جوانه‌زنی؛ رشد نخستین و رشد پسین؛ روش‌های جدید بهسازی گیاهان

رشد و نمو در گیاهان

رویان درون دانه قرار دارد. بعضى رویان‌ها تا هزاران سال توان رویش خود را حفظ مى‌کنند. برخی عوامل محیطى باعث رویش دانه مى‌شوند. افزایش دما و افزایش رطوبت محیط از این عوامل هستند.

بسیارى از دانه‌ها باید قبل از جوانه‌زنى در معرض سرما یا نور قرار گیرند. شکستن پوسته‌ی دانه‌ی بعضى گیاهان نیز براى جوانه زنى الزامى است. قرار گرفتن در معرض آتش، عبور از دستگاه گوارش جانوران، افتادن روى تخته سنگ‌ها و چندین راه طبیعى دیگر باعث آسیب دیدن پوسته‌ی دانه و کمک به رویش آن مى‌شوند.

نفوذ آب و اکسیژن به درون دانه براى جوانه زنى لازم است. با نفوذ آب به درون دانه، بافت‌هاى آن متورم مى‌شود، پوسته‌ی آن مى‌شکافد و رویش دانه آغاز مى‌شود.

 جوانه‌زنی

جوانه‌زنى، آغاز رشد دانه‌ی گیاه است: اولین علامت جوانه‌زنى، ظهور ریشه‌ی رویان (ریشه‌چه) است. وقایع بعدى این فرآیند در گیاهان مختلف، متفاوت است (شکل ۱). ساقه‌ی جوان بعضى از گیاهان، مانند لوبیا بعد از جوانه‌زنى، قلاب، تشکیل می‌دهند. قلاب از رأس ساقه محافظت می‌کند و از صدمه دیدن آن هنگام رشد در میان خاک، جلوگیرى مى‌کند. در اطراف ساقه‌هاى جوان بعضى گیاهان، مانند ذرت، یک غلاف محافظت کننده به وجود مى آید. در برخى از گیاهان، مانند لوبیا، لپه ها پس از خروج از خاک باز مى‌شوند. لپه‌هاى بعضى دیگر از گیاهان، مانند ذرت و نخود در زیر خاک باقى مى‌مانند و هنگام جوانه‌زنى از خاک خارج نمى‌شوند.

 دانه‌ها تا چه مدتى زنده باقى مى‌مانند؟ دانه‌هاى برخى گیاهان عمر محدود دارند و با گذشت چند روز تا چند ماه توانایى جوانه‌زنى خود را از دست مى‌دهند. بعضى از دانه‌ها پس از گذشت هزاران سال هنوز قادر به جوانه‌زنى هستند. مثلاً دانه‌ی نوعى گندم پس از گذشت چند هزار سال مى‌تواند جوانه بزند.

شکل ۱- جوانه‌زنى دانه

دانه‌هاى لوبیا و ذرت دو روش مختلف جوانه‌زنى را نشان مى‌دهند.

 الف ــ ساقه‌ی جوان حاصل از جوانه‌زنى دانه‌هاى بسیارى از گیاهان دو لپه‌اى قالب تشکیل مى‌دهد. ساقه‌ی جوان پس از خروج لپه‌ها از خاک، قامت راست پیدا مى‌کند.

 ب ــ ساقه‌ی جوان حاصل از جوانه‌زنى دانه‌ی بسیارى از گیاهان تک لپه‌اى را یک غلاف مى‌پوشاند. ساقه‌ی جوان این گیاهان به صورت مستقیم رشد مى‌کند، با این حال لپه زیر زمین باقى مى‌ماند.

طول عمر گیاهان: مسن‌ترین درخت شناخته شده، نوعى کاج است که سن آن به حدود ۵ هزار سال مى‌رسد. برعکس، برخى از گىاهان فقط چند هفته زنده‌اند. گیاهان از نظر طول عمر به سه گروه تقسیم مى‌شوند: گیاهان یک ساله، گیاهان دوساله و گیاهان چند ساله.

 گیاهان یکساله: گیاهان آفتابگردان، لوبیا و بسیارى از گیاهان خودرو یک ساله هستند.گیاه یک ساله، گیاهى است که در یک فصل رشد، چرخه‌ی زندگى خود (مراحل رشد رویشى، تشکیل گل تولید میوه و دانه) را تکمیل مى‌کند و سپس از بین مى‌رود. در واقع همه‌ی گیاهان یکساله، علفى هستند. این گیاهان درصورتى که شرایط محیطى مناسب باشد، با سرعت رشدمى کنندو در صورت کافى بودن آب و موادغذایى رشد خود را کامل مى‌کنند.

 گیاهان دوساله: هویج، جعفرى و پیاز دوساله هستند. گیاه دوساله گیاهى است که براى تکمیل چرخه‌ی زندگی خود، دو دوره‌ی رویشى را پشت سر مى‌گذارد. این گیاهان در اولین دوره‌ی رویشى، ریشه و ساقه ایجاد مى‌کنند. گیاه در پایان این دوره داراى یک ساقه‌ی کوتاه و یک طوقه کوتاه و یک طوقه از برگ‌هاست. ریشه‌ها عمل ذخیره‌ی مواد غذایى را بر عهده دارند. گیاه در دومین دوره‌ی رویشی از مواد غذایى ذخیره براى تولید محور گل استفاده مى‌کند. گیاه دوساله پس از گلدهى و تولید میوه و دانه از بین مى‌رود.

گیاهان چندساله: بسیارى از گیاهان علفى و همه‌ی گیاهان چوبى چندساله هستند. گیاه چند ساله گیاهى است که چند سال به زندگى خود ادامه مى‌دهد. اغلب گیاهان چند ساله در طول عمر خود چندسن مرتبه به بار مى‌نشینند. برخى از گیاهان چند ساله‌ی علفی (شکل ۲) قبل از مرگ تنها یک بار گل تولید مى‌کنند.

داودى، نرگس زرد و زنبق از گیاهان چند ساله‌ی علفى هستند. این گیاهان مواد غذایى مورد نیاز برای دوره‌ی بعدى رشد خود را در ریشه‌هاى گوشتى و ساقه‌هاى زیرزمینى ذخیره مى‌کنند. ساقه‌هاى هوایى گیاهان علفى اغلب پس از هر دوره‌ی رشد، از بین مى‌روند. درختان، درختچه‌ها و بسیارى از موها جزء گیاهان چند ساله‌ی چوبی هستند. بعضی از گیاهان چند ساله‌ی چوبی چوبى هر سال برگ‌هاى خود را مى‌ریزانند. گیاهانى که هر ساله همه‌ی برگ‌هاى خود را از دست مى‌دهند، مانند نارون، افرا و مو به گیاهان برگریز معروف هستند. گیاهانى مانند کاج، سرو و مرکبات که در طول سال تنها تعدادى از برگ‌هاى خود را از دست مى‌دهند، به گیاهان همیشه سبز معروف هستند.

شکل ۲ـ گیاهان علفى چندساله: گساه آگاو (خنجرى) چند سال زندگى مى‌کند و در این مدت فقط یک بار گل تولید مى‌کند. زندگى این گیاه گلدار با رسیدن دانه‌ها به پایان مى‌رسد (به گیاه خشک شده در سمت چپ تصویر توجه کنید.)

رشد و نمو

رشد و نمو دو اصطلاح آشنا هستند و ما در زندگى روزمره به فراوانى از آن‌ها استفاده مى‌کنیم. این دو اصطلاح در زیست شناسى مفاهیم ویژه و مشخصى را در بر دارند:

رشد یعنى بزرگ شدن بخش‌هاى تشکیل دهنده‌ی یک جاندار، یا تشکیل بخش‌هایى در بدن یک جاندار که مشابه بخش‌هاى قبلى باشد. مثلاً پیدایش انشعابات ریشه، ساقه و برگ‌هاى جدید، نوعى رشد محسوب می‌شود.

پدیده‌ی تمایز اغلب همراه با رشد صورت مى‌گیرد. تمایز به معنى کسب یک ویژگى جدید در یک، یا تعدادى سلول است. کسب ویژگى‌هاى جدید توسط یک سلول با تغییرات ساختارى و بیوشیمیایى همراه است. رشد و تمایز در طول زمان منجر به تشکیل موجود زنده‌اى مى‌شوند که پیچیدگى‌هاى ساختارى و متابولیسمى دارد.

نمو یعنى عبور از یک مرحله‌ی زندگى به مرحله‌اى دیگر که همراه با تشکیل بخش‌هاى جدید است. مثلاً تشکیل گل روى گیاهى که فاقد گل بوده است، نوعى نمو است. باید توجه داشت که رشد و نمو اغلب همراه با یکدیگر و هماهنگ با یکدیگر انجام مى شود.

به طور کلى رشد در جانداران به دو روش انجام مى‌شود: افزایش تعداد سلول‌ها از طریق تقسیم و نیز افزایش غیرقابل بازگشت ابعاد سلول‌ها. مثلاً آماس سلول‌ها پس از جذب آب، رشد به شمار نمى‌رود، چون این افزایش حجم با دفع آب، بازگشت‌پذیر است.

 رشد نخستین و رشد پسین: بخش‌هایى ازگیاه که در اثر تقسیم و رشد مریستم‌هاى نخستین به وجود مى‌آیند، ساختار نخستین گیاه را تشکیل مى‌دهند. مریستم‌هاى نخستین در همه‌ی گیاهان وجود دارند.

 بخش‌هایى از گیاه که در پى تقسیم مریستم‌هاى پسین به وجود مى‌آیند، ساختار پسین گیاه را به وجود مى‌آورند. مریستم‌هاى پسین به صورت استوانه‌هایى در ریشه ساقه‌ی بعضى گیاهان که عمدتاً گیاهان چوبى چند ساله هستند، به وجود مى‌آیند و به رشد قطرى گیاه و نیز استحکام و ضخامت ساقه کمک مى‌کنند.

تقسیم سلولى در مریستم‌ها باعث رشد گیاه مى‌شود

رشد نخستین: مریستم‌هاى رأسى که در نوک ساقه‌ها و نزدیک به نوک ریشه‌ها قرار دارند، با تقسیم سلولى خود باعث رشد نخستین مى‌شوند. همان طورى که در شکل ۳ دیده مى‌شود، مریستم‌هاى رأسى مناطقى هستند که سلول‌هاى کوچک و تمایز نیافته دارند. براى درک بهتر رشد نخستین در اغلب گیاهان، یک ستون از بشقاب‌هایى را که روى هم چیده شده‌اند، در نظر بگیرید.

 با اضافه کردن بشقاب‌هاى بیشتر به قسمت فوقانى، ستون بشقاب بلندتر مى‌شود اما بر پهناى آن افزوده نمى‌شود. سلول‌هاى مریستم‌هاى رأسى اغلب گیاهان نیز به همین شیوه سلول‌هاى جدیدى را به نوک گیاه اضافه مى‌کنند. سلول‌هاى جدید که از راه تقسیم سلولى تولید شده‌اند، طویل‌تر مى‌شوند. بنابراین رشد نخستین، ساقه‌ها و ریشه‌هاى یک گیاه را طویل‌تر مى‌کند. رشد قطرى ساقه‌ها و ریشه‌هاى جوانى که فقط مریستم نخستین دارند، در پى افزایش حجم سلول‌هاى حاصل از مریستم نخستین به وجود مى‌آید.

 بافت‌هاى حاصل از رشد نخستین، بافت‌هاى نخستین نامیده مى‌شوند. سلول‌هاى جدید حاصل از مریستم‌هاى رأسى در ریشه‌ها، ساقه‌ها و برگ‌ها به بافت‌هاى نخستین روپوستى، زمینه‌اى و آوندى تمایز پیدا مى‌کنند. برخى از سلول‌هاى حاصل از مریستم‌هاى نزدیک به نوک ریشه، کلاهک را نیز تشکیل مى‌دهند. کلاهک از مریستم‌هاى نوک ریشه محافظت مى‌کند.

شکل ۳ـ مریستم‌هاى نوک ساقه و نزدیک به نوک ریشه

رشد پسین: رشدپسین از ویژگى‌هاى بارز گیاهان چوبى دولپه است. با این حال این نوع رشد در بعضى از بخش‌هاى گیاهان علفى، مانند ریشه‌ی هویج نیز دیده مى‌شود. رشد پسین در اثر فعالیت و تقسیم سلولى دو نوع مریستم انجام مى‌شود. این مریستم‌ها در ساقه‌ها و ریشه‌هاى چوبى به صورت استوان‌هاى باریک قرار دارند. نوعى از این مریستم‌ها کامبیوم چوب‌پنبه‌ساز نامیده مى‌شود که در پوست قرار دارد و سلول‌هاى چوب پنبه‌اى ایجاد مى‌کند. مریستم دیگر کامبیوم آوندساز نامیده مى‌شود که بین دسته‌های چوب و آبکش تشکیل می‌‌‌شود و بافت‌هاى آوندى جدیدی را ایجاد مى‌کند.

بافت‌هاى حاصل از رشد پسین، بافت‌هاى پسین نامیده مى‌شوند. شکل ۴ چگونگى نمو ساقه‌هاى چوبى را نشان مى‌دهد.

شکل ۴ـ نمو یک ساقه‌ی چوبى. چوب ساقه‌هاى چوبى حاصل رشد پسین است.

مرحله‌ی ۱: یک ساق‌ی چوبى جوان داراى یک حلقه از دسته‌هاى آوندى بین پوست و مغز است. هر دسته آوندى متشکل از آوند چوبى و آوند آبکشى نخستین است.

 مرحله‌ی ۲: کامبیوم آوندى بین آوند چوبى نخستین و آوند آبکشى نخستین تشکیل مى‌شود. آوند آبکشى پسین به سمت بیرون ساقه و آوند چوبى پسین به سمت داخل ساقه تشکیل مى‌شود. وقتى کامبیوم چوب‌پنبه‌ساز تشکیل مى‌شود، درنتیجه‌ی رشد قطرى ساقه، روپوست از بین مى‌رود.

 مرحله‌ی ۳: کامبیوم آوندى بین دسته‌هاى آوندى نیز تشکیل مى‌شود و استوانه‌ی کاملى ایجاد مى‌کند. در نتیجه‌ی فعالیت این کامبیوم استوانه‌ی چوبى به سمت داخل و استوانه‌ی آبکشى به سمت بیرون تشکیل مى‌شود. چوب‌پنبه، کامبیوم چوب‌پنبه‌ساز و آبکش پسین مجموعاً پوست درخت را تشکیل مى‌دهند. کامبیوم آوندساز و چوب پسین در زیر پوست قرار مى‌گیرند. لایه‌هاى ضخیم چوب پسین یا چوب اغلب حلقه‌اى شکل هستند. از آنجایى که در هر سال معمولاً یک حلقه‌ی جدید تشکیل مى‌شود، این حلقه‌ها، حلقه‌هاى سالیانه نامیده مى‌شوند.

نمو گیاهان پیوسته اما برگشت‌پذیر است.

ژن‌های نمو گیاهان و جانوران را هدایت می‌کنند. با این حال الگوهای نمو در آن‌ها متفاوت است. در جانوران همگام با نمو، دسته‌ای از ژن‌ها که کنترل کننده‌ی تمایز هستند، غیرفعال می‌شوند. بیشتر تمایل جانوران پس از بلوغ متوقف می‌شود. برعکس، گیاهان به طور مداوم با مریستم‌های خود سلول‌های جدید به وجود می‌آورند. این سلول‌ها تمایز پیدا می‌کند و جانشین بافت‌های موجود می‌شوند یا به این بافت‌ها اضافه می‌گردند.

بسیاری از سلول‌های گیاه بالغ می‌توانند همه‌ی ژن‌های خود را فعال کنند. چنین سلول‌هایی می‌توانند تقسیم شوند و توده‌هایی از سلول‌های تمایز نیافته به نام کالوس را تولید کنند. به عبارت دیگر تمایززدایی انجام می‌دهند. این سلول‌ها بار دیگر تمایز و به صورت یک گیاه بالغ نمو می‌کنند.

روش‌های جدید بهسازی گیاهان

کشت بافت، سلول، اندا‌م‌های گیاهی: از کشت بافت برای تکثیر گیاهان از جمله گیاهان زینتی ارزشمند (مانند ارکیده‌ها)، گیاهان گلدانی و درختان میوه استفاده می‌شود (شکل ۵). پایه و اساس کشت بافت، قرار دادن به یک قطعه از بافت گیاهی روی یک محیط کشت سترون (استریل) است. در این روش با کمک هورمون‌های گیاهی، توده سلول‌های تمایز نیافته پس از رشد و تمایز، سرانجام به گیاهانی تبدیل می‌شوند که از نظر ژنتیکی هم‌ارز گیاه مادر هستند.

شکل ۵ـ تکثیر گیاه با استفاده از کشت بافت

هم‌جوشی (الحاق) پروتوپلاست‌ها: از همجوشی پروتوپلاست‌ها برای ایجاد گیاهان دورگه (هیبرید) اطلسی، سیب زمینی و هویج استفاده شده است. پروتوپلاست، سلولی گیاهی است که دیواره‌ی سلولی آن را با کمک آنزیم‌ها یا روش‌های مکانیکی از آن جدا کرده‌اند. برخی از مواد شیمیایی، یا شوک الکتریکی باعث چوشی دو پروتوپلاست با یکدیگر می‌شوند (شکل ۶). اگر پروتوپلاست‌ها متعلق به گیاهان گونه‌های مختلف باشند، حاصل همجوشی یک سلول دورگه خواهد بود. اگر این سلول دورگه در محیط مناسب کشت بافت قرار گیرد، به یک گیاه بالغ دورگه تبدیل می‌شود.

شکل ۶ـ هـمجـوشى پروتوپلاست (۸۱۰×)

مهندسی ژنتیک: در این روش ابتدا ژن‌های دلخواه را وارد سلول‌های یک گیاه می‌کنند، سپس سلول‌هایی را که از نظر ژنتیکی تغییر یافته‌اند، با کمک فنّ کشت بافت به گیاهان بالغ جدید تبدیل می‌کنند.

خودآزمایی

۱- جوانه‌زنی لوبیا و ذرت را با یکدیگر مقایسه کنید.

۲- تفاوت‌های اصلی بین گیاهان یک‌ساله، دوساله و چند ساله را خلاصه کنید.

۳- توضیح دهید که چگونه رشد نخستین و پسین باعث ایجاد یک ساقه چوبی می‌شود؟

۴- حذف پوست درخت چه تأثیری بر بقایای آن دارد؟ توضیح دهید.

۵- تفاوت نمو گیاهان با نمو جانوران را توضیح دهید.