فتوکروم: چشم‌های پنهان گیاهان
فتوکروم چیست و چگونه کار می‌کند؟
فتوکروم یک مولکول پروتئینی است که در سیتوپلاسم سلول‌های گیاهی یافت می‌شود. این مولکول دارای دو شکل اصلی است: شکل فعال $P_{fr}$ که نور قرمز با طول موج حدود 660 نانومتر را جذب می‌کند و شکل غیرفعال $P_r$ که نور قرمز دور با طول موج حدود 730 نانومتر را جذب می‌نماید. این دو شکل می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند و یک سوئیچ نوری بسیار دقیق را تشکیل دهند.
برای درک بهتر، می‌توانید یک کلید برق را تصور کنید. نور قرمز مانند فشار دادن کلید برای روشن کردن چراغ (فعال کردن فتوکروم) و نور قرمز دور یا تاریکی مانند خاموش کردن کلید (غیرفعال کردن فتوکروم) عمل می‌کند. گیاه با حس کردن نسبت این دو نور، می‌فهمد که در چه شرایط نوری قرار دارد. مثلاً، در زیر سایه‌ی برگ‌های دیگر گیاهان، نور قرمز دور بیشتر است که به گیاه سیگنال "سایه" را می‌دهد.
نقش فتوکروم در جوانه‌زنی بذرها
بسیاری از بذرها برای جوانه‌زنی نیاز به نور دارند. فتوکروم نقش کلیدی در این فرآیند ایفا می‌کند. اگر بذری در عمق زیاد خاک قرار گیرد، تنها نور قرمز دور به آن میرسد که باعث باقی ماندن فتوکروم در شکل غیرفعال $P_r$ شده و جوانه‌زنی اتفاق نمی‌افتد. اما اگر بذر نزدیک سطح خاک باشد، نور قرمز کافی دریافت کرده و فتوکروم به شکل فعال $P_{fr}$ تبدیل می‌شود و جوانه‌زنی آغاز می‌گردد. این یک مکانیسم هوشمند برای اطمینان از جوانه‌زنی در مکان مناسب است.
| شرایط نوری | نسبت $P_{fr}$ به $P_r$ | نتیجه جوانه‌زنی در بذر کاهو |
|---|---|---|
| نور قرمز | بالا | جوانه‌زنی موفق |
| نور قرمز دور | پایین | جوانه‌زنی متوقف |
| تاریکی مطلق | پایین | جوانه‌زنی متوقف |
کنترل زمان گلدهی توسط فتوکروم
یکی از شگفت‌انگیزترین نقش‌های فتوکروم، کنترل زمان گلدهی گیاهان است. گیاهان از نسبت نور قرمز به قرمز دور برای تشخیص طول روز و فصل استفاده می‌کنند. این پدیده "فتوپریودیسم"2 نامیده می‌شود. گیاهان روزکوتاه مانند گل داوودی فقط زمانی گل می‌دهند که شب‌ها طولانی باشد (یعنی ساعت بیشتری نور قرمز دور وجود دارد). در مقابل، گیاهان روزبلند مانند اسفناج زمانی گل می‌دهند که شب‌ها کوتاه باشد (یعنی نور قرمز بیشتری دریافت کنند). فتوکروم با حس کردن این تغییرات، ژن‌های مربوط به گلدهی را روشن یا خاموش می‌کند.
کاربردهای فتوکروم در کشاورزی و باغبانی
دانش در مورد فتوکروم به انسان کمک می‌کند تا محصولات کشاورزی را بهینه‌تر پرورش دهد. برای مثال، با استفاده از نورپردازی مصنوعی با LEDهای قرمز و قرمز دور در گلخانه‌ها، می‌توان زمان گلدهی گیاهان زینتی را کنترل کرد و آنها را در خارج از فصل طبیعی به گل نشاند. همچنین، با دانستن نقش فتوکروم در جوانه‌زنی، می‌توان بذرها را قبل از کاشت تحت تیمار نوری خاصی قرار داد تا درصد جوانه‌زنی آنها به طور قابل توجهی افزایش یابد.
مثال عملی: یک کشاورز می‌خواهد گیاه اسفناج (روزبلند) را در پاییز پرورش دهد. از آنجایی که روزها در پاییز کوتاه‌تر است، گیاه ممکن است گل ندهد و فقط برگ تولید کند. کشاورز می‌تواند با روشن کردن چراغ‌های LED قرمز برای چند ساعت در شب، روز مصنوعی طولانی‌تری ایجاد کند و گیاه را به گلدهی تشویق نماید.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله، فتوکروم یک گیرنده‌ی نوری منحصر به فرد در گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها است. حیوانات سیستم‌های گیرنده نوری متفاوتی دارند.
بله، لامپ‌های معمولی نیز حاوی مقادیری نور قرمز و قرمز دور هستند، اما اثر آنها به اندازه نور خورشید یا LEDهای خاص نیست. برای کنترل دقیق، از نورهای رنگی خاص استفاده می‌شود.
خیر، اگرچه فتوکروم بسیار مهم است، اما عوامل دیگری مانند دما، هورمون‌های گیاهی و سن گیاه نیز در زمان‌بندی گلدهی نقش دارند. فتوکروم بخشی از یک شبکه پیچیده کنترلی است.
پاورقی
1 فتوکروم (Phytochrome): از دو بخش "فیتو" به معنای گیاه و "کروم" به معنای رنگ تشکیل شده است. این یک پیگمان3 (رنگدانه) حساس به نور است.
2 فتوپریودیسم (Photoperiodism): پاسخ گیاهان به طول روز و شب.
3 پیگمان (Pigment): ماده‌ای که رنگ را جذب یا منعکس می‌کند.