غاز الإثيلين Ethylene ودوره في زراعة الانسجة النباتية

الإثيلين (C₂H₄) مركب عضوي ينتج طبيعيا في النباتات الراقية والدنيئة على حد سواء، ويزيد معدل تصنيعه في الأوراق والثمار في مرحلة الشيخوخة. ومن العوامل التي تشجع تخليقه داخل الأنسجة الجروح الميكانيكية، الإصابات الحيوية، عمليات الإجهاد البيئي كالملوحة، الجفاف بعض المعادن السامة، التقليم، سوء التخزين. ويذوب الإثيلين بمعدل 225 سم/ 100 مل ماء على درجة الصفر المئوي، ويعتبر من أحد الهرمونات النباتية ذات التأثير الفعال في بعض العمليات الحيوية رغم تركيزه القليل جدا. وتحتوي المناطق الميرستيمية والعقد الساقية الطرفية على كميات كبيرة منه بالمقارنة مع الأجزاء غير الميرستيمية والعقد الساقية القاعدية. ويلاحظ أن هذه المناطق هي التي تحتوي على تركيزات عالية من الأوكسين، أي أن هناك علاقة طردية بين تركيز الأوكسين والإثيلين. لكن وجود الإثيلين بتركيزات منخفضة قد لا تتجاوز ميكرولتر واحد في جو النمو يسبب نمو غير طبيعي للنبات. ويقوم الغاز بدوره الحيوي بعد ارتباطه ببعض البروتينيات المحتوية على الحديد في الخلايا النباتية. ويذوب الغاز في طبقة الفوسفولبيدات من الأغشية الخلوية فيزيد نفاذيتها للمواد العضوية. ويبدو أيضا أن الإثيلين يلعب دوراً غير مباشر في تصنيع الحامض النووي RNA والبروتين (Davies 2004).

التخليق الحيوي للإثلين ومثبطاته

يعتبر حامض الميثونين المصدر الحيوي لتخليق الإثيلين حيث تزيد إضافته إلى وسط النمو من تصنيع الإثيلين. ويوضح الشكل التالي مراحل التخليق الحيوي الأثيلين، ويتبين أن التصنيع يتم من خلال تخليق مركب (aminocyclopropane Icarboxylic (ACC ومن ثم تؤدى إضافة هذا المركب إلى النبات إلى زيادة تخليق الإثيلين وبالتالي تنشيط العمليات الفسيولوجية الراجعة له. ويتوقف مستوى الإثيلين الداخلي على وجود الإنزيمات المشتركة في تخليق ACC والأكسجين والشوارد الحرة. ولأن الميثونين يخلق من حامض الاسبارتك فإن إضافة الاسبرجين أو السستين يشجعان تخليقه. كما يحفز وجود الكربوهيدرات، الضوء، الأوكسينات، السيتوكينينات، ثاني أكسيد الكربون تحويل الميثونين إلى الإثيلين ومن المركبات المستعملة لتوليد الإثيلين داخل لأنسجة النباتية مركب الإيثيفون حيث يمتص ثم يحدث له تكسير داخل الأنسجة ويتحرر لإتينين في السيتوبلازم.

ويرجع تأثير المركبات التي تثبط التخليق الحيوي للإثيلين ومنها (Aminoethoxyvinylglycine (AVG ومركب (2,5-norboranadien (NBD وكذلك أيون الكوبلت والمواد المخلبية إلى تثبيطها فعل الإنزيمات المصنعة له. كما أن المركبات التي تثبط عمليات الأكسدة تعيق تصنيع الإثيلين حيث تمنع تحويل ACC إلى الإثيلين وبعض المركبات تثبط فعل الإثيلين بارتباطها بالغاز نفسه. وتستعمل المركبات التي تثبط فعل الإثيلين كنترات الفضة AgNO3 وثيوسلفات الفضة AgS2O3 كبديل للمركبات التي تثبط تصنيعه لإيقاف نشاطه الوظيفي في حالة وجود تأثيرات غير مرغوبة في المزرعة. لكن يتطلب الأمر اضافة تركيز عالي يصل إلى 5-10% من ثيوسلفات الفضة أو نترات الفضة لإحداث تأثير مضاد لـ 5-20 جزء في المليون من الإثيلين.

كذلك فإن رفع تركيز ثاني أكسيد الكربون في جو المزرعة إلى 5-10% يثبط الإثيلين لارتباطه مع مراكز ارتباط الإثيلين بالخلية، لكنه لا يطرد الإثليين المرتبط سابقا في تلك المواقع. ويعتبر التركيز الطبيعي من ثاني أكسيد الكربون ضروري لنشاط الإثيلين، ويعمل غياب الأكسجين على زيادة التأثير المثبط لثاني أكسيد الكربون.

شكل يبين: التخليق الحيوى لغاز الإثيلين في الأنسجة النباتية (2004 ,Davies

وقد أمكن تقليل التأثير السلبي للغاز على نمو القمم النامية للقرنفل في الأوعية المغلقة بامتصاصه من جو المزرعة بوضع كأس به محلول برمنجانات البوتاسيوم في الوعاء المستعمل للزراعة حيث يمتص حوالي 70 % من الإثيلين الموجود في الوعاء.

إنتاج الإثيلين في مزارع الأنسجة وتأثيره عليها

ينتج غاز الإثيلين طبيعياً في كل أنواع مزارع الأنسجة ويزيد معدل التصنيع بتعريض الخلايا للإجهاد فعلى سبيل المثال تشجع بعض المواد كالمانيتول والبولي إثيلين جليكول (PEG) المستعملين لزيادة الضغط الاسموزي أثناء عزل وزراعة البروتوبلاست من تصنيع الإثيلين. وقد أنتج بروتوبلاست البطاطس المعزول في وجود PVP كالوس بنسبة أكبر عند إضافة 100 ميكروجرام من AgS2O3 إلى البيئة Perl et al., 1988  ولاحظ (1985) .Puschmann et al أن الأوكسينات تشجع تخليق الإثيلين في مزارع الأنسجة حيث يفترض أنها تعمل على استحثاث نشاط بعض الجينات التي تلعب دوراً في تخليقه ويختلف معدل تصنيع الإثيلين في المزرعة باختلاف الفترة الزمنية عقب تجديد المزرعة، ففي الدخان كانت أعلى زيادة بعد 5 أيام من النقل ثم قلت النسبة خلال 6-10 أيام التالية. ويفترض حدوث تثبيط لتكوين البراعم العرضية خلال الخمسة أيام الأولى ثم تكشفت بعد ذلك بانخفاض التركيز بعد 10 أيام من النقل.

وكما هو الحال في النباتات الكاملة تزيد نسبة إنتاج الإثيلين في مرحلة شيخوخة المزرعة، وتكون أعلى ما يمكن في المعلق الخلوي في طور الثبات حيث تكون المواد المغذية محدده للنمو. ولأن الإثيلين ينتج طبيعياً في كل أنواع مزارع الأنسجة فهو يتجمع داخل الأوعية خصوصاً تلك المحكمة الغلق ويتباين التركيز على أساس نوع النسيج، ووزنه، وحجم الوعاء، ونوعية الغطاء ودرجة إحكامه، والإضاءة. ويلاحظ أن الإثيلين يزيد تركيزه داخل الأوعية عند تعريضها للهب أثناء الزراعة بغرض القضاء على التلوث. لكن ارجع (2000) .Santamaria et al السبب في تحسن نمو مزرعة نباتات Delphinium عند استخدام أوعية ذات أغطية منفذة إلى انخفاض معدل الرطوبة في الأوعية وليس لانخفاض نسبة الغاز. هذا ويؤثر الإثيلين على زراعة الأنسجة في مراحلها المختلفة كما يلي:

1. عزل النسيج وتكوين الكالس

كما سبق القول تتشابه تأثيرات الإثيلين مع الأوكسين، حيث يزيد الأوكسين من التصنيع الحيوي لـ ACC الذي يوجد غالباً بتركيزات منخفضة في الأنسجة النباتية. لكن في المعلق الخلوي لا تحل الإضافة الخارجية للإثيلين محل الأوكسين الضروري لانقسام الخلايا (2008 ,.Moshkov et al). وعند جرح الانسجة يزيد مؤقتا إنتاج الإثيلين بأنسجة النبات، وبهذا تتكون كمية معنوية منه عند عزل الأنسجة لزراعتها. وإذا تم تنمية الأفرع التي ستكون مصدر للأوراق المستعملة لإنتاج البروتوبلاست في حالة مضاف اليها ثيوسلفات الفضة فإن إنتاج الإثيلين يكون أقل.

من المتوقع أن يشجع تراكم الإثيلين في مزارع الأنسجة نمو الكالس، فالكالس يتكون على السوق والجذور في النباتات الكاملة عند إحداث جرح بها. وفي عديد من النباتات توجد علاقة بين معدل تصنيع الإثيلين وتكوين الكالس فالمركبات التي تثبط في الإثيلين تثبط تكوين الكالس بنفس معدل إضافتها. لكن في بعض الحالات سجلت بعض النتائج التي تدل على تثبيط الإثيلين لتكوين الكالس. ففي البطاطس يحدث تغليظ في جدر الخلايا المفصولة وتثبط انقسام الخلايا غير المتكشفة. وقد وجد أن تركيز 0.1 حجم/مليون حجم يمنع تكوين الكالس وقصيبات الخشب في أجزاء النخاع أي أن الغاز منع إعادة تكشف الخلايا، وبمجرد تأهيل الخلايا المتكشفة واعادة برمجتها للانقسام فإن الغاز لا يؤثر عليها. وفى أصناف الأرز المعروفة بزيادة معدل انتاجها من الإثيلين تزيد نسبة الموت الموضعي لأجزاء الكالس بالمقارنة بالأصناف التي تخلق الغاز بنسبة أقل. ويثبط رفع الإثيلين في جو المزرعة تكوين الكالس في الأصناف التي تخلق الإثلين بمعدل عالي (1990) .Adkins et al. لكن لاحظ (2001) Al-Khayri & Al-Bahrany ان نترات الفضة تزيد من وزن كالوس النخيل في غياب السيتوكينين من البيئة.

2 . تكشف ونمو الأشطاء

حتى الآن لم يتضح دور الإثيلين في عمليات التكشف العرضي للبراعم بصورة دقيقة بالرغم من معرفة تأثيره المثبط على الحركة القطبية للأكسين والذي يؤثر بالطبع على التكشف وتكوين الأعضاء. ومن نتائج العديد من الدراسات اتضح أن هناك حد حرج من تركيز الغاز عنده يستحث التكشف وزيادة هذا التركيز تؤدى إلى نتائج عكسية على نبات Helianthus annus لاحظ (1987) Robinson & Adams تثبيط الإثيلين لتكوين الأشطاء وكان التأثير ممتداً من معاملة البادرات التي استعملت كمصدر للمستأصل النباتي والتي نميت في الظلام حيث يقلل الضوء من حساسية الأنسجة للغاز، وامكن التأكد من ذلك بمعاملة البادرات بتركيز 10 مليمول من AVG. كما ثبطت معاملة سوق البيجونيا بتركيز 2 - 20 ملجم/ لتر من الإثيفون تكوين الأشطاء وشجعت تكوين الكالس. ويشجع كلا من الإثيلين وثاني أكسيد الكربون اللذان يخلقان في الأنسجة النباتية أثناء الـ15 يوم الأولى من زراعة الأوراق الفلقية للصنوبر تكوين البراعم العرضية إذا كانت الأوعية محكمة الغلق، وأرجع ذلك إلى تشجيع تكوين الإثيلين، ويقل معدل تكوين البراعم بانخفاض معدل تكوين الإثيلين وفى الأوراق العصارية لنبات الليليم زاد عدد الأشطاء المتكونة عندما رفع تركيز الإثيلين في الجو المحيط بمعدل 1-15 حجم/ مليون خلال 3-5 أيام الأولى من الزراعة (2008 ,.Moshko et al). كذلك شجعت إضافة ACC بتركيز 10-0.1 ملجم/لتر إلى مزرعة التيوليب تكوين الأشطاء. لكن ثبط AVG تكوين الأشطاء في مزارع Populus.

غالباً يثبط الإثيلين الموجود في الجو المحيط بالبادرات والأفرع نمو الخلايا في المناطق الميرستيمية، وربما يثبط أيضاً تكوين الجذور في النباتات وحيدة الفلقة. ويكون هذا التأثير أقل في النباتات ثنائية الفلقة بالرغم من أن بعض النباتات مثل البسلة تكون شديدة الحساسية له. لكن في الواقع نادرا ما يلاحظ هذا التأثير المثبط. وتؤكد بعض الملاحظات التي سجلت في مزارع Klaanchye والبجونيا أن الإثيلين المتجمع في أنابيب الزراعة يثبط نمو الأشطاء بتقليل عدد السلاميات. وأدى تراكم الغاز عند تنمية أشطاء القرنفل في أوعية مغلقة إلى نقص في طول السلاميات، وكانت الأوراق شاحبة وأكثر إختزنا للماء (1999 ,.Fal et al).

وأدت إضافة الإيثيفون إلى استعادة الأشطاء لشكلها المورفولوجي الطبيعي. كذلك أدت إضافة مولدات الغاز كالميثونين بتركيز 50 – 100 ملجم/ لتر مع وجود RAP إلى زيادة معدل تكوين الأشطاء في العديد من الأشجار الخشبية. لكن كان نمو أفرع الورد المتكشفة غير جيد تحت تأثير الميثونين في الأوعية المغلقة. وبتعريض مزارع عدة أجناس من نباتات Ptilotus إلى تركيزات مختلفة وفترات مختلفة للأثيلين وذلك بفتح الأوعية في غرف زجاجية تحتوى على تركيز محدد من الغاز، زاد عدد الاشطاء وارتفاع نباتات P. nobilis عند تعرضها لتركيز 100 ملجم/لتر/ساعة/ أسبوع ولمدة ثلاثة أسابيع. ولم يلاحظ هذا التأثير على مزارع P. spicatus حتى عند رفع التركيز إلى 300 ملجم/ لتر ، لكن بهذه المعاملة زاد معدل التجذير إلى اربعة امثال معاملة المقارنة كما استمرت الزيادة في وزن الجذور حتى بعد نقل النباتات على بيئة جديدة (2009 ,.Prameswara et al). وقد أشارت الدراسة السابقة إلى دور المعاملة بالإثيلين في تلوث مزرعة P. nobilis حيث تبين وجود مستعمرات بكتيرية صفراء لامعة على سطح البيئة، وربما كانت ناتجة من تلوث داخلي للنسيج نشط بسبب ضعف نمو النبات بتعريضه للإجهاد بسبب المعاملة بالإثيلين.

3. تكشف ونمو الجذور

يؤدى حفظ النباتات فترة طويلة في جو مشبع بغاز الإثيلين إلى زيادة تكوين الجذور على العقل. وقد شجع تركيز 50 ميكروجرام من IAA تكوين الجذور العرضية من الأقراص الورقية المجهزة من نبات الطماطم في حين ثبطت المعاملة بالإثيلين أو الايثيفون التجذير، وذلك على الرغم من تشجيع الإثيلين تخليق الأوكسين في الأنسجة. وزاد عدد الجذور المتكونة بخفض تركيز الإثيلين بالتهوية أو بامتصاصه في محلول بكلوريت الزئبقيك أو المعاملة بنترات الفضة بتركيز 17 ملجم/ لتر لمدة نصف ساعة وعند زراعة طبقة رقيقة من خلايا الدخان في وسط مناسب لإنتاج الجذور باستعمال تركيز عالي من الأوكسينات ومنخفض من السيتوكينينات زاد إنتاج الإثيلين فيها بمعدل 100 مرة عن زراعتها في وسط غير ملائم لتكوين الجذور. وكان التجذير متلازم مع ارتفاع نسبة الإثيلين والتي كانت في أعلى معدل لها عند 30 م، وإضافة أيونات الفضة إلى الوسط أعاقت تكوين الجذور وشجعت تكوين البراعم العرضية. ومازال هناك جدل حول ما إذا كان الإثيلين هرمون تجذير أم لا.

4. تكوين الأجنة الجسدية

وجد لحجم وعاء الزراعة تأثير على تكشف الأجنة الجسدية في العديد من النباتات. يشير ذلك إلى أن المواد الطيارة المتكونة في المزرعة وعند تركيز محدد تؤثر على تكوين الأجنة. ولاحظ (2003) Chen & Chang أن التركيز المنخفض من ACC في حدود 5 - 10 ميكرومول اعاق التكشف المباشر للأجنة الجسدية من أوراق نبات Oncidium لكن عند رفع التركيز إلى 20-50 ميكرومولر تكشفت الأجنة. وفي البرتقال الشموتي شجع الإيثيفون بتركيز 0.01 - 1.0 ملجم/لتر تكوين الأجنة لكن التركيز الأعلى والذي تولد من إحكام غلق الأوعية ثبط تكوينها. وفى تجارب أخرى وجد أن الإثيلين يثبط تكوين الأجنة الجسدية وأن إضافة 1-3 ملجم/لتر من نترات الفضة إلى مزارع المتوك لبعض أصناف Brassica يزيد عدد الأجنة المتكونة بل ويساعد على تكشف الأجنة في بعض الأصناف التي كان من الصعب إنتاج الأجنة الجسدية فيها. كذلك شجع اسيتيل حامض الخليك تكشف الأجنة لكن بدرجة أقل من نترات الفضة ووجد أيضاً أن الكالس غير المكون للأجنة الجسدية من Picea abies ينتح إثيلين 10 مرات قدر الكالس المكون للأجنة.

5. تكوين الأبصال

يلعب التخليق الحيوي للإثيلين دورا هاما في تكوين الأبصال على الأفرع المتكشفة عرضيا من زراعة الأوراق العصارية في الليليم ويتوقف ذلك على وقت التصنيع. وكان عدد الأشطاء التي كونت أبصال مرتفعاً عندما كان تركيز الإثيلين مرتفع خلال الأسبوعين الأولين من الزراعة. وإذا أقف التخليق الحيوي للإثيلين خلال هذه الفترة فإن تكوين الأبصال على النبيتات المتكشفة ينخفض، ويمكن بإضافة الإثيلين بتركيز 1 - 10 جزء / مليون جزء خلال 3-7 أيام الأولى من النمو تشجيع تكوين الأبصال.

6 . تكوين المركبات الثانوية

هناك بعض المواد الطيارة الأخرى مثل الميثان، والايثان، والاسيتالدهيد. والايثانول يتم إنتاجها في مزارع الأنسجة تحت ظروف التنفس الموجودة بالمزرعة وتؤثر بدرجات مختلفة على النمو والتكشف. كما ينتج الإيثان عن الخلايا التي تتعرض للتجريح أو الإصابة، ووجد أن تكوين الأجنة الجسدية يثبط في نخيل البلح والجزر بالمعاملة بالايثانول.