جلايسين بيتاين

الجلايسين بيتايين

درع النبات في مواجهة اجهادات التغيرات البيئة القاسية

مقدمة:

تواجه النباتات في دورة حياتها تحديات بيئية عديدة وقاسية، بدءًا من الجفاف والملوحة وصولاً إلى التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة. الإجهاد الأسموزي هو أحد أكثر البيئات الضارة شيوعًا التي تواجهها النباتات العليا. يمكن أن يؤدي، على سبيل المثال، إلى تلف الهياكل الخلوية، واختلال تنظيم الغشاء، وتحويل الهيكل الخلوي، وتقليل أو تعطيل نشاط الإنزيم، وتراكم أنواع الأكسجين التفاعلية ( ROS ) . هذه الظروف الصعبة تؤثر بشكل كبير على نمو النبات وإنتاجيته، مما يشكل تهديدًا مباشرًا للأمن الغذائي العالمي. لحسن الحظ، طورت النباتات آليات دفاعية طبيعية تساعدها على التكيف مع هذه الظروف القاسية، ومن أبرز هذه الآليات  التي تشمل الاستجابات للإجهاد الأسموزي مجموعة من التكيفات البيوكيميائية والفسيولوجية على المستوى الخلوي، مثل تغييرات في تكوين غشاء الخلية، وإنتاج هرمونات النبات والمواد المذابة المتوافقة لتغيير الجهد الأسموزي وتنظيم التعبير الجيني المرتبط بالإجهاد لمواجهة هذه التأثيرات السلبية. يمكن للنباتات انتاج الجلايسين بيتاين (GB)، والبرولين، والتريهالوز، وغيرها من المواد المذابة المتوافقة لضبط التوازن الأسموزي ضد الإجهاد الملحي، والإجهاد الناتج عن الجفاف وحتى إجهاد البرودة، وغيرها.
يعد الجلايسين بيتاين أحد أكثر المواد الواقية من الاجهادات الغير حيوية .

ما هو الجلايسين بيتاين؟

الجلايسين بيتاين هو حمض أميني معدّل، يتكون من الجلايسين مع ثلاث مجموعات ميثيل. يتميز هذا المركب بقدرته الفائقة على الاحتفاظ بالماء، مما يجعله بمثابة مرطب طبيعي للخلية النباتية. يعمل الجلايسين بيتاين كوسيط متوافق، أي أنه يمكن أن يتراكم في الخلية بتركيزات عالية دون ضرر ويسمح للخلايا بالاحتفاظ بالمياه وتسمح بالعملية الفسيولوجية الطبيعية في وقت الاجهادات المختلفة .

تخليق الجلايسين بيتاين

يمكن للكائنات الحية الدقيقة تخليق الجلايسين بيتاين من خلال أحد طريقين مختلفين:

1. من الكولين: يتم استيراد الكولين وأكسدته انزيميا.  يتم تحفيز الخطوة الأولى للأكسدة من الكولين إلى ألدهيد البيتين بواسطة إنزيم أحادي أكسجينيز الكولين، والخطوة الثانية للأكسدة من ألدهيد البيتين إلى البيتين يتم تحفيزها بواسطة ألدهيد البيتين النازع للهيدروجين.

2. من الجلايسين: من خلال الميثيلة التدريجية للحمض الأميني الجليسين. يعد تخليق البيتين من مصدر كربون بسيط، مثل الجليسين، مسارًا نادرًا في الكائنات الحية الدقيقة لأن تفاعلات الميثلة هي من بين أكثر العمليات استهلاكًا للطاقة في الطبيعة. إن تجديد مجموعة ميثيل نشطة واحدة في شكل S-adenosylmethionine الذي يعمل كمانح للميثيل لتكوين ساركوزين من الجلايسين ثم ثنائي ميثيل جليسين من ساركوزين ، وبيتين من ثنائي ميثيل جليسين يمكن لعدد قليل من الكائنات الحية الدقيقة توليف البيتين عن طريق مثيلة الجليسين

ويمكن  ايضا تصنيعه من عملية التصنيع للتفاعل المحايد بين حمض الكلورو أسيتيك وهيدروكسيد الصوديوم للحصول على كلورو أسيتات الصوديوم ثم التفاعل مع ثلاثي ميثيل أمين لإنتاج ثلاثي ميثيل جليسين و تتضمن عملية فصل الناتج عن التفاعل التقطير المباشر لاستخراج الماء والمذيب الكحولي

توجد عدة طرق لإنتاج الجلايسين بيتاين، منها:

• الاستخلاص من المصادر الطبيعية: يمكن استخلاص الجلايسين بيتاين من بعض النباتات البحرية والبكتيريا.
• التخليق الكيميائي: يمكن تصنيع الجلايسين بيتاين كيميائيًا في المختبر.

أحدث التقنيات تشمل:

• استخدام البكتيريا المحورة وراثيًا: يتم استخدام البكتيريا المعدلة وراثيًا لإنتاج كميات كبيرة من الجلايسين بيتاين.
• التخمير المغمور: تعتبر هذه الطريقة من أحدث الطرق لإنتاج الجلايسين بيتاين، حيث يتم زراعة البكتيريا في خزانات كبيرة وتغذيتها بمواد عضوية لإنتاج الجلايسين بيتاين.
  
  دور الجلايسين بيتاين في النباتات
  يحسن الجلايسين بيتاين كفاءة التمثيل الضوئي أثناء الإجهادات، ويحمي الإنزيمات القابلة للذوبان والدهون والبروتينات المشاركة في عملية التمثيل الضوئي. يعزز تراكم الجلايسين بيتاين في ظل ظروف دون المستوى الأمثل تثبيت CO₂ الضوئي والتوصيل الثغري وكفاءة استخدام المياه. يمنع GB التقليل الناجم عن الإجهاد تحفز الاجهادات توليد إلكترونات زائدة من عملية التمثيل الضوئي ويعمل الجلايسين بيتين يعمل كمستهلك كيميائي حيوي إضافي أو بديل لإخماد الإلكترونات الزائدة ويمنع جهاز التمثيل الضوئي من الإفراط في الاختزال. وبالتالي ، فإن GB يعكس تثبيط التمثيل الضوئي وبالتالي يقوم GB بكفاءة في محاصرة الطاقة من خلال حماية مركز تطور الأكسجين للنظام الضوئيII (PSII)  والحفاظ على نشاطه.  يقاوم الجلايسين بيتاين أيضًا الإجهادات عن طريق تحفيزانزيمات Rubiscos activase وتعزيز تثبيت CO₂ .
  أظهرت العديد من الدراسات النباتية أن GB يحمي النباتات من إجهاد الجفاف، ويعزز الدفاع المضاد للأكسدة المستحث بالجلايسين بيتاين. ينظم GB إزالة السموم من شوارد الكسجين التفاعلية الحرة( ROS) عن طريق استشعار مستواها داخل الخلية، ويقلل من إنتاج ROS الخلوي، ويستقر معدل استيعاب CO₂ في النباتات المزروعة في ظل ظروف غير مناسبة

الأهمية البيولوجية للجلايسين بيتاين

• حماية الخلية من الجفاف: يعمل الجلايسين بيتاين على تنظيم الضغط الأسموزي داخل الخلية، مما يمنع فقدان الماء خلال فترات الجفاف. وبالتالي، يحافظ على امتلاء الخلية ويساهم في الحفاظ على العمليات الحيوية.

• مضاد للأكسدة: يحمي الجلايسين بيتاين الخلية من التلف الناتج عن الشوارد التفاعلية الحرة، وهي جزيئات شديدة التفاعل تتكون نتيجة لعمليات الأيض الخلوي، وتلحق الضرر بالبروتينات والدهون والأحماض النووية.
• تثبيت البروتينات: يساهم الجلايسين بيتاين في الحفاظ على بنية البروتينات ووظائفها، مما يقلل من تأثير الإجهاد على العمليات الأيضية. البروتينات هي المسؤولة عن معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلية، لذا فإن الحفاظ على بنيتها أمر حيوي لبقاء الخلية.
• تحسين امتصاص العناصر الغذائية: يساهم الجلايسين بيتاين في تحسين امتصاص العناصر الغذائية من التربة، مما يعزز نمو النبات.
• حماية الأغشية الخلوية: يعمل الجلايسين بيتاين على تثبيت الأغشية الخلوية، مما يقلل من تسرب المواد من وإلى الخلية.
• تنظيم التعبير الجيني: يؤثر الجلايسين بيتاين على التعبير الجيني، مما يحفز إنتاج البروتينات التي تساعد النبات على التكيف مع الإجهاد.
• حماية البروتينات والإنزيمات: الجلايسين بيتاين يحمي البروتينات والإنزيمات الحساسة من الإجهاد البيئي مثل الجفاف والإجهاد الاسموزي، مما يساعد في الحفاظ على وظائفها الطبيعية.
• زيادة القدرة على التمثيل الضوئي: يعزز الجلايسين بيتاين القدرة على التمثيل الضوئي ويحمي الهياكل الضوئية في النباتات، مما يزيد من كفاءة استخدام الضوء والطاقة.
• تحسين النمو والإنتاجية: التطبيق الورقي للجلايسين بيتاين يمكن أن يزيد من معايير النمو مثل ارتفاع النبات ووزن الجذر ومساحة الأوراق، كما يعزز إنتاجية المحاصيل من حيث عدد الأزهار والفواكه وجودة الثمار.
• تنظيم الضغط الأسموزي: يساعد الجلايسين بيتاين في تنظيم الضغط الأسموزي داخل الخلايا، مما يحسن توازن الأيونات ويقلل من تأثير الإجهاد الملحي.
• زيادة نشاط الإنزيمات المضادة للأكسدة: يعزز الجلايسين بيتاين نشاط الإنزيمات المضادة للأكسدة، مما يساعد في تقليل الأضرار الناتجة عن الإجهاد التأكسدي.
• تحسين تحمل الإجهاد غير الحيوي: على الرغم من أن تأثير الجلايسين بيتاين يمكن أن يختلف من نوع إلى آخر، إلا أنه بشكل عام يساعد في تحسين تحمل النباتات للإجهاد غير الحيوي مثل الجفاف والملوحةآليات عمل الجلايسين بيتاين على المستوى الجزيئي
• التفاعل مع البروتينات: يرتبط الجلايسين بيتاين بالبروتينات، مما يزيد من استقرارها ويحميها من التلف عن طريق تكوين روابط هيدروجينية.

• تعديل خواص الماء: يغير الجلايسين بيتاين خواص الماء داخل الخلية، مما يجعلها أكثر مقاومة للتجمد والتسخين.
• التفاعل مع الأغشية الخلوية: يتفاعل الجلايسين بيتاين مع الدهون المكونة للأغشية الخلوية، مما يزيد من سيولتها واستقرارها.
  
  دور الجلايسين بيتاين في مقاومة الإجهادات المختلفة

• الإجهاد المائي: يعتبر الجلايسين بيتاين من أهم المركبات التي تساعد النباتات على مقاومة الجفاف، وذلك لقدرته على الحفاظ على رطوبة الخلية وتنظيم الضغط الأسموزي.
• الإجهاد الملحي: يساعد الجلايسين بيتاين النباتات على تحمل الملوحة العالية، وذلك عن طريق تقليل سمية الأيونات الملحية وحماية الأغشية الخلوية.
• الإجهاد الحراري: يحمي الجلايسين بيتاين النباتات من آثار الحرارة المرتفعة، وذلك عن طريق تثبيت البروتينات والأغشية الخلوية.
• إجهاد البرودة: يساهم الجلايسين بيتاين في حماية النباتات من آثار البرودة المنخفضة، وذلك عن طريق تعديل خواص الماء داخل الخلية.

الجلايسين بيتاين ومقاومة الأمراض الفطرية والبكتيرية

لا يقتصر دور الجلايسين بيتاين على مقاومة الإجهادات البيئية فحسب، بل يمتد إلى تعزيز مناعة النبات ضد الأمراض الفطرية والبكتيرية. يعمل الجلايسين بيتاين على ذلك من خلال عدة آليات:

• تقوية جدار الخلية: يساهم الجلايسين بيتاين في تقوية جدار الخلية النباتية، مما يجعلها أكثر مقاومة للاختراق من قبل مسببات الأمراض.
• تنظيم الإنزيمات المضادة للأكسدة: يحفز الجلايسين بيتاين إنتاج الإنزيمات المضادة للأكسدة، والتي تلعب دورًا حيويًا في إزالة الجذور الحرة التي تنتجها مسببات الأمراض.
• تحفيز إنتاج مركبات الفينول: يزيد الجلايسين بيتاين من إنتاج مركبات الفينول، وهي مركبات طبيعية لها خصائص مضادة للميكروبات.
• تعديل الاستجابة المناعية: يؤثر الجلايسين بيتاين على الاستجابة المناعية للنبات، مما يحفز إنتاج بروتينات مقاومة الأمراض.

التفاعل بين الجلايسين بيتاين والهرمونات النباتية

يتفاعل الجلايسين بيتاين مع العديد من الهرمونات النباتية، مثل الأكسينات والجبرلينات والسيتوكينينات، مما يؤثر على نمو النبات وتطوره. على سبيل المثال، يمكن للجلايسين بيتاين أن يعزز تأثير الأكسينات في تحفيز نمو الجذور.

استخدام الجلايسين بيتاين في تحسين جودة المحاصيل

• يساهم الجلايسين بيتاين في تحسين جودة المحاصيل من خلال عدة آليات:
• زيادة عدد الازهار والثمار لكل نبات
• زيادة سمات جودة الثمار
• زيادات كبيرة في انتاج البذور من حيث الكمية والوزن و محتوي الزيت والكربوهيدرات و البروتين للبذور

• يحفز الجلايسين بيتاين نمو الثمار ويزيد من حجمها.
• يزيد الجلايسين بيتاين من محتوى السكريات والأحماض الأمينية في الثمار، مما يحسن طعمها ونكهتها.
• يحمي الجلايسين بيتاين المحاصيل من التلف والتدهور، مما يزيد من مدة صلاحيتها.

الخلاصة

الجلايسين بيتاين هو مركب حيوي ذو أهمية كبيرة في حماية النباتات من الإجهاد وتعزيز إنتاجيتها. يعمل الجلايسين بيتاين على عدة مستويات، فهو يحمي الخلية من التلف، ويعزز مناعة النبات، ويحسن جودة المحاصيل. مع التقدم في مجال الهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية، يمكننا توقع المزيد من التطورات في إنتاج واستخدام الجلايسين بيتاين في الزراعة.

 

باختصار، الجلايسين بيتاين يمثل أداة واعدة في الزراعة المستدامة