة بالأوكسين الطبيعي AIA، إلا أنها أكثر سمية.
2 - الجيبرلينات Gibberellins
الجيبريلينات مركبات طبيعية اكتشف تأثيرها في العقد الثالث من القرن العشرين، حيث عُزل أوّل مركب وهو حمض الجيبريليك GA3 عام 1939 من نباتات الرز المصابة بفطر جيبريلا Gibberella هذه النباتات كانت تُبدي بعض الأعراض كزيادة طول السلاميات واللون الباهت للأوراق مقارنة بالنباتات السمية.
بعد ذلك تتالت الاكتشافات حيث عُزل ما يقارب 50 مركباً كلها ذات منشأ طبيعي (داخلية الإنتاج)، رقمت كالتالي GA4, GA3, GA2, GA1، ... إلا أنه ليس من الضروري أن يحتوي النبات على جميع هذه المركبات. حيث تتصف جميع الجيبريلينات بوجود نواة متشابهة Gibbone مؤلفة من أربع حلقات وتختلف فيما بينها على مستوى النوعية وتوضع المكونات الأخرى على هذه الحلقات.
أ- عملية استقلاب الجيبريلينات وبعض المركبات الشبيهة داخل النبات:
يمثل الرسم التخطيطي للشكل التالي منشأ الجيبريلينات وبعض المركبات الأخرى ومنحى عملية استقلابها في النبات (بحسب 1978 ,Wareings Phillips).
ب- مناطق إنتاج واستخدام الجيبريلينات وأهم خصائصها الحيوية:
تتركز مناطق إنتاج الجيبريلينات في الأوراق الفتية، نهايات الأفرع والجذور، الأجنة، البراعم النشطة والبذور المنتشة. تنتقل الجيبريلينات عادة عبر الأوعية الغربالية مرافقة للمركبات دون الاعتماد على الخاصية القطبية في النبات، إذ تُسهم في الكثير من العمليات الحيوية وفي تحديد مسار الوظائف الفسيولوجية ومن أهمها:
- زيادة طول السلاميات وحوامل الأزهار.
- تنشيط عمليات الاستقلاب من خلال تأثيرها الإيجابي على الأنزيمات المحللة للنشاء (α-amylase) إلى سكريات بسيطة ذوابة وبالتالي يؤدي ذلك إلى تسريع وتنظيم إنتاش البذور.
- زيادة إنتاج الأوكسين من خلال تثبيط نشاط الأنزيمات المؤكسدة (auxine-oxidases) .
- تلعب الجيبريلينات دوراً هاماً ومعقداً في عملية كسر طور سكون بذور وبراعم بعض الأنواع النباتية التي تحتاج إلى عدد كبير من ساعات البرودة.
- تسهم في عملية تشكل الثمار البكرية وخاصة على الكمثرى، الكارمانتين، الخوخ وغيرها.
شكل يبين رسم تخطيطي لأهم مراحل تشكل الجيبريلينات وبعض المركبات الشبيهة في النبات
3- السيتوكينينات Cytokinins :
ترافقت عملية اكتشاف السيتوكينينات مع بدايات تجارب زراعة الأنسجة النباتية مخبرياً، حيث وجد أن لعملية إضافة حليب جوز الهند إلى الوسط الغذائي المخبري أثر إيجابي على الانقسام الخلوي وتشكل البراعم عند نبات التبغ. بعد ذلك أدت الدراسات والتجارب المخبرية للكثير من الباحثين ومنهم Miller & Skoog إلى عزل مركب معقد فعّال نتيجة للتحليل المائي ولتغيير طبيعة الـ AND سمي بالكينتين Kinetine .
فالسيتوكينينات هي عبارة عن أشكال مختلفة لمركبات الأدينين Adenines وهي عبارة عن أسس آزوتية تحتويها جميع الخلايا الحية وهي مشتقة من مركب البورين Purine .
3-1- السيتوكينينات الطبيعية (داخلية الإنتاج) :
يوجد مركبان طبيعيان معروفان للسيتوكينينات هما :
- الزياتين Zeatine
- الإزوبينتيل (Isopentenyladenine IPA)
3-2- السيتوكينينات الاصطناعية (خارجية الإنتاج)
توجد عدة مركبات سيتوكينينية اصطناعية إلا أن أكثرها شيوعاً واستخداماً هي:
- الكينتين Kinetine.
- البنزيل أدينين (Benzyl adenine, BA) و 6 - البنزيل أمينو بورين (BAP).
- البنزيل أدينوزين (Benzyl-adenosine,PBA) وهو مركب مشتق من البنزيل أدينين.
4-2- مناطق إنتاج السيتوكينينات الطبيعية وأهم خصائص الحيوية:
تُعد الجذور والأجنة من أهم مراكز إنتاج السيتوكينينات في النبات ولا تعتمد أثناء انتقالها على الخاصية القطبية، حيث قد تكون مرتبطة ببعض المركبات الكربوهيدراتية أو قد تنتقل قد تنتقل عبر الأوعية الخشبية، وتسهم السيتوكينينات في العديد من العمليات الحيوية داخل النبات وأهمها:
- تنظيم نمو الأفرع الجانبية وبالتالي التخفيف من ظاهرة سيادة القمة النامية.
- تنظيم وتشجيع الانقسام الخلوي.
- تعتبر العلاقة أو النسبة أوكسين/ سيتوكينين محددة لعملية تشكل وتمايز الأعضاء النباتية وخاصة البراعم، حيث يكون إيجابيا عندما تكون نسبة السيتوكينين أكبر من الأوكسين.
5-2- مجموعة مثبطات النمو الطبيعية:
وتضم بشكل أساسي الإيتلين Ethylen وحمض الأبسيسيك Abscissic Acide
4- الإيتلين Ethylene :
هو مركب غازي معروف منذ القدم وخاصة في أماكن تخزين ثمار الفاكهة وتدلّ الدراسات المستفيضة على أن معظم أجزاء النبات قادرة على إنتاج هذا المركب، إلاّ أنَّ الثمار الناضجة هي المراكز الرئيسية لإنتاجه.
يُسهم الإيتلين في العديد من العمليات الحيوية داخل النبات من أهمها:
- تحديد وتنظيم نضج الثمار.
- تسريع مراحل سقوط الأوراق وسهولة فصل الثمار عن الأشجار.
- تشجيع تشكل الدرنات النباتية.
- تنظيم إنتاج الأوكسين الطبيعي IAA في النبات، وهذا ما يفسر التأثير الإيجابي للإيتثلين على عملية التجذير.
وتجدر الإشارة إلى أنه من الصعوبة بمكان استخدام مركب الإيتلين الغازي على الصعيد التطبيقي، في حين تمت حل هذه المشكلة عن طريق استخدام مركب الإيتيفون Ethephone الاصطناعي والقابل للذوبان في الماء حيث يتألف من حمض 2-كلورو إيتيل الفوسفاتي chloroethyl phosphonique-acid ، الذي يتميز بقدرته على النفاذية في أنسجة النبات حيث يتحرر غاز الإيتيلين بسهولة في الوسط القاعدي.
5- حمض الأبسيسيك Acide Abscissique, A-Ab:
هو من مثبطات النمو الطبيعية المعروفة معرفة جيدة وله مرادفات اصطناعية أيضاً ففي عام 1963 ,Addicott ورفاقه استطاعوا عزل حمض الأبسيسيك من جوزات القطن بعد ذلك تم اكتشافه في جميع النباتات، حيث وجد أن وتيرة إنتاج الأبسيسيك تزداد عندما يتعرض النبات لظروف قاسية (نقص الماء والغذاء، الجروح، الارتفاع الشديد في درجات حرارة الجو، ...)، وبالتالي فهو محفز النبات للدفاع عن نفسه من خلال بطء النشاط الفسيولوجي وضعف النمو ويكون ذلك بشكل مؤقت عندما تكون هذه الظروف القاسية طارئة، بينما قد تؤدي سيطرة هذه الظروف غير الملائمة لفترة طويلة إلى دخول النبات في طور السكون، وتزداد كمية حمض الأبسيسيك التي ينتجها النبات في نهاية موسم النمو (النهار القصير).
وبشكل عام يشترك حمض الأبسيسيك مع الجيبريلينات في بعض مراحل الاستقلاب الطبيعي اعتباراً من حمض الميفالونيك.
أما أهم مناطق إنتاجه فهي الأوراق البالغة ومنها ينتقل إلى الثمار التي تبدأ بالدخول في مرحلة النضج والبراعم والعيون التي تدخل في مرحلة السكون.
ويمكن استخلاص بعض خصائص حمض الأبسيسيك من خلال أبحاث Kataoka ورفاقه (1982) على العنب، حيث وُجد أن محتوى الثمار من ABA قد انخفض بشكل ملحوظ وتأخرت مرحلة الدخول في طور السكون إثر إزالة الأوراق البالغة والهرمة، بالمقابل فإنَّ عملية إزالة العناقيد الثمرية أدت إلى تسريع الدخول في طور السكون.
أما أهم الوظائف الحيوية لحمض الأبسيسيك في النبات فتتلخص بالنقاط التالية:
- سقوط الأوراق.
- توقف نمو الأفرع والجذور.
- دخول البراعم أو العيون في طور السكون.
- انغلاق الثغور التنفسية.
- بطء النشاط الاستقلابي والنقل الفعال.
- تأثير إيجابي على تشكل المركبات الفينولية خلال مرحلة نضج الثمار.
أخيراً يجدر التنويه إلى أن الكثير من المراجع العلمية المتخصصة في فسيولوجيا النبات تعد بأن المركبات الفينولية هي من مثبطات النمو نظراً لكونها تعميق عمليات الاستقلاب داخل النبات أو لأنها تقوم بدور مضاد لمشجعات النمو .
تشتق المركبات الفينولية من الحمض الأميني فينيل ألانين Phenylalanine وهو يشكل بالوقت نفسه أساس الأوكسين النشط حمض فينيل الخلي.
لغالبية المركبات الفينولية تأثير مثبط للنمو إلا أن لبعضها دور إيجابي خاصة في عملية التجذير مثال : حمض الكافييك وحمض كلوروجينيك (Acide cafeique & acide Chlarogenique)
وفي مجال زراعة الأنسجة النباتية مخبرياً تؤثر بعض المركبات الفينولية المؤكسدة تأثيرًا سلبياً في النمو الخضري والتجذير، حيث تُشكّلُ هالة بنية مائلة للسواد حول قواعد العقل المزروعة في المحلول الغذائي، ولهذا السبب تضاف أحياناً بعض مضادات الأكسدة إلى الأوساط الغذائية المخبرية. وهذه المشكلة معروفة وخاصة في إكثار عقل الفستق الحلبي مخبرياً.
من ناحية أخرى تلعب المركبات الفينولية دور جهاز المناعة عند النباتات للدفاع عنها ضد الإصابات المرضية وخاصة منها الفيروسية، حيث يلاحظ وجود نسبة كبيرة من المركبات الفينولية المؤكسدة داخل الأنسجة النباتية وخاصة في أنسجة اللحاء والبارانشيم.
شكل يبين وجود نسبة عالية من المركبات الفينولية المؤكسدة في أنسجة أصل كرمة مصاب بأمراض فيروسية.
