خلية الحراسة

الخلايا الحارسة هي خلايا متخصصة في بشرة الأوراق والسيقان وأعضاء أخرى من النباتات البرية ، وتُستخدم للتحكم في تبادل الغازات. تتكون هذه الخلايا في أزواج، وتفصل بينها فجوة تُشكل الثغور . تكون الثغور في أقصى اتساعها عندما يتوفر الماء بكثرة، فتصبح الخلايا الحارسة منتفخة ، وتُغلق عندما ينخفض ​​توافر الماء بشكل حرج، فتصبح الخلايا الحارسة مترهلة. تعتمد عملية التمثيل الضوئي على انتشار ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ من الهواء عبر الثغور إلى أنسجة الميزوفيل . يخرج الأكسجين (O₂ ₎ ، الناتج كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي، من النبات عبر الثغور. عندما تكون الثغور مفتوحة، يُفقد الماء بالتبخر، ويجب تعويضه عبر تيار النتح ، حيث تمتص الجذور الماء. يجب على النباتات موازنة كمية ثاني أكسيد الكربون _{الممتصة} من الهواء مع كمية الماء المفقودة عبر الثغور، ويتحقق ذلك من خلال التحكم النشط والسلبي في ضغط انتفاخ الخلايا الحارسة وحجم الثغور. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

الخلايا الحارسة هي خلايا تحيط بكل ثغر . تساعد هذه الخلايا على تنظيم معدل النتح عن طريق فتح الثغور وإغلاقها. يُعد الضوء المحفز الرئيسي لفتح الثغور أو إغلاقها. تتميز الخلايا الحارسة بشكلها الشبيه بحبة الفاصولياء، حيث يكون جانبها الداخلي أكثر سمكًا (أي الجانب الأقرب إلى الثغر) وجانبها الخارجي أرق. عندما يدخل الماء إلى الخلية، ينتفخ الجانب الرقيق إلى الخارج أكثر من الجانب السميك. وبالتالي، تنحني الخلية الحارسة إلى الخارج وينفتح الثغر.

تحتوي الخلايا الحارسة على بروتينات الفوتوتروبين، وهي كينازات سيرين وثريونين ذات نشاط مستقبل ضوئي للضوء الأزرق . تحتوي الفوتوتروبينات على نطاقين لاستشعار الضوء والأكسجين والجهد (LOV)، وهي جزء من عائلة نطاقات PAS الفائقة. ^{[ 5 ]} تُحفز الفوتوتروبينات العديد من الاستجابات، مثل الانتحاء الضوئي، وحركة البلاستيدات الخضراء، وتمدد الأوراق، بالإضافة إلى فتح الثغور. ^{[ 5 ]} لم يكن معروفًا الكثير عن كيفية عمل هذه المستقبلات الضوئية قبل عام 1998 تقريبًا. تم توضيح آلية عمل الفوتوتروبينات من خلال تجارب على الفول ( Vicia faba ). أظهر الكشف المناعي والتلطيخ الغربي البعيد أن الضوء الأزرق يُثير الفوتوتروبين 1 والفوتوتروبين 2، مما يؤدي إلى بدء فوسفاتاز البروتين 1 سلسلة من تفاعلات الفسفرة، والتي تُنشط بدورها مضخة H ⁺ -ATPase، المسؤولة عن ضخ أيونات الهيدروجين ^خارج الخلية. ^{[ 3 ]} يسمح إنزيم H ⁺ -ATPase المُفسفر بارتباط بروتين 14-3-3 بنطاق التثبيط الذاتي لإنزيم H ⁺ -ATPase عند الطرف الكربوكسيلي. ^{[ 6 ]} ثم يُفسفر السيرين والثريونين داخل البروتين، مما يحفز نشاط إنزيم H ^{+ -ATPase. [ 5 ]} وجدت التجربة نفسها أيضًا أنه عند الفسفرة، يرتبط بروتين 14-3-3 بالفوتوتروبينات قبل فسفرة إنزيم H ^{+ -ATPase. [ 5 ]} في تجربة مماثلة، استنتج الباحثون أن ارتباط بروتين 14-3-3 بموقع الفسفرة ضروري لتنشيط نشاط إنزيم H ⁺ -ATPase في غشاء البلازما. ^{[ 6 ]} تم ذلك بإضافة ببتيدات مُفسفرة مثل P-950، الذي يثبط ارتباط بروتين 14-3-3، إلى إنزيم H ⁺ -ATPase المُفسفر ومراقبة تسلسل الأحماض الأمينية . مع ضخ البروتونات إلى الخارج، يتشكل جهد كهربائي سالب عبر الغشاء البلازمي. يسمح هذا الاستقطاب الزائد للغشاء بتراكم أيونات البوتاسيوم (K ^{+ ) وأيونات} الكلوريد (Cl- ⁾ المشحونة ، مما يزيد بدوره من تركيز المذاب ويؤدي إلى انخفاض جهد الماء . يسمح جهد الماء السالب بحدوث عملية التناضح في الخلية الحارسة، مما يؤدي إلى دخول الماء إليها، وبالتالي انتفاخها.

يتم تنظيم فتح وإغلاق الثغور عن طريق تغيرات ضغط الامتلاء في الخليتين الحارستين. ويُتحكم في ضغط الامتلاء في الخليتين الحارستين من خلال حركة كميات كبيرة من الأيونات والسكريات داخل وخارج هاتين الخليتين. تتميز الخلايا الحارسة بجدران خلوية متفاوتة السماكة (حيث تكون منطقتها الداخلية، المجاورة للثغور، أكثر سمكًا ومغطاة بطبقة سميكة من الكيوتين) ^{[ 7 ]} ، كما تحتوي على ألياف دقيقة من السليلوز ذات اتجاهات مختلفة، مما يؤدي إلى انحنائها للخارج عند امتلاءها، وبالتالي فتح الثغور. تُغلق الثغور عند حدوث فقدان تناضحي للماء، نتيجة فقدان أيونات البوتاسيوم ⁽ K ⁺ ) إلى الخلايا المجاورة . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

يُعدّ الإجهاد المائي (الجفاف والملوحة) من أبرز المشكلات البيئية التي تُسبب خسائر فادحة في الزراعة والطبيعة. وتتوسط عدة آليات تعمل معًا قدرة النباتات على تحمل الجفاف ، بما في ذلك تثبيت النبات وحمايته من أضرار الجفاف، والتحكم في كمية الماء التي يفقدها عبر الثغور أثناء الجفاف. ويُنتج النبات هرمونًا نباتيًا، هو حمض الأبسيسيك (ABA)، استجابةً للجفاف. وقد تم تحديد نوع رئيسي من مستقبلات هذا الهرمون. ^{[ 11 ] [ 12 ]} يُحفز هرمون الأبسيسيك إغلاق الثغور استجابةً للجفاف، مما يُقلل من فقدان الماء عن طريق النتح إلى الغلاف الجوي، ويُمكّن النباتات من تجنب فقدان الماء أو إبطائه أثناء الجفاف. وبما أن الخلايا الحارسة تتحكم في فقدان الماء من النباتات، فإن البحث في كيفية تنظيم فتح الثغور وإغلاقها قد يُؤدي إلى تطوير نباتات ذات قدرة مُحسّنة على تجنب الجفاف أو إبطائه، وكفاءة أفضل في استخدام الماء . ^{[ 1 ]}

يُعدّ حمض الأبسيسيك (ABA) المحفز لإغلاق الثغور. ولتحفيز ذلك، يُنشّط إطلاق الأنيونات وأيونات البوتاسيوم. ويؤدي هذا التدفق للأنيونات إلى إزالة استقطاب غشاء البلازما. وتؤدي إزالة الاستقطاب هذه إلى خروج أيونات البوتاسيوم من الخلية نتيجةً لاختلال توازن جهد الغشاء. ويؤدي هذا التغير المفاجئ في تركيز الأيونات إلى انكماش الخلية الحارسة، مما يُسبب إغلاق الثغور، وبالتالي تقليل كمية الماء المفقودة. ووفقًا لبحثه، فإن كل هذا عبارة عن سلسلة من التفاعلات. وتؤدي زيادة حمض الأبسيسيك إلى زيادة تركيز أيونات الكالسيوم. وعلى الرغم من أنهم اعتقدوا في البداية أنها مصادفة، فقد اكتشفوا لاحقًا أن هذه الزيادة في الكالسيوم مهمة. ووجدوا أن أيونات الكالسيوم (Ca2+) تُشارك في تنشيط قنوات الأنيونات، مما يسمح للأنيونات بالتدفق إلى الخلية الحارسة. كما تُشارك أيضًا في منع إنزيم بروتون ATPase من تصحيح استقطاب الغشاء ومنع إزالة استقطابه. لدعم فرضيتهم بأن الكالسيوم مسؤول عن كل هذه التغيرات في الخلية، أجروا تجربة استخدموا فيها بروتينات تثبط إنتاج أيونات الكالسيوم. وبناءً على افتراضهم بأن الكالسيوم مهم في هذه العمليات، لاحظوا أنه مع استخدام المثبطات، سيقلّ ما يلي: وقد كان افتراضهم صحيحًا، فعند استخدام المثبطات، لاحظوا أن إنزيم بروتون ATPase يعمل بكفاءة أكبر لموازنة إزالة الاستقطاب. كما وجدوا أن تدفق الأنيونات إلى الخلايا الحارسة لم يكن قويًا بالقدر الكافي. وهذا أمر بالغ الأهمية لتدفق الأيونات إلى الخلية الحارسة. هذان العاملان حاسمان في إغلاق فتحة الثغور ومنع فقدان الماء من النبات. ^{[ 13 ]}

يؤدي امتصاص الأيونات في الخلايا الحارسة إلى فتح الثغور: يتطلب فتح مسام تبادل الغازات امتصاص أيونات البوتاسيوم في الخلايا الحارسة. وقد تم تحديد قنوات ومضخات البوتاسيوم، وثبت أنها تعمل في امتصاص الأيونات وفتح فتحات الثغور. ^{[ 1 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} يؤدي إطلاق الأيونات من الخلايا الحارسة إلى إغلاق مسام الثغور: تم تحديد قنوات أيونية أخرى تتوسط إطلاق الأيونات من الخلايا الحارسة، مما يؤدي إلى تدفق الماء التناضحي من الخلايا الحارسة بسبب الخاصية التناضحية ، وانكماش الخلايا الحارسة، وإغلاق مسام الثغور (الشكلان 1 و2). وتشارك قنوات تدفق البوتاسيوم المتخصصة في التوسط في إطلاق البوتاسيوم من الخلايا الحارسة. ^{[ 16 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} تم تحديد قنوات الأنيونات كعوامل تحكم مهمة في إغلاق الثغور. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} لقنوات الأنيونات عدة وظائف رئيسية في التحكم في إغلاق الثغور: ^{[ 26 ]} (أ) تسمح بإطلاق الأنيونات، مثل الكلوريد والمالات ، من الخلايا الحارسة، وهو أمر ضروري لإغلاق الثغور. (ب) يتم تنشيط قنوات الأنيونات بواسطة إشارات تسبب إغلاق الثغور، على سبيل المثال بواسطة الكالسيوم داخل الخلايا وحمض الأبسيسيك (ABA). ^{[ 26 ] [ 29 ] [ 32 ]} يؤدي إطلاق الأنيونات سالبة الشحنة من الخلايا الحارسة إلى تحول كهربائي في الغشاء إلى جهد أكثر إيجابية ( إزالة الاستقطاب ) على السطح الداخلي لغشاء بلازما الخلية الحارسة . يؤدي هذا الاستقطاب الكهربائي للخلايا الحارسة إلى تنشيط قنوات البوتاسيوم الخارجية وإطلاق البوتاسيوم عبر هذه القنوات. وقد تم تحديد نوعين رئيسيين على الأقل من قنوات الأنيونات في الغشاء البلازمي: قنوات الأنيونات من النوع S وقنوات الأنيونات من النوع R. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 28 ] [ 33]]}

الفجوات هي عضيات تخزين كبيرة داخل الخلايا النباتية. بالإضافة إلى قنوات الأيونات في الغشاء البلازمي، تؤدي قنوات الأيونات الفجوية وظائف مهمة في تنظيم فتح وإغلاق الثغور، إذ يمكن أن تشغل الفجوات ما يصل إلى 90% من حجم الخلية الحارسة. لذلك، تُطلق غالبية الأيونات من الفجوات عند إغلاق الثغور. ^{[ 34 ]} يمكن لقنوات البوتاسيوم الفجوية ⁽ VK) والقنوات الفجوية السريعة أن تُسهّل إطلاق البوتاسيوم ^من الفجوات. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} تُفعّل قنوات البوتاسيوم الفجوية ⁽ VK) بارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلايا. ^{[ 35 ]} وهناك نوع آخر من القنوات المُفعّلة بالكالسيوم، وهو القناة الفجوية البطيئة (SV). ^{[ 38 ]} لقد ثبت أن قنوات SV تعمل كقنوات كاتيونية نفاذة لأيونات الكالسيوم Ca2 ⁺ ، ^{[ 35 ]} ولكن وظائفها الدقيقة غير معروفة حتى الآن في النباتات. ^{[ 39 ]}

تتحكم الخلايا الحارسة في تبادل الغازات والأيونات من خلال فتحها وإغلاقها. يُعدّ أيون البوتاسيوم (K+) أحد الأيونات التي تتدفق إلى داخل الخلية وخارجها، مما يُسبب تراكم شحنة موجبة. يُعتبر الماليت أحد الأنيونات الرئيسية المستخدمة لمعادلة هذه الشحنة الموجبة، ويتم نقله عبر قناة أيونية تُسمى AtALMT6. ^{[ 40 ]} AtALMT6 هو ناقل ماليت مُنشط بالألومنيوم، ويوجد في الخلايا الحارسة، وتحديدًا في الفجوات العصارية. وقد وُجد أن هذه القناة الناقلة تُسبب تدفقًا داخليًا أو خارجيًا للماليت اعتمادًا على تركيزات الكالسيوم. ^{[ 40 ]} في دراسة أجراها ماير وآخرون، أُجريت تجارب التثبيت الموضعي على فجوات عصارية من نسيج متوسط ​​في نبات رشاد أذن الفأر ( Arabidopsis rdr6-11) (النمط البري) ونبات رشاد أذن الفأر الذي يُفرط في التعبير عن AtALMT6- GFP . ^{[ 40 ]} أظهرت هذه التجارب أنه في النوع البري، كانت التيارات ضعيفة عند إضافة أيونات الكالسيوم، بينما لوحظ تيار داخلي مقوم هائل في طفرة AtALMT6-GFP. ^{[ 40 ]} عند تعطيل الناقل من فجوات الخلايا الحارسة ، يحدث انخفاض ملحوظ في تيار تدفق الماليت. يتحول التيار من تيار داخلي هائل إلى تيار لا يختلف كثيرًا عن النوع البري، وقد افترض ماير وزملاؤه أن هذا يعود إلى تركيزات الماليت المتبقية في الفجوة العصارية. ^{[ 40 ]} كما لوحظت استجابة مماثلة للجفاف في الطفرات المعطلة كما في النوع البري. لم يُلاحظ أي اختلاف ظاهري بين الطفرات المعطلة والنوع البري وطفرات AtALMT6-GFP، والسبب الدقيق لذلك غير معروف تمامًا. ^{[ 40 ]}

تستشعر الخلايا الحارسة وتعالج المحفزات البيئية والداخلية، مثل الضوء والرطوبة وتركيز _ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة والجفاف والهرمونات النباتية، لتحفيز استجابات خلوية تؤدي إلى فتح الثغور أو إغلاقها. وتحدد مسارات نقل الإشارة هذه، على سبيل المثال، سرعة فقدان النبات للماء خلال فترة الجفاف. وقد أصبحت الخلايا الحارسة نموذجًا لدراسة الإشارات الخلوية المفردة. وباستخدام نبات رشاد أذن الفأر (Arabidopsis thaliana) ، أصبح البحث في معالجة الإشارات في الخلايا الحارسة المفردة متاحًا لقوة علم الوراثة . ^{[ 29 ]} وقد تم تحديد البروتينات السيتوبلازمية والنووية والرسائل الكيميائية التي تعمل في حركة الثغور، والتي تتوسط في نقل الإشارات البيئية، وبالتالي تتحكم في امتصاص ثاني أكسيد الكربون _في النباتات وفقدانها للماء. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} ويساهم البحث في آليات نقل الإشارة في الخلايا الحارسة في فهم كيفية تحسين النباتات لاستجابتها لإجهاد الجفاف عن طريق تقليل فقدانها للماء. ^{[ 1 ] [ 41 ] [ 42 ]} تُعدّ الخلايا الحارسة نموذجًا ممتازًا للدراسات الأساسية حول كيفية دمج الخلية لأنواع عديدة من الإشارات الواردة لإنتاج استجابة (فتح أو إغلاق الثغور). تتطلب هذه الاستجابات تنسيق العديد من العمليات البيولوجية الخلوية في الخلايا الحارسة، بما في ذلك استقبال الإشارات، وتنظيم قنوات ومضخات الأيونات، ونقل الغشاء ، والنسخ ، وإعادة ترتيب الهيكل الخلوي، وغير ذلك. يتمثل أحد تحديات البحث المستقبلي في تحديد وظائف بعض البروتينات التي تم التعرف عليها لهذه العمليات البيولوجية الخلوية المتنوعة.

أثناء نمو أوراق النبات، تتمايز الخلايا الحارسة المتخصصة من "الخلايا الأم الحارسة". ^{[ 43 ] [ 44 ]} تُنظَّم كثافة الثغور في الأوراق بواسطة إشارات بيئية، بما في ذلك زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _، مما يقلل من كثافة الثغور على سطح الأوراق في العديد من أنواع النباتات عبر آليات غير معروفة حاليًا. يمكن دراسة جينات نمو الثغور مباشرةً من خلال تصوير بشرة الورقة باستخدام المجهر. وقد تم تحديد العديد من البروتينات الرئيسية المتحكمة التي تعمل في مسار يُنظِّم نمو الخلايا الحارسة والثغور. ^{[ 35 ] [ 44 ]}