چگونه "الماس دنیای گیاهی" به رشد گیاهان زمینی کمک کرد؟

چه زمانی فو شوانگ لیبیوشیمیدان و دانشمند محقق در موسسه Whitehead در کمبریج، ماساچوست، برای تحقیقات خود به مقداری گرده نیاز داشت، او دقیقاً می دانست کجا باید برود. هر بهار، درختان کاج زمختی که در برکه والدن در کنکورد به صدا در می‌آیند، ابرهایی از گرده‌های طلایی را آزاد می‌کنند که آب را می‌پوشانند و در چرخش‌های کهکشانی روی ساحل جمع می‌شوند. هنری دیوید ثورو، که در دهه 1840 دو سال را در کنار حوض گذراند، روایت معروف خود از این تجربه را با توصیف گرده‌های زیادی می‌نویسد: «می‌توانستید یک بشکه جمع‌آوری کنید».

لی که در لبه حوضچه با یک هودی مشکی و شلوار ورزشی خمیده بود، در یک لوله آزمایش غوطه ور شد و چند صد میلی لیتر آب پر از گرده و هر چیز دیگری که در آن رشد می کرد بیرون آورد. این به دور از یک بشکه از مواد بود، اما برای تلاش های لی برای مطالعه ساختار مولکولی پوسته بیرونی گرده بیش از اندازه کافی بود. ماده ای که این پوسته را اسپوروپولنین می نامند، آنقدر سخت است که گاهی اوقات الماس دنیای گیاهی نامیده می شود.

برای بیش از یک قرن، دانشمندان تلاش کرده‌اند که اساس شیمیایی قدرت بی‌نظیر اسپوروپولنین را درک کنند. اسپوروپولنین از DNA موجود در گرده و هاگ در برابر نور، گرما، سرما و خشک شدن محافظت می کند. بدون آن، گیاهان نمی توانند در خشکی زندگی کنند. اما چقرمگی اسپوروپولنین حتی چندین دهه پس از اینکه ساختارهای مولکولی سلولز، لیگنین و دیگر پلیمرهای اساسی گیاهی گیج شده بودند، مطالعه را سخت کرد. لی گفت: «طبیعت اسپوروپولنین را برای مقاومت در برابر هرگونه حمله تکامل داد. "از جمله توسط دانشمندان."

با این حال، اخیراً ممکن است بر دفاع اسپوروپولنین غلبه شده باشد. در سال 2018، لی و سایر محققان در Whitehead به رهبری این زیست شناس گیاهی جینگ که ونگ، اولین ساختار کامل اسپوروپولنین را منتشر کرد. کار بعدی این تیم، که برخی از آن‌ها هنوز منتشر نشده است، جزئیات بیشتری را در مورد نحوه تنظیم دقیق این ساختار توسط گروه‌های مختلف گیاهان برای برآورده کردن بهتر نیازهایشان پر کرده است. ساختار پیشنهادی آنها و دیدگاه بهبود یافته اسپوروپولنین که ارائه می دهد بدون بحث نیست، اما نقش اساسی این مولکول را در کمک به گیاهان برای تسخیر زمین روشن کرده است.

معمای بی اثر

همه گیاهان بذر گرده می سازند. سایر گیاهان زمینی، مانند خزه، هاگ تولید می کنند. با حمل نیمی از اطلاعات ژنتیکی که گیاهان برای تولید مثل به آن نیاز دارند، گرده ها و هاگ ها از طریق باد یا روی یک حیوان مفید در محیط حرکت می کنند تا به گیاه دیگری از گونه خود برسند و سلول تخم آن را بارور کنند. اما در طول مسیر، گرده ها و هاگ ها باید با خطراتی از کم آبی گرفته تا اشعه ماوراء بنفش خورشید و حشرات گرسنه مقابله کنند. از زمانی که گیاهان برای اولین بار در حدود 470 میلیون سال پیش روی زمین خرید کردند، حفظ اطلاعات ژنتیکی موجود در گرده ها و هاگ ها در طول سفر آنها به لقاح بسیار مهم بوده است.

استراتژی اصلی که گیاهان برای محافظت از DNA به کار می گیرند، قرار دادن آن در یک پوسته تخصصی اسپوروپولنین است که در برابر عناصر نفوذ ناپذیر است و در میان سخت ترین مواد تولید شده توسط هر موجود زنده ای است. دست نخورده در سنگ های نیم میلیارد ساله پیدا شده است. آ مقاله 2016 دریافتند که به دلیل استحکام اسپوروپولنین، هاگ ها در سندان های الماسی با فشار 10 گیگا پاسکال یا 725 تن بر اینچ مربع ثبات خود را حفظ می کنند.

محققان حداقل از سال 1814 در مورد اسپوروپولنین می‌شناختند و در مورد آن متعجب بودند. آنها مشاهده کردند که حتی پس از اینکه بقیه دانه گرده یا هاگ از نظر شیمیایی حل شد، یک ماده عجیب همیشه باقی می‌ماند. در بیشتر قرن بعد، کسانی که آن را در هاگ ها و گرده ها مطالعه می کردند به طور جداگانه کار می کردند و منحصراً به آن اسپورونین یا گرده می گفتند. در سال 1931 برای دلجویی از هر دو جامعه به آن sporopollenin لقب گرفت.

برای چندین دهه پس از آن، دانش در مورد این مولکول تا حد زیادی با این نام پایان یافت. محققان دریافتند که اسپوروپولنین می‌تواند کلیدی برای درک چگونگی تسخیر گیاهان تقریباً همه زیستگاه‌های روی زمین باشد و رویای استفاده از این ماده را برای همه چیز از پوشش بدنه کشتی‌ها تا محافظت از پروتئین‌های شکننده در واکسن‌های خوراکی داشتند. اما دریافت ساختار و ترکیب شیمیایی اسپوروپولنین یک پیش نیاز برای هر کار بیشتر بود و اسپوروپولنین هر تلاشی را ناکام گذاشت.

شیمیدان‌ها معمولاً ساختار یک مولکول پیچیده را با شکستن آن به اجزای تشکیل‌دهنده‌اش، یافتن ساختار آن‌ها و سپس چیدن دوباره آن‌ها به یکدیگر تعیین می‌کنند. اما اسپوروپولنین برای هضم آن توسط عوامل شیمیایی معمول بسیار بی اثر بود. با شروع در دهه 1960، روش‌های جدید بیوشیمیایی و طیف‌سنجی جرمی پیشرفت‌هایی در ساختار و ترکیب شیمیایی ایجاد کردند و زیست‌شناسان بعداً حتی جزئیاتی را از دانش ژن‌ها و فرآیندهای آنزیمی که اسپوروپولنین را سنتز می‌کنند، استنباط کردند.

با این حال، هیچ یک از این روش ها نمی تواند تصویر کاملی از مولکول ارائه دهد. به نظر می‌رسد که اسپوروپولنین دارای دو ستون فقرات موازی است که از مولکول‌هایی به نام پلی‌کتیدها ساخته شده‌اند که بی شباهت به ستون فقرات قند در مارپیچ دوگانه DNA نیست. به نظر می رسید که این ستون فقرات توسط بافتی از پیوندها از انواع مختلف به هم متصل شده اند. اما این طرح ناقص بود و برخی از یافته های روش های بیوشیمیایی و ژنتیکی با یکدیگر در تضاد بودند.

تنها چیزی که همه روی آن توافق داشتند فرمول تجربی ترکیب کربن، هیدروژن، اکسیژن بود. جوزف بنوب، استاد شیمی و بیوشیمی در دانشگاه مموریال نیوفاندلند در کانادا.

Pitch Pine Perfect

لی بلافاصله پس از پیوستن به آزمایشگاه Weng در موسسه Whitehead در سال 2014، کار روی اسپوروپولنین را آغاز کرد. با تمرکز تحقیقاتی بر روی کهکشان مولکول های گیاه شناسی که مشخص نشده باقی می مانند.

Sporopollenin یک چالش مقاومت ناپذیر برای لی بود. عملکرد آن به خوبی شناخته شده بود و ژن های سازنده آن در هر گیاه مولد دانه و هاگ وجود داشت، که به این معنی است که اسپوروپولنین یک سازگاری اساسی است که گیاهان را قادر می سازد در همان ابتدای فرار خود از اقیانوس ها در خشکی زندگی کنند. (برخی از گونه‌های جلبک‌ها نیز ماده‌ای شبیه به اسپورپولنین می‌سازند، که نشان می‌دهد گیاهان خشکی با بیوسنتز آن مولکول در طول تکامل خود سازگار شدند).

اگر کار اولیه لی در مورد اسپورپولنین از گرده های جمع آوری شده از آب های والدن پاند استفاده می کرد، شاعرانه بود. اما آسودگی خاطر بر روابط عاشقانه غلبه کرد: گرده‌ای که تیم او در ابتدا مطالعه کرد از آمازون سفارش داده شد. (گرده درخت کاج، که به وفور این مواد را تولید می کند، به طور گسترده به عنوان مکمل بهداشتی فروخته می شود.) بقیه از کیپ کاد به دست آمد.

برای ماه‌ها، لی و همکارانش آزمایش‌های آزمایشی و خطای روی ترکیباتی انجام دادند که می‌توانند دیگر پلیمرهای زیستی سخت را تجزیه کنند. در نهایت، آنها یک فرآیند چند مرحله‌ای جدید را توسعه دادند که می‌توانست نمونه‌هایی از گرده گرفته، آن‌ها را در دستگاه آسیاب گلوله‌ای بکوبد و مولکول‌های اسپوروپولنین موجود را از نظر شیمیایی بشکند. نیمی از هر مولکول به شش قطعه مجزا تقسیم شد که سپس می توان آنها را با طیف سنجی جرمی مشخص کرد.

نیمه دیگر مولکول، که آنها آن را گروه R (به معنای "سرسخت کننده") نامیدند، تنها زمانی شکسته شد که با یک عامل حل کننده دیگر مخلوط شود. آن‌ها می‌توانستند از این طریق نمایی جزئی از R داشته باشند، اما این فرآیند سایر ویژگی‌های مولکول را تخریب کرد، بنابراین گروه لی برای مشخص کردن آن به یک فناوری عجیب‌تر، یعنی طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای حالت جامد متوسل شدند.

گلها تفاوت ایجاد کردند

ثمره آن کار، یک کاغذ منتشر شده در گیاهان طبیعت در دسامبر 2018، کامل ترین ساختار مولکولی اسپوروپولنین را تا به امروز ارائه کرد.

در گفتگو، لی از دستان خود برای توصیف شکل پیچیده ساختار استفاده کرد. او با انگشت شست و اشاره خود نشان داد که چگونه مولکول های معطر به شکل متناوب L از ستون فقرات آویزان می شوند. او نشان داد که چگونه ستون فقرات با اتصالات متقاطع بسته می شود، با نشان دادن یک دست صاف به سمت دیگر در زاویه، گویی درگیر نوعی دعای عجیب است. این واحدهای اساسی به یکدیگر متصل می شوند تا پوسته کامل اگزین را تشکیل دهند که در گیاهان مختلف شکل های کاملاً متفاوتی به خود می گیرد، اگرچه زیر واحدهای مولکولی اساسی اساساً مشابه هستند.

این ساختار به این ایده اعتبار بخشید که سختی اسپوروپولنین از پیوندهای متنوع و بافته شده بین ستون فقرات ناشی می شود. این پیوندهای استر و اتر به ترتیب در برابر شرایط بازی و اسیدی مقاوم هستند. آنها با هم در مقابل هر دو مقاومت می کنند. ساختاری که گروه لی پیشنهاد کرد همچنین شامل چندین مولکول معطر بود که در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم هستند که توانایی اسپوروپولنین در محافظت از DNA را در برابر عناصر به حساب می آورد.

ونگ در ایمیلی نوشت: «بدون این نوآوری‌های متابولیک، گیاهان در وهله اول نمی‌توانستند از آب به خشکی مهاجرت کنند. کوانتا.

اخیراً، لی و همکارانش از روش خود برای مشخص کردن اسپوروپولنین از بیش از 100 گونه گیاهی متنوع زمینی که از باغ‌های گیاه‌شناسی در اطراف شمال شرقی ایالات متحده جمع‌آوری شده‌اند، استفاده کردند. به گفته لی، که در حال آماده شدن برای ارائه نتایج این مطالعه برای انتشار است، ساختار اسپوروپولنین در انواع گیاهان در یک الگوی عجیب متفاوت است.

آنها دریافتند که ژیمنوسپرم ها، گروه گیاهان زمینی که شامل سیکادها و مخروطیان مانند کاج تنبل است، و گیاهان به اصطلاح پایین زمین مانند خزه ها و سرخس ها تمایل دارند اسپورپولنین های طولانی و مشابهی داشته باشند. این منطقی است زیرا این گیاهان خواه ناخواه گرده خود را روی باد پخش می کنند. آنها برای محافظت از آن به اسپوروپولنین با زنجیره بلند نیاز دارند.

اما در میان آنژیوسپرم ها یا گیاهان گلدار، وضعیت پیچیده تر است. گل‌های آن‌ها گرده‌هایشان را از آفتاب و خشک شدن سایه می‌اندازند و حشرات به طور موثر گرده‌ها را از گلی به گل دیگر منتقل می‌کنند و قرار گرفتن در معرض خطرات دیگر را به حداقل می‌رسانند. در نتیجه، آنژیوسپرم ها به اسپوروپولنین خود نیازی ندارند تا به طور یکنواخت قوی باشند.

لی گفت و ساخت اسپوروپولنین با زنجیره بلند یک فرآیند انرژی بر است، بنابراین "زمانی که گل ها تکامل یافتند، دیگر نمی خواستند اسپوروپولنین کاج مانند تولید کنند." به گفته لی و ونگ، به نظر می‌رسد تفاوت‌های قابل توجهی بین اسپورپولنین‌های تولید شده توسط دو دسته اصلی آنژیوسپرم‌ها، تک لپه‌ای و دو لپه‌ای، که در ساختار جنین، عروق، ساقه، ریشه و گل‌هایشان از هم جدا می‌شوند، ایجاد شده است.

البته، تمایزات مطلق نیستند. لی گفت: برخی از گیاهان گلدار اسپوروپولنین با ساختاری شبیه کاج تولید می کنند. «شاید اگر 6 میلیون سال دیگر وقت داشتیم، ممکن است عملکرد آن‌ها را از دست بدهند،» یا شاید کنترل‌ها و تعادل‌های اکولوژیکی دیگری در حفظ ساختار اسپورپولنین برای گروه‌های خاصی از گیاهان وجود داشته باشد.

لی گفت: تکامل یک خط نیست. "مثل نهنگ ها. در یک نقطه آنها در خشکی زندگی می کردند. اکنون آنها در اقیانوس زندگی می کنند." با این حال نهنگ ها هنوز برخی از ویژگی های حیوانات خشکی را دارند. شاید برخی از گرده های گل آثار منسوخ شده ای از تاریخ خود را حفظ کنند.

پلیمر مرموز

سایر محققان گیاهی موافقند که کار ساختاری لی و ونگ روی اسپوروپولنین دانش ما را از این مولکول بهبود بخشیده است. اما همه آنها متقاعد نشده اند که پیشنهاد آنها درست است یا این که جستجوی یک قرنی برای ساختار اسپوروپولنین را به پایان می رساند.

گفت: "خیلی واضح تر از قبل بود." ژونگ نان یانگ، یک زیست شناس که در دانشگاه عادی شانگهای به مطالعه اسپوروپولنین می پردازد. اما باید تأیید شود.» او گفت که لی و همکارانش هنوز باید ژن‌های مسئول آنزیم‌های مورد نیاز برای ساخت برخی از ویژگی‌های اسپوروپولنین کاج را شناسایی کنند.

A مطالعه 2020 با هدف "ابهام زدایی و بازگشایی" ساختار مولکولی اسپوروپولنین چالش مستقیم تری را ایجاد کرد. گروه بانوب در دانشگاه مموریال با استفاده از مجموعه‌ای از روش‌ها و کار بر روی اسپوروپولنین از خزه‌های کلابی به جای کاج، به ساختاری رسیدند که از چندین جهت با ساختار پیشنهادی لی و ونگ تفاوت داشت. مهمتر از همه، بانوب گفت: "ما ثابت کرده ایم که هیچ ترکیب معطری در اسپورپولنین وجود ندارد." او فکر می کند که این اختلاف ممکن است با تفاوت بین اسپوروپولنین موجود در خزه کاج و کلوپ توضیح داده شود.

لی گفت: «نظر شخصی من این است که آنها صحیح نیستند، اما او ترجیح می دهد تا زمانی که برخی از نتایج مربوطه از آزمایشگاه او برای انتشار آماده نشده باشد، اظهار نظر بیشتری نکند.

Teagen Quilichini، زیست شناس گیاهی در شورای ملی تحقیقات کانادا، اظهار داشت: "این هنوز یک پلیمر کاملا مرموز است." اسپورپولنین را مورد مطالعه قرار داد، در یک ایمیلاست. 'علیرغم آنچه برخی گزارش ها نشان می دهد.»

سخت اما هنوز خوراکی؟

علی‌رغم بحث‌هایی که در مورد ساختار آن‌ها برای اسپورپولنین وجود دارد، لی و دیگران در آزمایشگاه Weng به پرسش تکاملی دیگری رفته‌اند: آیا طبیعت کشف کرده است که چگونه این ماده تقریباً نابود نشدنی را که کنار هم قرار داده است جدا کند؟

هنگامی که او در اطراف حوض والدن در جستجوی دیگر ورودی‌های پوشیده از گرده قدم زد، اسپورپولنین را با لیگنین مقایسه کرد، پلیمر گیاهی که چوب و پوست را تقویت می‌کند. پس از اینکه گیاهان چوبی برای اولین بار حدود 360 میلیون سال پیش تکامل یافتند، سوابق زمین شناسی فراوانی لیگنین فسیل شده را در طبقات برای ده ها میلیون سال نشان می دهد. سپس به طور ناگهانی در حدود 300 میلیون سال پیش، لیگنین ناپدید می شود. ناپدید شدن آن نشان دهنده لحظه ای است که قارچی به نام پوسیدگی سفید آنزیم هایی را ایجاد کرد که قادر به تجزیه لیگنین بودند و قبل از اینکه بتواند فسیل شود، مقدار زیادی از آن را خورد.

به گفته لی، اسپوروپولنین باید دارای قارچ یا میکروب دیگری باشد که قادر به تجزیه آن باشد. در غیر این صورت غرق می شدیم. محاسبات اولیه لی این است که سالانه 100 میلیون تن اسپوروپولنین در جنگل ها تولید می شود. این حتی اسپورپولنین تولید شده توسط علف ها را نیز به حساب نمی آورد. اگر چیزی آن را نمی خورد، کجا می رود؟

به همین دلیل است که لی به عنوان منبعی برای آخرین نمونه گرده خود، از آمازون پرایم صرف نظر کرد و به نفع یک روز در والدن پاند بود. مشاهدات تیم او نشان می دهد که برخی از میکروارگانیسم های رشد یافته در ظروف پتری زمانی می توانند زنده بمانند که چیزی جز اسپوروپولنین و نیتروژن تغذیه شوند. نمونه‌های والدن، که به طور طبیعی مملو از جوامع میکروبی دریاچه هستند، باید به لی کمک کنند تا مشخص کند که آیا جمعیت قارچ‌ها و سایر میکروب‌ها در طبیعت می‌توانند مواد مغذی موجود در مولکول‌های به ظاهر نشکن اسپوروپولنین را باز کنند.

همانطور که در لبه حوضچه جلبک دریایی و گرانولا می خوردیم، دیدن کل وضعیت از منظر قارچ آسان بود. طبیعت از هدر دادن یک وعده غذایی متنفر است - حتی یک وعده غذایی که جویدن آن سخت است.