مقاله لکتین گیاهی بعنوان سیستم دفاعی گیاه برابر حشرات

لکتین های گیاهی بعنوان بخشی از سیستم دفاعی گیاه در برابر حشرات

بسیاری از گیاهان دارای پروتئین های پیوند یافته با کربوهیدرات ها هستند که معمولا بعنوان لکتین شناخته می شوند. اعتقاد بر این است که برخی از این لکتین ها در دفاع گیاه در برابر حشرات ایفای نقش می کنند. مطلب حاضر، با مروری بر جدیدترین تحقیقات در مورد لکتین های گیاهی، مهمترین نتایج در مورد فعالیت حشره کشی لکتینهای گیاهی متعلق به خانواده های مختلف را برجسته می سازد. همچنین، تمایز میان "لکتین های کلاسیک" که به میزان زیاد بیان می شوند و "لکتینهای القاء پذیر" بیان می شود. علاوه بر اینها، شرایط میسر کننده فعالیت لکتینها و مکانهای هدف آنها در بدن حشره مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

 در طی تکامل، گیاهان مکانیسمهای دفاعی پیچیده ای را بمنظور خنثی کردن حملات پاتوژنها و گیاه خواران توسعه  داده اند. این مکانیسمها شامل هر دو نوع دفاع مکانیکی و شیمیایی می باشند، و به گیاه اجازه بقا در محیط در برابر مهاجمان بالقوه را می دهند. بعنوان بخشی از مکانیسم دفاع شیمیایی، گیاهان مجموعه ای کامل راکه بعنوان پروتئینهای دفاعی نامیده می شوند تولید می کنند. یک دسته خاص از پروتئینهای دفاعی، لکتینهای گیاهی می باشند، یک گروه ناهمگون از پروتئینها که به طور اختصاصی می توانند با کربوهیدراتهای خاص برهمکنش بیابند. مطلب حاضر، بر نقش پروتئینهای پیوند یافته با کربوهیدرات (لکتین ها) در سیستم دفاعی گیاه در برابر حشرات متمرکز خواهد بود. بحثی مفصل در مورد فعالیت حشره کشی خانواده های مختلف پروتئینهای پیوند یابنده با کربوهیدرات، ارائه خواهد شد. علاوه بر این، برخی نتایج جدید در مورد لکتینهای القاء پذیر بکار گرفته شده در سیستم دفاعی گیاه در برابر حشرات مورد بحث قرار خواهند گرفت. 

انواع لکتین های گیاهی

 بسیاری از گیاهان از جمله گیاهان بسیار مهم خوراکی مانند گندم، برنج، سیب زمینی، گوجه فرنگی، سویا و لوبیا حاوی پروتئینهای پیوند یابنده با کربوهیدرات هستند که این پروتئینها معمولا بعنوان لکتین ها، اگگلوتینین ها یا هماگلوتینین ها نامیده می شوند. براساس یک تعریف پیشنهادی جدید، این گروه از پروتئینها شامل "تمام پروتئینهای گیاهی هستند که حداقل دارای یک بنیان غیر کاتالیزوری که بطور معکوس با مونو یا الیگوساکاریدها پیوند یافته، می باشند". تاکنون، در حدود 500 لکتین گیاهی مختلف ایزوله و شناسایی شده اند. در نگاه اول، همه این لکتین ها، به سبب تفاوتهای مشهود در ساختار، فعالیتهای اختصاصی و بیولوژیکی، از یک گروه ناهمگون از پروتئینها تشکیل شده اند. اما، اکثریت لکتینهای گیاهی می توانند بر پایه آنالیز ساختاری و داده های توالی در هفت گروه پروتئینی طبقه بندی شوند: (1) آمارانتین ها (2) لکتینهای بافت آوندی کدوییان(3) لکتینهای پیوند یابنده با کیتین که از بنیان های hevein تشکیل شده اند (4) لکتینهای مرتبط بهGNAل5) لکتینهای مرتبط به جاکالین (6) لکتینهای حبوبات و (7) لکتینهای بنیان های ricin-B. اخیرا، شواهدی از وجود هومولوگهای آگلوتینین Agaricus bisporus و هومولوگهای کیتینازهای دسته V با فعالیت پیوندی قندی گزارش شده است.

اگرچه، لکتین ها برای مدت زمان طولانی در پروتئینهای خاص دانه مورد بررسی قرار داشته اند، هم اکنون حضور لکتین های گیاهی در بافتهای رویشی گیاه بسیار مستند می باشد. تفاوتهای واضحی از نظر مکان و غلظت لکتینهای مختلف در بررسیها دیده می شود. لکتینهای گیاهی عمدتا در کوتیلدون (مثلا گونه های حبوبات) یا آندوسپرم یافت می شوند اما همچینن می توانند به محور اولیه محدود شوند(مانند گندم). لکتینهای بذری عمدتا 0/1 تا 5 درصد کل پروتئین دانه را تشکیل می دهند. لکتینهای غیر بذری تقریبا در تمام بافتهای رویشی مانند برگها، ساقه ها، پوسته درخت؛ پیازها، ریزومها، ریشه ها یا گلها، میوه ها، شیره آوندی و یا حتی شهد مشاهده می شوند. غلظت لکتین در بافتهای ذخیره ای رویشی می تواند تا 50 درصد کل پروتئین برسد، در حالیکه در دیگر بافتها لکتین یک پروتئین بسیار اندک است(مثلا در برگهای تره فرنگی). بطور متوسط، لکتینها در بافتهای رویشی می توانند بالغ بر 0/1 تا 5 درصد کل پروتئین را تشکیل دهند.

لکتین های گیاهی کلاسیک و القاء پذیر

برای سالهای بسیار، تحقیق در مورد لکتینهای گیاهی بر گروهی از لکتینها که بطور متعارف درغلظتهای بالا در بافتهای گیاهی مختلف یافت می شدند تمرکز یافته بود. به سبب غلظت بالای لکتین و تنظیم تکامل یافته، تصور نقش خاص در سلول گیاهی برای این لکتینها دشوار بود. معلوم شده بود که عمده این لکتینها ممکن است در دفاع گیاه سهیم باشند. از این نظر، لکتینهای گیاهی اساسا از لکتینهای جانوری متفاوت هستند زیرا لکتینهای جانوری در فرآیندهای شناسایی خاص در درون خود ارگانیسم نقش دارند. بررسیها بیانگر شواهد بیشتر در مورد اهمیت بسیار زیاد برهمکنشهای پروتئین- کربوهیدرات در توسعه و فعالیت نرمال ارگانیسمهای جانوری است و این حقیقت که انواع مختلف لکتینها واسطه های برهمکنشهای پروتئین- کربوهیدرات هستند سئوال در این باره که آیا همین شرایط در مورد گیاهان نیز صادق است یا خیر را بوجود می آورد. اخیرا، تحقیق در مورد پتانسیل فعالیت فیزیولوژیکی لکتینهای گیاهی منجر به کشف گروه های مختلف لکتینی شده است که بعنوان واسطه های ضروری برهمکنشهای پروتئین- کربوهیدرات در گیاه کاندید شده اند. شواهد بسیاری وجود دارد که گیاهان پروتئینهای پیوند یابنده با کربوهیدرات(لکتین ها) را به محض قرار گیری در معرض شرایط تنش مانند خشکی، نمک زیاد، صدمه دیدگی، یا تیمار با برخی هورمونهای گیاهی تولید می کنند. مطالعات مکان یابی نشان می دهد که برخلاف لکتینهای گیاهی معمولی که عمدتا در واکوئل ها یافت می شوند- لکتینهای قابل القا منحصرا در سیتوپلاسم و هسته یافت می شوند. فرض می شود که این طبقه جدید از لکتین ها ممکن است یک نقش خاص را در درون سلول گیاهی ایفا نمایند. این بخش مروری روشن از لکتینهای کلاسیک و قابل القا را که تاکنون شناسایی شده اند ارائه می کند.

خانواده آمارانتین: این خانواده که براساس نام لکتین بذری Amaranthus caudatus بدین گونه نامیده می شوند یک گروه نسبتا کوچک از لکتینهای متشابه یافت شده در گونه های مختلفAmaranthus است. همه آمارانیتین های شناخته شده دایمرهای مشابه ساخته شده از زیر واحدهای 33KDa هستند. مطالعات دقیق نشان داده است که آمارانتین ترجیحا دی ساکارید آنتی ژن-T Galβ و GalNAc را تشخیص می دهد.

لکتینهای آوند آبکش Cucurbitaceae: این خانواده یک گروه کوچک از آگگلوتینین های یافت شده در ترشحات آوندهای آبکش تعدادی از گونه هایCucurbitaceae می باشند. این لکتین ها که همچنین پروتئینهای آوند آبکشی PP2 نیز نامیده می شوند  پروتئینهای دایمری ساخته شده از زیرواحدهای بالغ بر 22 KDaهستند.

لکتینهای مرتبط به GNA: در 1987 یک لکتین با تمایل انحصاری به مانوز در پیازهای گل حسرت (Galanthus nivalis) ایزوله و شناسایی گردید. این لکتین که همچنین G. nivalis agglutinin نامیده می شود بعنوان اولین نمونه از گروه گسترده لکتینهای پیوند یابنده با مانوز که در خانواده های پرشمار تک لپه ای یافت شده اند به شمار می آید.  بنابراین، این گروه از لکتینها اصولا به لکتینهای پیوند یابنده با مانوز در تک لپه ایها بر می گردند. اخیرا، لکتینهای بسیار مشابه در گیاهان غیر تک لپه ای و همچنین در باکتریها و حیوانات یافت شده اند. بنابراین، این گروه از لکتین ها نیز در حال حاضر تحت عنوان لکتینهای مرتبط به GNA شناسایی می شوند. همه لکتینهای گیاهی با دامنه های GNA از زیرواحدهای لکتینی بالغ بر  12 KDaتشکیل شده اند، که گرایش ویژه ای را به سمت مانوز نشان می دهند. با اینکه، لکتینهای مرتبط به GNA گیاهان مختلف به دقت بررسی شده اند اما تفاوتهای مشخصی در تمایل اختصاصی به الیگومانوزید ها و N گلیکان ها مشاهده شده است.

لکتینهای پیوند یابنده با کیتین: نام  hevein  به یک پلی پپتید 43 آمینواسیدی پیوند یابنده با کیتین که در لاتکس  Hevea   brasiliensis یافت شده است برمی گردد. بسیاری از پروتئین های گیاهی پیوند با کیتین را مدیون حضور یک یا چند بنیان hevein هستند. نشان داده شده است که  لکتین های مختلف با بنیان hevein دارای جاذبه خاصی برای گلیکوپروتئین های حیوانی N گلیکوزیله هستند. این گروه از لکتین ها گسترده بوده و در گونه های گیاهی تک لپه ای (مانند اگگلوتینین گیاهک گندم) و دو لپه ای (مانند لکتین سیب زمینی) وجود دارند.

لکتینهای مرتبط به جاکالین: این خانواده، تماما از پروتئینهای با یک یا چند بنیان تشکیل شده است که به طور ساختاری معادل "جاکالین"، لکتین پیوند یابنده با گالاکتوزید است که از بذرور میوه Artocarpus integrifolia بدست می آید. در سالهای اخیر لکتینهای جاکالین با تمایل اختصاصی به مانوز شناسایی و بررسی شده اند. بنابراین گروه  لکتینهای مرتبط به جاکالین به دو زیر گروه براساس محدوده اختصاصی و ساختار مولکولی تقسیم شده اند. لکتینهای جاکالین اختصاصی گالاکتوز(Gal) از چهار پروتومر مجزای در حال تشکیل یک زیر واحد کوچک و یک زیر واحد بزرگ تشکیل  شده اند و  آشکارا گالاکتوز را به مانوز ترجیح می دهند.

در مقابل، لکتینهای جاکالین اختصاصی مانوز از چهار پروتومر مجزا که هریک بالغ بر 150 اسید آمینه هستند تشکیل شده اند و  آشکارا مانوز را ترجیح می دهند.

لکتینهای لگوم: از نظر تاریخی، واژه لکتین لگوم به پروتئینهایی اطلاق می شود که از نظر ساختاری و تکاملی به نوع خاصی از لکتین که ابتدا در بذور حبوباتی مانند لوبیا، لوبیای معمولی، نخود فرنگی، بادام زمینی و سویا یافت شد، نسبت داده می شوند. تا پیش از این، لکتینهای لگوم منحصرا در خانواده لوبیا Fabaceae یافت شده بودند. اما ایزولاسیون و کلونینگ اگگلوتینین های حاصله از برگهای Glechoma hederacea که از نظر ساختاری و تکاملی بسیار متشابه هستند، نشان داد که لکتینهای بسیار متشابه همچنین در خانواده Lamiaceaeنیز یافت می شوند.

بررسی ساختار مولکولی لکتین های بومی نشان داد که خانواده لکتینهای لگوم (از خانواده هایFabaceae و Lamiaceae) ، تقریبا متجانس هستند. همه لکتین ها از زیرواحدهایی بالغ بر 30 KDaتشکیل شده اند و بسیاری از آنها گلیکوپروتئین هستند.

اگرچه ساختار چین خورده لکتین و مکانهای پیوند یابنده آن با کربوهیدرات بشدت حفاظت شده هستند گروه لکتین لگوم ناهمگونی مشخصی را از نظر عمل پیوند با قند و اختصاصی بودن نشان می دهند. لکتینهای لگوم با جهت گیری خاص نسبت به گالاکتوز و .... و اسید سیالیک بهمراه لکتینهای پرشماری که منحصرا با ساختار پیچیده تر گلیکان پیوند می یابند، یافت شده اند. در مقابل، لکتینهای حاصله از انواع Lamiaceae تمایل خاصی را نسبت به آنتی ژن T نشان می دهند.

لکتینهای با بنیان های ricin-B: این گروه از لکتینهای گیاهی در گذشته به خانواده ای از پروتئینهای غیرفعال ریبوزومی اطلاق می شدند(بطورمخفف:RIPs)، زیرا اول بار هنگامی بعنوان پروتئینهای گیاهی شناخته شدند که ریبوزومهای غیر فعال یوکاریوتی بطور کامل  از یک آدنین حفاظت شده باقی مانده از RNA ریبوزومی بزرگ جداسازی شدند. در حال حاضر،  RIPsها بعنوان آنزیمهای N گلیکوزیلاز بررسی می شوند که قادر به جداساختن بقایای آدنین از سوبستراهای مختلف پلی نوکلئوتیدی هستند. بر اساس ساختارهای مولکولی، RIPs به سه زیر گروه نوع یک ، نوع دو و نوع سه تقسیم می شوند. نوع یک شامل یک رشته پلی پپتیدی فعال آنزیمی است. RIP های نوع دو، پروتئین های شیمریک ساخته شده از پروموترهایی شامل یک زنجیره A با فعالیت آنزیمی و یک زنجیره B پیوند یابنده با کربوهیدرات هستند، که هر دو از یک پیش ماده واحد تشکیل شده اند و بوسیله پیوند دی سولفید با یکدیگر پیوند یافته اند. سرانجام،RIPهای نوع سوم، پروتئینهای شیمریک حاصله از پیوند پایانه Nیک بنیان N گلیکوزیلازی با پایانه C یک بنیان دیگر هستند که فعالیت/ عملکرد آنها هنوز نامشخص است. در صورتی که شناسایی لکتینهای گیاهی مدنظر قرار بگیرد تنها زنجیره B نوع دوم RIP می تواند بعنوان بنیان های لکتین مورد طبقه بندی قرار گیرند. بنیان این نوع لکتین ها به سبب اینکه اولین و مشهورترین RIP ها از بذور Ricinus communis ایزوله شده اند بعنوان ricin-B شناخته می شود.

بیشتر بنیان های گیاهی ،ricin-Bپیوند با گالاکتوز یا GalNAc را ترجیح می دهند. اما، برخی لکتین ها مشخصا گلیکان های سیالیه را ترجیح می دهند. همچنانکه در بالا گفته شد، RIP های نوع دوم تنها لکتین نیستند بلکه همجینن آنزیمهای مستعد کاتالیزه کردن ریبوزومهای غیر فعال هستند. بنابراین، آنها توکسینهای سلولی به شدت قوی هستند، حداقل در شرایطی که موفق به ورود به سلول شوند. بدنامترین جنبه RIP های نوع دوم، سمیت شدید ricin است. اگرچه بیشتر RIPهای نوع دوم، تنها به میزان متوسط و یا حتی اندک سمی هستند. تفاوت عمده در سمیت، به تفاوت در فعالیت کاتالیتیک یک زنجیره A مربوط نمی شود بلکه اصولا بواسطه توانایی لکتین برای نفوذ بداخل سلول مشخص می شود، که در حقیقت به اختصاصی بودن پیوند زنجیره  Aبا قند بستگی دارد.

لکتین های القا پذیر: مدارک مستدل از وجود لکتین های القا شده توسط جاسمونیت اخیرا از آزمایشات گیاهان تنباکوی تیمار شده با جاسمونیت بدست آمده است. گیاهان غیر تیمار شده حاوی هیچ فعالیت ثبت شده ای از سوی لکتین نبودند. اما پس از تیمار با جاسمونیت، برگهای تنباکوهای جوان مقادیر پایینی از لکتین(بعنوان Nictaba نامیده می شود) را که تمایل خاصی نسبت به الیگومراز N استیلگلوکوزامین دارد نشان دادند. Nictaba یک همودایمر با زیرواحدهای 19 KDaاست. آنالیز توالی Nictaba و مقایسه با دیگر توالیها در پایگاه داده ها نشان داد که این لکتین گیاهی نشانگر یک گروه جدید از پروتئینهای سیتوپلاسمی القاء پذیر با توالی مشابه با لکتین های آوندهای آبکش خانواده کدوئیان است. مطالعات مکان یابی ایمنی تایید کرد که Nictaba در سیتوپلاسم و هسته بیان شده است. علاوه بر این، مدرکی برای برهمکنش لکتین و پروتئین های مختلف در هسته گیاه ارائه شد.

مثالی دیگر از یک لکتین القا شده، لکتین پیوند یابنده به مانوز است (بعنوان Orysata نامیده می شود) که در برنج بواسطه تنش شوری، خشکی، آلودگی پاتوژنی و فیتوهورمونهای اسید جاسمونیک و اسید آبسزیک القا می شود. این پروتئین در 1990 بعنوان SalT توضیح داده شد (یک پروتئین القایی شوری)، اما بعدها بعنوان یک لکتین متعلق به خانواده لکتین های جاکالین اختصاصی مانوز شناخته شد. به سبب اینکه Nictaba تنها تحت شرایط استرسی خاص تولید می شود و علاوه بر آن در سیتوپلاسم و هسته جای گرفته است، گمان می رود که این لکتین در پاسخ گیاه به فاکتورهای شناخته شده استرس، نقش دارد.

اخیرا خانواده های دیگری از لکتین های هسته ای سیتوپلاسمی گیاهی با تمایل اختصاصی احتمالی نسبت به مانوز و گالاکتوز، شناسایی شده اند. متاسفانه مطالعه این لکتین ها بواسطه مقادیر بسیار اندک بیان لکتین ها، تاکنون میسر نشده است(حتی پس از القاء)