پایان نامه تنش سرما در گیاهان
مقدمه
رشد و عملکرد گیاهان زراعی تابعی از کلیه عوامل محیطی و اثرات متقابل آنها می باشد، این عوامل شامل عوامل آب و هوایی (بارندگی، دما، رطوبت، نور و باد)، رطوبت خاک، مواد غذایی و گازهای می باشند که بسته به مقدار آنها در محیط، رشد و نمو گیاه را افزایش یا کاهش می دهند. علاوه بر این کلیه عوامل بر هم زنندة تعادل آبی در سلول نظیر انجماد، خشکی و شوری نقش مهمی در توزیع جغرافیایی گیاهان دارند. در موجودات زنده، تنش به معنی انحراف معنی دار از شرایط اتپیم برای زندگی تعریف می شود. از نظر لویت، هر عامل محیطی که باعث ایجاد صدمه یا خسارت در موجود زنده شود تنش بیولوژیکی نام دارد.
وی معتقد بود در موجودات زنده، تنش در ابتدا ممکن است قابل برگشت (الاستیک) باشد ولی با گذشت زمان طولی نمی کشد که به صورت دائمی درمی آید. اگر یک تغییر قابل برگشت در مدت زمان کافی در یک گیاه ادامه یابد ممکن است باعث تغییر و اختلال در فرآیندهای فیزیولوژیک و متابولیک و در نتیجه موجب آسیب گیاه و ایجاد تغییرات غیر قابل برگشت شود (پلاستیک). در هر صورت واکنش گیاه بسته به مقدار یا غلظت نامناسب و مدت زمان قرار گرفتن در معرض تنش متفاوت است. لویت تنش های محیطی را به دو دسته تنش های زیستی و تنش های غیر زیستی تقسیم نمود. تنش های زیستی شامل حملة آفات و بیماری ها به گیاهان و رقابت با علف های هرز می شود. تنش های غیر زیستی مشتمل بر تنش های مربوط به آسیب های مکانیکی، ناهنجاری، اختلالات ناشی از کمی و زیادی حضور تنظیم کننده های رشد در گیاه و کاربرد علف کش ها، مشکلات ناشی از امواج الکترومغناطیسی و تنش های مرتبط با آب، خاک و دما می باشد. اثرات منفی دما بر گیاهان به عنوان مشکلی جدی مطرح است «که موضوع بحث مورد نظر ما می باشد».
تنش های محیطی و نیاز به افزایش تولیدات گیاهی
طبق آمار، تنها حدود 10% کل زمین های قابل کشت دنیا ممکن است بدون تنش باشند. خسارت سرما و یخ زدگی در ایالات متحده آمریکا سالانه حدود 3 تا 4% و در برخی مناطق نظیر برزیل و نیمکره جنوبی حدود 5% می باشد. در طی سال های 1950 تا 1980 تولید سرانة غذایی جهان بیش از نرخ رشد جمعیت بوده است. اما این آمار طی 20 سال گذشته افزایش قبلی را نشان نمی دهد. پیشگویی ها در مورد سرنوشت تولد غذا نگران کننده است. شواهد، دال بر آن است که متخصصین در آینده در این مورد بیشتر تحت فشار خواهند بود و نیاز به افزایش تولید غیر قابل انکار است. بنابراین ضرورت دارد برای 20 تا 30 سال آینده، پروژه هایی تدوین کردند که بدون زیر کشت بردن زمین های جدید بتوان به افزایش رشد قابل قبول در تولید مواد غذایی جهان دست یافت.
گسترش تنش سرمایی
در اکثر مناطق مخصوصاً در نواحی مدیترانهای دماهای پایین زمستان، میزان رشد گیاهان زراعی را محدود ساخته، توسعه پوشش گیاهی در روی زمین را کند می کند، در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری تنش سرما به عنوان مهمترین عامل محدود کنندة گیاهان معرفی شده است. در ایران بیشر از 5/2 میلیون هکتار از مزارع در مناطق سرد در معرض آسیب سرمای زمستانه قرار دارد.
محدودة دمای بهینه و وقوع تنش سرما
دمای داخل بافت های گیاهی دمای ثابتی نیست و متأثر از دمای محیط می باشد. تنش های دمایی قابل وقوع در گیاهان شامل تنش دمای پایین یا سرما، تنش یخ زدگی و تنش دمایی بالا می باشد.
گیاهان معمولاً در درجات بیش از 35 تا 45 درجه سانتی گراد دچار تنش دمایی و در دماهای بالاتر از صفر درجه سانتی گراد در محدودة دماهای بین 0 تا 15 درجه سانتی گراد دچار تنش سرما می شوند. تنش سرما با تنش یخ زدگی کاملاً متفاوت است. تنش یخ زدگی موقعی اتفاق می افتد که دمای محیط خارج از گیاه پایین تر از نقطه انجماد باشد، تنش یخ زدگی بیشتر در گیاهان چند ساله مشاهده می شود و در گیاهان یک ساله با تغیر تاریخ کشت می توان از این رویداد پرهیز نمود. در دمای کمی بالاتر از نقطه انجماد اکثر گیاهان گرمسیری آسیب دیده، به سلول بافت ها و اندام های گیاهی آنان خسارت وارد می شود. به همین دلیل این تنش روی حالت آبی گیاه تأثیر نمی گذارد. در سطح گیاه اثرات اولیه حرارت بسیار پیچیده است. اثرات ثانویه حرارت روی فرآیندهای فیزیولوژیکی، سبز شدن برگ و شکستن خواب بذر بسیار مهم است. فعالیت های متابولیکی، رشد و قابلیت زیست گیاهان به شدت تحت تأثیر سرما قرار دارد.
طبقه بندی گیاهان بر اساس واکنش آنها به دماهای پایین
در جدول ذیل فهرستی از چند گیاه و دمای حداقل کشدنه (تقریبی) ارائه شده است. واکنش گیاهان در برابر سرما بسیار پیچیده است و مقاومت واقعی گیاه تحت تأثیر متغیرهای زیادی از جمله مرحلة رشد، اقلیم منطقه و وضعیت سلامت عمومی گیاه قرار می گیرد. طول مدت زمان سرما هم عامل مهمی در این رابطه است. شروع خسارت ها در دماهای بالاتر از مقادیر کشنده صورت می گیرد.
| دمای حداقل کشنده(درجه سانتیگراد) | گیاه |
| 0 تا 3- | خیار و گوجه فرنگی (حساسترین مرحله گلدهی و پس از آن است) |
| 0 | لوبیا، سیب زمینی |
| 1- | ذرت(شیرین)، مارچوبه |
| 2- | گندم، در زمان خوشه دهی و پر شدن دانه |
| 6- | گندم، در زمان رشد رویشی |
| 9- | جو، در زمان رشد رویشی |
اثرات سوء تنش سرما
به طور کلی تنش سرما به دو طریق بر گیاه اثر سوء می گذارد:
1- خسارت مستقیم
آثار مستقیم خسارت تنش سرما معمولاً در نتیجه قرار گرفتن بافت یا گیاه به مدت چندین ساعت در معرض سرما و یا چند دقیقه در سرمای ناگهانی ایجاد می شود. ایجاد بافت های نکروزه، تجزیه بافت کم شدن رشد و عدم قدرت جوانه زنی بذر نیز برخی از موارد اثرات مستقیم خسارت تنش سرماست. گیاهان برحسب سرعت واکنش آنها به سرما به دو دسته تقسیم می شوند. گروه اول گیاهانی هستند که علایم خسارت را ظرف چند ساعت یا حداکثر یک روز بروز می دهند. از این گیاهان می توان به گلوکسینیا و آشیمز اشاره نمود.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل 1: تنش سرما
مقدمه......................................................................................................................... 2
تنش های محیطی و نیاز به افزایش تولیدات گیاهی........................................................... 3
گسترش تنش سرمایی................................................................................................... 4
محدودة دمای بهینه و وقوع تنش سرما............................................................................. 4
طبقه بندی گیاهان بر اساس واکنش آنها به دماهای پایین................................................... 5
اثرات سوء تنش سرما................................................................................................... 6
1- خسارت مستقیم...................................................................................................... 6
2- خسارت غیر مستقیم................................................................................................. 7
اثرات سرما بر فرآیندهای مختلف گیاهی........................................................................ 8
الف) اثرات تنش سرما در سطح سلولی........................................................................... 8
ب) اثر تنش سرما روی فعالیت های فیزیولوژیک گیاه...................................................... 9
ب.آ) اختلال در فتوسنتز............................................................................................. 10
ب.2) اختلال در تنفس............................................................................................... 10
ب.3) خسارت های بیوشیمیایی.................................................................................... 11
ب.3-1) اختلال در فعالیت آنزیم ها............................................................................. 11
ب-3-2) اختلال در سنتز ATP ................................................................................. 12
ب-3-3) خسارت های بیوشیمیایی ناشی از تشکیل سموم در فرآیندهای فیزولوژیک گیاه .. 12
ب-3-4) خسارت های ناشی از شکسته شدن پروتئین ها................................................. 13
ج) تنش سرما و فرآیندهای مختلف رشد....................................................................... 13
ج-1) جوانه زنی ....................................................................................................... 13
ج-2) اثر بر فرآیندهای مرحلة رویشی گیاه.................................................................... 15
ج-3) اثر بر فرآیندهای مرحلة زایشی گیاه..................................................................... 16
ج-4) عملکرد و تنش سرما......................................................................................... 17
فصل2: فیزیولوژی مقاومت به تنش سرما
مقاومت در سطح سلول و فرآیندهای فیزیولوژیک آن..................................................... 20
سازوکار مقاومت گیاهان مختلف به سرما در مراحل مختلف رشد ................................... 21
فصل 3: تنش یخ زدگی
مقدمه....................................................................................................................... 24
پدیده یخ زدن............................................................................................................ 25
منابع تشکیل هسته های یخ........................................................................................... 26
یخ زدگی برون سلولی................................................................................................ 27
یخ زدگی درون سلولی .............................................................................................. 28
اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی............................................................................ 29
الف- آب کشیدگی یا خشکیدگی............................................................................... 31
ب- خفگی ناشی از یخ.............................................................................................. 32
ج- یخ زدگی خاک.................................................................................................. 32
د- تخریب فیزیکی..................................................................................................... 33
ه- توسعه بیماری ها.................................................................................................... 34
و- کمبود مواد غذایی................................................................................................. 35
عوامل مؤثر در آسیب های ناشی از یخ زدگی................................................................ 35
فصل 4: مقاومت به یخ زدگی
مقدمه ...................................................................................................................... 37
مواد درون سلولی و فرآیند یخ زدگی سلول................................................................... 37
عوامل مؤثر در مقاومت به یخ زدگی گیاهان.................................................................. 39
سازوکارهای مقاومت به یخ زدگی .............................................................................. 40
سازوکار اجتناب از تنش............................................................................................. 41
فصل 5: بهنژادی گیاهان برای مقاومت به سرما
اساس ژنتیکی تحمل به سرما....................................................................................... 45
تنوع قابل توارث ....................................................................................................... 47
روش های اصلاحی ................................................................................................... 51
فصل 6: اصلاح برای تحمل به یخ زدگی
اصلاح برای مقاومت به یخ زدگی از طریق غربال کردن در خارج از محدوده ی فنوتیپ های مشاهده شده در داخل ژنوم های موجود در گیاهان زراعی....................................................................................................... 56
فصل7: روش های نو در اصلاح برای مقاومت به دماهای پایین
چشم انداز ایجاد گیاهان مقاوم به تنش سرما و یخ زدگی با استفاده از روش های نو.......... 58
کشت آزمایشگاهی و کاربرد آن در انتخاب مقاوم به سرما ............................................. 59
القاء موتاسیون........................................................................................................... 61
استفاده از ژن های مسؤول پاسخ به سرما برای اصلاح گیاهان متحمل به یخ زدگی ............. 62
مهندسی تحمل به یخ زدگی به کمک روش های DNA نوترکیب.................................. 63
چشم اندازهای آینده.................................................................................................. 65
فصل 8: مقابله با سرما و یخ زدگی گیاهان
مقدمه....................................................................................................................... 69
الف- روش های کوتاه مدت....................................................................................... 70
الف-1) روش های افزایش گرما.................................................................................. 71
الف-1-1) بخاری ها.................................................................................................. 71
الف-1-2) روش غرقاب کردن خاک.......................................................................... 71
الف-1-3) آبیاری بارانی............................................................................................. 72
الف-1-4) انواع سیستم های آب فشان.......................................................................... 73
الف-1-5) ماشین های مولد باد.................................................................................... 74
الف-1-6) دستگاه های مولد مه................................................................................... 75
الف-1-7) بال گردها................................................................................................. 76
روش های بلند مدت (غیر فعال) حفاظت گیاهان در برابر تنش سرما و یخ زدگی................ 76
انتخاب مکان مناسب.................................................................................................. 76
انتخاب محصول......................................................................................................... 78
میزان رطوبت خاک................................................................................................... 78
پوشش زمین.............................................................................................................. 78
انتخاب خاک مناسب................................................................................................. 79
شاخص های بقای مزرعه ای پاییزه بر اساس برآورد انجام شده از ارقام و نژادهای تطابق یافته به حداقل دما برای بقاء. 81
برخی از وسایل: سنجش صدمه دماهای پایین در گیاهان................................................. 82