تحلیل فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی اثرات کشت دو ردیف ذرت بر روی پشته بر فرآیندهای فتوسنتزی

۱. ساختارهای بیوشیمیایی و فرآیندهای اصلی فتوسنتز در ذرت

فتوسیستم‌های I و II:

فتوسیستم II (PSII): مسئول جذب نور و تجزیه آب، تولید اکسیژن، و آزادسازی پروتون‌ها.

فتوسیستم I (PSI): مسئول جذب نور و تولید NADPH، از طریق انتقال الکترون‌ها.

هر دو فتوسیستم در کنار هم، فعالیت‌های بیوشیمیایی را جهت تولید ATP و NADPH، ضروری برای چرخه کالوین، هماهنگ می‌کنند.

چرخه کالوین:  تثبیت CO₂ و تولید مواد آلی شامل گلوکز، نشاسته و سایر ترکیبات استراتژیک، وابسته به غلظت ATP و NADPH است که در نتیجه فرآیندهای نور وابسته تولید می‌شوند.

 

2. اثرات کاهش نور و سایه بر فرآیندهای فتوسنتزی ، مکانیسم‌های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی

 

1.2. کاهش تامین نور و اثر بر فتوسیستم‌ها

کاهش جذب نور، باعث کاهش فعالیت فتوسیستم II می‌شود، چون نور کافی برای ایجاد و فعالیت مناسب این سیستم ضروری است.

کاهش شدت نور، منجر به کاهش ظرفیت تشکیل و استقرار کلروپلاست‌ها و عناصر فتوسیستمی می‌شود. این امر در سطح کلروپلاست‌ها، منجر به کاهش تولید ATP و NADPH می‌شود، چون:

• پروتون‌ها در فضای درون تیلاکوئیدها( thylakoid)‌ها، در اثر کاهش نور، کاهش می‌یابد.
• فعالیت آنزیم‌های وابسته به مصرف ATP و NADPH، روند بیوشیمیایی را محدود می‌کند.

کاهش فعالیت آنزیم کلیدی Rubisco در تثبیت کربن:

کمی پایین‌تر، به دلیل کمبود منبع انرژی و مواد فتوسنتزی، منجر به کاهش تثبیت کربن می‌شود.

این حالت، کاهش کارایی فتوسنتزی و در پی آن، تولید گلوکز، نشاسته و مواد ذخیره‌ای را در پی دارد.

 

۲.۲. تأثیر سایه بر ساختار برگ‌ها و ژنتیک فتوسنتزی

برگ‌های تحت سایه، نازک‌تر و بلندتر، کمبود میزان کلروپلاست و مواد فتوسنتزی درون سلول‌ها را نشان می‌دهند.

کاهش پاسخ‌های تنظیمی فیزیولوژیکی (مانند کاهش تعداد برگ، کاهش سطح برگ، و توسعه برگ‌های بلند و نازک) منجر به محدودیت میزان سطح سبز فعال برای فتوسنتز می‌شود.

در برخی موارد، گیاهان در تلاش برای جبران کمبود نور، تغییرات در تاج پوشش (stratification) ساختاری انجام می‌دهند، اما محدودیت‌های ساختاری و بیوشیمیایی، این جبران را کاهش می‌دهد.

 

۳. مکانیسم‌های بیوشیمیایی در پاسخ به کمبود نور و سایه

 

1.3. کاهش تولید مواد کربوهیدراتی و اثر بر ذخیره‌سازی

کاهش فتوسیستم‌ها، منجر به کاهش دورة زنجیره باز تولید ATP و NADPH می‌شود.

کاهش این عوامل، باعث کاهش مقدار کربوهیدرات‌هایی چون گلوکز، ساکارز و نشاسته در اندام‌های گیاه، مخصوصاً دانه‌ها می‌شود.

در نتیجه، پیشرفت فرآیندهای زیستی مرتبط با ساخت مواد ذخیره‌ای، مانند ساخت غشاءهای گیاهی و دانه‌ها، کاهش یافته، و انتقال مواد محدود می‌شود.

پاسخ‌های هورمونی و فیزیولوژیکی گیاه در مواجهه با کمبود نور

 

2.3. تغییرات هورمونی در پاسخ به سایه و کمبود نور

افزایش سطح هورمون‌های سرکوب‌کننده رشد مانند اکسین (IAA) در قسمت‌های سایه‌دار، که باعث طولانی‌تر شدن و نازک‌تر شدن برگ‌ها، و کاهش تقسیم سلولی می‌شود.

کاهش سطح هورمون‌های تحریک‌کننده رشد مانند زئاتین (Zeatin) (یک سیتوکینین گیاهی رایج است که در بافت‌ها و اندام‌های در حال رشد یا مریستمی مانند ریشه، رأس ساقه، اندام‌های نابالغ و غیره یافت می‌شود )و آبسیسیک اسید (ABA) در این شرایط، که بر توسعه برگ‌ها و شاخه‌ها اثر منفی دارد.

کاهش تولید هورمون‌های محرک رشد مثل جیبرلین‌ها و سیتوکینین‌ها، در نتیجه، فعالیت‌های رشد و توسعه گیاه محدود می‌شود.

 

۳.۳. پاسخ‌های استرسی‌ ویرانگر و تغییرات ساختاری

کاهش حجم و سطح سبز گیاه: به‌دلیل محدودیت نور و کاهش فتوسنتز، گیاهان جهت صرفه‌جویی، سطح برگ‌ها را کاهش داده یا کنترل می‌کنند.

تغییر در ساختار سلولی: برگ‌ها بیشتر بلند و باریک می‌شوند تا میزان نور جذب‌شده افزایش یابد، اما این حالت، سطح کلروپلاست‌ها و ساختارهای فتوسیستمی را محدود می‌کند.

 

۴. پیامدهای اقتصادی و بیولوژیکی بر محصول نهایی

کاهش تولید مواد فتوسنتزی (گلوکز، نشاسته، ساکارز) در نتیجه کاهش فعالیت فتوسیستم‌ها و کاهش تثبیت کربن.

کاهش اندازه و وزن دانه‌ها، و کیفیت محصول نهایی: رشد دانه‌ها وابسته به تامین مواد آلی است. کاهش گلوکز و نشاسته، منجر به تولید دانه‌های کوچک‌تر و بی‌کیفیت‌تر می‌شود.

کاهش شاخص‌های انرژی و بهره‌وری: نتیجه نهایی، کاهش عملکرد اقتصادی زراعت است، چون فرآیندهای فیزیولوژیکی که منجر به ساخت مواد ذخیره‌ای می‌شوند، محدود شده‌اند.

 

نتیجه گیری:

کشت دو ردیف ذرت بر روی یک پشته، اگر باعث سایه اندازی یک طرفه شدیدی شود، اثرات منفی بر فرآیندهای فتوسنتزی و بیوشیمیایی گیاه دارد، که بر توسعه ساختارهای فتوسیستی، تولید ATP و NADPH، تثبیت کربن، و در نهایت، تشکیل مواد آلی و محصول نهایی اثر می‌گذارد. این اثرات عبارتند از:

• در صورت استفاده از یک ردیف نوار قطره چکان برای آبیاری، پیاز رطوبتی برای توسعه سیستم ریشه ای هر دو ردیف تکمیل نشده و یا باید میزان آب و زمان آبیاری را بیش از حد بالا برده تا آبیاری کامل انجام شود.
• کاهش شدید در شدت فتوسنتز و تولید مواد فتوسنتزی.
• کاهش فعالیت آنزیم‌های کلیدی چون Rubisco، که در تثبیت CO₂ نقش دارند.
• اختلال در فرآیندهای بیوشیمیایی داخلی، شامل کاهش تولید و انتقال کربوهیدرات‌ها.
• پاسخ‌های فیزیولوژیکی مانند کاهش سطح برگ، افزایش طول برگ‌ها، و تغییرات هورمونی برای جبران کمبود نور، اما در نهایت، کارایی فتوسنتز و محصول کاهش می‌یابد.
• پیشنهاد عملیاتی برای بهره‌برداری بهتر:
• تنظیم فاصله‌های کاشت برای کاهش سایه شدید تر از 50 درصد نور کامل ایده‌آل است.
• بهبود ساختار پشته‌ها برای افزایش نفوذ نور.
• مدیریت زمان کاشت و برداشت بر اساس شدت سایه‌ انداری و نیازهای گیاه.

 

گردآورنده: مهندس پویان کاوسی