اکتشافات جدید در مورد کیتینازها، آنزیم هایی که به طور طبیعی در گیاهان وجود دارند، ممکن است به کشاورزان اجازه دهد زودتر و موثرتر با عفونت های قارچی مقابله کنند. محققان در آزمایشگاه ملی آمز در وزارت انرژی ایالات متحده، کیتینازهای ذرت و برنج را مورد مطالعه قرار دادند تا نقش آنها را در نشان دادن اینکه آیا گیاه تحت استرس است و در مبارزه با حملات قارچی بهتر درک کنند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که این آنزیم‌ها می‌توانند منبع ارزشمندی نه تنها برای نظارت بر سلامت محصول به طور کلی، بلکه برای بهینه‌سازی زیست توده برای استفاده در منابع انرژی جایگزین باشند.
دو مورد از مهمترین محصولات کشاورزی در جهان ذرت و برنج هستند. علاوه بر تامین غذا، هر دو کاربردهای انرژی مهمی دارند و همچنین از طریق استفاده از مواد زائد گیاهی یا زیست توده حاصل از برداشت، کاربردهای مهمی نیز دارند. ذرت محصول اصلی مورد استفاده برای تولید سوخت زیستی است، در حالی که پوسته برنج برای گرم کردن، برق و سوخت زیستی استفاده می شود. یک تهدید عمده برای محصول از عوامل بیماری زا مانند قارچ ها، باکتری ها و ویروس ها ناشی می شود. قارچ ها به تنهایی باعث کاهش عملکرد 35 تا 40 درصدی در محصولات ذرت و برنج در هر سال می شوند.
Marit Nielsen-Hamilton، دانشمند آزمایشگاه ایمز و رهبر تیم تحقیقاتی، توضیح داد: «علاقه زیادی به کیتینازها در دنیای گیاهان به دلیل توزیع عمومی آنها و نقش آنها در محافظت از گیاهان در برابر حملات قارچی وجود دارد. کیتینازها برای گیاهان برای دفاع از خود بسیار مهم هستند.
بسیاری از کارهای نیلسن-همیلتون عمدتاً بر روی ریزوسفر متمرکز شده است، منطقه باریکی از خاک در اطراف ریشه های گیاهان که در آن فعالیت میکروبی شدید انجام می شود. ریشه ها مواد زیادی از جمله قندها و کیتینازها و همچنین پلیمرهایی که همه چیز را در کنار هم نگه می دارند، در خاک ترشح می کنند. باکتری های موجود در خاک نیز به این فضولات کمک می کنند و پلیمرهایی که ترشح می کنند یک لایه بسیار نازک روی ریشه گیاه تشکیل می دهند.
نیلسن-همیلتون گفت: “در ریزوسفر، گیاهان برای جذب باکتری ها قند آزاد می کنند، زیرا می خواهند آن ریزوباکتری ها در اطراف باشند و به آنها کمک کنند. گیاهان به باکتری ها تغذیه می کنند و باکتری ها از گیاهان تغذیه کرده و از آنها محافظت می کنند.” با این حال، این عفونت‌های قارچی وجود دارد و زمانی که گیاهان تحت استرس قرار می‌گیرند، باعث آزاد شدن کیتینازها می‌شوند.»
تیم او کیتینازهای خاصی را انتخاب کرد که توسط بیوشیمیست گیاهی آنها، اولگا زابوتینا توصیه شده بود، که توسط گیاهان در پاسخ به حمله قارچی آزاد می شوند. اولین قدم آنها دستیابی به درک کاملی از ویژگی های عملکردی و مولکولی آنزیم ها بود. نیلسن-همیلتون توضیح داد: «در مورد کیتینازها به طور کلی از نظر خالص سازی و خصوصیات بسیار کمی انجام شده است. بنابراین شاگرد من ساموئل چاوباد وظیفه شخصیت پردازی آنها را بر عهده گرفت.
این تیم می خواستند دریابند که آیا این کیتینازها شاخص خوبی برای استرس گیاهی مرتبط با قارچ هستند و آیا می توانند قارچ را از بین ببرند. آنها دریافتند که یکی از کیتینازها در کشتن موثر است آسپرژیلوس نیجر قارچ هایی که می توانند باعث ایجاد کپک سیاه در محصولات کشاورزی مختلف شوند.
علاوه بر توصیف کیتینازها، تیم همچنین می خواست بداند آیا گیرنده های خوبی برای آپتامرها هستند یا خیر. نیلسن-همیلتون توضیح داد: “آپتامرها اسیدهای نوکلئیک هستند که مانند آنتی بادی ها عمل می کنند، اما برای ساختن آنها به حیوان نیاز ندارید. شما در واقع آنها را در یک لوله آزمایش می سازید.”
آپتامرها می توانند برای شناسایی کیتینازها استفاده شوند و به طور بالقوه می توانند برای فعال کردن کیتینازهای خاصی که در پاسخ به عفونت های قارچی ترشح می شوند، استفاده شوند. ثابت شد که کیتیناز برنج یک هدف ضعیف برای آپتامرها است زیرا هم آنزیم و هم پروتئین آپتامر دارای بار منفی هستند، بنابراین یکدیگر را دفع می کنند. با این حال، کیتیناز ذرت یک گیرنده آپتامر خوب است.
این تحقیق همچنین به کار نیلسن-همیلتون در استفاده از آپتامرهای اسید نوکلئیک برای تشخیص زودهنگام بیماری های قارچی، قبل از اینکه برای بقای گیاه دیر شود، کمک می کند.
“همکار مهندسی ما Pranav Shrotriya روشی را برای استفاده از آپتامرهای اسید نوکلئیک برای شناسایی مولکول ها با استفاده از آنچه دستگاه الکتروشیمیایی نامیده می شود ایجاد کرده است. و کاوشگر را می توان آنقدر کوچک ساخت که بتوان آن را در خاک قرار داد. بنابراین این به ما توانایی تشخیص کارهایی را در خاک می دهد که ریشه های گیاه انجام می دهند، باکتری ها انجام می دهند و غیره.” او گفت.
توصیف این کیتینازها سهم مهمی در کار تیم او برای کشف این پروتئین های آزاد شده توسط گیاهان است. توانایی تشخیص زودهنگام آنها می تواند به کشاورزان اجازه دهد تا زمانی که عفونت راحت تر برطرف شود، مداخله کنند. همچنین درک کیتینازها ممکن است به درمان های هدفمندتری نسبت به استفاده از یک قارچ کش عمومی یا مداخله در زمانی که گیاهان در نهایت استرس ظاهر می شوند منجر شود. این یافته ها می تواند نه تنها بر محصولات کشاورزی سنتی و زیست توده ضایعات آنها برای تولید انرژی، بلکه بر محصولات انرژی ویژه – محصولاتی که به طور خاص برای ایجاد زیست توده برای سوخت رشد می کنند، تأثیر اقتصادی داشته باشد.
این تحقیق بیشتر در کیتینازهای مرتبط با ریشه گیاه: ساختارها و عملکردها، نوشته شده توسط ساموئل O. Schobade، Olga A. Zabotina، و Marit Nielsen-Hamilton مورد بحث قرار گرفته و در نشریه منتشر شده است. مرزها در علوم گیاهی.
این کار توسط دفتر علوم، تحقیقات بیولوژیکی و محیطی DOE (BER) پشتیبانی شد.
آزمایشگاه ملی ایمز یکی از خدمات آزمایشگاه ملی علوم وزارت انرژی ایالات متحده است که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به https://energy.gov/science مراجعه کنید.
