سلول گیاهی چیست؟ – به زبان ساده
«سلول گیاهی» (Plant Cell) واحد اصلی سازنده ارگانیسمهای گیاهی است. گیاهان یوکاریوت هستند و سلولهای سازنده آنها یک هسته واقعی همراه با اندامکهای مختلف با عملکردهای خاص خود را دارند. هر سلول گیاه حاوی اندامکی به نام کلروپلاست است که با فتوسنتز قند تولید میکند. در این مطلب به توضیح همه این اندامکهای سلول گیاهی، روش تقسیم آنها و تفاوتهای آن با سلولهای جانوری پرداختهایم.
سلول گیاهی چیست؟
سلولهای گیاهی، یکی از انواع سلولهای یوکاریوتی یا سلولهایی با هسته متصل به غشا هستند. برخلاف سلولهای پروکاریوتی، DNA موجود در سلول گیاهی درونِ هستهای پوشیده شده با غشای پلاسمایی قرار دارد. اندامکهای مختلف این سلولها، وظایف گستردهای از جمله تولید هورمون و آنزیم تا تأمین انرژی را بر عهده دارند. از این نظر سلولهای گیاهی مشابه سلولهای جانوری هستند.
تفاوت سلول گیاهی و جانوری چیست؟
سلولهای گیاهی از نظر سایز، شکل، اندامکها و برخی از مکانیسمهای فیزیولوژیک خود با سلول جانوری متفاوت هستند. در ادامه تمام تفاوتهای این دو نوع سلول آورده شدهاند.
- مورفولوژی: سلولهای جانوری اندازههای مختلف و اشکال کروی یا نامنظم دارند اما سلولهای گیاهی به طور معمول هماندازه و به شکل مستطیل یا مکعب هستند.
- تفاوت اندامکها: سلول گیاهی حاوی ساختارهای ویژه مانند کلروپلاست، پلاستید و واکوئلهای بزرگ است که در سلول جانوری یافت نمیشوند و برخی از اندامکهای سلول جانوری مانند سانتریول، لیزوزوم، مژک و تاژک نیز به طور معمول در سلولهای گیاهی، خصوصا گیاهان پیشرفته وجود ندارند.
- اندازه سلول: سلولهای جانوری به طور کلی کوچکتر از سلولهای گیاهی هستند. طول یک سلول جانوری بین 10 تا 30 میکرومتر و اندازه سلول گیاهی بین 10 و 100 میکرومتر است.
- ذخیره انرژی: سلولهای جانوری انرژی را به صورت گلیکوژن و سلولهای گیاهی انرژی را به صورت نشاسته ذخیره میکنند.
- آمینواسید: از 20 اسیدآمینه مورد نیاز برای تولید پروتئین، فقط 10 اسیدآمینه در سلول جانوری تولید میشوند و سایر اسیدهای آمینه ضروری را باید از طریق رژیم غذایی دریافت کنند. اما گیاهان توانایی سنتز هر 20 اسید آمینه را دارند.
- تمایز سلولی: در سلولهای جانوری، فقط سلولهای بنیادی قادر به تبدیل به سلولهای دیگر هستند اما اکثر انواع سلولهای گیاهی قادر به تمایز هستند.
- رشد سلول: اندازه سلولهای جانوری با افزایش تعداد سلولها افزایش مییابد. سلولهای گیاهی با بزرگتر شدن، اندازه سلول را افزایش میدهند و با جذب آب بیشتر و ذخیره آن در واکوئل مرکزی، رشد میکنند.
- دیواره سلولی: سلولهای جانوری دیواره سلولی ندارند اما غشای سلولی دارند. سلولهای گیاهی، دارای دیواره سلولی متشکل از سلولز و همچنین غشای سلولی هستند.
- سانتریول: سلولهای جانوری حاوی این ساختارهای استوانهای هستند که مونتاژ میکروتوبولها را در هنگام تقسیم سلول سازمان میدهند. سلولهای گیاهی معمولاً بدون سانتریول تقسیم میشوند.
- مژک و تاژک: در سلولهای جانوری یافت میشود اما معمولاً در سلولهای گیاهی وجود ندارد. این ساختارها به حرکت سلول یا اجزای اطراف آن مانند مخاط کمک میکنند.
- سیتوکینز: تقسیم سیتوپلاسم در سلول جانوری با ایجاد یک فرورفتگی در غشا رخ میدهد اما در سیتوکینز سلول گیاهی، صفحه سلولی ساخته میشود که سلول را به دو قسمت تقسیم میکند.
- گلیکسیزوم: این ساختارها در سلولهای جانوری وجود ندارند اما در یک سلول گیاهی، به تخریب چربی، به خصوص هنگام جوانه زدن بذرها برای تولید قند و تغذیه گیاه کمک میکنند.
- لیزوزوم: سلولهای جانوری دارای لیزوزومهایی هستند که با آنزیمهای خود، ماکرومولکولهای سلولی را هضم میکنند. سلولهای گیاهی، به ندرت حاوی لیزوزوم هستند زیرا واکوئل گیاهی این عملکرد را در آنها انجام میدهد.
- پلاستید: سلولهای جانوری پلاستید ندارند اما سلولهای گیاهی، حاوی پلاستیدهایی مانند کلروپلاست هستند که عملکرد آنها انجام فتوسنتز و تولید انرژی است.
- «پلاسمودسم» (Plasmodesmata): سلولهای گیاهی بر خلاف سلولهای جانوری، پلاسمودسم دارند که منافذی بین دیواره سلولهای گیاهی ایجاد میکنند و مولکولها و سیگنالها از طریق آنها جابهجا میشوند.
- واکوئل: سلولهای جانوری ممکن است واکوئلهای کوچک زیادی داشته باشند اما سلول گیاهی، دارای یک واکوئل مرکزی بزرگ است که میتواند تا 90 درصد از حجم سلول را اشغال کند.
اندامک های سلول گیاهی
اغلب اندامکهای سلولی بین سلولهای گیاهی و جانوری مشترک هستند اما همانطور که گفته شد، برخی از آنها نیز مختص به یک نوع سلول هستند. در ادامه به توضیح اندامکهای گیاهی، انواع و عملکرد آنها در گیاهان پرداختهایم.
دیواره سلول گیاهی
هر سلول گیاهی دارای یک دیواره سلولی است که وظیفه پشتیبانی از ساختار آن را بر عهده دارد. دیواره سلولی لایهای سخت در خارج غشای پلاسمایی است که به آن استحکام میبخشد و استقامت و ایستایی گیاه را حفظ میکند. دیواره سلول گیاهی، حاوی سلولز و مولکولهای دیگری مانند همیسلولز، پکتین و لیگنین است. ترکیب دیواره سلولی گیاه، آن را از دیواره سلولی موجودات دیگر متمایز میکند. به عنوان مثال، دیواره سلولی قارچها، حاوی کیتین و دیواره سلول باکتریایی حاوی پپتیدوگلیکان هستند اما این مواد در گیاهان یافت نمیشوند.
یکی از تفاوتهای اصلی بین سلولهای گیاهی و جانوری وجود دیواره سلولی در گیاهان است. دیواره سلولی اولیه، یک لایه انعطافپذیر است که در خارج از سلول گیاهی در حال رشد، تشکیل شده است. گیاهان همچنین میتوانند دیواره سلولی ثانویه داشته باشند که یک لایه سخت و ضخیم در داخل سلول است و هنگام بلوغ در سلول تشکیل میشود.
سیتوپلاسم سلول گیاهی
ماده ژل مانند درون غشای سلول گیاهی که سیتوپلاسم یا پروتوپلاست نام دارد، حاوی آب، آنزیمها، نمکها، اندامکها و مولکولهای آلی مختلف است. سیتوپلاسم سلولهای مجاور به وسیله منافذی به نام پلاسمودسم به یکدیگر مرتبط هستند.
پلاسمودسم چیست؟
پلاسمودسم (مفرد) یا پلاسمودسماتا (جمع)، منافذ یا کانالهایی بین دیواره سلولهای گیاه هستند که به مولکولها و سیگنالهای ارتباطی اجازه میدهند تا بین سلولهای گیاهی جابجا شوند. اگرچه دیواره سلولی نسبت به برخی پروتئینهای کوچکِ قابل انحلال و سایر مواد محلول دیگر کاملاً تراوا است، اما پلاسمودسم تنظیم مستقیم انتقال مواد بین سلولها را بر عهده دارد. دو نوع پلاسمودسم وجود دارد:
- پلاسمودسم نخستین: هنگام تقسیم سلولی شکل میگیرد.
پلاسمودسم ثانویه: در سلولهای بالغ وجود دارد.
هسته سلول گیاهی
هسته حاوی دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA)، ماده ژنتیکی سلول است. DNA حاوی دستورالعملهایی برای ساخت پروتئین است که کلیه فعالیتهای بدن را کنترل و رشد و تقسیم سلول را تنظیم میکند.
میتوکندری سلول گیاهی
میتوکندری از طریق تنفس سلولی مولکولهای ATP را تولید میکند. ترکیبات و مواد مغذی که برای ساخت این مولکولهای پرانرژی در میتوکندی استفاده میشوند طی فتوسنتز و توسط کلروپلاست تولید شدهاند. بر اساس مطالعات تکاملی، کلروپلاست و میتوکندری از باکتریهایی که توسط سلولهای دیگر در اثر یک رابطه همزیستی ایجاد و سپس از یکدیگر مستقل شدهاند.
پراكسی زوم سلول گیاهی
پراكسیزومها ساختارهای وزیکولی كوچک و متصل به غشا هستند و آنزیمهایی دارند كه به عنوان یک محصول جانبی، پراكسید هیدروژن تولید میكنند. این ساختارها در فرآیندهای گیاه مانند تنفس نقش دارند.
اسکلت سلول گیاهی
اسکلت سلولی شبکهای از فیلامنتها و توبولها است که در سیتوپلاسم سلول نظم یافتهاند. اسکلت سلولی ساختار سلول را شکل میدهد و آن را حفظ میکند که در نهایت به حفظ تمامیت بافت گیاهی منجر میشود، مانند لنگر یا ریلی برای اندامکهای داخل سلول عمل میکند و در سیگنالینگ سلول نیز نقش دارد.
واکوئل سلول گیاهی
سلولهای گیاهی به طور مشخص دارای یک واکوئل بزرگ هستند که میتواند 30 تا 90 درصد از حجم سلول را اشغال کند. واکوئل در گیاهان عملکردی مشابه لیزوزوم در سلول جانوری را دارد. لیزوزومها کیسههای غشایی سرشار از آنزیمهایی تجزیه کننده ماکرومولکولها هستند. واكوئلها و ليزوزومها در مرگ سلولی برنامهريزی شده یا آپوپتوز نیز نقش دارند. آپوپتوز در گیاهان تحت عنوان فرایندی به نام اتولیز اتفاق میافتد.
اتولیز گیاه یک فرایند طبیعی است که در آن سلول توسط آنزیمهای داخلی خود، از درون تخریب میشود. طی یک سری از وقایع، تونوپلاست یا غشای واکوئل، پاره میشود و محتوای آن در سیتوپلاسم سلول آزاد خواهد شد. آنزیمهای گوارشی موجود در واکوئل کل سلول را تخریب میکنند. واکوئل سلولهای گیاهی عملکردهایی را در سلول انجام میدهند که عبارتند از:
- کنترل «فشار تورگور» (Turgor Pressure): فشار تورگور یا فشار اسمزی به نیرویی است که باید به مایع وارد شود تا مانع حرکت آن از خلال یک غشای نیمه تراوا شود. واکوئل سلول گیاهی با جذب آب، بر غشا فشار وارد میکند و آن را به دیواره سلولی میچسباند و باعث میشود ساختار گیاه برافراشته بماند.
- رشد سلول گیاهی: واکوئل مرکزی با جذب آب و اعمال فشار تورگور بر دیواره سلول به افزایش طول سلول کمک میکند. رشد برخی پروتئینها که سفتی دیواره سلول را کاهش میدهند به این رشد کمک خواهند کرد.
- ذخیره سازی: واكوئلها مواد معدنی مهم، آب، مواد مغذی، یونها، مواد زائد، مولكولهای كوچک، آنزیمها و رنگدانههای گیاهی را ذخیره میكنند.
- تجزیه مولکولها: محیط اسیدی داخلی واکوئل در تجزیه مولکولهای بزرگ که برای تخریب به واکوئل فرستاده شدهاند نقش دارد. تونوپلاست با انتقال یونهای هیدروژن از سیتوپلاسم به واکوئل به ایجاد این محیط اسیدی کمک میکند. pH پایین این محیط، باعث فعال شدن آنزیمهایی تجزیه کننده ماکرومولکولهای زیستی میشود.
- سم زدایی: واکوئلها مواد سمی سیتوزول مانند فلزات سنگین و سموم جذب شده را از محیط سلول خارج و در خود ذخیره و تجزیه میکنند.
- محافظت از گیاه: بعضی از واكوئلها با ذخیره و ترشح سموم یا ترکیبات بد طعم در محافظت از گیاه مقابل گیاهخواران نقش دارند.
- جوانه زنی بذر: واکوئل سلول گیاهی، منبع غذایی بذرها در طول جوانه زنی است. آنها کربوهیدرات، پروتئین و چربیهای لازم برای رشد را ذخیره میکند.
کلروپلاست
کلروپلاست اندامکی برای تولید انرژی است که در گیاهان و برخی از جلبکها یافت میشود. این اندامک با استفاده از آب، دیاکسیدکربن و انرژی نور فرآیند فتوسنتز را انجام میدهد و ترکیبات لازم برای تغذیه، تولید انرژی و رشد و تکثیر گیاه را تولید میکند. در برخی سلولهای گیاهی صدها کلروپلاست وجود دارد که اندامکهایی به شکل دیسک هستند و توسط غشای دوتایی احاطه شدهاند.
غشای خارجی کلروپلاست نسبت به مولکولهای کوچک نفوذپذیر است اما غشای داخلی که درست زیر غشای خارجی قرار گرفته، نفوذپذیری کمتری دارد. بین غشای خارجی و غشای داخلی، یک فضای بین غشایی نازک با حدود 10 تا 20 نانومتر ضخامت دیده میشود. مرکز کلروپلاست توسط غشا دوتایی محصور شده و دارای یک ماتریس سیال به نام استروما (سیتوپلاسمِ کلروپلاست) است.
داخل استروما تعداد فراوانی ساختارهایی به نام «تیلاکوئید» (Thylakoid) وجود دارد که شبیه دیسکهای مسطح هستند. تیلاکوئیدها در دستههایی به نام گراند روی هم قرار میگیرند و سرشار از کلروفیل و رنگدانههای دیگری مانند کاروتنوئیدها هستند که انرژی نور خورشید را برای فتوسنتز به دام میاندازند. رنگ گیاه به مقدار این رنگدانهها نسبت به یکدیگر بستگی دارد.
تقسیم میتوز در گیاهان چگونه است؟
تقسیم میتوز در گیاهان مشابه جانوران است اما دو تفاوت عمده آنها شامل عدم وجود سانتریول و نوع تقسیم سیتوپلاسم است. در گیاهان پیشرفته، میکروتوبولهای تشکیل شده از توبولین ویژه (گاما توبولین)، در نواحی خاصی از اطراف هسته سلول، پراکنده میشوند و بدون وجود سانتریول قادر به تقسیم کروموزومها هستند.
در سلولهای گیاهی و سایر انواع سلولهایی که دیواره سلولی دارند، هنگام سیتوکینز یا همان تقسیم سیتوپلاسم، حلقه انقباضی تشکیل نمیشود بلکه با تجمع وزیکولهای دستگاه گلژی و به هم پیوستن آنها، ساختاری به نام صفحه سلولی در محل تشکیل دیواره جدید، به وجود میآید. این وزیکولها حاوی پیشسازهای لازم برای تشکیل تیغه میانی و دیواره سلولی هستند.
انواع سلول و بافت گیاهی
سلولهای گیاهی از سلولهای مریستمی تمایز نیافته (مشابه سلولهای بنیادی در جانوران) متمایز میشوند و گروههای اصلی سلولها و بافتهای ریشه، ساقه، برگ، گل و ساختارهای تولید مثلی که هریک ممکن است از چندین نوع سلول تشکیل شده باشند را به وجود میآورند. سلولهای مختلف در گیاه، در کنار یکدیگر بافت را تشکیل میدهند. گیاهان دارای ۳ نوع بافت اصلی درم، بافت زمینهای و بافت آوندی هستند.
سلولهای پارانشیمی
«سلولهای پارانشیمی» (Parenchyma Cells) به طور معمول با عنوان عمومی سلولهای گیاهی شناخته میشوند چون به اندازه سایر سلولها اختصاصی نیستند. سلولهای پارانشیمی دارای دیواره سلولی نازک هستند که در لایه درم و لایه زمینهای گیاه یافت میشوند. این سلولها به سنتز و ذخیره مواد ارگانیک (مواد آلی) که در گیاه تولید میشوند کمک میکنند.
بافت میانی برگها به نام مزوفیل، از سلولهای پارانشیم تشکیل شده و حاوی کلروپلاستهای گیاهی است. مواد مغذی اضافی که غالباً به شکل دانههای نشاسته هستند نیز در این سلولها ذخیره میشوند.
سلولهای پارانشیمی نه تنها در برگهای گیاه، بلکه در لایههای بیرونی و داخلی ساقه و ریشه نیز وجود دارند. آنها بین آوند چوبی و آوند آبکشی قرار گرفتهاند و به تبادل آب، مواد معدنی و مواد مغذی کمک میکنند. سلولهای پارانشیم، از اجزای اصلی بافت زمینهای گیاه و بافت نرم میوهها هستند.
بافت کلانشیمی
عملکرد «سلولهای کلانشیمی» (Collenchyma Cells) به ویژه در گیاهان جوان، پشتیبانی از ساختار گیاه است، بدون اینکه رشد آن را محدود کنند. سلولهای کلانشیمی در قشر (لایه بین اپیدرم و بافت آوندی) ساقهها و در امتداد رگبرگها وجود دارند.
شکل این سلولها کشیده است و دارای دیوارههای سلولی اولیه و ضخیمی هستند که از پلیمرهای سلولز و پکتین تشکیل شدهاند. به دلیل عدم وجود دیواره سلولی ثانویه و ماده سختکننده در دیواره سلولی اولیه این سلولها، میتوانند ضمن حفظ انعطافپذیری، نقش ساختاری نیز داشته باشند.
بافت اسکلرانشیمی
«بافت اسکلرانشیم» (Sclerenchyma Cells) نیز عملکرد پشتیبانی از ساختار گیاه را بر عهده دارند اما بر خلاف سلولهای کلانشیمی، دیوارههای سلولی اسکلرانشیمی سخت و محکم است. این سلولها دیوارههای سلولی ثانویه ضخیمی دارند و پس از بلوغ میمیرند. دو نوع سلول اسکلرانشیم وجود دارد:
- «اسکلریدها» (Sclerids): دارای اندازه و شکلهای متنوعی هستند و بیشتر حجم این سلولها توسط دیواره سلولی اشغال شده است. اسکلریدها بسیار سخت هستند و پوسته سختِ هسته و دانه گیاهان را تشکیل میدهند.
- «فیبرها» (Fibers): سلولهای کشیده و باریکی با ظاهری رشتهای شکل، قوی و انعطافپذیر هستند و در ساقهها، ریشهها و دیواره میوهها و رگبرگها دیده میشوند.
آوند چوبی و فلوئم
سلولهای رسانای آب در آوند چوبی، عملکرد پشتیبانکننده در گیاهان دارند. «آوند چوبی» (Xylem) دارای یک ترکیب سختکننده است که قدرت محافظت، حفظ ساختار و انتقال مواد را به آن میدهد که عملکرد اصلی آوند چوبی است. دو نوع یاخته تو خالی و کشیده به نام تراکئیدها و عناصر آوندی، آوند چوبی را ایجاد میکنند که در ادامه آنها را توضیح دادهایم.
تراکئیدها
«تراکئیدها» (Tracheids) سلولهای دراز و دوکی شکل با انتهای مخروطی و دارای دیواره سلولی سخت ثانویه هستند و در انتقال آب نقش دارند. دهانه این سلولها نسبت به عناصر آوندی باریکتر و طول آها تقریباً چند برابر یک عنصر آوندی است.
عناصر آوندی
«عناصر آوندی» (Vessel Elements) شبیه لولههایی با انتهای باز هستند که با از بین رفتن دیوارههای عرضی، انتهای آنها به هم چسبیده و اجازه انتقال آب را فراهم کرده است. جیمنوسپرمها و گیاهان آونددار بدون دانه، فقط عناصر آوندی دارند، در حالی که آنژیوسپرمها حاوی هر دو نوع عناصر آوندی و تراکوئیدها هستند. گیاهان آونددار همچنین نوع دیگری از بافت انتقالی به نام «فلوئم» (Phloem) دارند.
عناصر لولهای غربالی، سلولهای انتقالی در فلوئم هستند که مواد آلی مانند گلوکز را به سراسر گیاه منتقل میکنند. تعداد اندک اندامک در این سلولها، باعث تسهیل عبور مواد مغذی میشود. از آنجا که عناصر لوله غربال فاقد اندامکهایی همچون ریبوزوم و واکوئل هستند، سلولهای پارانشیم تخصص یافتهای به نام سلولهای همراه، باید عملکردهای متابولیکی مورد نیاز را برای عناصر لوله غربال انجام دهند.
اپیدرم
«اپیدرم» (Epidermis)، یک بافت تخصصی و تشکیل شده از سلولهای پارانشیم است که سطوح خارجی برگها، ساقهها و ریشهها را میپوشاند. چندین نوع سلول میتوانند در اپیدرم وجود داشته باشند. سلولهای محافظ روزنه، میزان تبادل گاز بین گیاه و هوا و «کرکها» (Trichomes) در سطح برگ، ساقه و ریشههای اولیه را کنترل میکنند. در اپیدرم اکثر گیاهان فقط سلولهای محافظ دارای کلروپلاست هستند.
سلولهای اپیدرم اندامهای هوایی از لایه سطحی سلولهایی موسوم به تونیکا به وجود میآیند که رأس شاخه گیاه را پوشش میدهد، در حالی که قشر و بافتهای آوندی از درونیترین لایه رأس شاخه به وجود میآیند که به عنوان «جسم» (Corpus) شناخته میشود. اپیدرم ریشه از لایه سلولهای بلافاصله زیر کلاهک ریشه نشأت میگیرد.
اپیدرم تمام اندامهای هوایی به جز ریشهها، با کوتیکول ساخته شده از کوستین پلیاستر یا پلیمرکوتان یا هر دو همراه با یک لایه سطحی از مومهای اپیکتیکولار پوشانده شدهاند. تصور میشود که سلولهای اپیدرمی انشعابات اولیه در گیاه، تنها سلولهای گیاهی با ظرفیت بیوشیمیایی لازم برای سنتز «کوتین» باشند.