آیا گیاهان هم مغز دارند؟

گرچه گیاهان سیستم عصبی مشخصی مانند آنچه در جانوران می بینیم ندارند اما وجود برخی مولکول های زیستی مشابه و توانایی انتقال پیام بین سلول ها داشمندان علاقمند را به تحقیق بیشتر برای یافتن پاسخ این سوال واداشته است. گلوتامات یکی از انتقال دهنده های عصبی موجود در جانوران است که در گیاهان می تواند به عنوان یک انتقال دهندۀ سیگنال به نواحی دور دست در سطح سلول ها، بافت ها، اندام ها و حتی کل گیاه از طریق تأثیرات متقابل یون کلسیم، گونه های فعال اکسیژن و سیگنال های الکتریکی عمل کند. گلوتامات درواقع یکی از الگوهای مولکولی وابسته به آسیب (DAMPs) است که از سلول های تخریب شده آزاد گشته یا بصورت فعال هنگام ایجاد زخم در گیاه از سلول های آن ترشح می شود. این مولکول زیستی عملکرد پیام رسانی شان را از طریق گیرنده های خود (GLR) اعمال می کنند. گیرنده های GLR در گیاه آرابیدوپسیس و گیرنده های یونوتروپیک گلوتامات در جانوران از ساختار دوم مشابهی برخوردار بوده و توالی آنان در برخی از دومِین ها شباهت چشمگیری دارد. ژن های کدکنندۀ این گیرنده در گیاهان پیشرفته تری چون نخودفرنگی، گندم، ذرت و تنباکو هم وجود دارند. برخی آگونیست های مهم گیرنده های یونوتروپیک گلوتامات در مغز جانوران -مانند کینات-، در گیاهان ساخته می شود. یک احتمال این است که گیاهان مواد مذکور را جهت مقابله با گیاهخواری تولید می کنند اما فرضیه ای دیگر این است که ابتدا از آنان برای تنظیم فعالیت رسپتورهای گلوتاماتی خود استفاده می کردند و رفته رفته فشار انتخابی در برخی گیاهان باعث ازدیاد تولید این آگونیست ها جهت محافظت در برابر خورده شدن گردیده است. این شواهد احتمالاً حاکی از وجود مکانیسم های پیام رسانی ای است که پیش از جدا شدن تکاملی گیاهان و جانوران وجود داشته است. اگر این فرضیه درست باشد، یک عملکرد حفاظت شدۀ ژن های کدکنندۀ رسپتورهای مذکور این است که ادراک تخریب ایجادشده در بافت گیاه را به فعال شدن سیستم های دفاعی در نقاط دورتر مرتبط سازند.

در مقاله ‌ای در سال 2018 تأثیر ایجاد زخم در بافت گیاه آرابیدوپسیسی که سلول هایش یک سنسور کلسیم مبتنی بر پروتئین فلورسانت به نام GCaMP3 را بیان می کردند بر تحریک GLR ها بررسی شده و از تغییرات غلظت کلسیم درون ‌سلولی فیلمبرداری گردیده است. پس از تغذیۀ یک کرم پیله ساز از یکی از برگ های این گیاه، غلظت کلسیم در عرض دو ثانیه شروع به افزایش در ناحیۀ زخم و نواحی مجاور آن کرده و این موج تا دو دقیقه بعد به برگ های دورتر منتقل می شد. ایجاد زخم با کمک قیچی نیز همان نتایج را به همراه داشت که ثابت می کرد این تغییرات ایجادشده مستقل از مواد شیمیایی مترشحه از جانور گیاهخوار هستند. افزایش میزان کلسیم برای فعال شدن سریع سیستم دفاعی گیاه در سایر بخش های سالم آن، ضروری است. القای مهارکنندۀ کانال کلسیمی در دمبرگ برگ زخمی این گیاه باعث عدم تشکیل موج افزایش کلسیم و متعاقباً عدم فعال ‌شدن ژن های نشانگر مرتبط با زخم شد که حاکی از اهمیت انتشار تغییرات غلظت کلسیم درون سلولی در واکنش های هماهنگ و یکپارچۀ گیاه به زخم است. محققان این مقاله سپس برای سنجش تغییرات غلظت گلوتامات آپوپلاستیک ایجادشده در اثر زخم شدن بخشی از برگ گیاه، یک سنسور گلوتامات مبتنی بر GFP به نام iGluSnFR را در دیوارۀ سلول ها القا کرده و شاهد افزایش غلظت آن در نواحی آسیب دیده بودند. با افزایش شدت تخریب بافت گیاهی، میزان ترشح گلوتامات به آپوپلاست بیشتر شده و تا برگ های دورتری پیش می رفت. این نتایج نشان می دهند گیاه قادر است شدت پاسخ خود به زخم ایجادشده را طبق میزان مخرب بودن آن، تنظیم کند. انتشار سریع سیگنال الکتریکی حاصل عملکرد دو زیرخانواده از گیرنده های GLR به نام های GLR3.3 و GLR3.6 است. ایجاد موتان های این دو نوع گیرنده باعث اختلال در انتشار سیگنال کلسیم و یا قطع کامل آن درحالتی که هر دو نوع جهش القا شده بودند، شد. این نشان می دهد گلوتامات در گیاهان به سان انتقال دهندۀ عصبی ای است که پیام ایجاد زخم را به نواحی دورتر، سلول به سلول، منتقل می کند. امواج ترشح گلوتامات در گیاهان و تغییرات کلسیمی ای که متعاقبا ایجاد می کنند در فرآیندهای مختلف دیگری نیز نقش دارند که از جملۀ آنان می توان به مقابله با استرس های محیطی ای چون شوری، سرما و گرما، خشکی و مواجهه با پاتوژن، جوانه زدن دانه، رشد و تکوین گیاه و پیری آن اشاره کرد.

گرچه هنوز راه درازی برای یافتن تشابهات کافی جهت اثبات وجود نوعی سیستم عصبی بسیار ابتدایی در گیاهان وجود دارد اما مطالعۀ نامبرده قدم مهمی در پیشبرد تحقیقات در این مسیر شمرده می شود.

توضیح شکل: نقطه چین سفید در بخش A کرم پیله ساز در حال تغذیه از برگ گیاه است (فلش سفید). این عمل موجب افزایش غلظت کلسیم از برگ در همان ناحیه (فلش قرمز) و انتشار آن به نواحی دورتر و برگ های جوانتر (فلش زرد) می شود. در قسمت B هم کندن برگ شمارۀ 1 باعث افزایش کلسیم در همان ناحیه (فلش قرمز) و برگ های دورتری مانند شمارۀ 6 (فلش زرد) شد.

منابع:

1- Toyota M, Spencer D, Sawai-Toyota S, Jiaqi W, Zhang T, Koo AJ, Howe GA, Gilroy S. Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science. 2018 Sep 14;361(6407):1112-1115. doi: 10.1126/science.aat7744. PMID: 30213912.

2- Mousavi SA, Chauvin A, Pascaud F, Kellenberger S, Farmer EE. GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE genes mediate leaf-to-leaf wound signalling. Nature. 2013 Aug 22;500(7463):422-6. doi: 10.1038/nature12478. PMID: 23969459.

3- Qiu X-M, Sun Y-Y, Ye X-Y and Li Z-G (2020) Signaling Role of Glutamate in Plants. Front. Plant Sci. 10:1743. doi: 10.3389/fpls.2019.01743