مولکول لامینارین را بهتر بشناسیم:

لامینارین (Laminarin) مولکولی طبیعی است که در جلبک های قهوه‌ای مختلف مانند Laminaria digitata وجود دارد. این ماده طبق مقررات پارلمان اروپا به عنوان ماده ای دارویی – گیاهی شناخته شده است و مدت‌هاست استفاده‌های مختلفی در حوزه‌های پزشکی و کشاورزی دارد. در این مقاله هدف این است که اثر این مولکول بر سیستم دفاعی گیاه و مقابله با عوامل بیماریزا در حوزه‌ی کشاورزی را بررسی نماییم.

لامینارین یک β-1,3-1,6 glucan است که به طور خلاصه زنجیره‌ی پلی ساکاریدی از گلوکز محسوب می‌شود. این مولکول اولین بار در میانه‌های دهه‌ی هفتاد میلادی به عنوان ماده‌ای موثر در سیستم دفاعی گیاه شناخته شد (Ayers et al., 1976) و در مطالعات بعدی تاثیر لامینارین (به عنوان نوعی β-1,3-1,6 glucan) بر پاسخ دفاعی گیاهان لگومینوز و تنباکو مشخص شد و همین امر باعث شد تاثیر این مولکول روی بیمارگرها به موضوع داغ بسیاری از مطالعات دهه‌های بعد تبدیل شود.

تحقیقات زیادی نشان داده‌اند که سلول‌های گیاه قابلیت ژنتیکی دفاع از خود را در برابر بیمارگر‌ها دارند. این سلول‌ها در طول تکامل توانسته‌‌‌‌‌اند، توانایی پیدا کنند که مولکول‌های خاصی را بشناسند. این مولکول های خاص به علت تاثیری که روی سیستم دفاعی گیاه می‌گذارند، به عنوان محرک شناخته می‌شوند. تا به امروز محرک‌های دفاعی بسیاری با ساختارهای لیپیدی، (گلیکو)پپتیدی، (گلیکو)پروتئینی و کربوهیدراتی شناخته شده‌اند . در تعریف محرک‌ها باید گفت آن‌ها مولکول‌های سیگنال دهنده‌ای هستند که با ترشح‌شان پاسخ ایمنی در گیاه القا می‌شود. این مولکول‌ها هم می‌توانند از گیاه استخراج شوند (محرک‌های درون‌زا) و هم می‌توانند نتیجه‌ی یک عامل مهاجم و یا غیرمهاجم (محرک‌های برون‌زا) باشند. مولکول مورد بحث ما یعنی لامینارین ، محرکی برون‌زا از   نوع غیر مهاجم است، که با القای پاسخ دفاعی کمک می‌کند، گیاه در مقابل بیماری‌ها از خودش دفاع کند

نقش مولکول لامینارین در پاسخ دفاعی چیست و چگونه در سطوح سلولی عمل می‌کند؟

ایجاد بیماری در یک گیاه، جنگی است مابین آن گیاه و عامل بیماری‌زا. عوامل تعیین کننده در این جنگ، سرعت بیمارگر در واکنش به سیستم دفاعی گیاه و قدرت دفاعی گیاه هستند. صف آرایی این جنگ و جدل در گیاهان بعد از ترشح مولکول‌های محرک القاء سیستم دفاعی و در پاسخ به عوامل بیماری‌زا انجام می‌گیرد. در این برهم‌کنش اگر یکی از طرفین (گیاه یا عامل بیماری‌زا) دیر اقدام کند، طرفِ دیگر ، پیروز این جنگ خواهد بود، اما سوالی که وجود دارد این است که گیاه چگونه می‌تواند برنده‌ی این جنگ باشد؟

یکی از راه‌هایی که برای پیروزی در این جنگ قابل استفاده است، قدرتمندکَردن پاسخ دفاعی قبل از حضور عامل بیماری‌زا است. مولکول لامینارین می‌تواند با فعال کردن پاسخ ایمنی، مثل یک واکسن عمل کرده و گیاه را در مقابل عوامل بیماری‌زا محافظت کند. به طور مثال این مولکول، طبق مکانیزم خاصی قابلیت توسعه‌ی مقاومت اکتسابی سیستمی (SAR) و در نتیجه مقابله‌ی بهتر با عوامل بیماری‌زا را دارد. همچنین در مطالعه‌ای دیگر نشان داده شده تاثیر لامینارین می‌تواند محافظت ضد ویروسی نیز انجام دهد (Kopp et al., 1989). یا از همه مهم‌تر در مطالعات متعددی تاثیر چشم‌گیر این محرک در کاهش بیمارگر‌های مختلفی مثل Erwinia carotovora, Botrytis cinerea, Plasmopara viticola و …. مشاهده شده است (Aziz et al., 2003; Klaryzynski et al., 2000). این یافته‎ها به علاوه‌ی یافته‌های دیگری که در ادامه آورده خواهد شد، نشان از این دارد که لامینارین با تقلید حمله‌ی پاتوژنی (آن هم از نوع بی‌خطر برای گیاه) می‌تواند استراتژی جایگزین در محافظت گیاهان مقابل پاتوژن‌ها باشد، اما سوال دیگری که در مورد این محرک پیش می‌آید، نحوه‌ی عمل آن در سطح سلولی است که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

براساس تحقیقاتی که روی انگور و تنباکو انجام شده (Klarzynski et al., 2000; Aziz et al., 2003)، لامینارین به سرعت توسط سلول‌های گیاهی شناسایی شده و باعث ایجاد جریان یونی در غشاء پلاسمایی می‌شود. این مولکول بعد از مدت کمی باعث قلیایی شدن محیط برون سلولی شده و در نتیجه افزایش غلظت هیدروژن پراکسید (H2O2) می‌شود. این اقدام گیاه در حضور لامینارین، چند مسیر دفاعی مهم از جمله Phenylpropanoid و oxylipin را فعال می‌کند، بدین ترتیب فسفوریلاسیون (Phosphorylation) و دفسفوریلاسیون‌های (dephosphorylation) متوالی رخ می‌دهد که سیگنالی قوی برای تحریک سیستم دفاعی در حضور لامینارین است. این تحریک در ادامه باعث انباشت غلظت بالای سالیسیلیک اسید، و به این وسیله مقاومت اکتسابی سیستمیک را (SAR) ایجاد می‌کند. این نوع مقاومت پروتئین‌های ضد عامل بیماری‌زا (PR proteins) را تولید کرده و در نهایت در نهایت مقاومت بیشتر در مقابل عوامل بیماری‌زا صورت می‌گیرد

مسیر بالا تنها خلاصه‌ای از تاثیرات لامینارین در سطح سلولی گیاه بود. در حقیقت این تاثیرات بسیار گسترده‌تر از آن است که در چند خط گردآوری شود، پس در ادامه به چند نمونه‌ی مهم دیگر از این تاثیرات اشاره می‌شود.

طی مطالعه‌ی انجام شده روی انگور، مولکول لامینارین باعث افزایش غلظت یون کلسیم درون سلولی می‌گردد. گفتنی است این افزایش غلظت پاسخی دفاعی علیه محرک‌ها تلقی می‌شود (Blume et al., 2000). در تحقیقات اخیر ثابت شده است لامینارین تاثیر چشم‌گیری روی فعالیت MAPKs (به عنوان یک پروتئین کیناز) دارد. گفتنی است از آن جا که یون کلسیم عاملی موثر در فعالیت پروتئین کیناز‌ها می‌باشد، آنزیم‌های کیناز نیز از مهم‌ترین عوامل در فعالیت در سیستم‌های دفاعی گیاه محسوب می‌شود. (Gomez-Gomez and Boller 2002). مولکول لامینارین روی تولید phytoalexin هم موثر است. افزایش تولید phytoalexin در پاسخ بیمارگرها و UV اتفاق می‌افتد.

همانطور که مشخص است لامینارین تمام مشخصه‌های یک محرک پاسخ دفاعی را دارد. این مشخصه‌ها در قدرتمندتر شدن پاسخ گیاه مقابل عوامل بیماری‌زا بسیار کمک‌کننده هستند اما یکی از پاسخ‌هایی که گیاهان علیه محرک‌ها بروز می‌دهند در پاسخ به لامینارین داده نمی‌شود. سیستم گیاهی در پاسخ به بسیاری از محرک ها، مرگ سلولی را القا می‌کند، اما در تحقیقات مختلفی که روی لامینارین انجام شده، نه ژن القاکننده‌ی مرگ سلولی (HSR) بیان شده و نه مرگ سلولی اتفاق افتاده که این ویژگی، متمایز کننده‌ی لامینارین در بین بسیاری از محرک‌های پاسخ دفاعی است.

استفاده‌های آزمایشگاهی و کاربردی لامینارین :

تا به امروز تحقیقات بسیاری درباره‌ی کاربرد لامینارین درتقویت پاسخ دفاعی گیاهان در برابر بیمارگرها انجام شده است. تحقیقی که در انگور انجام شد، نشان داد لامینارین با غلظت g/liter 1 می¬تواند میزان B.cinerea یا کپک خاکستری را %55 کاهش دهد. همچنین استفاده از لامینارین با غلظت g/liter 5/0 و 2/0 میزان B.cinerea را به ترتیب %40 و 15% کاهش داد. در آزمایش دیگری(Aziz et al., 2003) در این مقاله کاربرد لامینارین توانست میزان آلودگی p.viticola را نیز %75 کاهش دهد (شکل یک).

شکل1- کاربرد لامینارین در کاهش میزان آلودگی  p.viticola تا  %75

گیاه دیگری که مورد آزمایشِ کاربرد لامینارین بوده، تنباکو است. استفاده از لامینارین  روی این گیاه باعث کاهش شدید نشانه­ها (شکل 2) و نه جمعیتِ- باکتری E.carotavora شد (Klarzynski et al., 2000). همچنین تحقیقی که روی مزرعه توت فرنگی در فصل کشاورزی سال 2006 انجام شد (meszka and bielenin, 2011)، نشان داد لامینارین براساس دوز استفاده شده بین %68 تا %89 سفیدک سطحی توت فرنگی را کنترل کرده است (شکل 3). تحقیق دیگری که در طول دوازده سال در باغ سیب و به صورت کاربردی انجام شد، نشان داد لامینارین به طور متوسط %60 از تاثیر بیماری لکه سیاه سیب می­کاهد. در این تحقیق به آتشک سیب هم پرداخته شد که در مورد این باکتری نیز نشانه های بیماری تا %60 کاهش پیدا کرد (Bernardon-mery et al., 2013). نکته­ی جالب دیگری که در تحقیقات درباره­ی لامینارین  وجود داشت و به نظر می­رسد راه حلی برای یکی از مشکلات اصلی کشاورزی کشور باشد، کاربرد موثر لامینارین در توقف تولید Aflatoxin در بادام زمینی است (Hu et al., 2011). این تحقیق نشان می­دهد که می­‌توان تحقیقات تکمیلی درباره­ی کاربرد لامینارین در کاهش Aflatoxin پسته نیز انجام داد.

شکل 3- کنترل سفیدک سطحی توت فرنگی براساس دوز استفاده شده بین %68 تا %89

لامینارین – آینده: چه پتانسیل­هایی وجود دارد؟

آبنده­‌ی لامینارین از همین حالا شروع شده است. تحقیقاتی که درباره­‌ی این محرک انجام شده، تنوع بسیار زیادی دارد. غیر از تحقیقات معمول که به تاثیر تحریک کننده­‌ی لامینارین در پاسخ دفاعی گیاهان می­‌پردازند، اخیرا تحقیقاتی درباره­‌ی استفاده از Sulfated لامینارین در افزایش مقاومت گیاه (Gauthier et al., 2014)، اثر این محرک روی کنترل زنجرک  Empoasca onukii در چای (Xin et al., 2019) و همچنین تاثیر لامینارین بر رویش بذر انجام شده است. این طیف تحقیقاتی نشان می­‌دهد که این محرک پتانسیل لازم برای کند و کاو بیشتر و شناسایی کاربردهای جدید را دارد. نکته­‌ی دیگری که درباره­‌ی این محرک قابل ذکر می­‌باشد، تولید قارچ­کش­‌ها و کودها با استفاده از این محرک است. قارچ کش Vacciplant یکی از این مثال­‌هاست که با به کارگیری لامینارین تاثیر مناسبی روی لکه سیاه سیب به جا گذاشته است و هم اکنون به عنوان یک محصول دوستدار محیط زیست جایگزین قارچ­کش­‌های دیگر شده و به صورت گسترده­‌ای استفاده می­‌شود. در محصولات کودی هم، تولیدات جلبک محوری مثل Seastar-f وجود دارند که همواره مقادیری از لامینارین را برای ضمانت حفاظت از گیاه و حفظ سلامت آن در تولیدات خود جای داده­‌اند. به کارگیری لامینارین در این محصولات و موفقیت آن‌ها باز هم نشان دهنده­‌ی پتانسیل این محصول برای انجام تحقیق، توسعه و کاربردهای گسترده ­تر آن است.

حالا می‌­توان گفت لامینارین چه بود و چه کرد!

همانطور که در کل مقاله اشاره شد، لامینارین مولکولی است که به عنوان یک محرک پاسخ دفاعی، برای گیاهان عمل می­‌کند. آن طور که پیداست این محرک می­‌تواند روی طیف گسترده‌­ا‌ی از گیاهان موثر باشد و با تقلید کردن از محرک­های پاتوژنی روی فعال شدن مسیرهای ژنتیکی دفاعی گیاه، مقاومت اکتسابی سیستمی (SAR)، تولید پروتئین­‌های مربوط به بیمارگر (PR poteins) و مشخصه­‌های سیستمی و سلولی پاسخ دفاعی گیاه تاثیر مثبت بگذارد.

یافته‌­های مقاله‌­های مختلف نشان م‌ی­دهد که لامینارین به عنوان مولکولی از جنس طبیعت، می‌­تواند در برنامه‌­های مدیریت تلفیقی بیماری­‌ها و آفاتِ (IPM and IDM) گیاهان مختلف قرار بگیرد. این محرک حتی در مواردی می­‌تواند با محافظت از گیاه در مقابل بیماری­‌ها، جایگزین سموم شیمیایی باشد و همین امر به عنوان دلیلی برای تحقیقات بیشتر درباره­‌ی لامینارین کافی است.

نباید فراموش شود که این محرک در جلبک­‌هایی مانند Laminaria digitata وجود دارد. با در نظر گرفتن این حقیقت باید دانست که آشنایی با مواد دیگری که در جلبک­‌ها وجود دارد، می­‌تواند ابزارهای بیشتری برای مدیریت تغذیه­‌ا‌‌ی و کنترل آفات و بیماری­‌ها در دسترس کشاورزان قرار دهد، ابزاری که به راستی بی خطر و حافظ سلامت محیط زیست است.

فهرست برخی منابع استفاده شده در این متن:

Ayers, A. R., Valent, B., Ebel, J. and Albersheim, P. 1976. Host-pathogen interactions: XI. Composition and structure of wall-released elicitor fractions. Plant physiology, 57(5):766-774.

Aziz, A., Poinssot, B., Daire, X., Adrian, M., Bézier, A., Lambert, B., Joubert, J. M. and Pugin, A. 2003. لامینارین elicits defense responses in grapevine and induces protection against Botrytis cinerea and Plasmopara viticola. Molecular Plant-Microbe Interactions, 16 (12):1118-1128.

BERNARDON-MERY, A. and JOUBERT, E. J. M. 2013. La لامینارینe contre la tavelure du pommier: Biocontrôle. Phytoma-La Défense des végétaux, 662:28-31.

Blume, B., Nürnberger, T., Nass, N. and Scheel, D. 2000. Receptor-mediated increase in cytoplasmic free calcium required for activation of pathogen defense in parsley. The Plant Cell, 12 (8:(1425-1440.

Côté, F. and Hahn, M. G. 1994. Oligosaccharins: structures and signal transduction. In Signals and Signal Transduction Pathways in Plants. Springer, Dordrecht, pp. 143-175.

Eder, J. and Cosio, E. G., 1994. Elicitors of plant defense responses. In International review of cytology. Academic Press, Vol. 148, pp. 1-36.

Gauthier, A., Trouvelot, S., Kelloniemi, J., Frettinger, P., Wendehenne, D., Daire, X., Joubert, J. M., Ferrarini, A., Delledonne, M., Flors, V. and Poinssot, B. 2014. The sulfated لامینارین triggers a stress transcriptome before priming the SA-and ROS-dependent defenses during grapevine’s induced resistance against Plasmopara viticola. PLoS One, 9(2).

Gómez-Gómez, L. and Boller, T. 2002. Flagellin perception: a paradigm for innate immunity. Trends in plant science, 7 (6):251-256.

Hu, L. B., Li, H. B., Sun, J. L. and Zeng, J. 2012. Effect of لامینارین on Aspergillus Flavus growth and aflatoxin production. In Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd, Vol. 343, pp. 1168-1171.

Klarzynski, O., Plesse, B., Joubert, J. M., Yvin, J. C., Kopp, M., Kloareg, B. and Fritig, B. 2000. Linear β-1, 3 glucans are elicitors of defense responses in tobacco. Plant Physiology, 124 (3):1027-1038.

Kopp, M., Rouster, J., Fritig, B., Darvill, A. and Albersheim, P. 1989. Host-pathogen interactions: XXXII. A fungal glucan preparation protects Nicotianae against infection by viruses. Plant physiology, 90 (1):208-216.

Meszka, B. and Bielenin, A. 2011. Activity of لامینارین in control of strawberry diseases. Phytopathologia, 62:15-23.

Xin, Z., Cai, X., Chen, S., Luo, Z., Bian, L., Li, Z., Ge, L. and Chen, Z., 2019. A Disease Resistance Elicitor لامینارین Enhances Tea Defense against a Piercing Herbivore Empoasca (Matsumurasca) onukii Matsuda. Scientific reports, 9 (1): 1-13