บทที่ 1 เซลล์ของพืชและอวัยวะภายในเซลล์

บทที่ 1

เซลล์ของพืชและอวัยวะภายในเซลล์

1. ผนังเซลล์

2. เยื่อหุ้มเซลล

3. พลาสติด

4. ไมโตคอนเดรีย

5. นิวเคลียส

6. เอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัม

7. กอลไจ แอพพาราตัส

8. ไมโครบอดี้ส์

9. ไรโบโซม

10. ไมโครทิวบูลส์

11. แวคคิวโอ

         

เซลล์ คือโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต เช่นเดียวกับโมเลกุลเป็นหน่วยพื้นฐานของ      สารเคมี  สามารถแบ่งเซลล์พืชเป็น 2 ส่วนใหญ่ ๆ คือผนังเซลล์(Cell wall) และโปรโตพลาสต์ (Protoplast) ซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียส (Nucleus) และไซโตพลาสต์ (Cytoplasm) ภายใน            ไซโตพลาสต์มีอวัยวะภายในเซลล์หลายชนิด (Cell organelles) และเซลล์พืชที่เจริญเต็มที่แล้วมักมีแวคคิวโอ (Vacuole) ใหญ่ ขนาดและรูปร่างของผนังเซลล์จะแตกต่างกันไปตามชนิดและหน้าที่ของเซลล์นั้น

ส่วนประกอบทางเคมีที่สำคัญของเซลล์  คือ น้ำประมาณ 80-95 เปอร์เซ็นต์ของ   น้ำหนักสดที่เหลือเป็นโปรตีน  กรดนิวคลีอิค  (Nucleic  acid)  โพลีแซคคาไรด์ (Polysaccharides) และไขมัน ซึ่งมีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบมากที่สุด  นอกจากนั้นมีธาตุไฮโดรเจน    ออกซิเจน   ไนโตรเจน  ฟอสฟอรัส   กำมะถัน   โปแตสเซียม  แมกนีเซียม และคลอรีน เป็นต้น สามารถแบ่งเซลล์พืชเป็นกลุ่มใหญ่ ๆ ได้ 2 กลุ่มคือ

1.   กลุ่มของเซลล์ที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเมตาบอลิสม์ของพืช

2.   กลุ่มของเซลล์ที่มีหน้าที่เป็นส่วนค้ำจุนหรือเป็นท่อให้สารต่าง ๆ ไหลผ่าน  กลุ่มนี้มักเป็นเซลล์ที่ตายแล้ว

ในบทนี้จะกล่าวถึงกลุ่มเซลล์กลุ่มแรกเท่านั้น  เพราะเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่สำคัญทางสรีรวิทยาของพืช      โดยทั่วไปเซลล์พืชจะประกอบด้วยผนังเซลล์และ    โปรโตพลาสต์ (Cell Wall และ Protoplasm) เซลล์ที่เรียงกันเป็นเนื้อเยื่อนั้น อาจจะเรียงกันอย่างหลวม ๆ ทำให้มีส่วนช่องว่างระหว่างเซลล์(Intercellular  Space) เกิดขึ้น แต่ในกรณีของเนื้อเยื่อเจริญ (Meristem) เซลล์จะเรียงกันเบียดชิดมาก  ไม่เกิดช่องว่างระหว่างเซลล์  ช่องว่างเหล่านี้มักจะต่อไปจนถึงปากใบของพืช  ทำให้อากาศผ่านปากใบ  และต่อเนื่องไปยังเซลล์ต่าง ๆ ได้ทั้งระบบ  ทำให้แต่ละเซลล์ได้รับออกซิเจน  และคาร์บอนไดออกไซด์เพียงพอ

พลาสโมเดสมาตา  (Plasmodesmata) เป็นช่องทางที่เชื่อมต่อระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน การปรากฏของพลาสโมเดสมาตาและช่องว่างระหว่างเซลล์ ทำให้ระบบของพืชประกอบด้วยส่วนประกอบใหญ่ ๆ สองส่วน คือ

1. ซิมพลาสต์ (Symplast) ซึ่งเป็นส่วนของพืชที่ประกอบด้วย  ส่วนที่มีชีวิตเป็นส่วนที่อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ (Cell Membrane) หรือส่วนของโปรโตพลาสต์ทั้งหมด

2. อะโพพลาสต์ (Apoplast) เป็นส่วนที่ไม่มีชีวิตของพืช  อยู่ข้างนอกเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น ส่วนของผนังเซลล์ ช่องว่างระหว่างเซลล์ ลูเมน (Lumen)และท่อน้ำท่ออาหาร (Xylem และ Phloem)

ส่วนประกอบและอวัยวะภายในเซลล์พืช

 

1. ผนังเซลล์ (Cell Wall)  เป็นส่วนที่อยู่ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยคาร์โบไฮเดรตเป็นจำนวนมาก     เมื่อสร้างใหม่ ๆ ผนังเซลล์จะมีลักษณะบาง  ต่อมาจะหนาขึ้นเพราะมีการสะสมสารต่าง ๆ โดยชั้นใหม่ที่เกิดจะติดกับส่วนของเยื่อหุ้มเซลล์    ทำให้ชั้นเก่าถูกดันห่างออกจากโปรโตพลาสต์ ชั้นใหม่นี้เรียกว่าผนังเซลล์ชั้นที่สอง(Secondary  Cell Wall) ซึ่งจะมีความหนาไม่เท่ากันตลอด  ทำให้เกิดลักษณะที่เป็นรูเปิด  เพื่อให้สารต่าง ๆ เคลื่อนผ่านได้เรียกว่า พิท (Pit)      ผนังเซลล์มีส่วนประกอบทางเคมีที่สำคัญ คือ

1.1. ไมโครไฟบริลลา โพลีแซคคาไรด์  (Microfibrillar Polysaccharides)  ซึ่งกลุ่มที่พบมากที่สุด  คือ เซลลูโลส (Cellulose)  และไคติน (Chitin)

1.1.1. เซลลูโลส    เป็นลูกโซ่ของ ดี-กลูโคส (D-glucose) ซึ่งเรียงตัวเกาะกันแบบ b-1,4-glycosidic bond ซึ่งมีความยาวต่างกันไป      แต่โดยปกติจะมีกลูโคสอยู่ประมาณ 2,000-14,000 หน่วย   ยาวประมาณ 1-7 mm และจับกับลูกโซ่ข้างเคียงด้วยแขนแบบไฮโดรเจน(Hydrogen bond)   ทำให้เกิดเป็นลักษณะที่เรียกว่า ไฟบริล (Fibrils)  ซึ่งหนาไม่เกิน 250^o A และยาวหลายไมโครเมตร แต่ละไฟบริลจะเรียงต่อกันด้วยไฮโดรเจนบอนด์ ซึ่งทำให้เกิดการติดกันขึ้นมา เซลลูโลสจะฝังตัวอยู่ในของเหลวที่มีรูปร่างไม่แน่นอนเรียกแมทริกซ์  โพลีแซคคาไรด์     ส่วนของไฟบริลจะทนต่อการเข้าทำลายของเชื้อจุลินทรีย์และสารเคมี   ผนังเซลล์จึงมีหน้าที่ป้องกันอันตรายและเพิ่มความแข็งแรงให้กับเซลล์ พืชในพืชชั้นต่ำที่มีเซลลูโลสน้อย เช่น เชื้อราจะมีไคติน (Chitin) ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

1.1.2. ไคติน   เป็นส่วนประกอบที่พบมากในผนังเซลล์ของเชื้อรา และเป็นส่วนประกอบของสัตว์ที่ไม่มีกระดูกสันหลัง โมเลกุลของไคตินจะเรียงต่อกันยาว โดยไม่แตกสาขา สารประกอบทางเคมีเป็นพวก N-acetyl-D-glucosamine โดยเกาะกันแบบ b-1,4-glycosidic bond     ทำให้เกิดเป็นไฟบริลเช่นเดียวกับเซลลูโลส

1.2.  แมทริกซ์ โพลีแซคคาไรด์ (Matrix Polysaccharides)     ส่วนนี้จะประกอบด้วย 2 ส่วนใหญ่ ๆ คือ เฮมิเซลลูโลส (Hemicellulose) และเพคติน (Pectin) ซึ่งแยกออกจากกันโดยคุณสมบัติในการละลายน้ำเพราะเพคตินนั้นสามารถแยกได้โดยการต้มกับน้ำเป็นเวลานาน แต่เฮมิเซลลูโลสนั้นต้องแยกโดยใช้โปแตสเซียมไฮดรอกไซด์ แมทริกซ์ โพลีแซคคาไรด์มีลักษณะเป็นของเหลวที่มีรูปร่างไม่แน่นอน ทำหน้าที่หุ้มห่อส่วนของไมโครไฟบริลลา โพลีแซคคาไรด์

1.2.1. เฮมิเซลลูโลส    ชื่อของเฮมิเซลลูโลสนั้นใช้เรียกเมื่อพบโพลีแซคคาไรด์ชนิดนี้ใหม่ ๆ ซึ่งเข้าใจว่าเป็นสารเริ่มต้นที่จะทำให้เกิดเซลลูโลส                ซึ่งในปัจจุบันพบว่าไม่จริงเฮมิเซลลูโลสประกอบด้วย  ไซแลนซ์  (Xylans)   ซึ่งมีน้ำตาลไซโลส (Xylose) แมนแนน (Mannans) ซึ่งมีน้ำตาลแมนโนส (Mannose) และกาแลกแตน (Galactans) ซึ่งประกอบด้วยน้ำตาลกาแลคโตส (Galactose)

นอกจากนั้นยังมีกลูโคแมนแนน ซึ่งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสและน้ำตาลแมนโนส ไซโลกลูแคน ประกอบด้วยน้ำตาลไซโลสและน้ำตาลกลูโคส และแคลโลส (Callose)    จัดเป็น เฮมิเซลลูโลสซึ่งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสที่เกาะกันแบบ   b-1,3-glycosidic bond ซึ่งจะพบบริเวณปลายเซลล์ของท่ออาหาร (Sieve tubes)

1.2.2. เพคติน  ทำหน้าที่เชื่อมให้เซลลูโลสติดกัน    เป็นส่วนประกอบที่มีมากในส่วนมิดเดิลลาเมลลา (Middle lamella)  นอกจากนั้นเพคตินยังเกิดในน้ำผลไม้ต่าง ๆ  สารเคมีที่พบในเพคตินคือกรดแอลฟา ดี กาแลคตูโรนิค (µ-D-galacturonic acid) อะราบิแนนส์ (Arabinans)และกาแลคแตนส์ (Galactans)

1.3. ลิกนิน (Lignins)     การเกิดลิกนินในพืชมักจะควบคู่ไปกับเนื้อเยื่อที่ทำหน้าที่ค้ำจุน และท่อน้ำท่ออาหาร จะพบในผนังเซลล์ทุติยภูมิ ซึ่งตายแล้ว การเกิดลิกนินทำให้เซลล์แข็งแรง ทำให้ไฟบริลไม่เคลื่อนที่และป้องกันอันตรายให้ไฟบริลด้วย อาจจะพบลิกนินในเนื้อผลไม้บางชนิด เช่น ฝรั่งและละมุด ลิกนินประกอบด้วยสารเคมีที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง พวกฟีโนลิคส์ (Phenolics) ลิกนินทำให้เซลล์เกิดความแข็งแรงมากขึ้นและต้านทานต่อสารเคมีและการกระทบกระแทกต่างๆ

1.4. โปรตีน   ในการพบโปรตีนในผนังเซลล์นั้นระยะแรกเข้าใจว่าเกิดจากการปนเปื้อนมาจากส่วนของไซโตพลาสต์ (Cytoplasm)   แต่ในปัจจุบันได้มีการสรุปแน่ชัดแล้วว่า ในเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโตจะมีโปรตีนในผนังเซลล์ ประมาณ 5-10 เปอร์เซ็นต์   ซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์พวกไฮโดรเลส (Hydrolases) กลูคาเนส (Glucanase) เพคติน เมทธิลเอสเตอเรส (Pectin Methylesterase) และเอทีพีเอส (ATPase)  เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีโปรตีนที่เป็นโครงสร้างเป็นพวกไกลโคโปรตีน (Glycoprotein)  ซึ่งประกอบด้วยไฮดรอกซีโพรลีนเป็นส่วนใหญ่   (Hydroxyproline)   โดยเกาะกับโพลีแซคคาไรด์แบบ Non Covalent bond

1.5. น้ำ เป็นส่วนประกอบที่พบในส่วนของเพคตินที่มีลักษณะเป็นวุ้น  (Gel) และยังทำหน้าที่ลดปริมาณของไฮโดรเจนบอนด์ที่เกาะกันระหว่างไฟบริลและเฮมิเซลลูโลส ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปริมาณน้ำจะทำให้การติดกันของไฟบริลกับเฮมิเซลลูโลสเปลี่ยนไปและน้ำยังเป็นตัวทำละลายสารเคมีในผนังเซลล์ด้วย     โดยเฉพาะขณะที่เซลล์ขยายตัว

1.6. ส่วนที่หุ้มห่อภายนอก (Incrusting Substances)    สิ่งที่หุ้มห่อข้างนอกของผนังเซลล์ของเซลล์ผิว(Epidermis) จะเป็นสารพวกคิวติเคิล (Cuticle) เพื่อช่วยลดการสูญเสียน้ำ หรือรับน้ำเพิ่มมากขึ้นและยังป้องกันอันตรายจากสารเคมีและเชื้อจุลินทรีย์ได้ด้วย     นอกจากนั้นยังมีสารประกอบอนินทรีย์บางชนิดพบในผนังเซลล์ของพืชบางชนิด   สารเหล่านี้ เช่น แคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมซิลิเกต เป็นต้น

 

สามารถแบ่งผนังเซลล์ออกได้ เป็น 3 ชนิด ด้วยกันคือ

1. ผนังเซลล์ชั้นที่หนึ่งหรือผนังเซลล์ปฐมภูมิ (Primary Cell Wall) เกิดขึ้นหลังจากที่เซลล์หยุดการขยายตัวแล้ว จะทำหน้าที่หุ้มห่อเยื่อหุ้มเซลล์อยู่อีกทีหนึ่ง

2. ผนังเซลล์ชั้นที่สองหรือผนังเซลล์ทุติยภูมิ (Secondary Cell Wall) คือผนังเซลล์ที่อยู่ระหว่างผนังชั้นที่หนึ่ง และเยื่อหุ้มเซลล์ ประกอบด้วยเซลลูโลสและลิกนินเป็นส่วนใหญ่

3. มิดเดิลลาเมลลา คือ    ส่วนที่เป็นผนังร่วมของเซลล์สองเซลล์ที่อยู่ติดกันเป็นส่วนของผนังเซลล์ที่เกิดขึ้นในขณะที่เซลล์แบ่งเป็นสองเซลล์ ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมเซลล์สองเซลล์ให้ติดกัน ประกอบด้วยสารเพคติน

 

2. เยื่อหุ้มเซลล์ (Cell  Membrane) เป็นส่วนของเซลล์ที่หุ้มห่ออวัยวะต่าง ๆ ไว้ภายใน ทำหน้าที่ในการควบคุมการไหลผ่านของสารละลาย  โดยมีคุณสมบัติในการเลือกสารให้ผ่านเข้าออก (Selective  Permeability)        จากการศึกษาทางกล้องจุลทรรศน์อีเลคตรอน พบว่า เยื่อหุ้มเซลล์จะหนาประมาณ 75-100 ํAประกอบด้วยชั้นของโปรตีนและไขมัน  3  ชั้น รวมเรียกว่า Unit Membrane  ซึ่งโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์นี้เรียกว่า Fluid Mosaic Model เนื่องจากมีลักษณะไม่สม่ำเสมอ  โครงสร้างนี้ประกอบด้วยชั้นของไขมัน 2 ชั้น   ไขมันเหล่านี้เป็น ฟอสโพลิพิท ไกลโคลิพิท และสเตอรอล (Phospholipid,Glycolipid และSterol)  ไขมันดังกล่าวจะมีส่วนที่เป็นไฮโดรโฟบิก (Hydrophobic)  หันเข้าหากันภายใน และส่วนที่เป็นไฮโดรฟิลิกอยู่ข้างนอก (Hydrophilic) ไขมันจึงมีลักษณะเป็นสองชั้น (Bilayer)  ไขมันจะเป็นทางผ่านของไขมันและสารที่ละลายในไขมัน

ส่วนโปรตีนที่อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์แบ่งเป็นสองชนิด     คือ   เพอริเฟอรัล (Peripheral) และอินตริกัล (Intrigal) และเนื่องจากโปรตีนชนิดเพอริเฟอรัลจะถูกกำจัดออกจากเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยใช้สารละลายของเกลือแกง เข้มข้น 1 โมลาร์ ดังนั้นจึงเข้าใจว่าโปรตีนชนิดนี้อยู่รอบ ๆ  ชั้นของไขมัน  ส่วนโปรตีนอินตริกัลจะอยู่ภายในชั้นของไขมัน โดยอาจจะฝังอยู่เพียงครึ่งหนึ่งของชั้นไขมัน หรือตลอดชั้นของไขมันก็ได้  โปรตีนจะช่วยให้เยื่อหุ้มเซลล์คงรูปอยู่ได้ และเป็นทางผ่านของน้ำและสารละลายในน้ำ

เยื่อหุ้มเซลล์จะมีคุณสมบัติพิเศษที่แต่ละข้างของเยื่อหุ้มเซลล์ จะมีคุณสมบัติต่างกันเพราะมีโปรตีนต่างชนิดกัน และเยื่อหุ้ม (membrane) ของอวัยวะภายในเซลล์ชนิดเดียวกันจะเกิดการรวมกันได้ เช่น ไมโตคอนเดรีย (Mitochondria)  2  หน่วยจะรวมกันได้ แวคคิวโอ  (Vacuole) 2 หน่วยก็จะรวมกันได้ เป็นต้น  การรวมกันได้นี้เกิดจากการที่โปรตีนของเยื่อหุ้มอวัยวะ แต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติเหมือนกัน

เยื่อหุ้มเซลล์  เป็นโครงสร้างที่ไม่หยุดนิ่ง สามารถเคลื่อนที่ได้  โดยจะมีการเคลื่อนที่ได้ดีในแนวระนาบ  (Lateral  Diffusion)    ส่วนการเคลื่อนที่ตามแนวตั้ง (Transverse Diffusion) จะเกิดได้ช้าและน้อย

 

3. พลาสติด (Plastid) พลาสติดเป็นอวัยวะภายในเซลล์พืช     ซึ่งแบ่งออกเป็นหลายชนิด เช่น คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) เป็นพลาสติดซึ่งมีรงควัตถุสีเขียว ซึ่งเรียกว่า คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll) โครโมพลาสต์ (Chromoplast) มีรงควัตถุสีเหลือง ส้ม และแดง ซึ่งเรียกว่า คาร์โรทีนอยส์(Carotenoids) และอะมัยโลพลาสต์ (Amyloplast) ทำหน้าที่สะสมแป้ง เป็นต้น

3.1. คลอโรพลาสต์ เป็นอวัยวะภายในเซลล์พืชที่มีขนาดใหญ่  มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 5-10 mm พบมากในเซลล์ของเนื้อเยื่อชั้นพาลิเสด(Palisade) และ   สปอนจี (Spongy)  ของใบพืช โดยพบประมาณ  300-400  หน่วยในพาลิเสดและ 200-300  หน่วยในสปอนจี นอกจากนั้นยังพบในเซลล์คุม(Guard  cell)  และเซลล์ผิว (Epidermis) นอกจากนั้นยังพบในเซลล์ที่มีสีเขียวอื่น ๆ แต่ไม่พบในเนื้อเยื่อเจริญเพราะในเนื้อเยื่อเจริญจะพบโปรพลาสติด(Proplastid) ซึ่งมีขนาดเล็กและไม่มีสีหรือสีเขียวอ่อน ๆ ซึ่งต่อไปจะเจริญเป็นพลาสติดชนิดต่าง ๆ คลอโรพลาสต์ประกอบด้วยเยื่อหุ้ม 2 ชั้น คือ ชั้นนอก (Outer membrane) และเยื่อหุ้มชั้นใน (Inner membrane) ลักษณะภายในของคลอโรพลาสต์จะมีโครงสร้างที่เรียกรวม ๆ ว่า คลอโรพลาสต์        ลาเมลลา(Chloroplast lamella)  ซึ่งจมอยู่ในของเหลวที่เป็นโปรตีนเรียกว่า สโตรมา (Stroma) หน่วยย่อยของโครงสร้างภายในเป็นถุงล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มชั้นเดียวเรียกว่า ไธลาคอยด์ซึ่งเป็นถุงแบน ๆ เกิดจากการขดตัวของเยื่อหุ้มชั้นใน  (Invagination)  แล้วหลุดออกไป  ไธลาคอยด์จะซ้อนกันเกิดเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า กรานา (Grana)โดยทั่วไป 1 กรานาประกอบด้วยไธลาคอยด์ 10-100 หน่วย และในแต่ละคลอโรพลาสต์มีกรานา 40-60 หน่วย แต่ละกรานาจะต่อเชื่อมโยงกันด้วยเยื่อหุ้ม        ชั้นเดียวเรียกว่า เฟรต (Fret) ไธลาคอยด์มี 2 ขนาด   ขนาดใหญ่เรียกว่า สโตรมาไธลาคอยด์ (Stroma thylakoids)  และขนาดเล็กเรียกว่า  กรานาไธลาคอยด์ (Grana thylakoids)  บริเวณกรานาจะมีรงควัตถุคลอโรฟิลล์       เอนไซม์ ATPsynthase และโครงสร้างขนาดเล็กประมาณ    100-200 ํA ฝังอยู่ที่เยื่อหุ้มของกรานาเรียก Elementary particle      ซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้าย     อีเลคตรอนในการสังเคราะห์แสง ภายในสโตรมาจะพบเม็ดแป้งและเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสง

คลอโรพลาสต์มีหน้าที่ในการสังเคราะห์แสงโดยมีการสร้างคาร์โบไฮเดรตในสโตรมา และสร้าง ATP และ NADPH ในไธลาคอยส์  คลอโรพลาสต์เป็นอวัยวะภายในเซลล์ที่มี DNAและ RNA ดังนั้นการสร้างโปรตีนจึงเกิดได้เองในอวัยวะส่วนนี้  นอกจากนั้นยังมีไรโบโซม แต่มีขนาดเล็กกว่าไรโบโซม (Ribosome) ของเซลล์

3.2. โครโมพลาสต์ (Chromoplast)  เป็นพลาสติดที่มีรงควัตถุสีเหลือง ส้มและแดง ซึ่งเป็นพวก Carotenoids ปรากฏอยู่ในดอกทำให้เกิดสีดึงดูดแมลง ผลและราก เป็นต้น   โครโมพลาสต์สามารถเกิดจากคลอโรพลาสต์ได้เมื่อคลอโรพลาสต์ได้รับเอทธิลีนหรือ ABA และโครโมพลาสต์   อาจจะกลับคืนเป็นคลอโรพลาสต์ได้ในกรณีที่โครโมพลาสต์ได้รับจิบเบอเรลริล หรือไซโตไคนิน (Gibberellins หรือ Cytokinins)

3.3. อะมัยโลพลาสต์ (Amyloplast)        เป็นพลาสติดที่ทำหน้าที่เก็บสะสมอาหารพวกคาร์โบไฮเดรต พบมากในส่วนที่สะสมอาหาร เช่น  ใบเลี้ยงและเอนโดสเปิร์ม (Endosperm) และพืชหัวต่าง ๆ เป็นอวัยวะที่ล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้ม 2 ชั้น นอกจากทำหน้าที่สะสมอาหารแล้ว ยังเกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลกด้วย

3.4. อีธิโอพลาสต์ (Etioplast)  เป็นพลาสติดที่พัฒนาขึ้นมาโดยไม่ได้รับแสงพบในพืชที่สีขาวซีดและในใบเลี้ยงของเมล็ดที่งอกก่อนที่จะได้รับแสง  อีธิโอพลาสต์จัดเป็นระยะหนึ่งของการพัฒนาของพลาสติด เพื่อจะกลายเป็นคลอโรพลาสต์ต่อไป       ภายในอวัยวะชนิดนี้จะมีรงควัตถุ คาร์โรทีนอยส์อยู่เล็กน้อยและมีโครงสร้างที่เรียกว่าโปรลาเมลลา บอดีส์ (Prolamella Bodies) อยู่ประมาณ 1-4 หน่วย  เมื่อได้รับแสงอีธิโอพลาสต์จะเปลี่ยนไปเป็นคลอโรพลาสต์

 

4. ไมโตคอนเดรีย (Mitochondria)

ไมโตคอนเดรียเป็นอวัยวะที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้อย่างรวดเร็ว  และสามารถแบ่งตัวได้ด้วยทำให้ประเมินขนาดและรูปร่างได้ยาก แต่โดยทั่วไปมักมีรูปร่างเป็นแท่งและมีขนาดเฉลี่ยยาว 3-5 mm และกว้าง 0.5-1.0 mm และมีจำนวนตั้งแต่ 20-10⁵ หน่วยต่อเซลล์ ไมโตคอนเดรียประกอบด้วยเยื่อหุ้ม 2 ชั้น โดยที่เยื่อหุ้มชั้นนอก (Outer membrane) มีลักษณะหนากว่าเยื่อหุ้มชั้นใน (Inner membrane)  เยื่อหุ้มทั้งสองชั้นแยกออกจากกันโดยความกว้าง  60-100 ํA  เยื่อหุ้มชั้นในจะขดตัว(Invagination)  เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวให้มากขึ้น  การขดตัวทำให้เยื่อหุ้มชั้นในพับเป็นแท่งขึ้นมาเรียกว่าซิสตี (Cristae) ซึ่งปริมาณการขดตัวนี้จะขึ้นอยู่กับกิจกรรมของไมโตคอน-      เดรีย  ถ้ามีมากก็จะมีซิสตีมากไปด้วย ภายในไมโตคอนเดรียมีของเหลวเรียกว่า แมททริกซ์ (Matrix)     ซึ่งประกอบด้วยโปรตีนและไขมัน ซึ่งมีความหนาแน่นและเข้มข้นต่าง ๆ กันไป ภายในแมททริกซ์มีไรโบโซม (Ribosome) และ DNA อยู่ ไมโตคอนเดรียจึงสามารถสร้างโปรตีนได้เองที่เยื่อหุ้มชั้นในจะมีโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอีเลคตรอน และกระบวนการ Oxidative Phosphorylation และมีโครงสร้างที่เรียกว่า Elementary particle  ฝังตัวอยู่ทำหน้าที่สร้างATPsynthase เพราะมีเอนไซม์ ATPase อยู่ภายใน

ในการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส (Mitosis)  ของเนื้อเยื่อเจริญนั้นพบว่าเซลล์ที่เกิดใหม่จะมีปริมาณไมโตคอนเดรียเพิ่มมากขึ้น      ซึ่งการเพิ่มนี้เกิดจากไมโตคอนเดรียสามารถแบ่งตัวได้เป็นอิสระจากการแบ่งนิวเคลียสเพราะมี DNA เป็นของตัวเอง

 

5. นิวเคลียส (Nucleus) เป็นอวัยวะที่มีขนาดใหญ่โดยจะมีขนาดตั้งแต่ 2 ไมโครเมตร ในยีสต์ จนถึง 8 ไมโครเมตรในพืชชั้นสูง        ในเนื้อเยื่อเจริญนิวเคลียสจะกลมมีขนาดใหญ่มากอาจมีเนื้อที่   75 เปอร์เซ็นต์ของเซลล์      ต่อมาเมื่อเซลล์โตขึ้น นิวเคลียสจะแบนลงและอาจเลื่อนไปติดกับผนังเซลล์    นิวเคลียสล้อมรอบโดยเยื่อหุ้ม 2 ชั้น     เยื่อหุ้มนิวเคลียสจะมีรูประมาณ  8 เปอร์เซ็นต์ของพื้นที่ทั้งหมด    เยื่อหุ้มชั้นนอกและชั้นในของนิวเคลียสจะมารวมกันที่บริเวณรูนี้      รูเหล่านี้มีหน้าที่ให้สารต่าง ๆ ผ่านระหว่างไซโตพลาสต์ และนิวเคลียส    ซึ่งได้แก่สารที่เป็นต้นกำเนิดของ DNA และ RNA รวมทั้งฮีสโตน (Histones) และโปรตีนในไรโบโซม (Ribosomal Proteins)      ส่วนสารที่ออกมาได้แก่ RNA (mRNA และ tRNA) และ ไรโบโซม (Ribosomal subunits)

ส่วนของเยื่อหุ้มนิวเคลียส  บางส่วนจะติดอยู่กับเอนโดพลาสมิค  เรตติคิวลัมภายในเยื่อหุ้มจะมีนิวคลีโอพลาสต์  (Nucleoplast)    ซึ่งมีโครโมโซมและนิวคลีโอลัส (Chromosome และ Nucleolus) ฝังตัวอยู่ภายใน ซึ่งในขณะที่เซลล์ไม่มีการแบ่ง จะมองเห็นโครโมโซมไม่ชัดเจนและมีลักษณะยาวเรียกว่าโครมาติน(Chromatin) บนโครโมโซมจะมีข้อมูลต่าง ๆ ซึ่งใช้ในการควบคุม      กิจกรรมของเซลล์  จำนวนของโครโมโซมในเซลล์ของพืชแต่ละชนิดจะคงที่ แต่จะผันแปรจากพืชชนิดหนึ่งไปยังพืชอีกชนิดหนึ่ง  ในเซลล์ปกติธรรมดาจะมีโครโมโซม 2 ชุดที่เหมือนกันเรียกว่า ดิบพลอยด์ (Diploid)     แต่อย่างไรก็ตามพืชชั้นสูงอาจจะมีโครโมโซมมากกว่า 2 ชุดได้ เรียกว่าเป็น โพลีพลอยด์ (Polyploid)  ส่วนเซลล์สืบพันธุ์จะมีโครโมโซมอยู่ 1 ชุดเรียกว่า แฮบพลอยด์ (Haploid)

โครโมโซมประกอบด้วย  DNA  และโปรตีนฮีสโตน   ในปริมาณพอ ๆ  กัน   ฮีสโตนเป็นโปรตีนที่มีโมเลกุลเล็กประกอบด้วย กรดอะมิโนพวกไลซีนและอาร์จีนีนอยู่มาก      จึงมีประจุเป็นบวกเมื่อความเป็นกรดด่างเท่ากับ  7   การที่มีประจุบวกนี้ทำให้เกาะอยู่กับ DNA ซึ่งมีประจุลบอยู่ที่ฟอสเฟตได้ โครโมโซมแต่ละอันประกอบด้วย โมเลกุลของ DNA  ที่ต่อกันยาวมาก และมีฮีสโตนหลายล้านโมเลกุลที่ DNA ของโครโมโซมจะประกอบด้วยข้อมูลซึ่งควบคุมกิจกรรมต่าง ๆ ของเซลล์เรียกว่า ยีนส์ (genes) ซึ่งมีจำนวนมากในแต่ละโครโมโซม  ยีนส์ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์  (Nucleotide Residue) หลายหน่วย

นิวเคลียสมีหน้าที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต   ควบคุมกิจกรรมของเซลล์ให้เป็นไปตามปกติ ในระดับเซลล์นิวเคลียสทำหน้าที่สังเคราะห์ DNA และRNA ซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมผ่านมาทางการสร้างโปรตีน             โครโมโซมทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์ mRNA และนิวคลีโอลัสทำหน้าที่สังเคราะห์ rRNA

 

6. เอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัม (Endoplasmic Reticulum) เป็นท่อเมมเบรน ซึ่งต่อกันตลอดทั้งไซโตพลาสต์ และยังต่อกับเยื่อหุ้มนิวเคลียสด้วย   แต่จะไม่ต่อกับเยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มแวคคิวโอ เอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัมของเซลล์ที่ติดกันจะต่อกันทางพลาสโมเดสมาตาเป็นอวัยวะภายในเซลล์ที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับกอลไจ แอพพาราตัส ทำหน้าที่เป็นท่อขนส่งสาร   ต่าง ๆ และอาจจะสะสมสารบางอย่างได้ด้วย เอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัมอาจจะมีไรโบโซมมาเกาะติดในเซลล์ที่มีกิจกรรมสูงสร้างโปรตีนมากจะมีเอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัมชนิดนี้อยู่มาก

 

7. กอลไจ แอพพาราตัส (Golgi Apparatus)  อวัยวะชนิดนี้ประกอบด้วยหน่วยย่อยเรียกว่ากอลไจ บอดีส์ (Golgi Bodies) หรือดิ๊กตีโอโซมส์ (Dictyosomes) ซึ่งแต่ละหน่วยย่อยนี้เป็นถุงของเยื่อ เมมเบรนแบน ๆ เรียงซ้อนกันเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า ซีสเตอนี่ (Cisternae) ซึ่งมักจะมี 4-8ชั้น แต่ละชั้นจะมีลักษณะคล้ายจานและมีเวสซิเคิล (Vesicle) อยู่  ปลายซีสเตอล่างสุดของดิ๊กตีโอโซมจะเรียงขนานอยู่กับเอนโดพลาสมิค เรตติคิวลัม จึงเป็นที่คาดกันว่าซีสตีนี่แต่ละชั้นเกิดมาจากเอนโดพลาสมิค  เรตติคิวลัมและชั้นที่อยู่บนสุดจะมีอายุมากที่สุด      ซึ่งในที่สุดจะกลายเป็น  เวสซิเคิลจนหมด เวสซิเคิลของซีสเตอชั้นบนจะเคลื่อนไปรวมกับเยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มแวคคิวโอ

สารประกอบที่เกิดในซีสเตอมีหลายชนิดเช่น สารประกอบคาร์โบไฮเดรตและโปรตีน  กอลไจ แอพพาราตัสจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต เช่น การเจริญของผนังเซลล์   โดยจะทำหน้าที่สร้างผนังเซลล์ในขณะที่มีการแบ่งเซลล์เกิดขึ้นหรือในขณะที่สร้างผนังเซลล์ชั้นที่สอง    นอกจากนั้นยังเกี่ยวข้องกับการเจริญของเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย

ในการสังเคราะห์ผนังเซลล์ใหม่เมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส  (Mitosis) ซึ่งจะเกิดเซลล์เพลท (Cell plate) ขึ้นนั้น         เมื่อโครโมโซมแยกออกจากกันแล้วจะมีเวสซิเคิลของกอลไจ

แอพพารากัสขนาดประมาณ 100 nm ซึ่งมีสารประกอบคาร์โบไฮเดรตภายในไปเรียงอยู่บริเวณที่จะเกิดเซลล์ และจากนั้นเวสซิเคิลจะปล่อยคาร์โบไฮเดรตออกมาตรงบริเวณนั้นกลายเป็นผนังเซลล์ใหม่  ส่วนเยื่อหุ้มเวสซิเคิลจะกลายเป็นเยื่อหุ้มของเซลล์ใหม่

 

8. ไมโครบอดี้ส์ (Microbodies) ในระยะ 15 ปีที่ผ่านมาพบว่ามีอวัยวะภายในเซลล์ขนาดเล็กที่ต้องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อีเลคตรอน อวัยวะเหล่านี้มีรูปร่างกลมหรือรี มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.2-1.5 ไมโครเมตรและหุ้มห่อด้วยเยื่อหุ้ม 1 ชั้น ภายในมีเอนไซม์อยู่ เช่น  คะตาเลส  เป็นต้น ในปัจจุบันศึกษาไมโครบอดี้ส์กันมาก ๆ อยู่ 2  ชนิด  คือ  เพอรอกซิโซมส์  (Peroxisomes) ซึ่งพบในเซลล์ของพืช C₃ มีประมาณ 1/2-1/3  ของจำนวนคลอโรพลาสต์    ทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการหายใจในที่มีแสง (Photorespiration) แต่ไม่พบในพืช C₄ ไมโครบอดี้ส์อีกชนิดที่พบมากคือไกลออกซิโซมส์ (Glyoxysomes) ซึ่งพบในเซลล์ของเอนโดสเปิร์ม  หรือใบเลี้ยงที่มีการสะสมไขมันมาก ๆ ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนไขมันให้เป็นคาร์โบไฮเดรต ภายในมีเอนไซม์หลายชนิด

 

9. ไรโบโซม (Ribosome)            เป็นอวัยวะภายในเซลล์ที่มีขนาดเล็กมีขนาดประมาณ  17-23 nm  ซึ่งมองไม่เห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา เกิดอยู่เป็นอิสระและเกิดรวมอยู่กับเยื่อหุ้มเช่นรวมกับเอนโดพลาสมิคเรตติคิวลัม   ไรโบโซมซึ่งรวมเป็นกลุ่มหรือเป็นสายโดยมี  rRNA    เชื่อมอยู่เรียกว่า   โพลีไรโบโซม (Polyribosome)  หรือโพลีโซม (Polysome)   ไรโบโซมทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนเพราะเป็นบริเวณที่กรดอะมิโน (Amino acid)  มาต่อกันเกิดเป็นลูกโซ่ของโพลีเพปไทด์  (Polypeptide chain) ไรโบโซมมี 3 ชนิด เกิดในที่ต่าง ๆ กัน คือ ไซโตพลาสต์     ไมโตคอนเดรีย  และ คลอโรพลาสต์        ไรโบโซมของไซโตพลาสต์ประกอบด้วย 2 subunits  ซึ่งมีขนาดใหญ่และเล็กซึ่งมี Sedimentation constant ที่ 60 S และ 40 S ตามลำดับ  ซึ่งแยกจากกันได้เมื่อในเซลล์มีประจุของ Mg⁺² ต่ำเกินไป  ระหว่างหน่วย 40 S และ 60 S มีช่องว่างให้ mRNA และ tRNA มาเกาะระหว่างการสังเคราะห์โปรตีน             ส่วนประกอบทางเคมีของไรโบโซมเป็น RNA ชนิด rRNA และโปรตีนโดย 60 S จะมี rRNA 3 โมเลกุล ส่วน 40 S มีเพียง 1 rRNA และทั้งสอง subunit มีโปรตีน 45-50 เปอร์เซ็นต์

 

10. ไมโครทิวบูลส์ (Microtubules)   เป็นอวัยวะในเซลล์พืชซึ่งพบในเซลล์พืชในปี 1962 ประกอบด้วยท่อตรงๆ ซึ่งมีความยาวไม่แน่นอน เส้นผ่าศูนย์กลาง  24-25 nm มีผนังหนา 5-6 nm และเส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 12 nm มักจะอยู่รวมเป็นกลุ่ม  ผนังประกอบด้วยหน่วยย่อยซึ่งมี  รูปร่างกลม  13 หน่วย แต่ละหน่วยมีเส้นผ่าศูนย์กลาง  5  nm โดยเรียงกันมีลักษณะเป็น helix หน่วยย่อยนี้เป็นโปรตีนที่เรียกว่า ทาบูลิน  (Tabulin) หน้าที่ของไมโครทิวบูลส์คือ นำการเคลื่อนที่ของอวัยวะอื่น ๆ ภายในเซลล์ เช่น เวสซิเคิลของกอลไจ แอพพาราตัส และเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์   ควบคุมการเรียงตัวของไมโครไฟบริลของผนังเซลล์ให้ถูกต้อง  โดยไมโครทิวบูลส์จะเรียงตัวขนานกับไมโครไฟบริลเสมอ        นอกจากนั้นยังเกี่ยวข้องกับเซลล์ที่เคลื่อนที่ได้เพราะเป็นส่วนประกอบของแฟลคเจลลา (Flagella) และซีเลีย (Cilia)  ในการแบ่งเซลล์ไมโครทิวบูลล์จะทำหน้าที่เป็น Spindle fiber

 

11. แวคคิวโอ (Vacuole)   เป็นอวัยวะของเซลล์พืชซึ่งทำหน้าที่เหมือนกับไลโซโซม (Lysosomes) ของสัตว์   เป็นอวัยวะที่มีเยื่อหุ้มที่เรียกว่าโทโนพลาสต์ (Tonoplast)  เมื่อเซลล์มีขนาดเล็กจะมีจำนวนมากแต่เมื่อเซลล์เจริญเต็มที่แวคคิวโอจะมารวมกันเป็นหน่วยเดียวมีขนาดใหญ่    ภายในแวคคิวโอมีเอนไซม์หลายชนิด เช่น ไฮโดรไลติก เอนไซม์  (Hydrolytic emzymes) นอกจากนั้นอาจจะสะสมสารอื่น ๆ เช่น  รงควัตถุในกลุ่มแอนโธไซยานิน  (Anthocyanins) ซึ่งมีสีแดง ม่วง     น้ำเงิน  ชมพู และขาว เป็นต้น และยังมีแทนนิน (Tannin) โปรตีนและกัม (Gum) เนื่องจากมีสารประกอบต่าง ๆ ละลายหรืออยู่ในแวคคิวโอจำนวนมาก  ทำให้แวคคิวโอสามารถช่วยรักษาความเต่งของเซลล์ไว้ได้และยังช่วยให้เซลล์ขยายตัวได้ด้วย

บทที่ 2 ความสัมพันธ์ของน้ำและพืช

บทที่  2

ความสัมพันธ์ของน้ำและพืช

 

คุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำ พลังงานที่สามารถทำงานได้ พลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ การเคลื่อนที่ของน้ำ ปัจจัยที่ทำให้พลังงานที่สามารถทำงานได้ต่อโมลของน้ำเปลี่ยนแปลง การคำนวณค่าพลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ หน่วยของพลังงาน และความดันของy การไหลของน้ำโดยวิธีการอื่น การคายน้ำ กลไกการทำงานของปากใบ ปัจจัยที่ควบคุมการปิดเปิดของปากใบ การเคลื่อนที่ของน้ำภายในพืช การเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายผ่านเยื่อ

 

 

น้ำมีบทบาทสำคัญในการดำรงชีวิตของพืช  เนื่องจากเป็นโมเลกุลที่มีมากที่สุดภายในต้นพืช  การเกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ต้องอาศัยน้ำทั้งสิ้น  เพราะน้ำทำหน้าที่เป็นตัวกลาง นอกจากนี้การดูดอาหารในดิน การเคลื่อนที่ของอาหารภายในต้นก็อาศัยน้ำเป็นตัวนำ ความเต่งของเซลล์ยังทำให้พืชต่างๆ สามารถตั้งตัวอยู่ได้เนื่องจากน้ำทำให้เซลล์เต่งและน้ำยังเป็นตัวควบคุมอุณหภูมิให้คงที่  เนื่องจากน้ำสามารถรับความร้อนต่อหน่วยได้สูง  บทบาทของน้ำสรุปได้ดังนี้

1. น้ำเป็นส่วนประกอบภายในต้นพืชถึง 85-90 เปอร์เซ็นต์      และเป็นส่วนประกอบของเมล็ดแห้งและสปอร์ประมาณ 10เปอร์เซ็นต์

2. น้ำสามารถควบคุมอุณหภูมิให้คงที่เนื่องจากความสามารถรับความร้อน      (heat

capacity)  สูง   มีความสามารถรับความร้อนที่ทำให้เป็นไอ   (heat   of vaporization)   สูง    และมีความสามารถในการนำความร้อนสูง (thermal conductivity)

3. น้ำเป็นตัวทำละลายสำหรับสารต่าง ๆ เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยากันได้

4. น้ำเป็นตัวพยุงให้พืชตั้งตัวอยู่ได้

5. น้ำเป็นแหล่งของก๊าซออกซิเจนและไฮโดรเจน      ซึ่งก๊าซออกซิเจนก็ถูกนำไปใช้ในการหายใจ และก๊าซไฮโดรเจนก็ถูกนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง

6. น้ำเป็นแหล่งที่ใช้ในการผลิต ATP จากกระบวนการสังเคราะห์แสง

 

 

คุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำ

1. พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)        โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอม  ความห่างระหว่างอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนทั้งสอง 0.99 ํA และมุม H-O-H ประมาณ 105 ํ ออกซิเจนมีประจุลบ  ส่วนไฮโดรเจนมีประจุบวก  ซึ่งประจุลบและประจุบวกของแต่ละโมเลกุลของน้ำจะดึงดูดซึ่งกันและกัน   ทำให้เกิดhydrogen bond แรงดึงดูดนี้มีแรงมาก การแยกโมเลกุลของน้ำออกจากกันให้น้ำกลายเป็นไอจึงต้องใช้พลังงานสูง      พลังงานนี้เรียกว่า  Heat of vaporization ซึ่งเป็นพลังงานที่มากที่สุดในกลุ่มของเหลวทั้งหมด

2. แรงตึงผิว (surface tension) น้ำมีคุณสมบัติที่มีแรงตึงผิวสูง แรงตึงผิว หมายถึงแรงที่กระจายไปทั่วผิวหน้าของน้ำ อาจจะอธิบายถึงแรงตึงผิวว่าเป็นปริมาณของพลังงานที่ต้องใช้ในการขยายพื้นผิวหน้าต่อหน่วย

3. Capillary rise  แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลต่อโมเลกุลของน้ำขึ้นอยู่กับไฮโดรเจนบอนด์แรงดึงดูดนี้เรียกว่า cohesion   และแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำต่อผิวของผนังหลอดเล็กเรียกว่า adhesion    เมื่อแรงดึงดูดระหว่างน้ำและผนังของหลอดมีมากกว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ   ก็จะทำให้ระดับน้ำในหลอดเล็กสูงกว่าระดับน้ำภายนอก หรือเกิดcapillary rise การเกิด capillary rise นี้จะเกิดขึ้นในหลอดเล็ก เช่น ท่อน้ำ (xylem) และท่ออาหาร(phloem)

Capillary rise  มีความสำคัญและมีส่วนทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของน้ำในท่อน้ำ เช่น ขนาดของท่อน้ำที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 20 mm น้ำในท่อน้ำจะมีความสูงกว่าระดับน้ำภายนอก  0.75 เมตร  ซึ่งระดับความสูงขนาดนี้ก็เพียงพอแล้วสำหรับพืชล้มลุก  แต่ถ้าพิจารณาสำหรับพืชที่มีความสูงมากกว่านี้    ขนาดของท่อน้ำไม่เล็กพอที่จะทำให้น้ำขึ้นไปในระดับสูงกว่านี้ได้ แต่จากการศึกษาพบว่าในผนังเซลล์ของท่อน้ำมีท่อเล็ก ๆ  คดเคี้ยวมากมาย ซึ่งทำให้ระดับน้ำที่เกิดจาก capillary rise สูงขึ้นอีก

4. Tensile strength     หมายถึงแรงต่อหน่วยพื้นที่ของน้ำในหลอดหรือท่อน้ำที่สามารถอยู่ได้โดยไม่ขาดตอน การที่น้ำเกิด capillary rise ในท่อน้ำนั้นน้ำต้องอยู่ภายใต้ tension หรือ ความดันที่เป็นลบ(negative pressure)   แรงนี้เกิดจากการที่น้ำมีไฮโดรเจนบอนด์ ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส แรงนี้เท่ากับ 7.7กิโลแคลอรี่/โมล หรือ  43 กิโลแคลอรี่/กรัมของน้ำ แรง tensile strength  นี้เปรียบเทียบได้เช่นเดียวกับแรงที่เส้นลวดมีอยู่ที่สามารถต้านทานแรงที่จะทำให้ลวดขาดได้

5. การเป็นประจุไฟฟ้าของน้ำ (electrical properties)   การที่โมเลกุลของน้ำมีdielectric constant สูง     เนื่องจากโครงสร้างของโมเลกุลมีประจุบวกและลบ ที่อุณหภูมิ  20 องศาเซลเซียส น้ำมีค่า dielectric constant เท่ากับ 80.2   ซึ่งเป็นค่าสูงมากสำหรับของเหลว จึงทำให้น้ำมีค่าelectrical force ต่ำ เป็นผลให้สารต่าง ๆ สามารถละลายในน้ำได้มาก ดังนั้นน้ำจึงเป็นตัวทำละลายที่ดี

ปัญหาที่เกิดกับพืชนี้ เกิดขึ้นจากสาเหตุที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำ และแร่ธาตุในน้ำ ยิ่งไปกว่านั้นยังต้องคำนึงถึงความสัมพันธ์ของน้ำและสารละลายซึ่งปรากฏในเซลล์พืชด้วย เพื่อความเข้าใจสิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องเข้าใจถึงกฏของThermodynamics ก่อน

 

กฏข้อที่ 1   ในกระบวนการใดๆ ก็ตาม พลังงานของระบบจะคงที่ไม่มีการสูญหายหรือสร้างใหม่ แต่อาจจะเปลี่ยนรูปไป

กฏข้อที่ 2  พลังงานไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานได้ทั้งหมดจะมีพลังงานส่วนหนึ่งสูญเสียไปเนื่องจากจะมีพลังงานส่วนหนึ่งซึ่งไม่สามารถทำงานได้ เรียกว่า เอนโทรปี (Entropy)

กฏข้อที่ 3   เอนโทรปี  จะมีค่าเป็น 0  ที่  -273.16 องศาเซลเซียส  (Absolute Zero)  เอนโทรปี คือ  จำนวนหรือขอบเขตของการกระจาย (Randomness)

 

พลังงานที่สามารถทำงานได้ (The Gibbs Free Energy)

Gibbs  Free Energy หรือ G คือ  พลังงานที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิ และความดันคงที่ โดยทั่วไปพลังงานประกอบด้วย พลังงานภายในสาร (E)  ซึ่งได้แก่การเคลื่อนที่ของอนุภาคพลังงานไฟฟ้าซึ่งเกี่ยวข้องกับระดับของอีเลคตรอนในโมเลกุล  และยังรวมไปถึงแขนทางเคมีของสารต่าง ๆ  ด้วย  ซึ่งจะเห็นว่าพลังงานภายในสารจะไม่สามารถวัดปริมาณที่แน่นอนได้

 

สมการทั่วไปของ Gibbs Free Energy คือ

 

G    =    E – T  D  S

 

G    คือ   Gibbs Free Energy

E    คือ   Internal Energy

S    คือ   Entropy

T    คือ   อุณหภูมิ 273.16  องศาเซลเซียส

 

พลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ (Water Potential)

พลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำ y หมายถึง Gibbs free energy ต่อโมเลกุลของน้ำหรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า  water potential ใช้ชื่อย่อว่า  ไซ (psi) หรือใช้อักษรย่อ  y  น้ำจะไหลจากที่ๆ มีค่าพลังงานต่อโมลสูงไปยังที่ที่มีค่าพลังงานต่อโมลต่ำ ถ้าหากมีความแตกต่างของพลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำมาก  การไหลของน้ำจะมีมากจนกระทั่งเกิดการสมดุลน้ำจึงจะหยุดไหล

พลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ (y)  เป็นแนวความคิดที่สำคัญมาก      ในทาง สรีรวิทยาของพืชเพราะน้ำจะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งเมื่อมีความแตกต่างของพลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำที่จุดทั้งสองต่างกัน น้ำจะไหลจากจุดที่มี   y สูงไปสู่ที่ที่มี y ต่ำ  ซึ่งในกระบวนการดังกล่าวนี้  พลังงานของระบบจะลดลง  เพราะมีการปล่อยพลังงานให้สภาพแวดล้อมและเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง พลังงานที่ปล่อยออกมานี้มีความสามารถในการทำงานได้  เช่น เมื่อน้ำถูกดูดเข้าสู่ต้นพืชโดยทางตรงกันข้ามกับแรงดึงดูดของโลก ในบางกรณีจะไม่มีงานเกิดขึ้น   แต่พลังงานในระบบจะถูกปล่อยออกสู่สภาพแวดล้อมในรูปของความร้อน หรือ เอนโทรปีเพิ่มขึ้น ในกรณีใดก็ตาม ที่จุดสมดุลค่าของ  DG หรือค่าของ  Dy  จะเท่ากับ 0 และที่จุดสมดุลนี้ เอนโทรปีของระบบจะสูงสุด และค่า   DS  เท่ากับ 0 ด้วย

 

การเคลื่อนที่ของน้ำ

1. Bulk Flow เป็นการเคลื่อนที่ของของไหล ซึ่งเคลื่อนไปเองในระบบทางฟิสิกส์ และทำให้พลังงานลดลง  โดยที่เอนโทรปีเพิ่มขึ้น  เป็นการไหลไปด้วยกันเป็นจำนวนมากโดยเป็นการ ตอบสนองต่อความแตกต่างของความดัน เช่น การไหลลงของน้ำภายใต้อิทธิพลของแรงดึงดูดของโลกเป็นต้น ในพืชนั้นภายในลำต้นจะเกิดความดันขึ้นมาภายในเซลล์ แต่จะไม่เกิดการไหลของน้ำแบบนี้จากภายในเซลล์สู่นอกเซลล์ เพราะเยื่อหุ้มเซลล์ป้องกันการไหลแบบ Bulk Flow อยู่ ถ้าเจาะเยื่อหุ้มเซลล์ให้เป็นรู  ของเหลวในเซลล์จะไหลออกนอกเซลล์ได้ในสภาพ Bulk Flow

2.Diffusion ในทางตรงกันข้ามกับ Bulk Flow การแพร่หรือ Diffusion  เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ที่เกิดเองของอนุภาคแต่ละอนุภาค   การแพร่จะเกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของ chemical potential ระหว่าง 2  ส่วนของระบบหนึ่ง สารที่มีความเข้มข้นมากในส่วนหนึ่ง  ตามปกติจะมี chemical potential  สูงกว่าอีกส่วนหนึ่ง     และจะแพร่ไปยังส่วนที่มีความเข้มข้นของสารนั้นต่ำกว่า   ยิ่งมี   chemical potential แตกต่างกันมากการแพร่จะยิ่งเกิดเร็วขึ้น น้ำสามารถเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยวิธีนี้ด้วย ในการเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้อัตราการแพร่เพิ่มขึ้น เพราะอุณหภูมิเพิ่มความเร็วของอนุภาคQ₁₀ ของการแพร่ มีค่า 1.2-1.4 การเพิ่มอุณหภูมิทำให้แขนไฮโดรเจนของน้ำอ่อนกำลังลงและสารที่ละลายในน้ำจะแพร่ไปได้เร็วขึ้น

 

3. การไหลซึมของน้ำผ่านเยื่อหุ้ม  หรือ Osmosis  เป็นการไหลของน้ำ เมื่อมีสารละลายชนิดหนึ่งซึ่งถูกแยกจากน้ำโดยเยื่อหุ้มซึ่งมีคุณสมบัติเป็น Semi-permeable membrane โมเลกุลของน้ำจะไหลผ่านเยื่อหุ้มเข้าไปในสารละลาย ทั้งนี้เพราะมีความต่างกันของพลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ (y) ซึ่งการแสดงการเกิด Osmosis สามารถทำได้โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า ออสโมมิเตอร์ (Osmometer) และคำว่า Osmosis  นี้จะใช้กับการเคลื่อนที่ของสารเมื่อมีการผ่านเยื่อหุ้มเท่านั้น  การเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นเนื่องจากจุดหนึ่งมีพลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำสูงกว่าอีกจุดหนึ่ง หรือเรียกมี Water potential gradient

 

ปัจจัยที่ทำให้พลังงานที่สามารถทำงานได้ต่อโมลของน้ำเปลี่ยนแปลง

1. อุณหภูมิ     พลังงานที่สามารถทำงานได้ของแต่ละโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น เมื่อมีการเพิ่มอุณหภูมิ ตามกฏของเทอร์โมไดนามิก

2. ความดัน    ความดันที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มพลังงานที่สามารถทำงานได้  มีอิทธิพลต่อการไหลของน้ำภายในพืชโดยเฉพาะการเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้ม   แต่การแพร่จะไม่เกี่ยวข้องกับความดัน

3. ตัวถูกละลาย   การปรากฏของตัวถูกละลายอยู่ในน้ำจะทำให้โมเลกุลของน้ำถูกดึงดูดอยู่รอบ ๆ สารนั้น ทำให้พลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำลดลง

4. การดูดซับ  การที่มีสารบางชนิดอยู่ในน้ำ  และสารนั้นมีคุณสมบัติในการดูดโมเลกุลของน้ำไว้รอบ ๆ ผิวหน้า จะทำให้พลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำลดลง ตัวอย่างของสารดูดซับ เช่น โปรตีน เซลลูโลส และแป้ง

 

Osmotic Potential (y_¶)  ในการใช้ออสโมมิเตอร์ตามที่กล่าวข้างต้นนั้น พบว่าจะมี   ความดันเกิดสะสมขึ้นภายในหลอดแก้วของออสโมมิเตอร์ ซึ่งความดันนี้มีค่าเป็นบวก  ค่าของ Osmotic Potential จะมีค่าเท่ากับความดันดังกล่าวแต่มีค่าเป็นลบ

 

การคำนวณหาค่า Osmotic Potential ของสารละลายสามารถทำได้เมื่อทราบค่าความเข้มข้นของสารละลายนั้นเป็นmolality โดยใช้สมการของ van’t Hoff

 

y_¶ =    m i RT

                        เมื่อ  m    คือ   ความเข้มข้นเป็น molality

i    คือ   ionization  constant   ของตัวทำละลาย เช่น  ซูโครส หรือ แมนนิตอล

มีค่า i เป็น  1   เพราะเป็นโมเลกุลที่ไม่แตกตัว

R  คือ   gas constant (0.083 litre บาร์/mole degree)

T  คือ   absolute temperature

 

 

Pressure Potential ในการทดลองใช้ ออสโมมิเตอร์  ดังกล่าวข้างต้นเช่นกันจะสามารถวัดความดันที่เกิดขึ้นได้โดยตรงภายในเครื่องมือ แต่ในการวัด Pressure Potential  ของเซลล์พืชนั้นทำได้ยากมาก ค่าPressure Potential นี้  อาจจะเป็นบวกหรือลบก็ได้  และ Pressure Potential  ของน้ำในเซลล์จะมีค่าเท่ากับ  Turgor Pressure  ของเซลล์นั้นเอง

Matric Potential สารบางชนิดสามารถดูดซับน้ำได้ดี เช่น พวกคอลลอยด์ ของโปรตีน แป้ง และดิน   เป็นต้น   การที่น้ำถูกดูดไว้ด้วยอนุภาคเหล่านี้เรียกว่า Hydration ค่า Matric Potential จะเป็นลบหรือศูนย์ ในการคำนวณมักจะไม่คิดถึงค่านี้เพราะว่าในเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโต ส่วนใหญ่มีค่า Matric Potential ต่ำ จึงมักตัดทิ้งไป

 

การคำนวณค่าพลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ

ในการคำนวนหาค่า y น้ำจะมีค่า Pressure Potential (y_p)   เข้ามาเกี่ยวข้องเนื่องจากเกิดความดันภายในเซลล์  และจะมีค่าของ Osmotic  Potential ซึ่งเกิดจากการที่มีตัวถูกละลายปะปนอยู่ในน้ำ  ในสภาพของระบบที่มีอุณหภูมิคงที่  จะหาค่าของ y ได้ จากสมการ

 

y       =      y_p  +    y_p +  y_m     หรือ

y       =      y_p  +    y_p

 

y =  water potential   หมายถึง   พลังงานที่สามารถทำงานได้ต่อโมลของน้ำ มีค่าบวก  ลบ หรือเป็นศูนย์ ก็ได้

y_p = pressure potential  หมายถึง พลังงานที่เกิดเนื่องจากความดัน  อาจมีค่า  บวก ลบ หรือศูนย์ก็ได้ เช่น กรณีที่ความดันในเซลล์เพิ่มขึ้น ค่า    y_p  จะเป็นบวก ถ้าความดันลดลง ค่า y_p   จะเป็นศูนย์จนกระทั่งเป็นลบ

y_p = osmotic potential  หมายถึง  พลังงานที่เกิดเนื่องจากตัวถูกทำละลาย  จะมีค่าลบเสมอ  เนื่องจากเราให้ค่าของน้ำบริสุทธิ์เป็นศูนย์ ดังนั้นเมื่อมีตัวถูกทำละลายเพิ่มลงไป  จะทำให้ค่า  y_p   เป็นลบตลอด ในบรรยากาศค่า  y =   y_p  เนื่องจากไม่มีความดันมาเกี่ยวข้อง และค่า     y_m ก็ไม่มี

y_m = metric potential หมายถึง พลังงานที่เกิดเนื่องจากมีการดูดซับ จะมีค่าศูนย์ หรือลบเท่านั้น เกิดจากการที่มีโมเลกุลใหญ่ในสารละลาย เช่น โปรตีน แป้ง ทำให้โมเลกุลของน้ำถูกดูดซับไว้ตามผิวของโปรตีนและแป้ง มีส่วนทำให้ค่า  y ของน้ำลดลง เนื่องจากค่า   y_m มีค่าน้อย ดังนั้นในการคำนวนจึงตัดทิ้ง

 

ค่าของ   y_p จะเป็น 0 ในสภาพบรรยากาศ  การเพิ่มความดันเข้าไปจะทำให้  y_p เป็นบวก และถ้าหากมีการลดความดันให้เกิด Tension ค่า   y_p  จะเป็นลบ ในเซลล์ที่มีชีวิตนั้นค่า  y_p จะเป็นบวกเสมอ แต่ในเซลล์ของไซเลม (Xylem)   อาจจะมีค่าเป็นลบ  ค่า y  นั้นอาจจะเป็นลบ ศูนย์ หรือบวกได้ แต่ในพืชนั้นมักจะมีค่าเป็นลบ    ค่า y ของน้ำบริสุทธิ์ที่บรรยากาศเท่ากับ0  ดังนั้นสารละลายในสภาพบรรยากาศจึงมีค่า y  เป็นลบเสมอ   แต่ในกรณีของน้ำบริสุทธิ์ซึ่งได้รับความดันเพิ่มขึ้นมากกว่าสภาพบรรยากาศ  y มีค่าเป็นบวกได้

ถ้าพิจารณาดูค่าของ   y ในพืชชั้นสูง พบว่า   y_p ของน้ำในดินจะมีค่าเป็น 0 และ  y_p   จะมีค่าลบไม่มากนัก ดังนั้น  y  ของน้ำในดิน จึงมีค่าเป็นลบไม่มากนัก  น้ำในไซเลม มีตัวถูกละลายไม่มาก   จึงเป็นลบไม่มากนัก แต่ค่า   y_p อาจจะเป็นลบได้ ดังนั้น y จึงมีค่าเป็นลบมากกว่าน้ำในดิน  ทำให้น้ำในดินเคลื่อนขึ้นสู่พืช ในใบจะมี y_p เป็นลบมากขึ้น เพราะมีสารละลายอยู่มาก น้ำจึงไหลสู่ใบทำให้ค่า y_p สูงขึ้น แต่ค่า y    ก็ยังเป็นลบมากกว่าน้ำในไซเลมค่า y    ของน้ำในบรรยากาศยิ่งเป็นลบมาก

 

หน่วยของพลังงาน และความดันของ y

พลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ      แสดงถึงความสามารถส่วนหนึ่งของระบบซึ่งทำงานได้ เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำบริสุทธิ์ที่ความดันบรรยากาศ และอุณหภูมิเดียวกัน พลังงานที่ทำงานได้ต่อโมลของน้ำ และส่วนประกอบที่ทำให้เกิดพลังงานที่ทำงานได้นี้  ซึ่งมีหน่วยเป็นพลังงานหรือความดัน  Osmotic Potential จะมีค่าเป็นลบ เพราะว่า  น้ำที่เป็นตัวทำละลายในสารละลายจะมีความสามารถในการทำงานน้อยกว่าน้ำบริสุทธิ์   แต่ถ้าเพิ่มความดันให้สารละลายนั้น จะเพิ่มความสามารถในการทำงานให้กับสารละลาย  ดังนั้นค่าพลังงานที่ทำงานได้ของสารละลายจะเพิ่มขึ้น

บาร์ (bar) นั้นเป็นหน่วยของความดันที่นิยมใช้กับค่าของพลังงานที่ทำงานได้ของน้ำเป็นหน่วยที่ใช้ได้สะดวก และ 1 bar มีค่าเท่ากับ 0.987 บรรยากาศ

 

ตัวอย่างที่ 1       เซลล์ A มีค่า Pressure Potential 4  บาร์  และค่า  Osmotic Potential  -6บาร์ และเซลล์ B มีค่า Pressure Potential 4 บาร์ และ Osmotic Potential -8 บาร์ อยากทราบถึงทิศทางการไหลของน้ำของเซลล์ทั้ง 2 ที่วางติดกัน

 

y_A            =    y_p + y_p

=    4 + (-6)

y ของเซลล์ A  =    -2 บาร์

และ y ของเซลล์ B  =    -4 บาร์

ดังนั้น น้ำจึงไหลจากเซลล์ A ไปยังเซลล์ B เพราะเซลล์ A มีค่า y    สูงกว่าเซลล์ B

 

การไหลของน้ำโดยวิธีการอื่น

การไหลซึมของน้ำและสารละลายภายในต้นพืชอาจเป็นไปโดยวิธีการอื่นนอกเหนือจากการซึมผ่านเยื่อหุ้มและการไหลโดยไม่ผ่านเยื่อหุ้ม วิธีการดังกล่าวได้แก่

1. การไหลซึมผ่านพลาสโมเดสมาต้า (plasmodesmata)  เซลล์ที่อยู่ติดกันจะมีช่องติดต่อกันได้โดยไม่ต้องผ่านผนังเซลล์ และเยื่อหุ้มเซลล์  จุดที่มีการติดต่อกันนี้เรียกว่า  พิท (pit หรือ primary pit field) บริเวณนี้จะไม่มีผนังเซลล์ชั้นที่ 1 และที่  2 คงมีแต่  middle lamella และมี plasmodesmata ขวางเป็นช่อง ๆ        เซลล์ที่ยังทำหน้าที่อย่างมีกิจกรรมสูงจะมีจำนวนพิทและ      พลาสโมเดสมาต้าอยู่มากกว่าเซลล์ที่ไม่มีกิจกรรม น้ำและสารต่าง ๆ สามารถซึมผ่านช่องติดต่อกันนี้ได้โดยวิธีการซึม (diffusion)

2. พินโนไซโตซิส (pinocytosis) การที่เซลล์รับเอาสารละลายเข้าไปในเซลล์โดยใช้เยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบสิ่งนั้นไว้ คล้ายกับวิธีการกินอาหารของอะมีบ้า

 

 

การคายน้ำ (Transpiration)

การคายน้ำ คือ การสูญเสียน้ำของพืชในรูปของไอน้ำ  โดยน้ำจะระเหยจากต้นพืชได้ทางปากใบ (Stomata)เป็นส่วนใหญ่      ซึ่งพืชจะมีกลไกในการควบคุมการปิดเปิดของปากใบ  และความแตกต่างของพลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำภายในต้นพืช และอากาศ

การคายน้ำมีประโยชน์ต่อพืชหลายประการ คือ

1. นำแร่ธาตุจากดินขึ้นไปยังต้นพืช  เพราะการคายน้ำทำให้รากพืชดูดน้ำจากดิน

2.ลดอุณหภูมิของใบในเวลากลางวัน เพราะเหตุที่การระเหยของน้ำให้เป็นไอต้องใช้         พลังงานจำนวนหนึ่งจากใบพืช ทำให้พืชเสียพลังงานความร้อนส่งผลให้อุณหภูมิของใบลดลง และพืชปลอดภัยจากอันตรายจากอุณหภูมิสูง การทำให้น้ำระเหยกลายเป็นไอต้องใช้พลังงาน 600 แคลอรี่ต่อกรัม

 

การวัดการคายน้ำ

1. วัดน้ำหนักที่หายไปของพืชในกระถาง    โดยวัดน้ำหนักของพืชรวมกับกระถาง เป็นช่วงระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งจำเป็นต้องป้องกันการระเหยของน้ำจากดินให้ได้ โดยการปิดด้วยสารที่ป้องกันน้ำได้ และถ้าใช้กระถางดินก็ต้องคลุมกระถางด้วย  เพราะน้ำระเหยผ่านได้  และควรใช้ดินปริมาณมากพอ    มิฉะนั้นดินอาจจะแห้งไปก่อนเสร็จสิ้นการทดลอง

2. วัดน้ำหนักที่หายไปของส่วนของพืช    โดยตัดยอดหรือใบของต้นไม้มาชั่งโดยเครื่องชั่งละเอียดทุก ๆ    1-2 นาที      แล้วเขียนเป็นกราฟออกมา อัตราการคายน้ำจะใช้การสูญเสีย      น้ำหนักใน  1-2 นาทีวิธีนี้สภาพแวดล้อมต้องคงที่ตลอดการทดลอง แต่ตัวเลขที่ได้อาจจะผิดพลาดได้เพราะการคายน้ำมักจะสูงมาก  เนื่องจากใบถูกตัดออกจากต้น ทำให้เกิดการเปลี่ยนแรงดันในท่อน้ำ

3. วิธีของ Freeman ใช้ส่วนที่อยู่เหนือดินของพืช  หุ้มด้วยหลอดแก้ว  แล้วให้อากาศแห้งพัดผ่าน จากนั้นเก็บตัวอย่างของไอน้ำในอากาศ  ในหลอดที่บรรจุฟอสฟอรัสเพนตาออกไซด์ หรือ แคลเซียมคลอไรด์ แล้วนำไปชั่งน้ำหนัก แต่วิธีนี้อาจจะมีข้อผิดพลาด เพราะอากาศแห้งที่ผ่านอาจจะมีผลต่อการคายน้ำได้

4. ใช้กระดาษที่เปลี่ยนสีได้ (Color Indicator  Paper)        โดยใช้กระดาษกรองชุบสารละลายโคบอลท์คลอไรด์เข้มข้น 3-5 เปอร์เซ็นต์    แล้วทำให้แห้งในตู้อบ จนกระทั่งเกิดสีน้ำเงินขึ้น เมื่อกระดาษนี้ดูดซับความชื้นจะเปลี่ยนเป็นสีชมพู ในการวัดการคายน้ำทำโดยใช้กระดาษแห้งวางไว้บนผิวของใบ  แล้วปิดด้วย Cover Slip ทั้งด้านบนและท้องใบ  และป้องกันความชื้นจากภายนอกโดยใช้สารพวกไขมันหุ้มไว้   เวลาที่ทำให้กระดาษเปลี่ยนสี คือ อัตราการคายน้ำ วิธีนี้มีประโยชน์ ในการเปรียบเทียบระหว่างใบของพืชใบเดียวกันแต่คนละด้าน หรือสองใบบนต้นเดียวกัน แต่จะใช้ไม่ได้กับพืชทั้งต้นเพราะกระดาษทำให้ความเข้มของแสงลดลง และทำให้ปากใบปิดด้วย

5. Infra Red absorption ใช้แสง Infra Red  ผ่านเข้าไปยังใบ แล้ววัดความเข้มของแสงที่ผ่านออกมาโดยใช้ photocell การที่ใบมีไอน้ำอยู่มากจะดูดเอาแสงไว้ทำให้แสงที่ผ่านไปอีกด้านมีความเข้มน้อยลง  วิธีนี้ทำได้ยาก   ใช้วัดอัตราการคายน้ำที่เปลี่ยนไป เมื่อมีการเปลี่ยนสภาพแวดล้อม

6. Potometer วัดอัตราการคายน้ำจากอัตราการสูญเสียน้ำจากต้นพืชหรือยอด โดยการวัดอัตราการดูดน้ำ  และสมมุติให้ค่าการดูดน้ำและการสูญเสียน้ำเท่ากัน เครื่องมือที่ใช้ คือ Potometer ซึ่งประกอบด้วยส่วนที่เก็บน้ำและหลอดให้น้ำไหล  วิธีนี้ให้ผลที่คลาดเคลื่อนได้เนื่องจาก ส่วนของพืชอาจจะมีฟองอากาศเข้าไปตามท่อน้ำ  จึงมักใช้พืชทั้งต้น และการคายน้ำมักจะสูงกว่าอัตราการดูดน้ำ

 

ปัจจัยสภาพแวดล้อมที่มีผลต่อการคายน้ำของพืช

1. แสง  อัตราการคายน้ำจะผันแปรตามช่วงที่ได้รับแสงของพืช  โดยจะสัมพันธ์กับการปิดเปิดของปากใบ  โดยทั่วไปอัตราการคายน้ำต่ำในตอนกลางคืนเมื่อปากใบปิด  และอัตราการคายน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหลังจากดวงอาทิตย์ขึ้นจนถึงจุดสูงสุดตอนใกล้เที่ยงและบ่าย แล้วก็ลดลงไปเรื่อย ๆ สาเหตุที่มีอัตราการคายน้ำสูงในช่วงกลางวันนี้เป็นเพราะปากใบเปิดและความร้อนจากแสงอาทิตย์ทำให้เกิดการระเหยของน้ำ

2. ความชื้นในอากาศ การคายน้ำจะเกิดอย่างเร็วมากเมื่ออากาศรอบๆ ต้นพืชแห้ง เพราะพลังงานที่ทำงานได้ของไอน้ำในอากาศและของน้ำในพืชต่างกันมาก ในขณะที่อากาศมีความชื้นสัมพัทธ์เท่ากัน  ถ้าหากเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ค่าความแตกต่างของพลังงานที่ทำงานได้ของไอน้ำในอากาศและของน้ำในพืชเพิ่มขึ้น

3. อุณหภูมิ   ถ้าปริมาณไอน้ำในอากาศคงที่เท่าเดิม การเพิ่มอุณหภูมิจะมีผลต่อ พลังงานที่ทำงานได้ของน้ำ  ดังกล่าวแล้วในข้อ 2  ดังนั้นจะทำให้การคายน้ำเพิ่มขึ้น ถ้าหากอุณหภูมิของใบสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศ ความแตกต่างพลังงานที่ทำงานได้จะสูงกว่าเมื่ออุณหภูมิเท่ากัน   และในแต่ละกรณีใบสามารถคายน้ำแม้ว่าในอากาศจะอิ่มตัวด้วยไอน้ำก็ตาม  ในทางตรงกันข้ามถ้าหากอุณหภูมิของใบต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศในกรณีนี้ใบอาจจะเสียน้ำเป็นรูปของหยดน้ำเมื่อความชื้นในอากาศสูง

4. ลม  การเคลื่อนที่ของอากาศบริเวณผิวใบจะกำจัดไอน้ำออกไป    ดังนั้นจะเพิ่มความแตกต่างของพลังงานที่ทำงานได้ของไอน้ำในอากาศและในพืช  ดังนั้นจึงเร่งอัตราการคายน้ำให้สูงขึ้น อย่างไรก็ตามถ้าลมแรงมาก  อัตราการคายน้ำอาจจะลดลง เพราะปากใบปิด อันเนื่องมาจากปัจจัยทางกลที่กระตุ้นให้ปากใบปิด หรือ  เกิดการขาดน้ำ ทำให้มีการสังเคราะห์ ABA ทำให้ปากใบปิดได้

5. น้ำในดิน ถ้าน้ำในดินลดลง หรือมีปัจจัยอื่น ๆ  ทำให้พืชดูดน้ำได้น้อย  จะทำให้ผนังเซลล์ของใบแห้ง  และจะลดปริมาณการคายน้ำลง  ซึ่งถ้าขาดน้ำมากขึ้น ปากใบจะปิด อัตราการคายน้ำจะลดลง

 

กลไกการทำงานของปากใบ (Stomata Mechanism)

ปากใบของพืชประกอบด้วยรูเปิดซึ่งเป็นทางให้ไอน้ำและก๊าซผ่านเข้าออก รูใบนี้จะเปิดโดยกลไกของ Guard cell ซึ่งเป็นเซลล์ที่อยู่ข้าง ๆ  โดยทั่วไปคำว่าปากใบจะรวมไปถึงรูใบและเซลล์รอบ ๆ ซึ่งคือ Guard cell และSubsidiary cell  ไอน้ำจะระเหยออกมาจากพาลิเซด (Palisalde) และสปอนจี (Spongy) ของใบเข้าสู่ช่องว่างระหว่างเซลล์ซึ่งเป็นส่วนที่ต่อกับปากใบและอากาศ   ภายนอกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะซึมเข้ามาในทิศทางตรงกันข้าม แล้วเซลล์ก็รับคาร์บอนได-ออกไซด์ไป ใบจะมีปากใบอยู่ทางด้านหลังใบและท้องใบ แต่จะมีจำนวนมากทางด้านหลังใบ แต่ในพืชตระกูลหญ้าจะมีอยู่ในปริมาณที่เท่ากัน กรณีใบลิลลี่มีปากใบเฉพาะด้านหลังใบเท่านั้น

ลักษณะทั่วไปของปากใบของพืชใบเลี้ยงคู่  ประกอบด้วย Guard cell  ที่มีลักษณะเหมือนไต 2 อัน ส่วนพืชใบเลี้ยงเดี่ยวเช่น หญ้า ปากใบ จะประกอบด้วย  Guard cell ที่มีรูปร่างคล้าย dumbell และยาว   ใน Guard cell  จะมีคลอโรพลาสต์อยู่บ้าง ปากใบจะเปิด  เมื่อ Guard cell ได้รับน้ำ และบวม  ซึ่งถ้าพิจารณาแล้วปากใบน่าจะปิดมากกว่าเปิด แต่ทั้งนี้เพราะเซลลูโลส    ไมโครไฟบริล    (Cellulose Microfibril) เรียงตัวไปตามขวางของ Guard cell ซึ่งมีรูปร่างยาว       การเรียงตัวของไมโครไฟบริลจะคล้ายกับรัศมีที่ออกมาจากจุดศูนย์กลาง  การเรียงตัวแบบนี้  เรียกว่า    เรเดียลไมเซลเลชั่น (Radial Micellation) ซึ่งจะส่งผลให้ Guard cell ขยายตัวตามขวางไม่ได้มากเมื่อได้รับน้ำ    แต่จะขยายตามยาว ทำให้ Guard cell  เกิดการโค้งออกจากกันเป็นรูใบขึ้น นอกจากนั้นยังพบว่าผนังเซลล์ด้านในที่เว้าเข้าไปของGuard cell จะหนากว่าด้านที่นูนหรือด้านนอก ทำให้ด้านในขยายตัวได้น้อยกว่าด้านนอก

สาเหตุที่ทำให้ปากใบเปิดนั้น ได้ศึกษากันมานานซึ่งได้มุ่งจุดสนใจในการศึกษาไปที่การไหลเข้าออกของน้ำ ซึ่งจะทำให้ Guard cell ขยายตัว และหดตัวได้ ซึ่งมีความเป็นไปได้หลายกรณีคือ ถ้ามี Osmotic Potential ของโปรโตพลาสต์ใน Guard cell เป็นลบมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์รอบ ๆ น้ำจะไหลเข้าไปใน Guard cell นอกจากนั้นยังเป็นไปได้ว่าผนังเซลล์จะคลายความแข็งลงทำให้ขยายตัวได้เป็นการลด Pressure Potential และน้ำสามารถไหลเข้าเซลล์เกิดการเต่งได้    จากการศึกษาพบว่า  Osmotic Potential ของ Guard cell เป็นลบมากขึ้นจริง  แต่ผนังเซลล์ไม่ได้คลายความแข็งลง

สาเหตุที่  Osmotic Potential เป็นลบมากขึ้นนี้ เนื่องจาก  เมื่อปากใบเปิดจะมี K⁺ เป็นจำนวนมาก เคลื่อนที่จากเซลล์รอบ ๆ เข้าไปใน Guard cell ปริมาณของ K⁺  ที่สะสมในแวคคิวโอของ Guard cell ในระหว่างที่ปากใบเปิด  จะมากพอที่ทำให้ Osmotic Potential ของ Guard cell ลดลง แสงจะก่อให้เกิดการไหลเข้าของ K⁺ สู่Guard cell ด้วย รวมไปถึงอากาศที่ปราศจาก CO₂ ก็สามารถกระตุ้น K⁺ เข้าสู่ Guard cell ดังนั้น ย้ายพืชไปไว้ในที่มืด K⁺จะไหลออกจาก Guard cell ปากใบจึงปิด  ในการให้ ABA แก่เซลล์จะทำให้ปากใบปิด ทั้งนี้เพราะ ABA กระตุ้นให้มีการเคลื่อนที่ของK⁺ ออกจาก Guard cell ดังนั้น การที่ Osmotic Potential ลดลงใน Guard cell นี้ มีสาเหตุมาจาก K⁺

กลไกการเคลื่อนที่ของ K⁺ นั้นเกิดจากการที่แป้งใน Guard cell สลายตัวเกิดเป็นกรดอินทรีย์  ทำให้เกิดH⁺ ขึ้นภายในเซลล์ ต่อมา  H⁺  จะเคลื่อนที่ออกจากเซลล์  ทำให้ K⁺ เคลื่อนที่เข้าไป เพื่อรักษาประจุของเซลล์ให้เป็นกลาง  ดังนั้นในเซลล์เหล่านี้จะมี pH  เพิ่มขึ้นด้วย ประจุของ Cl¯  จะถูกดูดเข้าไปใน Guard cell ด้วย  พร้อมกับ  K⁺ เพื่อทำให้ประจุภายในเซลล์เกิดความสมดุล นอกจากนี้จะเกิดการสังเคราะห์กรดมาลิก (Malic acid) เพื่อใช้เป็นสารดูดซับ K⁺

ด้วยสาเหตุดังกล่าวปากใบจึงเปิด  ทำให้มีการคายน้ำ  และแลกเปลี่ยนก๊าซ CO₂ และ 0₂ ในอากาศ

การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำตาลใน  Guard cell  เกิดขึ้นเมื่อเซลล์ได้รับแสง pH ของเซลล์จะสูงขึ้น ทำให้เอนไซม์ที่ย่อยแป้งเป็นน้ำตาลทำงานมากขึ้น  ทำให้ระดับตัวถูกทำละลายเพิ่มขึ้น  ดังนั้นจะทำให้ค่าพลังงานที่ทำงานได้ของเซลล์ลดลงด้วย น้ำจึงไหลจากเซลล์อื่นมายัง Guard cell

 

ปัจจัยที่ควบคุมการปิดเปิดของปากใบ

1. แสง  แสงสีแดง และแสงสีน้ำเงินกระตุ้นให้ปากใบเปิด     เพราะแสงทำให้เกิดการสังเคราะห์แสง จึงมีการใช้CO₂ ภายในเซลล์ ยิ่งแสงสว่างมาก ปากใบจะยิ่งเปิดมาก

2.  ระดับน้ำในใบโดยเฉพาะใน Guard cell      ถ้าหากพลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำในใบเพิ่มขึ้น   รูใบจะปิด  เพราะน้ำจะไหลออกจาก   Guard  cell อิทธิพลนี้จะมากกว่าระดับของ CO₂ ในใบหรือความเข้มของแสง

3. ระดับ CO₂ ในใบและในบรรยากาศ ปากใบจะเปิดเมื่อมี CO₂ ในใบพืชต่ำ ดังนั้นการสังเคราะห์แสงจึงกระตุ้นให้ปากใบเปิดได้ ถ้าให้อากาศที่ปราศจาก  CO₂ ผ่านใบพืชที่มีปากใบเปิดเล็กน้อยในที่มืด  ปากใบจะเปิดกว้างขึ้น ถ้าปากใบปิดสนิท  ระดับของCO₂ ในอากาศจะไม่มีผลต่อการปิดเปิดของปากใบ

4. อุณหภูมิสูง (30-35 องศาเซลเซียส) จะทำให้ปากใบปิด  ซึ่งอาจจะเป็นเพราะการหายใจเพิ่มขึ้น ทำให้ CO₂ ภายในใบมากขึ้น แต่ถ้าผ่านอากาศที่ปราศจาก CO₂  ไปที่ใบพืชที่อุณหภูมิ 30-35 องศาเซลเซียส ปากใบจะเปิดได้

5. ลมที่พัดแรง  จะทำให้รูใบปิด เนื่องจากเซลล์สูญเสียน้ำ

 

การเคลื่อนที่ของน้ำภายในพืช

การที่น้ำสามารถเคลื่อนที่สู่ยอดพืชได้นั้น มักจะทำให้เกิดคำถามที่ว่า ในต้นไม้บางต้นที่สูงมาก ๆ ถึง 100 เมตร นั้น น้ำเคลื่อนที่ขึ้นมาได้ด้วยกลไกอะไร  จะต้องมีแรงบางอย่างดึงน้ำขึ้นไปสู่ยอด        มิฉะนั้นน้ำจะขึ้นไปได้สูงเพียง 10.3 เมตรเท่านั้น น้ำไหลผ่านพืชได้เพราะความแตกต่างของพลังงานที่ทำงานได้ของน้ำในต้นพืช ดิน และอากาศ

น้ำที่ปรากฏอยู่ในพืชนั้น  สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ส่วน ที่แตกต่างกัน  ซึ่งแต่ละส่วนนี้จะไหลไปด้วยอัตราเร็วที่ต่างกันและในบางกรณีคนละทิศทาง ซึ่งส่วนต่าง ๆ ของน้ำเหล่านี้ คือ

1. น้ำที่อยู่ระหว่างช่องภายในผนังเซลล์  และช่องว่างรอบ ๆ  ผนังเซลล์ซึ่งส่วนเหล่านี้เรียกว่า อะโพพลาสต์(Apoplast) นั้น จะไหลผ่านส่วนที่ไม่มีชีวิตของพืช    น้ำที่อยู่ในเซลล์ที่ตายแล้ว เช่น ในท่อไซเลมก็จัดว่าอยู่ในส่วนนี้  ดังนั้นการไหลของน้ำในต้นพืชส่วนใหญ่จะผ่านส่วนที่เป็น      อะโพพลาสต์

2. น้ำในโปรโตพลาสต์ของเซลล์     ซึ่งจะไหลผ่านจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง    ทาง   พลาสโมเดสมาตา (Plasmodesmata)  ซึ่งเป็นการไหลผ่านส่วนที่มีชีวิตของพืช หรือผ่านทางซิมพลาสต์ (Symplast)   น้ำในซีพทิวบ์(Sieve tube)   ของท่ออาหาร (Phloem)   จัดเป็นน้ำในส่วนนี้ด้วย

3. น้ำที่อยู่ในแวคคิวโอของเซลล์ที่มีชีวิต

การส่งน้ำของพืชขึ้นสู่ยอดนั้น  จะผ่านทางไซเลมเป็นส่วนใหญ่  โดยจะต้องมีแรงดันที่ฐานสูงกว่าความดันบรรยากาศปกติ ดังนั้นจึงมีแรงอื่นมาเกี่ยวข้องด้วย  ซึ่งมีสมมุติฐานเกิดขึ้นเพื่ออธิบายกลไกของการไหลของน้ำขึ้นสู่ยอดหลายสมมุติฐานด้วยกัน คือ

1. Root Pressure พืชหลายชนิด เมื่อถูกตัดยอดออก  น้ำยังคงไหลขึ้นมาถึงส่วนที่ตัดได้โดยจะมีความดันที่วัดได้ดันน้ำขึ้นมาจากราก   5-6   บาร์    Root Pressure จะสูงเมื่อความชื้นในดินและอากาศสูง จึงมักทำให้เกิดการเสียน้ำเป็นหยดน้ำ (Guttation) เพราะอัตราการคายน้ำ    ลดลง แต่ยังดูดน้ำอยู่ พืชจึงเสียน้ำออกไปเป็นรูปของหยดน้ำ ซึ่งมักจะพบที่ปลายใบของพืช     ตระกูลหญ้า แต่ในสภาพที่อากาศแห้งความชื้นในดินต่ำ จะไม่มี Root Pressure เกิดขึ้น ดังนั้น    Root Pressure  จึงไม่ใช่แรงสำคัญที่ทำให้พืชส่งน้ำไปยังยอดได้       ในพืชจำพวกสนจะไม่พบ        Root Pressureนอกจากนั้น  อัตราการเคลื่อนที่ของน้ำโดย Root Pressure ยังช้าเกินไปด้วย

2. Capillarity เมื่อให้หลอดขนาดเล็กมากที่เปิดทั้ง 2 ด้าน วางตามแนวดิ่งโดยปลายด้านหนึ่งแช่อยู่ในน้ำ ของเหลวจะไหลขึ้นมาในหลอด จนกว่าน้ำหนักของน้ำในหลอดจะ สมดุลกับแรงดึงของผนังหลอดกับน้ำ ยิ่งหลอดมีขนาดเล็กมาก น้ำก็จะยิ่งไหลขึ้นไปได้สูงมากเพราะแรงดึงระหว่างผนังของหลอดกับน้ำจะยิ่งมีค่ามากกว่าแรงดึงดูดของโลกในหลอดขนาด 0.01 มิลลิเมตร   น้ำจะไหล

ขึ้นไปได้สูงถึง 3 เมตร แต่ทั้งนี้ขึ้นกับแรงดึงของผนังหลอดกับน้ำด้วย  หลอดพลาสติกจะมีแรงดึงน้อยกว่าหลอดแก้ว  และหลอดแก้วมีแรงดึงน้อยกว่าท่อน้ำ แรงดึงของหลอดกับน้ำนี้เรียกว่า แอดฮีชั่น (Adhesion)  แต่อย่างไรก็ตามจากการศึกษาพบว่า แรง Capillarity  ที่เกิดในไซเลมของพืชนั้นจะทำให้น้ำไหลขึ้นไปได้เพียงประมาณ 0.3 เมตรเท่านั้น  และนอกจากนั้นท่อน้ำยังไม่เป็นท่อที่เปิดทั้ง 2 ด้านด้วย ดังนั้นแรงนี้จึงไม่ใช่แรงสำคัญในการทำให้น้ำเคลื่อนที่

3. Cohesion เนื่องจากพบว่า มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด  ระหว่างการคายน้ำ และอัตราการเคลื่อนที่ของน้ำในต้นพืช จึงชี้ให้เห็นว่า การคายน้ำเกี่ยวข้องกับการควบคุมการไหลของน้ำในท่อน้ำ            ซึ่งทฤษฏีนี้ เรียกว่า Cohesion Theory จากทฤษฏีนี้ อธิบายการไหลของน้ำสู่ยอดโดยหลักการ  3 ประการคือ

3.1 Driving Force  ซึ่ง  คือการลดลงของพลังงานที่ทำงานได้ของน้ำ  จากรากพืชถึงยอดเปลี่ยนไป คือ ยิ่งห่างจากรากขึ้นไปมากเท่าไร  พลังงานที่ทำงานได้ก็จะลดลง ทำให้น้ำไหลจากส่วนที่มีพลังงานสูงไปยังส่วนที่พลังงานต่ำเกิดการคายน้ำ

ในอากาศนั้น เมื่อความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่า 100 เปอร์เซ็นต์ อากาศจะสามารถดูดน้ำได้มากและเร็ว เพราะพลังงานที่ทำงานได้ของไอน้ำในอากาศจะลดลง  (ที่ 20 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 100 เปอร์เซ็นต์ พลังงานที่ทำงานได้ของไอน้ำ เท่ากับ0  บาร์ แต่ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 98 เปอร์เซ็นต์ พลังงานจะลดลงเป็น -27.5 บาร์)     ดังนั้นถ้าอากาศยิ่งแห้ง  พลังงานของไอน้ำจะยิ่งลดลง  ทำให้พลังงานของน้ำแตกต่างจากในใบพืช  ส่วนน้ำในดินซึ่งมีแร่ธาตุไม่มาก ปกติจะมีพลังงานที่ทำงานได้ใกล้เคียงกับ 0 ซึ่งถ้าจะดึงน้ำจำนวนนี้ขึ้นสู่ยอดพืช น้ำในใบพืชจะต้องมีพลังงานที่ทำงานได้ประมาณ -30 บาร์  ซึ่งจากการศึกษาพบว่า  Osmotic Potential ของใบพืชจะอยู่ในช่วง     -20 ถึง  -40  บาร์    ดังนั้นน้ำจึงไหลขึ้นสู่ยอดพืชได้

3.2  Hydration  แรงส่วนนี้ประกอบด้วย แรงดึงระหว่างโมเลกุลของน้ำและท่อน้ำ  ซึ่งเรียกว่า แอดฮีชั่น(Adhesion)  และแรงดึงระหว่างโมเลกุลของน้ำด้วยกันเรียกว่า โคฮีชั่น (Cohesion) แรงแอดฮีชั่นทำให้เกิดแรงCapillarity ดังที่กล่าวมาแล้ว

3.3 การติดกันของน้ำในท่อน้ำ   การเคลื่อนที่ของน้ำจะเกิดขึ้นได้นั้น น้ำต้องมีความต่อเนื่องกันตลอดสาย นั่นคือ ไม่มีฟองอากาศ (Cavitation)  ภายในท่อน้ำ ฟองอากาศนี้ถ้าเกิดขึ้นจะทำให้น้ำเคลื่อนที่ขึ้นไปไม่ได้

 

การเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายผ่านเยื่อ

การเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายผ่านเยื่อหุ้ม เป็นการที่ตัวถูกละลายเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งผ่านเยื่อหุ้มเพื่อไปอีกจุดหนึ่ง  การเคลื่อนนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากมีความแตกต่างของพลังงานที่สามารถทำงานของตัวถูกละลาย เช่น การเคลื่อนที่ของ K⁺ เข้าไปยัง  Guardcell การเคลื่อนที่ถ้าเกิด

 

ได้โดยเกิดจากการเคลื่อนที่จากที่ที่มีพลังงานที่สามารถทำงานได้ของ K⁺ ที่สูงกว่าไปยังที่ที่มีพลังงานต่ำกว่าซึ่งไม่ใช้พลังงานเลย  หรืออาจจะเป็นการเคลื่อนที่ต้านความแตกต่าง เช่นจากที่ที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังที่ที่มีพลังงานสูงกว่าจึงจำเป็นต้องใช้พลังงานในรูปของ ATP

พลังงานที่สามารถทำงานได้นี้    เรียกว่า chemical potential  ของไอออน หรือelectrochemical potential ก็ได้   ความเข้มข้นและประจุไฟฟ้าของตัวถูกละลายเป็นตัวกำหนดทิศทางการไหลของตัวถูกละลายจะมีการไหลของตัวถูกละลายจากที่ที่มีค่าสูงไปยังที่ที่มีค่าต่ำ  โดยไม่มีการใช้พลังงาน หรือเรียกว่า    passive transport  การเคลื่อนแบบนี้อาจเกิดขึ้นได้ในกรณีที่มี Gibbs-Donnan potential โดยโมเลกุลใหญ่ๆ เช่น โปรตีน แป้ง หรือผนังเซลล์ดูดไอออนไว้ เช่น K⁺ ถูกดูดไว้  และเซลล์ต้องรักษาความสมดุลของประจุไฟฟ้าภายในเซลล์    ก็มีการนำ K⁺ เข้าไปอีกทั้ง ๆ ที่ระดับ K⁺ ภายในเซลล์สูงกว่าภายนอกเซลล์

active transport   เป็นการเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายผ่านเยื่อจากที่ที่มีelectrochemical potential ต่ำไปที่ที่มีระดับสูงกว่า แต่ต้องมีการใช้พลังงาน

การเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายโดย   active   transport    หรือโดย passive transport  นี้มีผลต่อ  membrane  potential  และ   electrical potential ของเซลล์ การเคลื่อนที่แบบ active transport นั้นต้องใช้พลังงานในการนำตัวถูกละลายผ่านเยื่อ  แต่จะใช้ในขั้นตอนใดนั้นยังไม่ทราบแน่ชัด  ส่วนการเคลื่อนที่แบบ passive  transport ไม่ต้องใช้พลังงาน   W.J.V. Osterhout ได้เสนอในปี 1930 ว่า มีตัวนำ `carrier’ โมเลกุลที่เป็นตัวเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ตัวนำนี้มีลักษณะเฉพาะเจาะจงที่จะนำตัวถูกละลายเฉพาะอย่างเพื่อที่จะควบคุมการเข้าและออกของตัวถูกละลายผ่านเยื่อหุ้มเซลล์  เช่น การนำแร่ธาตุต่างๆ เข้าสู่เซลล์  ในขณะเดียวกันมีการนำสิ่งที่ผลิตจากการสังเคราะห์แสงและของเสียออกจากเซลล์ จากการศึกษาและทดลองพบว่าตัวถูกละลายนี้จะมีความเฉพาะเจาะจงต่อตัวนำ  ตัวอย่างเช่น  ตัวนำบางตัวจะนำ Na⁺ ออกจากเซลล์ และนำ K⁺ เข้าสู่เซลล์ หรือเรารู้จักในชื่อของ sodium-potassium pumpตัวนำนี้ก็จะแตกต่างจากตัวนำซึ่งนำ Mg⁺⁺ และ Mn⁺⁺  จึงมีผู้เสนอกลุ่มของตัวนำเหล่านี้ ได้แก่

1. Neutral pump  ปั๊มที่ทำหน้าที่เป็นกลาง  โดยมีตัวนำที่นำประจุบวกเข้าหรือออกจากเซลล์ในขณะเดียวกันก็นำประจุลบเข้าหรือออกจากเซลล์ ผลที่ได้จากปั๊มชนิดนี้ ประจุของเซลล์จะคงเดิม

2. Electrogenic pump  ปั๊มนี้มีตัวนำที่นำประจุอย่างใดอย่างหนึ่งเข้าหรือออกจากเซลล์ โดยไม่มีการแลกเปลี่ยนประจุ      หลังจากการทำงานของปั๊มนี้แล้ว Electrical potential ของเซลล์จะเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น  ไฮโดรเจนปั๊ม คลอไรด์ปั๊ม และไบคาร์บอนเนตปั๊ม

3. Co-transport pump  ปั๊มที่นำร่วมจะมีตัวนำที่นำไฮโดรเจนไอออนร่วมกับการนำโมเลกุลของน้ำตาล หรือกรดอะมิโนเข้าสู่เซลล์หรือออกจากเซลล์

บทที่ 3 เอนไซม์

บทที่ 3

เอนไซม์

โคแฟคเตอร์

ไอโซเอนไซม์

กลไกในการทำงานของเอนไซม์

การเสื่อมสภาพของเอนไซม์

ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์

 

เอนไซม์จะมีอยู่มากมายหลายชนิด และอยู่ในส่วนต่าง ๆ   ของเซลล์    เช่น  รวมอยู่กับ     ผนังเซลล์  เยื่อหุ้มเซลล์ ไรโบโซม และในไมโครบอดี้ส์ เป็นต้น  โดยที่เอนไซม์แต่ละชนิดจะมีที่อยู่ที่     แน่นอน     ไม่รวมกับเอนไซม์ชนิดอื่น ๆ เช่น  เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงจะอยู่ภายใน   คลอโรพลาสต์        เอนไซม์ที่ใช้ในการหายใจจะอยู่ในไมโตคอนเดรีย  และเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์  DNA  และ  RNA   จะอยู่ในนิวเคลียส

เอนไซม์หลายชนิดจะมีชื่อตามสารเริ่มต้น (Substrate)          ลงท้ายด้วย  -ase เช่น ฟอสฟาเตส(Phosphatase) และอะมัยเลส (Amylase) เป็นต้น  แต่ก็มีเอนไซม์บางชนิดที่ชื่ออาจจะไม่เกี่ยวข้องกับสารเริ่มต้น เช่น คะตาเลส (Catalase)

เอนไซม์ จะทำหน้าที่ควบคุมขั้นตอนของปฏิกิริยาต่างๆ ทางเมตาบอลิสม์ ซึ่งผลิตภัณฑ์  (Product)  ที่ได้อาจจะเปลี่ยนไปทันทีโดยเอนไซม์อีกชนิดหนึ่งก็ได้      เอนไซม์ประกอบด้วยโปรตีนเป็นส่วนประกอบใหญ่ และอาจจะมีส่วนที่ไม่ใช่โปรตีนรวมอยู่ด้วย ดังนั้นเอนไซม์จึงมีโครงสร้างย่อยเป็น กรดอะมิโน (Amino acid) หลายชนิดมาต่อกันเป็นลูกโซ่ยาวด้วยแขนที่เรียกว่าเพปไทด์(Peptide bond)            ส่วนประกอบที่ไม่ใช่โปรตีนของเอนไซม์อาจจะเป็นกลุ่มพรอสธีติค (Prosthetic Group) โคเอนไซม์ (Co-enzyme) และวิตามิน (Vitamin) ซึ่งมักรวมเรียกว่า โคแฟคเตอร์ (Cofactors)

 

โคแฟคเตอร์

เอนไซม์บางชนิด  จะเร่งปฏิกิริยาได้เมื่อมีโครงสร้างที่ไม่ใช่โปรตีนมาเกี่ยวข้อง  ซึ่งมักจะเรียกว่า โคแฟคเตอร์ ซึ่งอาจจะเป็นอิออนของโลหะ เช่น Mg⁺²   Fe⁺²  Cu⁺²   K⁺  Na⁺ หรือ โมเลกุลของสารอินทรีย์ ซึ่งเรียกว่า โคเอนไซม์ เช่น  NADP  FAD  FMN หรือ ATP โคแฟคเตอร์มักจะทนต่อความร้อนได้ ในขณะที่เอนไซม์จะหมดสภาพเมื่อได้รับความร้อน    ส่วนประกอบที่ประกอบด้วยโคแฟคเตอร์และเอนไซม์นี้รวมเรียกว่า โฮโลเอนไซม์ (Holoenzyme)  ซึ่งเมื่อกำจัดโคแฟคเตอร์ออกไปแล้วจะเหลือเฉพาะส่วนของโปรตีนที่ไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ เรียกว่าอะโพเอนไซม์ (Apoenzyme)              ส่วน โคแฟคเตอร์     อาจจะเรียกว่าProsthetic group
เอนไซม์ที่มีโคแฟคเตอร์เป็นอิออนของโลหะนั้นอาจจะเรียกว่า เมทัลโลเอนไซม์(Metalloenzyme)  เอนไซม์บางชนิดมีโคแฟคเตอร์เป็นวิตามินซึ่งมีความจำเป็นต่อเซลล์      โคเอนไซม์มักจะมีหน้าที่ในการเป็นintermediale carrier หรือเป็น functional group ของอะตอม  หรืออีเลคตรอน ในกรณีที่โคเอนไซม์ติดอยู่กับเอนไซม์แน่นมากจะเรียกว่ากลุ่มพรอสธีติค โดยจะเกาะอยู่กับเอนไซม์แบบแขนโควาเลนท์ (Covalent bond)

เอนไซม์ที่ต้องการโคแฟคเตอร์เป็นอิออนของโลหะเช่นไซโตโครม ออกซิเดส(Cytochrome oxidase) ต้องการ Cu⁺² ไพรูเวท ไคเนส (Pyruvate  Kinase) ต้องการ K⁺ และMg⁺²เป็นต้น

 

ไอโซเอนไซม์ (Isoenzymes)

ไอโซเอนไซม์  หรือไอโซไซม์  (Isozymes)   เป็นเอนไซม์ชนิดเดียวกัน มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน มีการเรียงตัวของกรดอะมิโนคล้ายคลึงกัน  แต่อาจจะแตกต่างกันเล็กน้อย  ซึ่งการที่มีการเรียงตัวของกรดอะมิโนต่างกันนี้ทำให้เมื่อแยกเอนไซม์โดยวิธีทาง อีเลคโตรโฟรีซิส (Electrophoresis) แล้วจะทำให้ไอโซไซม์แยกออกจากกัน การที่พืชมีไอโซเอนไซม์นี้ ทำให้เอนไซม์ชนิดนี้สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่ต่างกัน  ในเซลล์หนึ่งจะมีไอโซเอนไซม์หลายไอโซเอนไซม์

อีเลคโตรโฟรีซิส เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแยกโปรตีน  ซึ่งเทคนิคนี้นำมาสู่การค้นพบเอนไซม์จำนวนมาก  อีเลคโตรโฟรีซิสสามารถแยกโปรตีนหรือโมเลกุลอื่นที่มีประจุในสนามไฟฟ้า  โดยใช้ส่วนผสมของเอนไซม์หลายชนิดไว้ในตัวกลางที่เฉื่อย  เช่น  Starch gel หรือColumn polyacrylamide gel หรือ Slab polyacrylamide gel  ในบัฟเฟอร์ที่ควบคุม pH ได้       R group ของเอนไซม์จะเกิดการ แตกตัวเมื่อ pH  เปลี่ยนไป เช่น ที่ pH 7 เอนไซม์ที่มีกรดแอสพาติก และกรดกลูตามิค จะมีประจุรวมเป็นลบ เพราะคาร์บอกซิลแตกตัว ส่วนเอนไซม์ที่มีไลซีนและอาร์จีนีนมากจะมีประจุรวมเป็นบวก ที่ pH 7

เนื่องจากเอนไซม์แต่ละชนิดที่รวมกันอยู่จะมีประจุต่างกันที่  pH หนึ่ง ๆ      ถ้าความแตกต่างนี้มีมากพอ เอนไซม์จะถูกแยกออกจากกันเมื่อมีการผ่านกระแสไฟฟ้าจากขั้วลบจากปลายด้านหนึ่งของ  Gel ไปยังขั้วบวกซึ่งอยู่ที่อีกปลายหนึ่งของ Gel    เอนไซม์จะเคลื่อนที่ลงมาในระยะที่ต่างกันในสนามไฟฟ้าขึ้นอยู่กับประจุรวม เมื่อศึกษาการแยกเอนไซม์โดยวิธีนี้ มักจะพบว่ามีเอนไซม์ชนิดเดียวกันเคลื่อนที่ได้ในระยะทางที่ต่างกัน โดยที่เอนไซม์เหล่านี้เปลี่ยนสารเริ่มต้นตัวเดียวกัน ให้เป็นผลิตภัณฑ์ชนิดเดียวกันด้วยเอนไซม์เหล่านี้เรียกว่า ไอโซเอนไซม์

 

กลไกในการทำงานของเอนไซม์

ในการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีนั้น โมเลกุลที่จะเข้าสู่ปฏิกิริยาได้ ตามปกติจะต้องมี      พลังงานสูง  ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้จะมีพลังงานสูงขึ้นได้  ในบางครั้งโดยการชนกันของโมเลกุล   นอกจากนั้นการเพิ่มอุณหภูมิให้กับสารเคมีจะทำให้จำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูงเพิ่มขึ้นมาก จึงทำให้โมเลกุลเกิดการชนกันมากขึ้น ปฏิกิริยาจึงเกิดเร็วในการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีนั้นถ้าไม่มีอุณหภูมิสูงเข้ามา    เกี่ยวข้อง เอนไซม์จะช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นได้

ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น สารเริ่มต้นจะต้องเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งในการเปลี่ยนนี้จะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งเรียกว่า Energy of Activation การเพิ่มอุณหภูมิจะเพิ่มจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูงขึ้น ทำให้โมเลกุลอยู่ในสภาพที่เรียกว่าTransition state ซึ่งเป็นสภาพที่ chemical bond ของโมเลกุลจะแตกออกเพื่อสร้างโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ขึ้นมา ทำให้เกิดปฏิกิริยาได้   ส่วนเอนไซม์จะลดความต้องการ Energy of Activation ลง ซึ่งก็คือเพิ่มจำนวนโมเลกุลที่จะทำปฏิกิริยาได้ให้มากขึ้น การที่เอนไซม์ทำให้  Energy of Activation  ลดลงได้นี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจเด่นชัดนัก  แต่พอจะทราบว่าเอนไซม์จะรวมตัวกับสารเริ่มต้นเกิดเป็น เอนไซม์-สารเริ่มต้น (Enzyme-Substrate Complex) ซึ่งการเกิดเอนไซม์-สารเริ่มต้น เกาะกันขึ้นมานี้ ทำให้แขนที่เกาะกันของสารเริ่มต้นหัก แล้วเกิดการจับกันใหม่เป็นผลิตภัณฑ์ได้เร็วกว่าการไม่ใช้เอนไซม์

อัตราเร่งปฏิกิริยาทางเคมีจะเพิ่มขึ้นได้สองทาง   ได้แก่   การเพิ่มอุณหภูมิ เนื่องจากอุณหภูมิเพิ่มพลังงานให้แก่โมเลกุลของสารเริ่มต้นปฏิกิริยาให้อยู่ใน transition state ปฏิกิริยาหลายปฏิกิริยามีอัตราเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น10  องศาเซลเซียส  อีกทางหนึ่งในการเพิ่มอัตราเร่งของปฏิกิริยาได้แก่  การเติมตัวเร่งหรือคะตะไลซ์  (catalyst) ตัวเร่งนี้จะรวมตัวกับสารเริ่มต้นปฏิกิริยาให้อยู่ในสภาพ transition state ซึ่งต้องการพลังงานน้อยกว่าตอนที่ไม่มีตัวเร่ง    ดังนั้นตัวเร่งจะทำความต้องการพลังงานลดลง

 

ในการเกิด เอนไซม์–สารเริ่มต้น นี้มีสมมุติฐานอธิบายอยู่ 2 ความคิดด้วยกัน  คือ

1. สมมุติฐาน  แม่กุญแจและลูกกุญแจ (Lock and  Key)  อธิบายโดย Emil Fischer ในปี ค.ศ. 1884 ว่า โครงสร้างการเกิด เอนไซม์-สารเริ่มต้นนี้  จะเป็นโครงสร้างที่ไม่ยืดหยุ่น   โดยที่    เอนไซม์โมเลกุลจะมีส่วนหนึ่งที่จะรวมกับสารเริ่มต้นได้            ทำให้สารเริ่มต้นเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งส่วนนั้นเรียกว่า Active Site และส่วนนี้เป็นส่วนที่ไม่ยืดหยุ่น และมีความเฉพาะเจาะจงต่อสารเริ่มต้น จึงเป็นการยากที่จะอธิบายถึงการเกิดปฏิกิริยาผันกลับ (Reversibility) เนื่องจากผลิตภัณฑ์จะไม่สามารถรวมกับ Active Site ของเอนไซม์ได้ เพราะโครงสร้างต่างจากสารเริ่มต้น

2.  สมมุติฐาน Induced-fit   อธิบายในปี ค.ศ. 1973  โดย  D.F. Koshland  ว่าActive  Site  ของเอนไซม์สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เปลี่ยนรูปร่างได้ เมื่ออยู่ใกล้กับสารเริ่มต้นหรือผลิตภัณฑ์   เพื่อจะได้รวมกับสารเริ่มต้นหรือผลิตภัณฑ์ก็ได้      นอกจากเอนไซม์จะเปลี่ยนรูปร่างแล้ว โครงสร้างของสารเริ่มต้นก็เปลี่ยนไปด้วย เพื่อจะได้พอดีกับ Active Site ของเอนไซม์

แม้ว่าจะมีจำนวน เอนไซม์-สารเริ่มต้น ที่ได้รับการศึกษาไม่มากนัก แต่ก็เป็นที่เข้าใจกันว่าแขนที่จะเกาะกันของเอนไซม์-สารเริ่มต้นนั้นอาจจะเป็น   โควาเลนท์ (Covalent)  ไอออนนิค (Ionic) ไฮโดรเจน (Hydrogen) หรือ แวน เดอ  วัลส์ (Van der Waals) ก็ได้ แขนแบบโควาเลนท์และไอออนนิค  เป็นแขนที่สำคัญที่สุดสำหรับการเกิดปฏิกิริยา  แต่ถึงแม้ว่าแขนแบบโควาเลนท์ ซึ่งแข็งแรงจะเกิดขึ้นมา แต่ตามปกติก็จะหักอย่างรวดเร็วแล้วก็ให้ผลิตภัณฑ์ออกมา

 

การเสื่อมสภาพของเอนไซม์ (Denaturation)

เมื่อโครงสร้างของเอนไซม์เปลี่ยนไปจนสารเริ่มต้นรวมกับเอนไซม์ที่ Active Site   ไม่ได้ จะทำให้คุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์หมดไป    ซึ่งมีปัจจัยหลายอย่างทำให้เกิดการหมดสภาพของเอนไซม์       มีหลายกรณีที่เมื่อเอนไซม์เกิดการเสื่อมสภาพไปแล้ว ไม่สามารถจะกลับคืนมาสู่สภาพที่ทำงานได้อีก เช่น กรณีที่ได้รับอุณหภูมิสูงทั้งนี้เพราะอุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดการสร้างแขนชนิด โควาเลนท์ระหว่างลูกโซ่ โพลีเพปไทด์ (Polypeptide  chain) หรือในลูกโซ่โพลีเพปไทด์เดียวกัน  และแขนเหล่านี้จะมีความคงตัวมากจนไม่สามารถทำให้แตกหักได้

ดังนั้น ในการสกัดเอนไซม์ออกจากพืช หรือการทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์  จึงมักต้องทำใน ที่ ๆ มีอุณหภูมิต่ำ เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของเอนไซม์จากความร้อน ทั้ง ๆ ที่ถ้าเอนไซม์อยู่ในเซลล์อาจจะทนต่ออุณหภูมิสูงระดับหนึ่งได้   แต่เมื่อสกัดออกจากเซลล์ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงจะลดลง ซึ่งยังไม่เข้าใจนักว่าเป็นเพราะเหตุใด  แต่คาดกันว่าอาจจะเป็นเพราะในระหว่างการสกัดเอนไซม์นั้นได้กำจัดสารป้องกันเอนไซม์ออกไปหรืออาจทำให้สารดังกล่าวเจือจางลง

ออกซิเจน     และสารที่เป็นสารออกซิไดซ์สามารถทำให้เอนไซม์หลายชนิดเสื่อมสภาพได้ โดยมักจะทำให้เกิดไดซัลไฟด์ บริดจ์ (Disulfide Bridges) ในลูกโซ่โพลีเพปไทด์ที่มี  -SH ของกรด   อะมิโน ซีสตีอีน  (Cysteine)  สารรีดิวซ์สามารถทำให้เอนไซม์เสื่อมสภาพได้ในเหตุผลตรงกันข้ามคือ   จะไปทำลายไดซัลไฟด์ บริดจ์  เกิดเป็น -SH  2 กลุ่ม นอกจากนั้นโลหะหนัก    เช่น Ag⁺  Hg⁺² และ Pb⁺²  ก็สามารถทำให้เอนไซม์เสื่อมสภาพได้เช่นกัน

 

ในสภาพที่แห้ง  เอนไซม์จะมีความคงทนต่ออุณหภูมิสูงดีกว่าในสภาพที่มีน้ำมาก และด้วยเหตุนี้เมล็ดที่แห้งหรือสปอร์ของเชื้อราและแบคทีเรียที่แห้ง จึงต้านทานต่ออุณหภูมิสูง ดังนั้นในการฆ่าสปอร์ของเชื้อราและแบคทีเรีย  การใช้ความร้อนชื้นจากหม้อนึ่งอัดไอน้ำ จึงมีประสิทธิภาพดี       นอกจากนั้นในสภาพที่แห้งเมล็ดและสปอร์ที่แห้งยังทนต่ออุณหภูมิต่ำในระหว่างฤดูหนาวได้ดีเช่นกัน

 

ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์

1. ความเข้มข้นของเอนไซม์และสารเริ่มต้น  การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ จะต้องมีการรวมตัวกันของ เอนไซม์-สารเริ่มต้น อัตราเร็วของปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับจำนวนการชนกันของโมเลกุลทั้งสอง ถ้ามีสารเริ่มต้นพอเพียง  เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเอนไซม์เป็นสองเท่าจะทำให้อัตราเร็วเพิ่มขึ้นไปเป็น 2 เท่าด้วย แต่เมื่อมีการเพิ่มปริมาณเอนไซม์ต่อไปเรื่อย ๆ  อัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นแนวระนาบเพราะสารเริ่มต้นเริ่มหมดไป ทำให้เป็นตัวจำกัดการเกิดปฏิกิริยาได้ อัตราเร็วของการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับการชนกันของโมเลกุล ซึ่งจะชนกันมากขึ้นเมื่อปริมาณเอนไซม์หรือสารเริ่มต้นมากขึ้น

อัตราการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้นนั้น  ถ้าให้เอนไซม์เป็นตัวคงที่และเพิ่มปริมาณสารเริ่มต้นขึ้นเรื่อยๆ นั้น ปฏิกิริยาได้เป็น 3 ระยะ คือ

ระยะที่ 1    อัตราเร็วของปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนโดยตรงต่อความเข้มข้นของสารเริ่มต้น

ระยะที่ 2    อัตราเร็วของปฏิกิริยาเริ่มลดลงเนื่องจากปริมาณของเอนไซม์เริ่มเป็นตัว

จำกัด

ระยะที่ 3    อัตราเร็วถึงจุดอิ่มตัว

 

Km  หรือ   Michaelis-MentenConstant   คือค่าความเข้มข้นของสารเริ่มต้นที่ทำให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุด      ค่า Km สามารถบ่งบอกถึงความเร็วในการรวมตัวของเอนไซม์และสารเริ่มต้น  เช่น ถ้าเปรียบเทียบสารเริ่มต้นสองชนิด ว่าชนิดใดจะรวมตัวกับเอนไซม์ได้ดีกว่านั้นสามารถดูจากค่า     1/ Km

 

ถ้าสารเริ่มต้นชนิดที่ 1 มีค่า     km   =    0.25 M

และสารเริ่มต้นชนิดที่ 2 มีค่า   km   =    0.4  M

พบว่าค่า    1/ Km  ของสารที่ 1 = 4 และ     1/ Km      ของสารที่ 2  =  2.5

แสดงว่า     สารเริ่มต้นชนิดที่ 1 จะรวมตัวกับเอนไซม์ได้ดีกว่าสารเริ่มต้นชนิดที่ 2

 

ค่า Km ขึ้นอยู่กับชนิดของโคเอนไซม์ ความเป็นกรดด่างและอุณหภูมิ  ค่า Km ของเอนไซม์ที่พบในปัจจุบันอยู่ในช่วง 10^-3 ถึง 10^-7 M ถ้าเอนไซม์ชนิดเดียวกันสามารถทำปฏิกิริยาได้กับสารเริ่มต้น  2  ชนิด ค่า  Km  ของเอนไซม์จะต่างกันตามชนิดของสารเริ่มต้นด้วย การที่ค่า Km ต่ำแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์-สารเริ่มต้น จะค่อนข้างอยู่ตัว  หรือนั่นคือถ้ามีสารเริ่มต้นสองชนิดที่คล้ายกันเอนไซม์จะเข้าทำปฏิกิริยากับสารเริ่มต้นซึ่งมีค่า Km ต่ำ

2. ความเป็นกรดด่าง (pH)        pH  ของสารละลายจะมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ในหลายด้านตามปกติเอนไซม์แต่ละชนิดจะมี  pH  ที่เหมาะสมในการทำงาน ซึ่งการทำงานของเอนไซม์จะลดลงเมื่อ pH สูงหรือต่ำกว่า pH ที่เหมาะสม pHที่เหมาะสมของเอนไซม์ส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 6-8 การที่ pH สูงมากหรือต่ำมาก  จะทำให้เอนไซม์เสื่อมสภาพ

เนื่องจากเอนไซม์ประกอบด้วยกลุ่ม (อะมิโน) และ (คาร์บอกซิล) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงประจุของไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย  ทำให้มีการเปลี่ยนแปลง ดังนี้

pH ลดลง   – NH₂     กลายเป็น   – NH₃⁺

pH เพิ่มขึ้น  – COOH    กลายเป็น   – COO-

pH อยู่ที่ isoelectric point

– NH₂        ยังคงเป็น   – NH₂

– COOH    ยังคงเป็น   – COOH

 

นอกจาก pH จะทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของเอนไซม์แล้ว  pH  ยังมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาอีก 2 ทาง คือ

2.1 กิจกรรมของเอนไซม์จะขึ้นอยู่กับการปรากฏของกลุ่มอะมิโน    และกลุ่ม  คาร์บอกซิล ซึ่งทั้ง 2 กลุ่มอาจจะมีประจุหรือไม่มีประจุก็ได้  แต่เอนไซม์จะทำงานได้ดีเพียงเมื่อกลุ่มทั้ง   2 มีประจุหรือไม่มีประจุแล้วแต่ชนิดของเอนไซม์  ถ้าเอนไซม์ทำงานได้ดีเมื่อกลุ่มอะมิโนไม่มีประจุ   pH ที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์ชนิดนี้มักจะสูง ในขณะที่ถ้าเอนไซม์ทำงานได้ดี เมื่อคาร์บอกซิลเป็นกลาง  pH ที่เหมาะสมจะต่ำ

2.2 pH ควบคุมการแตกตัวของสารเริ่มต้น    ซึ่งมีหลายปฏิกิริยาต้องเกิดการแตกตัวของสารเริ่มต้นก่อน ปฏิกิริยาจึงจะดำเนินต่อไปได้

3. อุณหภูมิ  การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น  ซึ่งจะส่งผลให้ปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นด้วย  อัตราการเพิ่มความเร็วของปฏิกิริยาคำนวณได้จากค่า  Q₁₀   หรือ Temperature Quotient     ค่า Q₁₀ ของเอนไซม์มักจะมีค่ามากกว่า 1 ขึ้นไป

 

Q₁₀  =    อัตราเร็วของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ X ํ + 10 ํC

อัตราเร็วของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ X ํC

 

4. ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น (Reaction product)  อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้น  สามารถวัดได้จากอัตราการหายไปของสารเริ่มต้นหรืออาจจะวัดจากการปรากฏขึ้นของผลิตภัณฑ์ หรือทำทั้ง 2 วิธีพร้อมกัน แต่ไม่ว่าจะวัดโดยวิธีใด  จะพบว่าอัตราเร็วของปฏิกิริยาจะช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป  อัตราเร็วของปฏิกิริยาที่เกิดช้าลงนี้  เป็นเพราะเกิดการเสื่อมสภาพของเอนไซม์  นอกจากนั้นยังเกิดเพราะมีการลดลงของสารเริ่มต้น และผลิตภัณฑ์เพิ่มมากขึ้น เมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์มากขึ้น จนถึงความเข้มข้นหนึ่ง  อาจจะทำให้เกิดปฏิกิริยาผันกลับ  (Reversibility)  โมเลกุลของ      ผลิตภัณฑ์จะรวมกับเอนไซม์แทนสารเริ่มต้นทำให้ปฏิกิริยาถูกจำกัดได้

5. สารระงับการทำงานของเอนไซม์ (Inhibitors) มีสารหลายชนิดที่สามารถระงับการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ได้  สารเหล่านี้อาจจะเป็นสารอนินทรีย์  เช่น   โลหะหนักต่าง ๆ หรืออาจจะเป็นสารอินทรีย์ เช่น  สารประกอบฟีโนลิค (Phenolic) หรือโปรตีน แต่อย่างไรก็ตามสารเหล่านี้แบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ ๆ ได้ดังนี้

5.1 Competitive Inhibitor  เป็นสารชะงักการทำงานของเอนไซม์ที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับสารเริ่มต้นมาก และเข้าแย่งทำปฏิกิริยากับเอนไซม์  ที่ Active  Site ของเอนไซม์  เมื่อเกิดการรวมกันเป็นเอนไซม์-สารชะงัก  (Emzyme-Inhibitor)   จะทำให้ปริมาณของเอนไซม์ลดลง   ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง  สารชะงักเหล่านี้อาจจะเปลี่ยนหรือไม่เปลี่ยนไปก็ได้    การเพิ่มปริมาณของสารเริ่มต้นให้มากขึ้นจะลดผลของ  Competitive  Inhibitor ได้  ตัวอย่างของ  Competitive Inhibitor คือ  การที่มาโลเนท  (malonate)  แย่งทำปฏิกิริยากับ   succinate dehydrogenase  ซึ่งเอนไซม์ชนิดนี้ปกติจะทำปฏิกิริยากับ succinate ได้ fumarate ซึ่งปรากฏในการหายใจ    ซึ่งเมื่อ malonate รวมกับเอนไซม์แล้วทำให้การหายใจเกิดไม่ได้

5.2 Non competitive Inhibitor   สารชะงักการทำงานของเอนไซม์ชนิดนี้จะเข้ารวมกับเอนไซม์แต่จะไม่รวมที่ Active Site สารพวกนี้มีลักษณะต่างจากสารเริ่มต้น  การเพิ่มปริมาณของสารเริ่มต้นจะไม่สามารถลบล้างผลของสารเหล่านี้ได้ โลหะที่เป็นพิษทั้งหลาย  และสารที่รวมหรือทำลาย  กลุ่มซัลฟ์ไฮดริล มักจะเป็นสารในกลุ่มนี้  เช่น การที่มีออกซิเจนมาก จะทำให้ -SH ถูกออกซิไดซ์ เกิดไดซัลไฟด์  บริดจ์ขึ้นมา  ซึ่งทำให้โครงสร้างของเอนไซม์เปลี่ยนไป  ทำให้ Active  Site  รวมกับสารเริ่มต้นไม่ได้ ส่วนโลหะ เช่น Hg⁺² และ Ag⁺ จะเข้าแทนที่ไฮโดรเจนอะตอมของกลุ่มซัลฟ์ไฮดริล  เกิดเป็น เมอแคบไทด์ (Mercaptides) ซึ่งไม่ละลายน้ำ

5.3  Uncompetitive  Inhibitor   สารชะงักการทำงานของเอนไซม์ ชนิดนี้ไม่รวมกับเอนไซม์อิสระ และไม่มีผลกระทบต่อปฏิกิริยาของเอนไซม์  และสารเริ่มต้น แต่จะเข้ารวมกับ เอนไซม์-สารเริ่มต้น ทำให้ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาต่อไปได้ การชะงักการทำงานของเอนไซม์จะเพิ่มขึ้นเมื่อมีสารเริ่มต้นมากขึ้น  สารชะงักชนิดนี้มักจะพบในปฏิกิริยาซึ่งมีสารเริ่มต้นสองชนิด

บทที่ 4 การสังเคราะห์แสง

บทที่ 4

การสังเคราะห์แสง

 

บทนำ

กระบวนการสังเคราะห์แสง

Emerson Enhancement Effect และ Photosystems

Enzymatic Reaction

การจับ CO2ของพืชอวบน้ำ

Photorespiration

ปัจจัยที่ควบคุมการสังเคราะห์แสง

 

บทนำ

การสังเคราะห์แสง  คือ กระบวนการซึ่งพืชสังเคราะห์สารอินทรีย์จากสารประกอบ อนินทรีย์ โดยมีแสงปรากฏอยู่ด้วย สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานเพื่อใช้ในการเจริญเติบโตและรักษาสภาพเดิมให้คงอยู่ สาหร่าย พืชชั้นสูง และแบคทีเรียบางชนิดสามารถรับพลังงานโดยตรงจากแสงอาทิตย์ และใช้พลังงานนี้ในการสังเคราะห์สารที่จำเป็นต่อการดำรงชีพ  แต่สัตว์ไม่สามารถรับพลังงานโดยตรงจากแสงอาทิตย์  ต้องรับพลังงานโดยการบริโภคพืชและสัตว์อื่น ดังนั้นแหล่งของ  พลังงานทางเมตาบอลิสม์ในโลกคือ  ดวงอาทิตย์ และกระบวนการสังเคราะห์แสง จึงจำเป็นสำหรับชีวิตบนโลก

ประโยชน์ของการสังเคราะห์แสง

1. เป็นกระบวนการสร้างอาหารเพื่อการดำรงชีวิตของพืช

2. เป็นกระบวนการซึ่งสร้างสารประกอบชนิดอื่น ซึ่งจำเป็นต่อกระบวนการเจริญ

เติบโตของพืช

3. เป็นกระบวนการซึ่งให้ก๊าซออกซิเจนแก่บรรยากาศ

4. ลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ให้อยู่ในสภาวะสมดุล

 

การที่พืชรับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ได้โดยตรงนี้       พืชต้องมีกลไกพิเศษ คือ มีรงควัตถุ(Pigment) สีเขียว ซึ่งเรียกว่า คลอโรฟิลล์ (Chlorophylls)     ซึ่งมีโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน Pyrrole 4วง  เรียงติดกัน มี Mg อยู่ตรงกลาง ซึ่งเป็นส่วนที่ดูดแสงเรียกว่า Head ส่วน Tail คือ  Phytol ซึ่งคลอโรฟิลล์เป็นรงควัตถุที่ปรากฏอยู่ในคลอโรพลาสต์      ทำหน้าที่ในการจับพลังงานจากแสง ซึ่งโครงสร้างของคลอโรพลาสต์นี้ได้กล่าวถึงแล้วในบทที่ 1    นอกจากคลอโรฟิลล์แล้ว    รงควัตถุที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงยังมีคาโรทีนอยด์ (Carotenoids) และไฟโคบิลินส์(Phycobilins)  สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้จะมีรงควัตถุหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งชนิด รงควัตถุเหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่ 4.1

คลอโรฟิลล์ เอ นั้นจัดว่าเป็น primary pigment ทำหน้าที่สังเคราะห์แสงโดยตรง ส่วนรงควัตถุชนิดอื่น ๆ ต้องรับแสงแล้วจึงส่งต่อให้คลอโรฟิลล์ เอ  เรียกว่าเป็น Accessory pigment ในพืชชั้นสูงทั่ว ๆ ไปจะมีคลอโรฟิลล์ เอ มากกว่าคลอโรฟิลล์ บี ประมาณ  2-3  เท่า ส่วนแบคทีเรียบางชนิด เช่น Green bacteria  และ  Purple bacteria จะมีรงควัตถุซึ่งเรียกว่า Bacteriochlorophyll

ซึ่งปรากฏอยู่ในไธลาคอยด์  การสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียจะต่างจากการสังเคราะห์แสงของพืชชั้นสูง เพราะไม่ได้ใช้น้ำเป็นตัวให้อีเลคตรอนและโปรตอน   แต่ใช้ H₂S  แทน  และเมื่อสิ้นสุดการสังเคราะห์แสงจะไม่ได้ก๊าซออกซิเจนออกมา    แต่จะได้สารอื่น เช่น กำมะถันแทน

 

ตารางที่ 4.1     รงควัตถุที่ปรากฏอยู่ในพืชชนิดต่าง ๆ

 

ชนิดของรงควัตถุ		ช่วงแสงที่ดูดกลืนแสง (nm)	ชนิดของพืช
คลอโรฟิลล์
	คลอโรฟิลล์ เอ	420, 660	พืชชั้นสูงทุกชนิดและสาหร่าย
	คลอโรฟิลล์ บี	435, 643	พืชชั้นสูงทุกชนิดและสาหร่ายสีเขียว
	คลอโรฟิลล์ ซี	445, 625	ไดอะตอมและสาหร่ายสีน้ำตาล
	คลอโรฟิลล์ ดี	450, 690	สาหร่ายสีแดง
คาร์โรทีนอยด์
	เบตา คาร์โรทีน	425, 450, 480	พืชชั้นสูงและสาหร่ายส่วนใหญ่
	แอลฟา คาร์โรทีน	420, 440, 470	พืชส่วนใหญ่และสาหร่ายบางชนิด
	ลูตีออล (Luteol)	425, 445, 475	สาหร่ายสีเขียว สีแดงและพืชชั้นสูง
	ไวโอลาแซนธอล	425, 450, 475	พืชชั้นสูง
	(Violaxanthol)
	แกมมา คาร์โรทีน	–	แบคทีเรีย
	ฟูโคแซนธอล (Fucoxanthol)	425, 450, 475	ไดอะตอมและสาหร่ายสีน้ำตาล
ไฟโคบิลินส์
	ไฟโคอีรีธรินส์	490, 546, 576	สาหร่ายสีแดง    และสาหร่ายสีน้ำเงิน
	(Phycoerythrins)
	ไฟโคไซยานินส์	618	สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว  และ
	(Phycocyanins)		สาหร่ายสีแดงบางชนิด

 

รงควัตถุ จะกระจายอยู่ในส่วนของลาเมลลาของคลอโรพลาสต์  นอกจากนั้นใน  คลอโรพลาสต์ยังมีโปรตีน ไขมัน และควิโนน  อีกหลายชนิดกระจายตัวอยู่ เช่น ไซโตโครม บี 6 (Cytochrome b₆) และไซโตโครม เอฟ (Cytochrome f)   พลาสโตไซยานิน (Plastocyanin)     ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีทองแดงประกอบอยู่ด้วยเฟอร์ริดอกซิน (Ferredoxin)ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีเหล็กประกอบอยู่ด้วยและเป็น non heme โลหะ พบในลาเมลลา คือ สังกะสี เหล็ก และแมกนีเซียม

 

การสังเคราะห์แสงเป็นกระบวนการ ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการสองกระบวนการใหญ่ๆ คือ

1. การไหลของอีเลคตรอน หรือ Light Reaction ซึ่งแบ่งเป็น

1.1  Hill Reaction ซึ่งคือ การแตกตัวของน้ำ โดยพลังงานแสง พบโดย  Robert Hill เมื่อน้ำแตกตัวแล้ว  จะให้อีเลคตรอนออกมา  ซึ่งตามธรรมชาติของการสังเคราะห์แสงตัวรับ       อีเลคตรอนคือ NADP ทำให้กลายเป็นNADPH ซึ่งเป็นสารที่มีศักยภาพในการรีดิวซ์สารอื่นสูงมาก และจะนำไปใช้รีดิวซ์ CO₂ ในกระบวนการต่อไป

 

การที่น้ำแตกตัวเป็นออกซิเจนได้นี้  เกิดโดยพลังงานแสงที่คลอโรฟิลล์ดูดแล้วส่งไปช่วยเอนไซม์ที่ทำหน้าที่แยกโมเลกุลของน้ำ (Water Splitting enzyme) ให้เกิดปฏิกิริยาได้อีเลคตรอนและก๊าซออกซิเจน

 

นำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแตกตัวของน้ำคือโปรตอน ซึ่งจะใช้เป็นตัวพาอีเลคตรอนและนำไปสร้างสารให้พลังงานสูงNADPH นอกจากนั้นอีเลคตรอนยังถูกส่งเข้าไปทดแทนอีเลคตรอนของคลอโรฟิลล์ซึ่งสูญเสียไปในการถ่ายทอดอีเลคตรอน ดังจะได้กล่าวถึงต่อไป

1.2 Photophosphorylation คือ  การสังเคราะห์สารเคมีที่ให้พลังงานสูง ATP จากการไหลของอีเลคตรอน จากน้ำไปสู่ NADP ซึ่ง NADP  ไม่สามารถรับอีเลคตรอนได้โดยตรง ต้องไหลผ่านสารอื่น ๆ หลายชนิด  ในระหว่างการไหลนี้ทำให้เกิด ATP ขึ้นมา

2. Enzymatic Reaction หรือ Dark Reaction เกิดในสโตรมาเป็นกระบวนการที่เปลี่ยน CO₂ ให้เป็นน้ำตาลสามารถเกิดได้ในที่มืดและที่มีแสง

เนื่องจากแสงมีลักษณะเป็นคลื่นและมีพลังงาน แสงจะมาในลักษณะเป็นควอนตา (Quanta) หรือโฟตอน(Photon) ซึ่งเป็นพลังงาน  พลังงานแต่ละโฟตอนจะเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวคลื่นแสง ดังนั้นแสงสีม่วงและน้ำเงิน  จะมีพลังงานมากกว่าแสงสีแดงและสีส้ม

หลักพื้นฐานของการดูดซับแสง  เรียกว่า Einstein’s  Law  ซึ่งกล่าวว่า     รงควัตถุใด ๆ   สามารถดูดซับแสงได้ทีละหนึ่งโฟตอน และหนึ่งโฟตอนนี้จะทำให้เกิดการ Excitation ของ       อีเลคตรอนหนึ่งอีเลคตรอน  ซึ่งเป็นอีเลคตรอนที่หมุนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสในสภาพ Ground State นั่นเอง             อีเลคตรอนในสภาพExcitation นี้สามารถหลุดออกไปจากนิวเคลียสได้  รงควัตถุที่มีอีเลคตรอนในสภาพ Excitation  นั้นถือว่าอยู่ในสภาพExcited State

คลอโรฟิลล์และรงควัตถุอื่น ๆ อาจจะคงอยู่ในสภาพ  Excited  State เป็นระยะเวลาสั้น ๆ   ประมาณ 10^-9 ของหนึ่งวินาที    พลังงานที่ได้จากการเคลื่อนที่ของอีเลคตรอน อาจจะเสียไปในรูปของความร้อนเมื่ออีเลคตรอนกลับเข้าสู่Ground  State ซึ่งเกิดในกรณีที่คลอโรฟิลล์ได้รับแสง      สีน้ำเงิน   ดังนั้นแสงสีน้ำเงินจึงใช้ในการสังเคราะห์แสงไม่ได้ ดังเหตุผลข้างต้น แต่ถ้าคลอโรฟิลล์ได้รับแสงสีแดง จะทำให้คลอโรฟิลล์  อยู่ในสภาพ Excited แล้วอีเลคตรอนจะเคลื่อนที่ไปถึงจุดศูนย์กลางของปฏิกิริยาซึ่งจุดศูนย์กลางของปฏิกิริยานี้อยู่ในไธลาคอยส์ (Thylakoids)  ของคลอโรพลาสต์มีรงควัตถุที่เป็นคลอโรฟิลล์  เอ รวมกับโปรตีนบางชนิด   แสงสีเขียวนั้นคลอโรฟิลล์ไม่ได้ดูดซับเอาไว้จะสะท้อนออกมาหรือผ่านไป ส่วนคาร์โรทีนอยด์จะดูดซับแสงสีน้ำเงินและม่วงและสะท้อนแสงสีเหลืองและแดงทำให้เห็นเป็นสีเหลือง

 

Emerson Enhancement Effect และ Photosystems

Robert  Emerson และคณะ ได้พบว่า  แสงสีแดงเป็นแสงที่ทำให้เกิดการ    สังเคราะห์แสงสูงสุดในสาหร่าย Chlorella      ซึ่งแสงสีแดงจะมีความยาวคลื่น 650- 680 nm    แต่อัตราการสังเคราะห์แสงจะลดลงอย่างมาก เมื่อให้แสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 685 nm หรือก็คือแสง Far Red นั่นเอง  แต่อย่างไรก็ตามการสังเคราะห์แสงในช่วงคลื่นแสงที่มีมากกว่า  685 nm จะเพิ่มขึ้นมากโดยการให้แสงสีแดงร่วมไปด้วย      ซึ่งอัตราการสังเคราะห์แสงที่เกิดขึ้นในสภาพที่มีแสง Far Redและแสงสีแดงรวมกันนั้นมากกว่าผลรวมของการสังเคราะห์แสงในแสงสีแดง  และแสง       Far Red  ที่แยกกันคนละการทดลอง  การที่เกิดการเพิ่มประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงดังกล่าวนี้ เรียกว่า Emerson  Enhancement Effect  ซึ่งจากการพบดังกล่าวนี้ส่งผลให้มีการสรุปว่ามีกลุ่มของรงควัตถุ  2  กลุ่ม  เรียกว่า  Photosystems      ทำงานร่วมกันและก่อให้เกิดการสังเคราะห์แสงที่มีประสิทธิภาพในสภาพของแสง  Far Red และแสงสีแดง   รงควัตถุกลุ่มแรก  เรียกว่า Photosystem I ซึ่งประกอบด้วยคลอโรฟิลล์  เอ  เป็นจำนวนมาก และ Photosystem II ประกอบด้วยคลอโรฟิลล์ บี เป็นจำนวนมากPhotosystem  I เป็นรงควัตถุในกลุ่มที่สามารถดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า  680  nm  และแสงที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 680 nm แต่ Photosystem II ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 680 nm เท่านั้น

จุดศูนย์กลางของปฏิกิริยาของ Photosystem I คือ P700 และจุดศูนย์กลางของปฏิกิริยาของPhotosystem II คือ P680

P680  และ  P700 ในสภาพ  Excited  หลังจากที่ได้รับอีเลคตรอนจากรงควัตถุ   อื่น ๆ แล้ว ในสภาพ Excited นั้น P680 และ P700 มีคุณสมบัติต่างจากในสภาพ Ground State เพราะสามารถส่งอีเลคตรอนไปยังตัวรับอีเลคตรอนที่เหมาะสมได้  โดยจะรีดิวซ์ตัวรับอีเลคตรอนตัวแรก ๆ ที่เป็น negative reduction potential  (ซึ่งรีดิวซ์ยาก)  ซึ่งตัวรับอีเลคตรอนแต่ละตัวจะส่งอีเลคตรอนไปยังตัวรับอีเลคตรอนที่มีลักษณะเป็น positive reduction potential กว่าตัวของมันเอง

ในไธลาคอยด์ มีโปรตีนและโมเลกุลอีกหลายชนิด  ซึ่งเรียงตัวกันอยู่ในระบบ Photosystems ทั้งสอง เพื่อให้เกิดการถ่ายทอดอีเลคตรอน จาก P680 และ P700 ไปสู่ NADP เมื่อถูกออกซิไดซ์แล้ว P680  ซึ่งเป็นตัวรับอีเลคตรอนจะดึงอีเลคตรอนจากน้ำมา ดังนั้นหน้าที่ของ P680, P700 โปรตีนและโมเลกุลในไธลาคอยด์จึงทำหน้าที่ในการเคลื่อนย้ายอีเลคตรอนจากน้ำไปยัง NADP

ลักษณะการไหลของอีเลคตรอน จากน้ำไปสู่ NADP นั้น มีรูปร่างเป็นตัวอักษร Z เรียกว่า Z-scheme น้ำจะถูกออกซิไดซ์ภายในไธลาคอยด์   และการปลดปล่อย  H⁺ ทำให้เกิดการ ลดลงของ pH    และมีจำนวนประจุบวกมากขึ้นภายในไธลาคอยด์เมื่อเปรียบเทียบกับส่วนของ  สโตรมา (Stroma)  แล้วภายในไธลาคอยด์จะมี      positive electropotential  มากกว่า   H⁺ นี้จะดึง OHฏ ให้เข้ามาสู่ภายในไธลาคอยด์และในขณะเดียวกัน H⁺ ก็จะถูก OH^ฏ ในสโตรมาดึงออกไป จากลักษณะการเคลื่อนที่ของ  H⁺ ดังกล่าวทำให้เกิด ATP และน้ำ    ทำให้ในการเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนสามารถสร้าง ATP

 

การสังเคราะห์  ATP ดังกล่าวเรียกว่า Photophosphorylation  หรือPhotosynthetic Phosphorylation     การสังเคราะห์ ATP ในการเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนนั้นมี        2ระบบ คือ

1. Non Cyclic Photophosphorylation   เป็นกระบวนการที่ต้องการแสงซึ่ง อีเลคตรอนจากน้ำจะเคลื่อนที่ทำให้เกิด O₂ และอีเลคตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านตัวรับอีเลคตรอนหลายตัว จนถึง NADP แล้วเกิด NADPH ขึ้น  ตัวรับอีเลคตรอนที่เกี่ยวข้องคือ คลอโรฟิลล์  เอ คลอโรฟิลล์ บี ควิโนน ไซโตโครม บี และเอฟ พลาสโตไซยานิน  และเฟอริดอกซิน     ATP จะสร้างขึ้นในช่วงของการเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนจากควิโนนไปไซโตโครม เอฟ การเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนชนิดนี้เกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่ เป็นการเคลื่อนที่ที่จะสูญเสียอีเลคตรอนไปเลย  จำนวน ATP จะเกิดขึ้น   2 โมเลกุลต่อการเกิด NADPH  2 โมเลกุล  ในขณะที่การรีดิวซ์  CO₂  1 โมเลกุลต้องใช้ ATP   3 โมเลกุลและ  NADPH  2 โมเลกุล

2. Cyclic Photophosphorylation         เป็นกระบวนการที่ต้องการแสงและ     คลอโรพลาสต์  และสังเคราะห์ ATP ได้ แต่ไม่เกิด NADPH  อีเลคตรอนจะเคลื่อนที่จาก Photosystem I ไปยังเฟอริดอกซิน แต่เฟอริดอกซินจะส่งอีเลคตรอนกลับมาที่ไซโตโครม บี อีก แล้วกลับไป Photosystem I  ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียอีเลคตรอนไป จำนวน ATP ที่เกิดต่ออีเลคตรอนไม่สามารถวัดได้แน่นอน เชื่อกันว่าการสร้าง ATP  ในระบบนี้เป็นระบบที่ช่วยควบคุมอัตราส่วนของ ATP และNADPH ให้เหมาะสม  ATP ที่เกิดจากระบบนี้ออกไปนอกคลอโรพลาสต์ไม่ได้   แต่อาจจะใช้สังเคราะห์สารบางอย่างภายในคลอโรพลาสต์ได้ แต่ถ้าการสังเคราะห์แสงทำให้เกิด ATP ในระบบ Cyclic ตลอด  เวลาจะทำให้พลังงานไม่พอใช้ในการรีดิวซ์ CO₂

กลไกการไหลของอีเลคตรอนที่อาจจะเกิดขึ้นอีกกรณี คือ  Pseudocyclic Photophosphorylation จะคล้ายคลึงกับ Cyclic Photophosphorylation   คือ อีเลคตรอนจาก     เฟอริดอกซินจะเคลื่อนที่ไปยัง O₂ เกิดเป็นน้ำ การไหลของอีเลคตรอนชนิดนี้ทำให้เกิด ATP ขึ้นตามกระบวนการ Non cyclic Photophosphorylation แต่ไม่มี NADPH เกิดขึ้น

ความสำคัญของ Cyclic และ Pseudocyclic Photophosphorylationต่อการสังเคราะห์แสงนั้นยังไม่แน่นอน  แต่เป็นที่แน่ชัดว่า O₂  สามารถดึงเอาอีเลคตรอนจากน้ำได้

สารเคมีที่ให้พลังงานสูงที่ได้จากกระบวนการ Photophosphorylation  คือ ATP นั้น เกิดจาก ADP และกลุ่มฟอสเฟส (Inorganic phosphate หรือ Pi) เพื่อใช้ในการจับคาร์บอนได- ออกไซด์ในกระบวนการต่อไป    การเกิด ATP ในคลอโรพลาสต์มีกลไกตามสมมุติฐานของ Mitchell เรียกว่า Chemiosmotic hypothesis พลังงานที่ใช้ในการสร้างพันธะฟอสเฟต (Phosphate bond) ระหว่าง ATP กับ Pi   มาจากพลังงานซึ่งสูญเสียออกมาจากการไหลของอีเลคตรอนในกระบวนการ Light reaction  ทำให้เกิดแขนซึ่งเรียกว่า Squiggle bond ซึ่งเป็นแขนที่มีพลังงานสูง

ในปี 1966 Mitchell ได้เสนอว่าการสังเคราะห์ ATP เกิดดังนี้

1. สังเคราะห์ที่ส่วนของไธลาคอยด์ของคลอโรพลาสต์      ซึ่งไม่ยอมให้โปรตอน (H⁺) ผ่านได้

2. อีเลคตรอนที่เคลื่อนที่สู่ NADP  ผ่านไปตามระบบที่มีตัวรับอีเลคตรอนเป็นทอด ๆ ดังได้กล่าวมาแล้ว

3. การถ่ายทอดอีเลคตรอนจะสัมพันธ์กับการดันโปรตอนจากด้านสโตรมาเข้าสู่ภายในไธลาคอยด์  ทำให้มีความเข้มข้นของโปรตอนภายในมาก ทำให้เกิดความแตกต่างของ pH   และ  water potential  ในคลอโรพลาสต์

4. ความแตกต่างของ pH และ water potential ในไธลาคอยด์และสโตรมา  ทำให้เกิดการดันโปรตอนจากไธลาคอยด์ออกมา  สโตรมาทาง Elementary particle

5. ที่เยื่อหุ้มไธลาคอยด์นั้นมีเอนไซม์  ATPsynthase       ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่กระตุ้นให้  ADP รวมกับPi เมื่อเกิด electrochemical  potential gradient ของโปรตอน

 

          Enzymatic Reaction

ในช่วงถัดมาของการสังเคราะห์แสง เป็นการนำเอา ATP และ NADPH  ที่ได้จากการไหลของอีเลคตรอนมาใช้ในการรีดิวซ์ CO₂ ให้เป็นคาร์โบไฮเดรต     ซึ่งผู้พบกระบวนการนี้ คือ Calvin ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1961  ศึกษาโดยใช้  CO₂ หรือ HCO₃ ที่มี C¹⁴ ให้กับสาหร่ายแล้วฆ่าสาหร่ายเป็นระยะ แล้ว Extract ในอัลกอฮอล์ร้อนแล้วแยกโดย  2 dimension paper chromatograph   ซึ่งการรีดิวซ์ CO₂  ไปเป็นน้ำตาล (หรือสารอื่น ๆ) อาจจะแบ่งได้เป็น4 ขั้นตอน ซึ่งทั้ง  4  ขั้นตอนนี้         รวมเรียกว่า Calvin Cycle   หรือ    พืช C₃ Pathway    เพราะพืชที่มีการสร้างคาร์โบไฮเดรตตามวงจรนี้เป็นพืชที่เรียกว่า C₃

1. Carboxylation Phase         ในระยะนี้เป็นปฏิกิริยา ที่ CO₂ จะรวมกับน้ำตาลที่มีคาร์บอน  5 อะตอม ซึ่งคือ D-Ribulose 1,5 diphosphate  หรือ  RuDP        เกิดเป็น    D-3 phosphoglyceric acid หรือ 3 PGA  2  โมเลกุล  ภายใต้การคะตะไลท์ของเอนไซม์    Ribulose 1,5 diphosphate   Carboxylase  (RuDP Carboxylase) หรือ Carboxydismutase ในขณะที่พืชได้รับแสงนั้น RuDP และ  PGA จะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่งเรียกว่า  Steady  State  เมื่อทำให้พืชขาดแสงทันที       พบว่า RuDP จะลดลงทันที ในขณะที่ PGA จะเพิ่มขึ้นระยะหนึ่งแล้วจึงหายไป แต่ถ้าให้บรรยากาศที่มี CO₂ 1 เปอร์เซ็นต์แก่พืชแล้วลดปริมาณCO₂ ให้เหลือ 0.003 เปอร์เซ็นต์ โดยให้แสงตามปกติ  จะทำให้  PGA ลดลง เพราะมี CO₂ ไม่พอ แต่ระดับของ  RuDP  จะเพิ่มขึ้น เพราะใช้ในการรวมกับ CO₂ น้อยลง

2. Reduction Phase      PGA  ที่เกิดขึ้นมานั้น  เกิดกระบวนการPhosphorylation ซึ่งเป็นการเพิ่มฟอสเฟตเข้าไปในโมเลกุลอีกหนึ่งกลุ่ม                     จึงต้องมีการใช้ ATP เกิดเป็น1,3-diphosphoglyceric acid                     ซึ่ง ATP  ที่ใช้ได้มาจากการไหลของอีเลคตรอน ต่อมา1,3-diphosphoglyceric acid จะถูกรีดิวซ์ด้วย NADPH  กลายเป็น 3-phosphoglyceraldehyde (3-PGAld)

3. Regeneration Phase ในขั้นตอนนี้ RuDP จะเกิดขึ้นมาใหม่  เพื่อใช้ในการรวมกับ CO₂ต่อไป  เป็นขั้นตอนที่ค่อนข้างซับซ้อนเกี่ยวข้องกับการเกิดน้ำตาลที่มีคาร์บอน 3, 4, 5, 6 และ 7 อะตอม

4. Product Synthesis Phase        ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการสังเคราะห์แสง คือ น้ำตาลถูกนำไปสังเคราะห์เป็นไขมัน กรดอะมิโน และกรดอินทรีย์

การค้นพบ  Calvin  Cycle  นั้น  ต่อมาพบว่า  ไม่สามารถอธิบายการสังเคราะห์แสงของพืชได้ทั้งหมด มีพืชหลายชนิด โดยเฉพาะพืชตระกูลหญ้าในเขตร้อน เช่น อ้อย  ข้าวฟ่าง และข้าวโพด สามารถจับ CO₂ แล้วเปลี่ยนเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน  4 อะตอม ดังนั้นพืชที่มีการจับ CO₂ แบบนี้จึงเรียกว่า พืช C₄ และลักษณะการจับ CO₂ แบบนี้เรียกว่า  C₄  cycle หรือ C-4 Dicarboxylic Acid Pathway  พืช  C₄  มีการสังเคราะห์แสงได้อย่างเร็ว  และมีประสิทธิภาพมาก  ใบของพืช C₄ จะมีเมโซฟิลล์ (Mesophyll) และบันเดิล ชีท (Bundle Sheath) รอบ ๆ ท่อน้ำท่ออาหาร

สารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอม ที่เกิดขึ้นคือ กรดมาลิก (Malic acid) และกรดแอสพาติก(Aspartic Acid) โดยที่การจับ CO₂  จะเกิดในส่วนเมโซฟิลล์ของใบ ซึ่ง Phosphoenol Pyruvate (PEP) จะรวมกับ CO₂ โดยมีเอนไซม์ Phosphoenol  Pyruvate Carboxylase (PEP Carboxylase) เป็นตัวคะตะไลท์ ปฏิกิริยาซึ่ง CO₂ ถูกเปลี่ยนเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอม   นี้ ความจริงแล้วก่อนจะเกิดกรดมาลิกและกรดแอสพาติกนั้น ได้เกิดเป็นกรดออกซาโลอะซิติกก่อน   แต่โดยทั่วไปจะเปลี่ยนไปเป็นกรดมาลิกอย่างรวดเร็ว

การสร้างกรดมาลิกจะเกิดจากเอนไซม์  Malic Acid  Dehydrogenase คะตะไลท์  ทำให้กรดออกซาลิกโลอะซิติกเปลี่ยนเป็นกรดมาลิก โดยมีอีเลคตรอนจาก  NADPH  มาเกี่ยวข้อง การเกิดกรดแอสพาติกนั้นต้องมีกรดอะมิโนชนิดอื่นเช่น  อะลานีน (Alanine)

พืช  C₄  มีเซลล์พิเศษเรียกว่า Bundle Sheath ซึ่งจะมีผนังเซลล์หนา  และเกาะกันอยู่อย่างแน่นล้อมรอบส่วนของท่อน้ำท่ออาหาร   ภายในเซลล์เหล่านี้มีคลอโรพลาสต์  ไมโตคอนเดรีย และอวัยวะอื่น ๆ ในเซลล์เป็นจำนวนมากกว่าเซลล์ปกตินอกจากนั้นยังมีแวคคิวโอเล็ก  คลอโร-พลาสต์ใน  Bundle  Sheath  จะสะสมแป้งมาก  เมื่อเทียบกับคลอโรพลาสต์ของเมโซฟิลล์ การเกิดกรดมาลิกและกรดแอสพาติกจะเกิดในเมโซฟิลล์  ส่วน  3-PGA น้ำตาลซูโครสและแป้งจะสังเคราะห์

ใน Bundle Sheath  ดังนั้น  RuDP Carboxylase  และเอนไซม์ใน Calvin Cycle อื่น ๆ ซึ่งปรากฏอยู่มากใน  Bundle Sheath ด้วย         นั่นคือ Calvin Cycle ของพืช C₄ เกิดอยู่ใน Bundle Sheath   PEP Carboxylase จะปรากฏอยู่ในเมโซฟิลล์ ดังนั้นพืช C₄ จึงมีการจับ CO₂    2 แบบ

เหตุผลที่ CO₂ เปลี่ยนเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอมนั้น อาจจะเป็นเพราะว่าในเมโซฟิลล์มีเอนไซม์ PEP Carboxylase มาก และมี O₂ เพียงจำนวนน้อยที่ผ่านเข้าไปถึง Bundle Sheath   CO₂  ส่วนใหญ่ที่ถูกจับไว้นี้จะเป็นส่วนคาร์บอกซิลของกรดมาลิกและแอสพาติกซึ่งจะเคลื่อนที่เข้า   Bundle   Sheath    โดยผ่านทางพลาสโมเดสมาตา(Plasmodesmata) ภายใน Bundle Sheath นี้ กรดทั้งสองจะผ่านการดีคาร์บอกซิเลชั่น(Decarboxylation) ให้ CO₂ ออกมา ซึ่งจะรวมกับ RuDP แล้วเข้าสู่วงจร  Calvin  หลังจากที่กรดทั้งสองถูกดึงคาร์บอกซิลไปแล้วก็จะกลายเป็นสารที่มีคาร์บอน 3 อะตอม ซึ่งเข้าใจว่าเป็น ไพรูเวทหรืออะลานีน ก็จะกลับคืนไปยังเมโซฟิลล์

กลไกที่กรดมาลิกและกรดแอสพาติกถูกดีคาร์บอกซิเลชั่นนั้นเกิดต่างกัน คือ ในกรณีของกรดแอสพาติกนั้น เมื่อเข้าไปใน   Bundle Sheath   จะถูกเมตาโบไลซ์  เป็นกรดออกซาโลอะซิติก (Oxaloacetic Acid)    โดยเอนไซม์ทรานอะมิเนส  (Transaminase)   ต่อจากนั้นออกซาโลอะซิติก  จะถูกรีดิวซ์เป็นกรดมาลิกแล้วเปลี่ยนต่อไปเป็นกรดไพรูวิค โดยการดีคาร์บอกซิเลชั่น ซึ่งจะได้ CO₂ออกมาซึ่งจะถูกจับโดย RuDP Carboxylase เข้าสู่วงจร Calvin

ส่วนกรดมาลิกนั้น       จะเข้าสู่  Bundle  Sheath      แล้วถูกดีคาร์บอกซีเลชั่นในคลอโรพลาสต์ในที่สุดจะให้กรดไพรูวิกและ CO₂ เช่นกัน

ส่วนกรดไพรูวิกหรืออะลานีน ที่ออกจาก Bundle Sheath  ก็จะกลับคืนเป็น PEP ในเมโซฟิลล์

เมื่อพิจารณาถึงพลังงานที่ต้องการใช้ใน  C₄ Pathway ร่วมไปกับ Calvin Cycle พบว่า แต่ละโมเลกุลของ CO₂ ที่ถูกจับจะต้องใช้ ATP เพิ่มขึ้นอีก  2  โมเลกุล (C₃  ใช้ 3 โมเลกุล) ATP ที่เพิ่มขึ้นนี้ถูกสังเคราะห์มาจาก  AMP  เพื่อใช้ในการรักษาระดับปริมาณของ PEP ส่วนปริมาณของ NADPH ที่ใช้จะเท่ากับในพืช C₃      พืช C₄ ใช้ ATP มากกว่า C₃  แต่ก็มีการสังเคราะห์แสงที่มี      ประสิทธิภาพมากกว่าโดยเฉพาะในเขตที่มีอุณหภูมิสูง (25-35 องศาเซลเซียส) และความเข้มของแสงมาก และสิ่งที่จำกัดการสังเคราะห์แสงของพืช C₄ ไม่ใช่การขาด ATP แต่เป็นปริมาณของ CO₂

 

การจับ CO₂ ของพืชอวบน้ำ

พืชหลายชนิดที่เจริญเติบโตในเขตทะเลทราย มีลักษณะใบที่อวบน้ำ และมีพื้นที่ผิวต่อปริมาตรต่ำ นอกจากนั้นยังคายน้ำน้อยกว่าพืชปกติ พืชอวบน้ำเหล่านี้ปากใบเปิดในตอนกลางคืนและจับ CO₂ ในรูปของกรดอินทรีย์ โดยเฉพาะกรดมาลิก ตัวอย่างของพืชพวกนี้อยู่ในตระกูล Crassulaceae  เมตาโบลิสม์ของการจับ CO₂ จึงเรียกว่า Crassulacean Acid Metabolismหรือ CAM พืชจำพวกนี้จะมี พาลิเสด (Palisade) ที่ไม่เจริญเต็มที่มีเมโซฟิลล์มาก พืชเหล่านี้มี Bundle Sheath ที่คล้ายคลึงกับเมโซฟิลล์

พืช  CAM จะจับ CO₂ โดยมีเอนไซม์ PEP  Carboxylase  เป็นเอนไซม์คะตะไลซ์ โดยจะเปลี่ยนCO₂ ให้เป็นกรดมาลิก กรดซิตริก  กรดไอโซซิตริก  และกรดอินทรีย์อื่น ๆ   กระบวนการนี้เกิดในตอนกลางคืน   ส่วน RuDP Carboxylase จะมีกิจกรรมในตอนกลางวันและทำหน้าที่จับ CO₂ ที่ได้จากการเปลี่ยนแปลงของกรดอินทรีย์

กลไกที่เกิดขึ้น คือ ในช่วงมืดนั้น แป้งจะสลายตัวโดยกระบวนการไกลโคไลซิส    กลายเป็น   PEP   จากนั้น CO₂   จะถูกเปลี่ยนเป็นกรดออกซาโลอะซิติกโดย   PEP Carboxylase ต่อมาออกซาโลอะซิติกจะถูกรีดิวซ์เป็นกรดมาลิกซึ่งจะสะสมอยู่ในแวคคิวโอจนกว่าจะสว่าง  แต่อย่างไรก็ตามกรดมาลิกบางส่วนจะถูกใช้ไปในกระบวนการ   Krebs Cycle ในตอนที่มีแสงสว่างแล้วกรดมาลิกจะถูกดีไฮโดรจีเนท (Dehydrogenated) เป็นกรดออกซาโลอะซีติกแล้วกรดนี้จะให้ CO₂ ออกมาทำปฏิกิริยากับPEP         โดยการดีคาร์บอกซีเลท และเอนไซม์ที่คะตะไลท์ คือ PEP Carboxykinase  CO₂  ที่ได้จะรวมกับ RuDP เข้าสู่Calvin Cycle

CAM  เป็นพืชที่ชอบอากาศร้อน แสงแดดจัด  อุณหภูมิกลางคืนเย็น  ถ้าสภาพ     แวดล้อมเปลี่ยน เช่น หลังพายุฝนหนัก ๆ หรือเมื่ออุณหภูมิกลางคืนสูงขึ้น พืช CAM  อาจจะจับ CO₂ แบบพืช C₃ ได้

 

 

Photorespiration

Otto Warburg เป็นนักเคมีชาวเยอรมัน เป็นผู้ศึกษาการสังเคราะห์แสง ในสาหร่ายและพบว่า   การสังเคราะห์แสงของสาหร่ายจะถูกระงับโดย O₂ และพบว่าการระงับกระบวนการ     ดังกล่าวนี้เกิดกับพืช C₃ ทั้งหมดที่ศึกษา      กระบวนการดังกล่าวนี้เรียกว่า Warburg Effect อัตราการสังเคราะห์แสงของถั่วเหลืองที่ O₂ เข้มข้น 0  เปอร์เซ็นต์จะสูงกว่าที่  O₂ เข้มข้น21 เปอร์เซ็นต์  ยิ่งไปกว่านั้น    เปอร์เซ็นต์การระงับกระบวนการสังเคราะห์แสงของ O₂ นี้ จะสูงขึ้นเมื่อระดับของ CO₂ ต่ำลง  อัตราการสังเคราะห์แสงของพืช C₄ จะไม่ค่อยได้ผลกระทบจากการผันแปรปริมาณของ O₂

ในขณะนี้เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า อัตราการหายใจของใบพืช C₃ ในที่มีแสงจะมากเป็น 2 ถึง 3 เท่า ของอัตราการหายใจในที่มืดและจะเร็วประมาณครึ่งหนึ่งของอัตราการสังเคราะห์แสง (การจับ  CO₂)     การหายใจของใบที่ได้รับแสงจะเกิดจากการหายใจในสภาพปกติรวมกับการหายใจที่เกิดเฉพาะในสภาพที่มีแสงซึ่งเรียกว่า Photorespiration ทั้งสองกระบวนการเป็นกระบวนการทางชีวะที่แตกต่างกัน  โดยการหายใจจะเกิดในไซโตพลาสต์และไมโตคอนเดรีย  ส่วน Photorespiration  เกิดในคลอโรพลาสต์  เพอรอกซิโซม  (Peroxisomes) และไมโตคอนเดรีย      ในพืช C₄ ไม่พบว่ามี Photorespirationเกิดขึ้น  ซึ่งเป็นสาเหตุให้พืช C₄ มีประสิทธิภาพในการ           สังเคราะห์แสงในที่มีแสงแดดจัดดีกว่าพืช C₃      Photorespiration  จะเกิดเร็วขึ้นเมื่อสภาพแวดล้อมมี O₂ ในระดับสูง มี CO₂ ในระดับต่ำ มีความเข้มของแสงสูงและอุณหภูมิสูง

Photorespiration เกิดโดยที่เอนไซม์ RuDP Carboxylase จะจับ O₂ ให้รวมกับRuDP แทนที่จะจับ CO₂ ซึ่งในกรณีนี้ RuDP Carboxylase  จะทำหน้าที่เป็น RuDP Oxygenase ซึ่งการจับ O₂ นี้ สามารถอธิบาย Warburg Effect ได้  การรวมกันของ RuDP กับ O₂ นี้ ทำให้เกิด Phosphoglycolic acid ซึ่งมีคาร์บอน 2 อะตอม  ในโมเลกุลของ Phosphoglycolic acid จะมี O₂ ที่มาจาก O₂  ดังนั้น O₂ และCO₂ จึงแก่งแย่งที่จะทำปฏิกิริยากับ RuDP โดยการคะตะไลต์ของเอนไซม์ตัวเดียวกัน การที่พืช C₄ มีการจับ CO₂ ใน Bundle Sheath    นั่นเองที่ทำให้ O₂ ไม่สามารถแข่งขันด้วยได้เพราะ Bundle sheath อยู่ห่างจากปากใบเข้าไป  ต่อมาPhosphoglycolic Acid  จะถูกดีฟอสโฟรีเลท (Dephosphorylated) เกิดเป็น Glycolic Acid  ซึ่งมีคาร์บอน 2 อะตอม และ         คาร์บอกซิลของกรดชนิดนี้จะกลายเป็น CO₂ ในที่สุด

การที่  Glycolic acid ถูกออกซิไดซ์จนให้ CO₂  ออกมานั้น  ไม่ได้เกิดใน            คลอโรพลาสต์  แต่เกิดในเพอรอกซิโซม  โดย  Glycolic  Acid  จะเคลื่อนที่ออกจากคลอโรพลาสต์ไปยังเพอรอกซิโซมซึ่งอยู่ติดกัน  ในอวัยวะนี้เอง Glycolic Acid จะถูกออกซิไดซ์ให้เป็น Glyoxylic Acid และ H₂O₂   ซึ่ง H₂O₂ นี้เป็นพิษต่อเซลล์ จึงถูกสลายด้วย  คะตาเลส (Catalase) ให้เป็นน้ำและ O₂ การหายไปของ  Glyoxylic Acid ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันนัก อาจจะถูกออกซิไดซ์ เป็น CO₂ และ Formic Acid หรืออาจจะเปลี่ยนไปเป็น Glycine แล้วเคลื่อนที่ไปสู่ไมโตคอนเดรีย แล้วกลายเป็น Serine กับ CO₂ ต่อมา Serine จะเปลี่ยนไปเป็น 3PGA โดย Glycolate Pathway

หน้าที่ของ Photorespiration นี้ ยังไม่มีผู้ใดทราบแน่ชัดนัก แต่มีผู้อธิบายประโยชน์ของกระบวนการนี้ ซึ่งก็ยังมีข้อโต้แย้งอีกมาก

1. เป็นการควบคุมความปลอดภัยของเซลล์ไม่ให้มีการสะสมพลังงานที่เกิดจากการสังเคราะห์แสงมากเกินไปแต่ข้อโต้แย้ง ว่าน่าจะเป็นการสูญเสียพลังงานมากกว่า

2. เป็นการสร้าง ATP นอกคลอโรพลาสต์ เพราะ ATP  ที่เกิดจากการสังเคราะห์แสงจะออกมานอกคลอโรพลาสต์ไม่ได้    แต่ข้อโต้แย้งคือ การสร้าง ATP  1 โมเลกุลนั้น พืชต้องใช้ ATP ถึง 9 โมเลกุล และ NADPH อีก 6 โมเลกุล ซึ่งเป็นการสร้าง ATPที่ไม่มีประสิทธิภาพ

3. เป็นการเคลื่อนย้ายคาร์บอนที่ถูกจับจากคลอโรพลาสต์     ในรูปของ Glycolate แล้วนำไปสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตอื่น ๆ แต่ก็เป็นวิธีที่สิ้นเปลืองพลังงานมาก

 

ปัจจัยที่ควบคุมการสังเคราะห์แสง

ปัจจัยที่ควบคุมการสังเคราะห์แสงสามารถแบ่งได้เป็นปัจจัยภายใน และปัจจัย   ภายนอก   ซึ่งปัจจัยภายในจะเกี่ยวข้องกับผลของพันธุกรรมของพืช และปัจจัยภายนอกเป็นปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อม

       1. ปัจจัยภายใน

1.1 โครงสร้างของใบ

การเข้าสู่ใบของคาร์บอนไดออกไซด์จะยากง่ายไม่เท่ากัน        ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดและจำนวน ตลอดจนตำแหน่งของปากใบ  ซึ่งอยู่แตกต่างกันในพืชแต่ละชนิด นอกจากนั้นปริมาณของช่องว่างระหว่างเซลล์ซึ่งเกิดจากการเรียงตัวของเนื้อเยื่อเมโซฟิลล์ (Mesophyll) ของใบยังมีผลต่อการแลกเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย ความหนาของชั้นคิวติเคิล   เซลล์ผิว(Epidermis) และขนของใบจะมีผลในการทำให้คาร์บอนไดออกไซด์กระจายเข้าสู่ใบได้ไม่เท่ากันเพราะถ้าหนาเกินไปแสงจะตกกระทบกับคลอโรพลาสต์ได้น้อยลง

1.2 อายุของใบ

เมื่อพิจารณาถึงใบแต่ละใบของพืช    จะพบว่าใบอ่อนสามารถสังเคราะห์แสงได้สูงจนถึงจุดที่ใบแก่ แต่หลังจากนั้น การสังเคราะห์แสงจะลดลงเมื่อใบแก่และเสื่อมสภาพ ใบเหลืองจะไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ เพราะไม่มีคลอโรฟิลล์

1.3  การเคลื่อนย้ายคาร์โบไฮเดรต

โดยทั่วไปน้ำตาลซูโครสจะเคลื่อนย้ายจาก   Source   ไปสู่ Sink  ดังนั้นมักพบเสมอว่าเมื่อเอาส่วนหัว เมล็ด  หรือผลที่กำลังเจริญเติบโตออกไปจากต้นจะทำให้การสังเคราะห์แสงลดลงไป 2-3 วัน     เพราะว่าน้ำตาลจากใบไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้  พืชที่มีอัตราการสังเคราะห์แสงสูง   จะมีการเคลื่อนย้ายน้ำตาลได้สูงด้วย การที่ใบเป็นโรคจะทำให้พืชสังเคราะห์แสงได้ลดลง เพราะว่าใบกลายสภาพเป็น  Sink มากกว่า  Source   แต่ใบที่อยู่ใกล้กันแต่ไม่เป็นโรคจะมีอัตราการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามการเพิ่ม Sink ให้กับต้น เช่นเพิ่มจำนวนฝักของข้าวโพด เพิ่มจำนวนผลที่ติด เพิ่มจำนวนหัว จะทำให้การสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้น

1.4  โปรโตพลาสต์

อัตราการสังเคราะห์แสงจะมีความสัมพันธ์กับการทำงานของโปรโตพลาสต์มาก เมื่อพืชขาดน้ำสภาพคอลลอยด์ของโปรโตพลาสต์จะอยู่ในสภาพขาดน้ำด้วยทำให้เอนไซม์ที่ เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงทำงานได้ไม่เต็มที่       แต่พืชแต่ละชนิดโปรโตพลาสต์จะปรับตัวให้ทำงานได้ดีไม่เท่ากัน  ทำให้อัตราการสังเคราะห์แสงเปลี่ยนไปไม่เท่ากัน

 

2 ปัจจัยภายนอก

2.1. ปริมาณของ CO₂ ปกติจะมีเท่ากับ 0.03 เปอร์เซ็นต์ การสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณของ CO₂ในบรรยากาศเพิ่มขึ้น ยกเว้นเมื่อปากใบปิดเพราะการขาดน้ำ ความแตกต่างระหว่างพืช C₃ และ C₄ ในแง่ของ CO₂ คือ ถ้าปริมาณของ  CO₂ลดลงต่ำกว่าสภาพบรรยากาศปกติแต่แสงยังอยู่ในระดับความเข้มเหนือจุด    Light Compensation  พบว่า พืช C₃ จะมีการสังเคราะห์แสง เป็น 0  ถ้ามีความเข้มข้นของ CO₂  50-100 ส่วนต่อล้าน แต่พืช C₄ จะยังคงสังเคราะห์แสงได้ต่อไป แม้ CO₂  จะต่ำเพียง 0-5 ส่วนต่อล้านก็ตาม ความเข้มข้นของ CO₂ ที่จุดซึ่งอัตราการสังเคราะห์แสงเท่ากับอัตราการหายใจเรียกว่า CO₂Compensation   Point   ข้าวโพดมี   CO₂ Compensation Point อยู่ที่ 0 ส่วนต่อล้าน ในขณะที่ทานตะวันมีค่าถึง 50 ส่วนต่อล้าน

การเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ให้สูงขึ้นไปเรื่อย ๆ   จะมีผลทำให้เกิดการสังเคราะห์แสงได้มากขึ้น  แต่เมื่อเพิ่มขึ้นสูงถึง 0.5  เปอร์เซ็นต์  พืชจะมีการสังเคราะห์แสงได้มากขึ้น      แต่พืชจะทนได้ระยะหนึ่ง คือประมาณ 10-15 วัน หลังจากนั้นพืชจะชะงักการเจริญเติบโต

 

โดยทั่วไปพืช C₄  จะทนต่อความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดีกว่าพืช C₃

2.2.   ความเข้มของแสง ใบของพืช C₄ ตอบสนองต่อความเข้มของแสงเป็นเส้นตรงคือเมื่อเพิ่มความเข้มของแสง อัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้น  โดยทั่วไปยอดของพืช  C₄ จะได้รับแสงมากกว่าใบล่าง  ดังนั้นใบยอดอาจจะได้รับแสงจนถึงจุดอิ่มตัวได้ ในขณะที่ใบล่างจะไม่ได้รับแสงจนถึงจุดอิ่มตัวเพราะถูกใบยอดบังแสงไว้ แต่เมื่อพิจารณาพืชทั้งต้นหรือทั้งป่า  จะพบว่าพืชไม่ได้รับแสงถึงจุดที่จะทำให้การสังเคราะห์แสงสูงสุดเพราะมีการบังแสงกันภายในทรงพุ่ม ส่วนคุณภาพของแสงนั้นแสงที่มีความยาวคลื่นช่วง 400-700 nm เหมาะสมที่สุด

ความเข้มของแสง หรือปริมาณพลังงานแสงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่  ซึ่งมีหน่วยเป็นลักซ์ (Lux) (10.76 lux = 1 ft-c)  ในแต่ละท้องที่จะมีความเข้มของแสงไม่เท่ากัน ซึ่งทำให้พืชมีการปรับตัวทางพันธุกรรมต่างกัน  การสังเคราะห์แสงของพืชโดยทั่วไปจะดีขึ้นเมื่อพืชได้รับความเข้มของแสงมากขึ้น  เมื่อพืชได้รับความเข้มของแสงต่ำกว่าที่พืชต้องการพืชจะมีอัตราการสังเคราะห์แสงต่ำลง แต่อัตราการหายใจของพืชจะเท่าเดิม  เมื่ออัตราการสังเคราะห์แสงลดต่ำลง จนทำให้อัตราการสร้างอาหารเท่ากับอัตราการใช้อาหารจากการหายใจ  ในกรณีนี้จำนวนคาร์บอนไดออกไซด์ที่ตรึงไว้จะเท่ากับจำนวนคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมา ที่จุดนี้การแลกเปลี่ยนก๊าซมีค่าเป็นศูนย์ เป็นจุดซึ่งเรียกว่า Light หรือ CO₂  Compensation point ซึ่งพืชจะไม่เจริญเติบโตแต่สามารถมีชีวิตอยู่ได้  ถ้าความเข้มของแสงต่ำลงกว่านี้อีกพืชจะขาดอาหารทำให้ตายไปในที่สุด  แต่การเพิ่มความเข้มของแสงมากขึ้นไม่ได้ทำให้อัตราการสังเคราะห์แสงสูงเสมอไปเพราะพืชมีจุดอิ่มตัวแสง  ซึ่งถ้าหากความเข้มของแสงเพิ่มไปอีกจะทำให้พืชใบไหม้ ซึ่งปกติพืช C₄ จะมีประสิทธิภาพในการใช้แสงดีกว่าพืช C₃

ความยาวของช่วงที่ได้รับแสง (Light Duration)  เมื่อช่วงเวลาที่ได้รับแสงยาวนานขึ้น อัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้นด้วย  โดยเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของวัน  ดังนั้นการเร่งการเจริญเติบโตของพืชในเขตหนาวซึ่งในช่วงฤดูหนาวจะมีวันที่สั้นจึงจำเป็นต้องให้แสงเพิ่มกับพืชที่ปลูกในเรือนกระจก

คุณภาพของแสง (Light quality)  แสงแต่ละสีจะมีคุณภาพหรือขนาดของโฟตอนหรือพลังงานที่ไม่เท่ากัน จึงทำให้เกิดจากเคลื่อนย้ายอีเลคตรอนได้ไม่เท่ากัน ขนาดของโฟตอนจะต้องพอดีกับโครงสร้างของโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ ถ้าหากไม่พอดีกันจะต้องมี Accessory  pigment  มาช่วยรับแสง  โดยมีลักษณะเป็นแผงรับพลังงาน  (Antenna system)แล้วส่งพลังงานต่อไปให้คลอโรฟิลล์เอ ดังกล่าวมาแล้ว ในสภาพธรรมชาติ เช่น ในป่าหรือท้องทะเลลึก  แสงที่พืชสามารถใช้ประโยชน์ในการสังเคราะห์แสงได้มักจะถูกกรองเอาไว้โดยต้นไม้ที่สูงกว่าหรือแสงดังกล่าวไม่สามารถส่องลงไปถึง   พืชเหล่านี้มักจะได้รับแสงสีเขียวเท่านั้น     พืชเหล่านี้หลายชนิดจะพัฒนาระบบให้มีรงควัตถุซึ่งสามารถนำเอาพลังงานจากแสงสีเขียวมาใช้ประโยชน์ได้

 

2.3. อุณหภูมิ      ช่วงอุณหภูมิที่พืชสังเคราะห์แสงได้ค่อนข้างกว้าง เช่น แบคทีเรีย และสาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว สามารถสังเคราะห์แสงได้ที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส ในขณะที่พืชตระกูลสนสามารถสังเคราะห์แสงได้อย่างช้ามากที่อุณหภูมิ –6 องศาเซลเซียส              พืชในเขตแอนตาร์คติกบางชนิด  สามารถสังเคราะห์แสงได้ที่อุณหภูมิ –18  องศาเซลเซียส  และอุณหภูมิเหมาะสมในการสังเคราะห์แสงเท่ากับ 0 องศาเซลเซียส ใบของพืชชั้นสูงทั่ว ๆ ไป อาจจะมีอุณหภูมิสูงถึง 35 องศาเซลเซียส ในขณะได้รับแสง  แต่การสังเคราะห์แสงก็ยังดำเนินต่อไปได้   ผลของอุณหภูมิต่อการสังเคราะห์แสงจึงขึ้นกับชนิดของพืชและสภาพแวดล้อมที่พืชเจริญเติบโต เช่น พืชทะเลทราย จะมีอุณหภูมิเหมาะสมสูงกว่าพืชในเขตอาร์คติก พืชที่เจริญได้ดีในเขตอุณหภูมิสูง เช่น ข้าวโพด    ข้าวฟ่าง ฝ้าย และถั่วเหลืองจะมีอุณหภูมิที่เหมาะสมสูงกว่าพืชที่เจริญได้ดีในเขตอุณหภูมิต่ำ เช่น   มันฝรั่ง ข้าวสาลี และข้าวโอ๊ต โดยทั่วไปอุณหภูมิเหมาะสมในการสังเคราะห์แสงของพืชแต่ละชนิดจะใกล้เคียงกับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมตอนกลางวันในเขตนั้น ๆ ตามปกติพืช C₄ จะมีอุณหภูมิเหมาะสมต่อการสังเคราะห์แสงสูงกว่าพืช C₃     ค่า Q₁₀  ของการสังเคราะห์แสงประมาณ  2-3   และอุณหภูมิจะมีผลกระทบต่อ Light  Reactionน้อยมาก เมื่อเทียบกับ Enzymatic Reaction

2.4. น้ำ  จะเกี่ยวข้องกับการปิดเปิดของปากใบ  และเกี่ยวข้องกับการให้อีเลคตรอน

เมื่อเกิดสภาวะขาดแคลนน้ำ  พืชจะคายน้ำได้เร็วว่าการดูดน้ำและลำเลียงน้ำของราก   ทำให้ต้นไม้สูญเสียน้ำอย่างรวดเร็ว    ทำให้การทำงานของเอนไซม์ต่าง ๆ ผิดปกติ และต่อมาปากใบจะปิด การขาดแคลนน้ำที่ต่ำกว่า 15 เปอร์เซ็นต์  อาจจะยังไม่มีผลกระทบกระเทือนต่ออัตราการสังเคราะห์แสงมากนัก แต่ถ้าเกิดสภาวะขาดแคลนถึง  15 เปอร์เซ็นต์แล้วจะทำให้ปากใบปิดจึงรับคาร์บอนได-     ออกไซด์ไม่ได้

2.5. ธาตุอาหาร

เนื่องจากคลอโรฟิลล์มีแมกนีเซียมและไนโตรเจนเป็นธาตุที่อยู่ในโมเลกุลด้วย ดังนั้นหากมีการขาดธาตุทั้งสองจะทำให้การสังเคราะห์แสงลดลง

บทที่ 5 การหายใจ

บทที่ 5

การหายใจ

 

Respiratory Quotient

การเกิดน้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอมจากคาร์โบไฮเดรต

ไกลโคไลสิซ และการหมัก

วงจรเครบส์ (Krebs Cycle)

Electron Transport และ Oxidative Phosphorylation

Pentose Phosphate Pathway

ปัจจัยที่ควบคุมการหายใจ

 

ในเซลล์ที่มีชีวิตนั้น  จะมีการหายใจตลอดเวลาโดยการใช้ออกซิเจนแล้วปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาในปริมาตรเท่า ๆ  กัน        แต่อย่างไรก็ตามการหายใจไม่ใช่เป็นเพียงการแลกเปลี่ยนก๊าซเท่านั้น  กระบวนการทั้งหมดเป็นกระบวนการออกซิเดชั่น-รีดักชั่น  ซึ่งอาหารจะถูกออกซิไดซ์ไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์  ส่วนออกซิเจนที่เซลล์ได้รับจะถูกรีดิวซ์ไปเป็นน้ำ อาหารที่เป็นสารเริ่มต้นของกระบวนการหายใจได้แก่  แป้ง     ฟรุคโตแซน (Fructosan)  ซูโครส  น้ำตาลชนิดอื่น ๆ ไขมัน  กรดอินทรีย์  และในบางกรณีโปรตีนก็สามารถเป็นสารเริ่มต้นได้

พลังงานที่ได้ออกมาจำนวนมากจะหายไปในรูปของความร้อน ซึ่งถ้าอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมต่ำ  พลังงานความร้อนนี้จะกระตุ้นกระบวนการเมตาบอลิสม์   และอาจจะกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชบางชนิดได้   แต่โดยปกติแล้วพลังงานความ ร้อนส่วนนี้มักจะสูญเสียไปสู่สภาพแวดล้อม    พลังงานที่สำคัญที่เกิดจากการหายใจที่สำคัญอยู่ในรูปของสารประกอบที่ให้พลังงานสูงคือ ATP และ NADH

สมการอย่างง่ายของกระบวนการหายใจนั้น         ไม่ใช่ปฏิกิริยาที่เกิดจริง ๆ  เพราะกระบวนการหายใจจริง ๆ  เกิดอย่างซับซ้อนกว่าสมการข้างต้นมาก   และมีเอนไซม์เข้ามาเกี่ยวข้องหลายชนิด

 

Respiratory Quotient (R.Q.)

Respiratory Quotient  เป็นค่าอัตราส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการหายใจต่อปริมาณของออกซิเจนที่ใช้ เมื่อมีการใช้สารเริ่มต้น ค่า  R.Q. จะผันแปรไป ตามชนิดของสารเริ่มต้นที่ใช้ในการหายใจ  เช่น การใช้คาร์โบไฮเดรตเป็นสารเริ่มต้น ค่า R.Q.จะ   เท่ากับ 1  เพราะปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับปริมาณของออกซิเจนที่ใช้ไป  ค่า R.Q. ของเมล็ดที่มีน้ำมันหรือไขมันมาก  และหายใจโดยใช้ไขมันเป็นสารเริ่มต้น จะมีค่า R.Q. ต่ำกว่า 1

ในการหายใจที่ใช้กรดอินทรีย์เป็นสารเริ่มต้น ค่า R.Q. จะมากกว่า 1

 

การเกิดน้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอม จากคาร์โบไฮเดรต

การสลายตัวของแป้ง พืชจะสะสมแป้งไว้ในพลาสติดของเซลล์ในรูปที่ไม่ละลายน้ำเป็นเม็ดแป้งซึ่งประกอบด้วยอะไมโลส (Amylose) และอะไมโลเพคติน (Amylopectin) แป้งที่สะสมในอะไมโลพลาสต์ก็สามารถใช้เป็นสารเริ่มต้นในการหายใจได้เช่นกัน  เช่น แป้งในหัวมันฝรั่งจะถูกใช้ไปในการหายใจเพื่อสร้างยอดที่งอกออกมาใหม่    รวมทั้งแป้งที่สะสมในส่วนเอนโดสเปิร์มของเมล็ดก็จะถูกใช้ไปในการเจริญของต้นอ่อนเช่นกัน            ซึ่งหลังจากที่มีการเจริญเติบโตของต้นอ่อนแล้วเอนโดสเปิร์มจะหายไปด้วย

ส่วนใหญ่ของขั้นตอนในการสลายแป้งให้เป็นกลูโคส สามารถคะตะไลท์โดยเอนไซม์ 3 ชนิด และต้องการเอนไซม์ชนิดอื่น ๆ เพื่อใช้ในกระบวนการเสร็จสมบูรณ์ เอนไซม์ 3  ชนิดแรกที่ใช้คือ แอลฟา อะไมเลส (a-amylase) เบตา อะไมเลส (b-amylase) และ Starch  Phosphorylase แอลฟา อะไมเลสเป็นเอนไซม์ที่สามารถเข้าสลายเม็ดแป้งได้ แล้วจากนั้นเบตา อะไมเลสและ Starch Phosphorylase  จึงเข้าสลายผลิตภัณฑ์ที่ได้จากแอลฟาอะไมเลส แอลฟาอะไมเลสจะสลายแป้งที่มี แขน 1, 4 ของอะไมโลส และอะไมโลเพคติน ซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ได้จะยังคงมีโมเลกุลใหญ่และซับซ้อนและต่อมาจะเกิดสลายเป็นโมเลกุลที่มีกลูโคสประกอบอยู่ 10 โมเลกุลเรียกว่าเดกซ์ตริน (Dextrin) และกลายเป็นแอลฟา มอลโตส ไปในที่สุด (a-maltose)ซึ่งมอลโตสประกอบด้วยกลูโคส 2 โมเลกุล ซึ่งในที่สุดจะได้เป็นกลูโคส เอนไซม์แอลฟา อะไมเลสนั้น  ไม่สามารถเข้าทำลายแขน 1, 6 ซึ่งเป็นแขนที่แยกสาขาของอะไมโลเพคติน       ส่วนเบตา  อะไมเลสจะสลายแป้งให้กลายเป็น เบตา มอลโตส      (b-maltose)โดยเริ่มสลายจากปลายข้างใดข้างหนึ่งของลูกโซ่ของโมเลกุล เบตา มอลโตส จะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็น  แอลฟา มอลโตส   โดยกระบวนการ Mutarotation ทำให้เกิดส่วนผสมของแอลฟาและเบตา มอลโตส อยู่รวมกัน กิจกรรมของเอนไซม์อะไมเลสทั้ง 2 ชนิด จะเกี่ยวข้องกับโมเลกุลของน้ำจึงเรียกว่า ไฮโดรไลติค เอนไซม์ (Hydrolytic Enzymes) ซึ่งเป็นการเกิดปฏิกิริยาชนิดไม่ผันกลับอะไมเลสมีอยู่ทั่วไปในเนื้อเยื่อ  แต่จะมีอยู่มากในเมล็ดที่มีแป้งสูงและกำลังงอก  ในใบพืช แอลฟา อะไมเลส จะมีความสำคัญกว่า เบตา อะไมเลสในการสลายแป้ง

เอนไซม์  Starch Phosphorylase เป็นเอนไซม์ ฟอสโฟโรไลติค (PhosphorolyticEnzymes) เพราะเกี่ยวข้องกับกลุ่มฟอสเฟต 4 เอนไซม์ทั้ง  3  ชนิดพบมากในเซลล์พืช  และตัดสินยากว่า  เอนไซม์ชนิดใด     สลายแป้ง แต่เป็นที่เข้าใจว่าแอลฟา อะไมเลสจะเป็นเอนไซม์ที่เริ่มต้นเข้าทำลายโมเลกุลของแป้ง  ในเมล็ดของธัญพืชอะไมเลสทั้ง 2  ชนิดจะมีกิจกรรมสูงโดยที่ไม่มีกิจกรรมของ Phosphorylase ส่วนเมล็ดของพืชตระกูลอื่นๆ เอนไซม์ทั้ง 3 ชนิดจะเกี่ยวข้อง

การแตกสาขาของโมเลกุลแป้ง ทำให้เกิดอะไมโลเพคตินนั้น แยกออกไปด้วยแขน 1, 6 ซึ่งเอนไซม์ทั้ง 3 ชนิดดังกล่าวเข้าทำลายแขนชนิดนี้ไม่ได้  แขนดังกล่าวจะถูกทำลายด้วยเอนไซม์ Debranching  Enzyme  หรือ R enzyme  และ  เด็กซ์ตริเนส (Dextrinases)

มอลโตสที่ได้ออกมานั้น   จะถูกเปลี่ยนเป็น  กลูโคสโดยเอนไซม์   แอลฟา อะไมเลส ไฮโดรไลซ์อย่างช้าๆ เกิดเป็นกลูโคส หรือโดยเอนไซม์  มอลเตส (Maltase) ซึ่งจะสลายมอลโตสเป็นกลูโคสอย่างรวดเร็ว

อุณหภูมิมีผลกระทบต่ออัตราส่วนของน้ำตาลต่อแป้งในเนื้อเยื่อแต่ละชนิด ในหัวมันฝรั่ง การเก็บรักษาที่อุณหภูมิที่ใกล้จุดเยือกแข็ง จะก่อให้เกิดการสะสม กลูโคส    ฟรุคโตส และซูโครส และสูญเสียแป้งไปประมาณ 1-5 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นในการเก็บรักษาหัวมันฝรั่งในที่อุณหภูมิดังกล่าวจึงทำให้เกิดรสหวาน  เมื่อนำหัวมันฝรั่งดังกล่าวมาเก็บรักษาที่  10 องศาเซลเซียส น้ำตาลจะเปลี่ยนกลับมาเป็นแป้งอีก ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิดังกล่าวมีผลกระทบต่อการผลิตมันฝรั่งทอดกรอบ  (Potato chip) มาก  เพราะน้ำตาลจะทำให้สีของมันฝรั่งทอดกรอบคล้ำไม่เป็นที่นิยม   ผลจากอุณหภูมิในทำนองเดียวกันยังพบในหัวของทิวลิป ลูกโอ๊ค ต้นเมเปิล และมันเทศ แต่ในผลกล้วยจะเกิดผลในทางตรงกันข้าม คือ น้ำตาลจะเปลี่ยนเป็นแป้งในอุณหภูมิต่ำ

 

ไกลโคไลสิซ และการหมัก (Glycolysis และ Fermentation)

ไกลโคไลสิซเป็นกลุ่มของปฏิกิริยาซึ่งกลูโคส หรือกลูโคส -1-ฟอสเฟต  หรือ ฟรุคโตส จะถูกเปลี่ยนไปตามลำดับของปฏิกิริยาและได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายเป็นกรดไพรูวิค เป็นกระบวนการที่เกิดในไซโตพลาสต์ (Cytoplasm)      กระบวนการไกลโคไลสิซจะติดตามต่อไปด้วยกระบวนการวงจรเครบส์ (Krebs Cycle) กระบวนการไกลโคไลสิซพบในปี ค.ศ.1912-1935 โดย  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Embden, Meyerhof และ Parnas       กระบวนการไกลโคไลสิซ เป็นกระบวนการที่ต้องใช้เอนไซม์หลายชนิด รวมทั้งโคเอนไซม์ต่าง ๆ กระบวนการนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการใช้ออกซิเจน และสามารถเกิดได้ในสภาพที่ขาดออกซิเจน กระบวนการนี้เป็นกระบวนการหลักของการใช้แป้งเป็นกระบวนการที่น้ำตาลที่มีคาร์บอน 6 อะตอม    สลายตัวเป็นกรดไพรูวิค 2 โมเลกุล

เมื่อสรุปจำนวนของ   ATP          ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการไกลโคไลซิสจะได้ดังนี้ กระบวนการนี้ให้กรดไพรูวิค 2 โมเลกุล NADH 2 โมเลกุลและ ATP 4 โมเลกุล  ซึ่งเกิดจาก Substrate-level ไม่ได้เกิดจากการไหลของอีเลคตรอน NADH  ภายใต้สภาพหายใจที่มีออกซิเจนตามปกติจะถูกออกซิไดซ์ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรียโดยเอนไซม์ NADHdehydrogenase ได้ ATP 2 โมเลกุล ต่อ NADH 1 โมเลกุล  ดังนั้นกระบวนการไกลโคไลซิสจึงให้ ATP ออกมาทั้งหมด 8 ATP แต่ในการเกิดกระบวนการไกลโคไลซิสนี้ต้องใช้ ATP ไป 2 โมเลกุล  ดังนั้น ATP ที่ได้จริง ๆ จึงมี 6 โมเลกุล  หรือถ้าเป็นกรณีที่ใช้ กลูโคส-1-ฟอสเฟตหรือกลูโคส-6-ฟอสเฟต  แทนน้ำตาลกลูโคสจะได้   ATP จริง ๆ    7 โมเลกุล

 

หน้าที่ของกระบวนการไกลโคไลสิซ

1. สร้างโมเลกุลของสารประกอบหลายชนิด   ซึ่งสามารถออกไปจากกระบวนการเพื่อใช้สังเคราะห์ส่วนประกอบอื่นๆ ของพืช

2. สร้าง ATP ซึ่งถึงแม้ว่าเริ่มต้นกระบวนการต้องใช้ ATP 2 โมเลกุล แต่ใน ระหว่างกระบวนการในช่วงที่เอนไซม์Phosphoglycerokinase และ Pyruvate kinase เป็นคะตะไลต์ จะให้ ATP ออกมา 4 โมเลกุล ดังนั้นATP ที่ได้สุทธิคือ 2 โมเลกุล   ถ้าหากเริ่มต้นกระบวนการใช้กลูโคส-1-ฟอสเฟต หรือ กลูโคส-6-ฟอสเฟต หรือ  ฟรุคโตส-6-ฟอสเฟต     เป็นสารเริ่มต้น จะให้ ATP สุทธิเป็น 3 โมเลกุล                   ในเซลล์ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ 3Phophoglyceric acid หรือ  PGA และ 3 Phosphoglyceraldehyde ซึ่งเกิดขึ้นใน Calvin Cycle สามารถเป็นสารเริ่มต้นของกระบวน     การหายใจได้  โดยเคลื่อนย้ายออกจากคลอโรพลาสต์มาสู่ไซโตพลาสต์

3. สร้าง NADH ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นมาโดยการรีดิวซ์ NAD⁺  ในระหว่างการออกซิไดซ์ 3-phosphoglyceraldehyde เป็น  1,3-diphosphoglyceric  acid ซึ่งเป็นปฏิกิริยาซึ่งกลับกันกับปฏิกิริยาในการสังเคราะห์แสง    NADH ที่เกิดในกระบวนการไกลโคไลสิซ มี 2 โมเลกุล ด้วยกัน ซึ่งต่อมา NADH จะเข้าไปสู่ไมโตคอนเดรียเข้าสู่กระบวนการไหลของอีเลคตรอน ซึ่งจะกล่าวต่อไป แล้วได้ ATP ออกมา 2 โมเลกุล  ดังนั้นในกระบวนการไหลของอีเลคตรอน จะทำให้เกิด ATP จาก NADH สุทธิ 4  โมเลกุลด้วยกัน ซึ่งกระบวนการไหลของอีเลคตรอนต้องมีออกซิเจน

ถ้าหากเซลล์ขาดออกซิเจน   NADH  จะไม่ถูกออกซิไดซ์โดยการไหลของอีเลคตรอน  ดังนั้นในเซลล์ที่ขาดออกซิเจนจะมี NAD⁺ อยู่น้อย แต่มี NADH มาก  และกรดไพรูวิคจะถูกรีดิวซ์ไปเป็น เอทธิลอัลกอฮอล์ (Ethanol) และ CO₂ หรือกรดแลคติค (Lactic Acid) การเกิดเอทธิลอัลกอฮอล์นั้นจะต้องสูญเสีย CO₂ (decarboxylated) จากกรดไพรูวิคแล้วถูกรีดิวซ์ต่อไปเป็น   อะซีตัลดีไฮด์ โดย  NADH   และโดยเอนไซม์ Pyruvate  decarboxylase  แล้วจึงถูกเอนไซม์Alcohol dehydrogenase  เข้าเร่งปฏิกิริยาเกิดเป็นเอทธานอลต่อไป     เมื่อเซลล์ของยีสต์เจริญเติบโตภายใต้สภาพขาดออกซิเจน จะมีการพัฒนาของไมโตคอนเดรียน้อยมาก แต่ในโคลีออพไทด์ (Coleoptile) ของข้าวที่ปลูกในสภาพขาดออกซิเจนมีไมโตคอนเดรียที่พัฒนาตามปกติ  ถ้าให้น้ำตาลกับเซลล์ของยีสต์ในสภาพขาดออกซิเจน     ยีสต์จะเปลี่ยนน้ำตาลเป็นอัลกอฮอล์และ CO₂  โดยกระบวนการหมัก ซึ่ง NADH ที่เกิดขึ้นในกระบวนการไกลโคไลสิซจะถูกใช้ไปอย่างรวดเร็ว การสังเคราะห์ ATP จะถูกจำกัด ซึ่งเป็นสาเหตุให้สิ่งมีชีวิตที่เจริญในสภาพขาดออกซิเจนเจริญเติบโตช้า

กระบวนการหมักนั้นสามารถเกิดได้กับเซลล์ของพืชชั้นสูง เมื่อเซลล์เกิดขาด    ออกซิเจน เช่น ในดินที่มีน้ำขังเป็นต้น ซึ่งจะส่งผลให้มีการเจริญเติบโตช้า  รากของพืชที่ขึ้นในที่น้ำขังมักจะมีรากตื้นเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการขาดออกซิเจน ในเมล็ดนั้นออกซิเจนอาจจะซึมเข้าไปยาก เพราะเปลือกหุ้มเมล็ด จึงต้องทำให้ออกซิเจนซึมเข้าไปได้ง่ายขึ้น

กรดแลคติค พบในพืชชั้นสูงน้อยกว่าเอทธานอล พบบ้างในสาหร่ายและเชื้อราที่เจริญในสภาพที่ขาดออกซิเจน กล้ามเนื้อของมนุษย์ที่ทำงานมากจะขาดออกซิเจนทำให้เกิดแลคติคขึ้นมา เป็นสาเหตุให้ปวดเมื่อยกล้ามเนื้อส่วนนั้น

การเกิดไกลโคไลสิซ และการหมักค่อนข้างเกี่ยวพันกัน   เพียงแต่ว่าถ้ามีออกซิเจนก็จะเกิดไกลโคไลสิซตามปกติที่จะเข้าสู่กระบวนการเครบส์

กรดไพรูวิค ที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่เข้าสู่ไมโตคอนเดรีย  แล้วถูกออกซิไดซ์เป็น CO₂ ในวงจรเครบส์                         กระบวนการไกลโคไลสิซจัดเป็นกระบวนการซึ่งเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางในพืช       ทั่ว ๆ ไป และเป็นกระบวนการซึ่งมีความสำคัญต่อการออกซิไดซ์คาร์โบไฮเดรตในพืชด้วยเอนไซม์ที่     เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้มีหลายชนิด เช่น Pyruvate kinase Phosphofructokinase  Phosphohexose isomerase และ Hexokinase เป็นต้น

ปฏิกิริยาที่จัดเป็น Rate  Limiting  ของกระบวนการไกลโคไลสิซ  คือ ปฏิกิริยาที่ใช้เอนไซม์Phosphofructokinase    โดยมีสารที่ชะงักกิจกรรมของเอนไซม์นี้ได้  คือ กรดซิตริก ATP, Phosphoenolpyruvate  และ  3 Phosphoglyceric acid ปฏิกิริยาในช่วงนี้ไม่    ผันกลับมี ADP และ AMP กระตุ้นปฏิกิริยานี้  ดังนั้นเอนไซม์ Phosphofructokinase จึงเป็น Allosteric Enzyme  ทำหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดไกลโคไลสิซ

 

วงจรเครบส์ (Krebs Cycle)

วงจรเครบส์นั้น มีชื่อเนื่องมาจากนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ H.A.  Krebs ซึ่งเสนอวงจรนี้ขึ้นมาในปี1937 วงจรนี้อธิบายถึงการสลายตัวของกรดไพรูวิค วงจรนี้มีชื่อหลายชื่อ เช่น Citric Acid Cycle หรือTricarboxylic Acid Cycle หรือ TCA        เพราะกรดบางชนิดที่เกิดในวงจรนี้มีคาร์บอกซิล 3 กลุ่ม

วงจรเครบส์เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย เริ่มต้นจากการสูญเสีย CO₂ จากกรดไพรูวิค ทำให้เกิดอะซิเตท ซึ่งรวมกับโคเอนไซม์ เอ (Coenzyme A) หรือ CoA         เกิดเป็น อะซิติลโคเอ (Acetyl CoA)  CoA นี้เป็นสารประกอบที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ ดังนั้นกำมะถันจึงเป็นธาตุที่ จำเป็นต่อพืช

ปฏิกิริยา  Pyruvate  decarboxylation  เกี่ยวข้องกับไธอะมีนหรือวิตามิน B1 (Thiamine หรือ Vitamin B1) โดยที่ไธอะมีนทำหน้าที่เป็น Prosthetic Group ซึ่งก็เป็นการแสดงให้เห็นว่าไธอะมีนเป็นสารที่มีความจำเป็นต่อพืช  นอกจากการสูญเสีย CO₂ แล้ว กรดไพรูวิคยังสูญเสียไฮโดรเจนออกไปอีก 2 อะตอม  เอนไซม์ที่ใช้ในการคะตะไลท์     กรดไพรูวิคให้เป็นอะซิติลโคเอก็คือ Pyruvic Acid  Dehydrogenase ซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์  3  ชนิดด้วยกัน  ไฮโดรเจนที่ถูกดึงออกมาจากไพรูวิคจะรวมกับ NAD เกิดเป็น NADH   การเกิดวงจรเครบส์  เริ่มจากการที่ อะซิติลโคเอรวมกับออกซาโลอาซิเตท แล้วเกิดเป็นกรดที่มีคาร์บอกซิล 3 กลุ่ม เช่น กรดซิตริก ซึ่งมีคาร์บอน 6 อะตอม แล้วกรดซิตริกจะสูญเสีย CO₂  2โมเลกุล  ดังนั้นจึงกลายเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอม คือ แอลฟา  คีโตกลูทาริค (a-ketoglutaric  acid)แล้วในที่สุดจะกลับไปเป็นกรดออกซาโลอาซิติคอีก เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องในวงจรส่วนใหญ่เป็น dehydrogenase  ซึ่งทำหน้าที่ดึงเอาไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลแล้ว NAD มารับเกิดเป็น NADH

การที่โมเลกุลในวงจรเครบส์ถูกดึง   H⁺   ออกไปนั้น    ก็คือการสูญเสียอีเลคตรอนแล้วสารที่มารับอีเลคตรอน ก็คือ NAD และ FAD ถ้าสังเกตจากรูปที่ 6.2  จะพบว่าไม่มี NADP มาเป็นตัวรับอีเลคตรอนเลย และไม่พบ NADP ในไมโตคอนเดรีย แต่จะพบมากในคลอโรพลาสต์ ดังนั้น NADH และ FADH₂  จึงเป็นผลิตภัณฑ์สำคัญที่เกิดจากวงจรเครบส์ นอกจากนั้นวงจรเครบส์ยังให้ ATP จาก ADP และH₂PO₄ ในช่วงที่มีการเปลี่ยน Succinyl CoA เป็น Succinic Acid    CO₂ ที่     ปลดปล่อยจากวงจรเครบส์ก็คือ CO₂ที่กระบวนการหายใจปลดปล่อยออกมานั่นเอง

 

                    หน้าที่ของวงจรเครบส์

1. สร้าง NADH และ FADH₂      ซึ่งต่อมาจะถูกออกซิไดซ์แล้วให้ ATP 3 และ 2 โมเลกุลตามลำดับ กลูโคส1 โมเลกุลให้ NADH 8 โมเลกุลและ FADH₂  2 โมเลกุล

2. สังเคราะห์  ATP  1 โมเลกุล จากกรดไพรูวิค  1  โมเลกุล      ดังนั้นกลูโคส  1 โมเลกุล จึงให้ ATP 2 โมเลกุลในวงจรเครบส์ ซึ่งเมื่อรวมกับ ATP  ซึ่งได้จากข้อ 1 ทำให้ได้ ATP ทั้งหมด 30 โมเลกุล

3. สร้างสารประกอบที่ใช้ในการสังเคราะห์สารอื่น ๆ ในเซลล์

 

Electron Transport และ Oxidative Phosphorylation

เมื่อ NADH  และ FADH₂ ถูกสังเคราะห์ขึ้นในวงจรเครบส์แล้ว สารทั้ง  2 จะถูกออกซิไดซ์ทำให้เกิด ATP ขึ้นมา  เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการใช้ออกซิเจนทำให้เกิดน้ำขึ้นมา แต่ทั้ง NADH และ FADH₂ ไม่สามารถรวมได้โดยตรงกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ แต่จะต้องมีการไหลของ     อีเลคตรอนผ่านตัวกลางอื่นๆ อีกหลายชนิด  รวมเรียกว่าเป็น Electron  Transport System หรือCytochrome  System  ของไมโตคอนเดรีย          การเคลื่อนที่ของอีเลคตรอนจะเริ่มจากสารที่มี Reduction Potential ต่ำ ไปสู่สารที่มี Reduction Potential สูง หรือจากสารที่รับอีเลคตรอนยาก  ไปสู่สารที่รับอีเลคตรอนง่าย ซึ่งออกซิเจน คือ สารที่รับอีเลคตรอนง่ายที่สุดจึงเป็นตัวรับอีเลคตรอน     ตัวสุดท้าย  การรับอีเลคตรอนของสารนั้นจะรับจากสารที่อยู่เรียงกันเท่านั้น ซึ่งสารเหล่านี้จะเรียงตัวกันอยู่บน Cristae ของไมโตคอนเดรีย ในไมโตคอนเดรียหนึ่ง ๆ จะมี Cytochromesystem หลายพันระบบ

สารที่เป็นตัวรับอีเลคตรอนในระบบการไหลของอีเลคตรอน คือ  ไซโตโครมส์ (Cytochromes)  ซึ่งประกอบด้วยไซโตโครมส์ บี 3 ชนิด และ ไซโตโครมส์ ซี อีก  2 ชนิด ซึ่ง            ไซโตโครมส์เป็นโปรตีนที่มีเหล็กและกำมะถัน นอกจากนั้นมีสารประกอบควิโนนซึ่งเรียกว่ายูบิควิโนน (Ubiquinone) และมีตัวรับอีเลคตรอนที่เป็นฟลาโวโปรตีนก่อนส่งไปให้ออกซิเจน คือ ไซโตโครมส์ ออกซิเดส (Cytochrome Oxidase) ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ

 

Oxidative  Phosphorylation คือการสังเคราะห์  ATP  ที่เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียซึ่งเป็นผลอันเนื่องมาจากการไหลของอีเลคตรอนผ่านตัวรับอีเลคตรอนต่าง ๆ ไปสู่ออกซิเจน โดย ATP ที่เกิดขึ้นจะเกิดจาก ADP และ H₂PO^–₄ ซึ่ง ATP เป็นสารที่ให้พลังงานสูงของเซลล์ และพบมากใน เซลล์ซึ่งต้องใช้พลังงานสูง  ATP สองโมเลกุลจะเกิดขึ้นเมื่อมีการไหลของอีเลคตรอนจาก FADH₂ ไปสู่ออกซิเจน และ ATP  สามโมเลกุลจะเกิดขึ้นเมื่ออีเลคตรอนเคลื่อนที่จาก  NADH  ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเครบส์   (เปรียบเทียบกับ NADH จากไกลโคไลสิซ ซึ่งเมื่อถูกออกซิไดซ์จะให้ ATP สองโมเลกุลเท่านั้น) ดังนั้นกระบวนการ Oxidative Phosphorylationจึงเป็นกระบวนการที่มี             ประสิทธิภาพในการสังเคราะห์ ATP มากกว่ากระบวนการไกลโคไลสิซ และกระบวนการหมัก

ดังนั้นเมื่อรวมสมการของกระบวนการไกลโคไลสิซ   กระบวนการเครบส์   และ OxidativePhosphorylation จะได้สมการรวมของการหายใจจากกลูโคส

การคาดหมายประสิทธิภาพของการหายใจ ในแง่ที่ว่ามีพลังงานจากกลูโคสเป็นปริมาณเท่าใดที่เปลี่ยนไปเป็น ATP นั้น สามารถคาดหมายได้จากการเปลี่ยนแปลง Gibbs Free Energy (DG) ที่ pH 7 ของกลูโคส 1 โมเลกุล หรือ ฟรุคโตส 1  โมเลกุลเท่ากับ   -686,000  แคลอรี่ เมื่อพิจารณาจากสมการข้างต้น DG     สำหรับ ATP     1 โมเลกุล เท่ากับ  -7,600แคลอรี่/โมเลกุล   ที่ pH 7 ดังนั้น 36 โมเลกุลของ ATP  จะให้พลังงาน  -273,600  แคลอรี่   ดังนั้นประสิทธิภาพของการหายใจจึงเท่ากับประมาณ -273,600/-686,000 หรือเท่ากับ 40 เปอร์เซ็นต์ อีก 60 เปอร์เซ็นต์นั้น     สูญเสียไปในรูปของความร้อน

 

Coupling ของการไหลของอีเลคตรอน  และ Oxidative  Phosphorylation

เนื่องจากขณะนี้สามารถแยกไมโตครอนเดรียออกมาจากเซลล์ได้แล้ว จึงมีการศึกษา OxidativePhosphorylation ที่เกิดขึ้นนอกเซลล์ซึ่งความจริงแล้วข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการไหลของอีเลคตรอนก็เรียนรู้มาจากการศึกษานอกเซลล์เป็นส่วนใหญ่  ปัจจัยจำกัดของการใช้ออกซิเจนและการไหลของอีเลคตรอนก็คือ จำนวนของ  ADP และ H₂PO₄^– ซึ่งถ้าในเซลล์ขาด ADPและ H₂PO₄^–   อัตราการสังเคราะห์ ATP และการใช้ออกซิเจนจะลดลงหรือหยุดชะงัก      ผลดังกล่าวชี้ให้เห็นว่ากระบวนการ   Oxidative Phosphorylation  และการไหลของอีเลคตรอนเป็นกระบวนการซึ่งมีความสัมพันธ์กันที่ต้องเกิดขึ้นพร้อม ๆ กันเสมอ ลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า Coupling

การกระตุ้นให้เกิดการหายใจอีกวิธีหนึ่งในพืช          คือการเพิ่มความเข้มข้นของ 2,4-dinitrophenol ปริมาณที่เหมาะสม Dinitrophenol จะป้องกันการเปลี่ยน ADP และ H₂PO₄^– ให้เป็น ATP แต่จะเพิ่มการไหลของอีเลคตรอน และ H⁺  ไปสู่ออกซิเจน ดังนั้น   2,4-dinitrophenol  จึงทำหน้าที่เป็นสาร  Uncoupler   ของกระบวนการ Oxidative Phosphorylation  เพราะว่าไม่ทำให้เกิด  ATP  แม้ว่าจะมีกระบวนการออกซิเดชั่นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเพราะมี ADP ก็ตาม

อันที่จริงการสังเคราะห์ ATP ในการหายใจ สามารถเกิดขึ้นได้โดย 2  วิธีการ คือ วิธี Substrate Level Phosphorylation ซึ่ง ATP จะเกิดจากสารที่ใช้ในการหายใจถูกออกซิไดซ์ และ ATP อาจจะเกิดจากการไหลของอีเลคตรอนไปสู่ออกซิเจน     การวัดประสิทธิภาพของการสร้าง ATP ทำได้โดยใช้อัตราส่วน P/O  ซึ่งจะบ่งบอกถึงจำนวนโมเลกุลของ ATP ที่เกิดขึ้นต่ออะตอมของออกซิเจนที่ถูกใช้   การออกซิไดซ์ กรด Succinic ไปเป็นกรด Fumaric จะเกิด ATP 2 โมเลกุล และมีการใช้ออกซิเจน 1 อะตอม ดังนั้น P/O จึงเท่ากับ 2 แต่ถ้าอีเลคตรอนจากกรด Succinic ไหลไปตามตัวรับอีเลคตรอนและมี NADH เข้ามาเกี่ยวข้องนั้น จะมี P/O เท่ากับ 3

เมื่อ ADP หมดไปจากเซลล์อัตราการหายใจจะต่ำมาก  และไม่เกิดการสร้าง ATP เพราะไม่มี Phosphate Acceptor ลักษณะนี้เป็น Resting  State  ของการหายใจแต่เมื่อได้รับ ADP จะกลับเข้าสู่ระยะที่เรียกว่า Active Respiration  อีกครั้ง การที่อัตราการไหลของอีเลคตรอนถูก   ควบคุมโดย ADP นี้เรียกว่า Acceptor Control

 

 

Pentose Phosphate Pathway

หลังจากปี  ค.ศ. 1950 นักสรีรวิทยาของพืชพบว่า  กระบวนการไกลโคไลสิซและกระบวนการเครบส์  ไม่ได้เป็นเพียงกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นในพืชเท่านั้น    Martin Gibbs Bernard Axelrod และ HarryBeevers  พบกระบวนการอีกกระบวนการซึ่งเกี่ยวข้องกับการหายใจ เป็นกระบวนการที่เกิดสารที่มีน้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอมขึ้น   จึงเรียกว่า  Pentose Phosphate Pathway หรือ PPP  สารหลายชนิดที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้เกิดใน  Calvin Cycle ด้วย ความ   แตกต่างระหว่างสองกระบวนการนี้อยู่ที่ PPP นั้น  น้ำตาลจะถูกออกซิไดซ์  ไม่ได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นมา ถ้าพิจารณาถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้ว  PPP จะคล้ายคลึงกับไกลโคไลสิซ    เพราะมีสารเริ่มต้นชนิดเดียวกัน    และต่างก็เกิดขึ้นในไซโตพลาสต์ ความแตกต่างของไกลโคไลสิซและ PPP อยู่ที่ PPP  นั้นมีสารรับอีเลคตรอนเป็น NADP ในขณะที่ไกลโคไลสิซมี NAD เป็นสารรับอีเลคตรอน

สําหรับปฏิกิริยาการเกิด  PPP   นั้นจะเริ่มจาก Glucose-6-phosphate  ซึ่งได้จากการสลายตัวของแป้งโดย  Starch   Phosphorylase    หรือโดยการเพิ่มฟอสเฟตให้กับกลูโคส  สารนี้จะถูกออกซิไดซ์ทันที โดยGlucose-6-phosphate dehydrogenase เป็น 6-phosphogluconic acid ซึ่งเป็นการออกซิไดซ์ อัลดีไฮด์ไปเป็นกรด และ NADP เป็นตัวรับอีเลคตรอน กระบวนการต่อไปคือ  6-phosphogluconate ถูกดึงเอาไฮโดรเจนและ CO₂ ออกไป  โดย 6-phosphogluconic  acid dehydrogenase  ให้น้ำตาลที่มีคาร์บอน  5  อะตอมคือ   Ribulose-5-Phosphate NADPH และ CO₂  กระบวนการที่กล่าวแล้วทั้งสองนี้เป็นกระบวนการที่ไม่ผันกลับ ปฏิกิริยาที่จะเกิดต่อไปเป็นวงจรที่จะเปลี่ยน   Ribulose-5-Phosphate  ให้เป็น   Glucose-6-Phosphate เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้

ต่อมาประมาณในปี  ค.ศ.  1960    จึงพบว่า PPP  นั้น       นอกจากจะเกิดใน              ไซโตพลาสต์แล้วยังเกิดในคลอโรพลาสต์อีกด้วยแต่เกิดในขณะไม่มีแสงเท่านั้น    ในขณะที่มีแสงเอนไซม์ Glucose-6-Phosphatedehydrogenase ไม่สามารถมีกิจกรรมได้

PPP มีความสำคัญ คือ เป็นกลไกในการสลายกลูโคส และให้ NADPH  เพื่อใช้ในกระบวนการอื่น ๆ  และยังสังเคราะห์ Ribulose-5-Phosphate      ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของกรดนิวคลีอิค  และยังสังเคราะห์Erythrose-4-Phosphate  ซึ่งจำเป็นต่อการสังเคราะห์ลิกนิน และสารประกอบฟีโนลิค

 

หน้าที่ของ Pentose phosphate Pathway

1. สร้าง NADPH  ซึ่งใช้เป็นสารให้พลังงานสูง และ Reductant  ในการสังเคราะห์สารอื่นๆ  หลายชนิด ตามปกติ NADPH  จะเกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์แสงเท่านั้น      ดังนั้นถ้าหาก เซลล์ซึ่งไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ จึงต้องสร้าง NADPHโดยวิธีการนี้   เช่น   เมล็ดที่กำลังงอกและอยู่ในที่มืด NADPH ที่ได้จะไม่เข้าสู่ Oxidative Phosphorylation แต่จะใช้เป็น Reductant

2. สร้าง Ribulose-5-Phosphate  ซึ่งจำเป็นต่อการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิค

3. สร้าง Erythrose-4-Phosphate ซึ่งจำเป็นต่อวิถี  Shikimic acid ซึ่งใช้สร้างสารที่มี Aromatic ring

 

ปัจจัยที่ควบคุมการหายใจ

1. การมีสารเริ่มต้น  เนื่องจากกระบวนการหายใจเป็นกระบวนการที่ใช้อาหารสะสม ดังนั้นพืชที่ขาดอาหาร เช่น มีแป้งสะสมน้อยมากหรือขาดสารเริ่มต้นชนิดอื่นจะหายใจช้า เมื่อให้    น้ำตาลกับพืชเหล่านี้จะเพิ่มกระบวนการหายใจขึ้นทันที ใบล่างที่ได้รับแสงน้อยจะมีอัตราการหายใจต่ำกว่าใบยอดที่ได้รับแสงเต็มที่ ซึ่งอาจจะเกิดจากใบล่างสังเคราะห์แสงได้น้อยจึงมีน้ำตาลสะสมน้อย  ถ้าการขาดอาหารของพืชยังดำเนินต่อไป   โปรตีนจะถูกออกซิไดซ์ โดยเริ่มจากการไฮโดรไลซ์โปรตีนเป็นกรดอะมิโนแล้วจึงเข้าสู่กระบวนการหายใจ   ในกรณีของกรดกลูตามิคและแอสพาติค (Glutamic และ Aspartic acid)          จะเปลี่ยนไปเป็น a-Ketoglutaric และOxaloacetic acid ตามลำดับ อะลานีน (Alanine) จะถูกออกซิไดซ์เป็นกรดไพรูวิค

2. การปรากฏของออกซิเจน  การได้รับออกซิเจนจะมีอิทธิพลต่อการหายใจ ซึ่งจะต่างกันไปตามชนิดและอวัยวะของพืช   ความผันแปรของออกซิเจนในอากาศปกติจะมีอิทธิพลต่อการหายใจน้อยมาก  ยิ่งไปกว่านั้นอัตราการซึมของออกซิเจนสู่ไมโตคอนเดรียก็นับว่าพอเพียงต่อการหายใจ   รากของข้าวซึ่งเจริญเติบโตอยู่ในน้ำได้ปรับตัวให้เข้ากับสภาพการขาดออกซิเจนโดยสร้างรากที่มีช่องว่างระหว่างเซลล์ใหญ่ รากจะได้รับออกซิเจนผ่านมาทางใบและเก็บออกซิเจนไว้ที่ช่องว่างระหว่างเซลล์      ถ้าไม่มีออกซิเจนในบรรยากาศเลยมีแต่ก๊าซไนโตรเจน     อัตราการหายใจจะไม่เท่ากับศูนย์   และในบางครั้งอาจจะเพิ่มขึ้นได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Pasteur Effect  การเพิ่มอัตราการหายใจดังกล่าวเป็นผลจากเมื่อปริมาณออกซิเจนต่ำมากจะไม่รบกวนกระบวนการไกลโคไลสิซ ทำให้กระบวนการไกลโคไลสิซเกิดโดยไม่มีออกซิเจนนั้น คือ เกิดการสะสมเอทธานอล การระงับ    ไกลโคไลสิซของออกซิเจนเกิดจากเอนไซม์Phosphofructokinase ซึ่งจะมีกิจกรรมมากขึ้นเมื่อเซลล์ขาดออกซิเจน

3. อุณหภูมิ พืชส่วนใหญ่มี Q₁₀ ของการหายใจระหว่างอุณหภูมิ 5-25 องศาเซลเซียส  ประมาณ 2-2.5  แต่การเพิ่มอัตราการหายใจจะลดลงหลังจากที่อุณหภูมิสูงถึง 30 องศาเซลเซียส และอัตราการหายใจจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส  เพราะเอนไซม์เริ่มหมดสภาพ

4. ชนิดและอายุของพืช   เนื่องจากพืชมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา แตกต่างกันมาก จึงมีกระบวนการเมตาบอลิสม์ที่ต่างกันด้วย  และอวัยวะที่ต่างกันของพืชชนิดเดียวกันก็จะมีอัตราการหายใจที่ต่างกัน  ส่วนของพืชที่กำลังเจริญเติบโตมีปริมาณโปรโตพลาสต์มากจะมีอัตราการหายใจสูงเมื่อใช้น้ำหนักแห้งเป็นพื้นฐาน อายุของพืช พืชที่มีอายุน้อย เช่น ต้นอ่อนที่งอกจากเมล็ดใหม่ ๆ หรือผลอ่อนที่เพิ่งติดจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าส่วนของพืชที่เจริญเต็มที่แล้ว

บทที่ 6 การเจริญเติบโตและการพัฒนา

บทที่ 6

การเจริญเติบโตและการพัฒนา

บทนำ

ขั้นตอนการเจริญเติบโตของเซลล์

การเปลี่ยนแปลงของผนังเซลล์ระหว่างการเจริญเติบโต

วงจรของเซลล์ (Cell cycle)

ลักษณะการเจริญเติบโตบางประเภทของพืช

ความสัมพันธ์ของการเจริญเติบโตกับเวลา การวัดและวิเคราะห์การเจริญเติบโต

Relative and Absolute Growth Rate

Unit Leaf Rate และ Leaf Area Ratio

Specific Leaf Area และ Leaf Weight Ratio

Crop Growth Rate

การเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของเซลล์

Totipotency

การเปลี่ยนแปลงระยะการเจริญเติบโต การเจริญตอบสนองต่อแสง (Phototropism)

การเจริญตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก (Geotropism)

Nyctinasty

การเคลื่อนที่ของพืช

 

 บทนำ

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดในหลาย ๆ ช่วงของชีวิตจะสามารถเปลี่ยนแปลงขนาด ลักษณะและจำนวนภายใต้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสม      การเปลี่ยนแปลงทั้งสามนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตแตกต่างจากสิ่งที่ไม่มีชีวิต  และการเปลี่ยนแปลงทั้งสามนี้จะเกี่ยวข้องกัน และคำว่าเจริญเติบโต (Growth) อาจจะหมายถึงการเปลี่ยนแปลงชนิดใดชนิดหนึ่งหรือทั้งสามรวมกัน ด้วยเหตุดังกล่าวคำจำกัดความของ คำว่าเจริญเติบโตจึงเป็นสิ่งที่กล่าวได้ยากเพื่อครอบคลุมความหมายของการเจริญเติบโตทั้งหมด ในที่นี้จึงขอกล่าวตัวอย่างคำจำกัดความของคำว่า Growth เป็นภาษาเดิมที่ผู้ให้กล่าวไว้

Hunt ได้ให้คำจำกัดความไว้ในปี 1978  ว่า “irreversible changes  in size (however measured), often to describe changes in form and occasionally to describe changes in number”

Salisbury และ Ross (1978) กล่าวว่า “Growth probably means an increase in size, increase in weight, cell number, amount  ofprotoplasm and complexity.  For many purposes we must be able  tomeasure growth”

ต้นไม้เป็นสิ่งมีชีวิตที่สามารถเจริญเติบโตและพัฒนาได้ ซึ่งเป็นการสังเคราะห์สารที่มีโมเลกุลใหญ่และซับซ้อน จากโมเลกุลและประจุขนาดเล็ก  การเจริญนั้นไม่เพียงแต่จะเพิ่มขนาดของเซลล์เท่านั้น หากแต่จะซับซ้อนขึ้นไปด้วย  ยิ่งไปกว่านั้นเซลล์แต่ละชนิดจะเจริญและพัฒนาไปในทางที่ต่างกัน

  Differentiation  เป็นกระบวนการที่เซลล์เปลี่ยนแปลงไปให้มีลักษณะเฉพาะเป็นการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของเซลล์และเนื้อเยื่อ  อาจจะเป็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือลักษณะทางเคมี

Development  คือผลรวมของกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่กลับคืนไม่ได้ของอวัยวะหรือต้นพืชกระบวนการนี้อาจจะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม เช่น แสง

Morphogenesis คือการเปลี่ยนแปลงทางรูปร่างซึ่งเป็นผลสุดท้ายของกระบวนการDifferentiation และ Development เช่น การเปลี่ยนจากระยะ Vegetative เป็นReproductive

ขั้นตอนการเจริญเติบโตของเซลล์

แม้ว่าจะมีรูปแบบของการเจริญเติบโตเป็นจำนวนมาก แต่การเจริญเติบโตทั้งหมดประกอบด้วยปรากฏการณ์ 3 ชนิดในระดับเซลล์ คือ การแบ่งเซลล์ (Cell division)  การขยายขนาดของเซลล์ (Cell enlargement) ซึ่งเป็นการเพิ่มปริมาตรของเซลล์ที่แบ่ง และขั้นตอนที่สาม คือ      การเปลี่ยนแปลงคุณภาพ (Cellulardifferentation) ซึ่งเซลล์เจริญจนถึงปริมาณสุดท้าย แล้วจึง     ทำหน้าที่เฉพาะในวิถีทางต่าง ๆ

เซลล์สามารถแบ่งได้ในหลายระนาบ เมื่อเกิดผนังเซลล์ใหม่ระหว่างเซลล์ที่เกิดใหม่อยู่ในระนาบที่ขนานกับผิวที่ใกล้ที่สุดเรียกว่าเป็นการแบ่งเซลล์แบบ Periclinal   ถ้าผนังเซลล์ใหม่  ตั้งฉากกับผิวที่ใกล้ที่สุดเรียกว่าAnticlinal การแบ่งเซลล์พืชเกิดโดยมีเซลล์เพลท (Cell plate) เกิดขึ้น โดยกำเนิดมาจากการรวมกันของเอสซิเคิลจากกอลไจ แอพพาราตัส ซึ่งมีโพลีแซคคาไรด์พวกเพคติน แล้วเกิดเป็นมิดเดิล ลาเมลลา เยื่อหุ้มเวสซิเคิลกลายเป็นเยื่อหุ้มเซลล์ใหม่ จากนั้นจะเกิดผนังเซลล์ชั้นที่หนึ่งขึ้นมา สิ่งที่นำเวสซิเคิลไปคือไมโครทิวบูลส์ การขยายตัวของเซลล์เกิดจากการรับน้ำเข้ามาจำนวนมากทำให้แวคคิวโอใหญ่ขึ้น                ในอวัยวะของพืชที่มีรูปร่างยาว เช่น ลำต้นและราก การขยายขนาดของเซลล์เกิดในทิศทางเดียวซึ่งก็คือ เกิด Cell elongation

 

การเปลี่ยนแปลงของผนังเซลล์ระหว่างการเจริญเติบโต

ทำไมเซลล์จึงยืดยาวออกในทิศทางเดียวมากกว่าที่จะขยายทุกทิศทาง   ต้องย้อนกลับไปดูเรื่ององค์ประกอบของผนังเซลล์        ซึ่งเซลลูโลส ไมโครไฟบริลจะจมอยู่ในแมทริกซ์                โพลีแซคคาไรด์และโปรตีน    ซึ่งแต่ละเซลลูโลส  ไมโครไฟบริลจะทำหน้าที่ลดการขยายตัวในทิศทางด้านความยาวของมัน  แต่ผนังเซลล์สามารถเจริญได้ในทิศทางที่ยอมให้ไมโครไฟบริลเคลื่อนที่แยกออกจากกัน ดังนั้นการเจริญเติบโตจึงเกิดในทิศทางที่ตั้งฉากกับความยาวของไมโครไฟบริล เมื่อเจริญเติบโตต่อไป ไมโครไฟบริลใหม่จะสะสมในผนังเซลล์ที่ติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้ผนังเซลล์ที่ความหนาเท่าเดิมในระหว่างการเจริญเติบโตของผนังเซลล์  ถ้าการเรียงตัวของไมโครไฟบริลเป็นไปอย่างสุ่ม การขยายขนาดจะเกิดในทุกทิศทาง เช่น เซลล์ของผลไม้และเนื้อเยื่อ Spongy mesophyll ในเนื้อเยื่อที่ยังอ่อนอายุน้อย    การเรียงตัวของไมโครไฟบริลจะไม่เป็นไปอย่างสุ่ม       แต่จะเกิดในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเท่านั้น ซึ่งทำให้การเจริญเติบโตเกิดขึ้นในลักษณะตั้งฉากกับแกนของ           ไมโครไฟบริล เช่น การยืดยาวของราก ลำต้นและก้านใบ

จะเห็นได้ว่าการสะสมเซลลูโลส ไมโครไฟบริลมีผลกระทบต่อการควบคุมรูปร่างของเซลล์นั้น    สิ่งที่ควบคุมการเรียงตัวของไมโครไฟบริล คือ ไซโตสเกลเลตัน  การเคลื่อนที่ของ           ไมโครไฟบริลควบคุมโดยไมโครทิวบูลส์

 

วงจรของเซลล์ (Cell cycle)

นักชีววิทยาด้านเซลล์สนใจวงจรหรือรอบของเซลล์ซึ่งจะเกิดซ้ำๆ กันไป     รอบนี้   เกี่ยวข้องกับเวลาที่มีการลอกแบบ DNA ซึ่งสัมพันธ์กับการแบ่งนิวเคลียส หลังจากการเกิดไมโตซิส จะมีช่วงที่เซลล์เจริญเติบโตก่อนการลอกแบบ DNA เรียกว่า G1    แล้วจึงเกิดการลอกแบบ DNA เรียกว่า S แล้วเซลล์เจริญต่ออีกหลังจากลอกแบบ DNA เรียกระยะ G2 และในที่สุดมีการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิสอีกครั้งเป็นการครบรอบของเซลล์ เซลล์จากที่แบ่งนั้นอาจจะไม่เข้าสู่รอบของการ      แบ่งเซลล์ แต่ขยายขนาดและเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ(Differentiation) ต่อไป ถ้าหากขั้นตอนนี้เกิดก่อนการลอกแบบ DNA เซลล์ที่เปลี่ยนแปลงทางคุณภาพไปจะมีจำนวนโครโมโซมเป็น 2n    แต่สำหรับพืชนั้นการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพอาจจะเกิดหลังจากการลอกแบบของ DNA เมื่อเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงทางคุณภาพจะมีโครโมโซมมากกว่า 2n บางครั้งโครโมโซมอาจจะเพิ่มปริมาณตัวเองอีกโดยไม่มีการแบ่งเซลล์ทำให้เซลล์ใหม่กลายเป็นโพลีพลอยด์(Polyploid) ซึ่งมักจะมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์ดิบพลอยพ์ (Diploid) นอกจากนั้นเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงทางคุณภาพแล้วอาจจะกลับเข้าสู่รอบของเซลล์โดยกระบวนการ Dedifferentiation ได้ด้วย

 

ลักษณะการเจริญเติบโตบางประเภทของพืช

การเจริญเติบโตของต้นไม้จะไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งต้น แต่จะเจริญเติบโตในส่วนที่มีเนื้อเยื่อเจริญ(Meristem)       ซึ่งเนื้อเยื่อเจริญนั้นจะพบบริเวณปลายยอดและปลายรากและใน        แคมเบียม (Vascular Cambium) นอกจากนั้นยังพบบริเวณใกล้ข้อของพืชใบเลี้ยงเดี่ยว เนื้อเยื่อเจริญของปลายยอดและรากจะเกิดขึ้นตั้งแต่ตอนที่เป็นต้นอ่อนภายในเมล็ด

โครงสร้างของพืชบางชนิดจะเป็นแบบ “สิ้นสุด” (Determinate)  ซึ่งเป็นโครงสร้างของการเจริญที่เจริญไปจนถึงขนาดใดขนาดหนึ่งแล้วจะหยุดการเจริญเติบโตและในที่สุดก็จะ      เสื่อมสลาย (Senescence) และตายไป  ตัวอย่างของส่วนที่มีการเจริญแบบนี้คือ ใบ ดอก และผล สัตว์ส่วนใหญ่จะมีการเจริญแบบนี้เช่นกัน ในทางตรงกันข้ามลำต้นไม่มีการหยุดชะงัก    ซึ่งการขยายพันธุ์ไม้ผลหลายชนิดในปัจจุบันได้ใช้วิธีที่เป็นหลักมาจากการเจริญ  “ไม่สิ้นสุด” (Indeterminate) เช่น ต้นผลไม้ที่มีอายุ30 ปีเมื่อขยายพันธุ์โดยการตอนก็จะงอกรากและนำไปปลูกได้อีกหลายสิบปีซึ่งเป็นการเจริญแบบไม่สิ้นสุด

เมื่อพืชทั้งต้นมีการเจริญแบบ “สิ้นสุด”หรือ”ไม่สิ้นสุด”  มักจะใช้คำที่แตกต่างไปจากเดิมคือ  Monocarpic  Species  เป็นพืชที่ออกดอกครั้งเดียวแล้วตาย   ส่วน Polycarpic Species เป็นพืชออกดอกมากกว่า 1 ครั้งแล้วจึงตาย   พืช  Monocarpic ส่วนใหญ่จะเป็นพืชปีเดียว (Annual) แต่ก็มีความผันแปรอยู่ในกลุ่มนี้ด้วย เช่น มีพืชหลายชนิดซึ่งงอกจากเมล็ดในฤดูใบไม้ผลิ แล้ว     เจริญเติบโตในช่วงฤดูร้อนและใบไม้ร่วง และตายก่อนเข้าฤดูหนาว คงเหลือแต่เมล็ดทิ้งไว้เท่านั้น  ข้าวสาลีชนิด Spring wheat ซึ่งเป็นพืชปีเดียวปลูกในฤดูใบไม้ผลิ แต่ Winter wheat  จะปลูกในฤดูใบไม้ร่วงแล้วอยู่ข้ามฤดูหนาวในรูปของต้นอ่อน และออกดอกในฤดูใบไม้ผลิถัดไป

พืชข้ามปี (Biennials) เช่น หัวบีท  เป็นพืชที่งอกจากเมล็ดในฤดูใบไม้ผลิ และ   เจริญเติบโตโดยมีลักษณะต้นเป็นพุ่ม (Rosette)  แล้วเมื่อถึงปลายฤดูใบไม้ร่วง  พืชเหล่านี้จะแห้งตายไป  แต่ส่วนที่อยู่ใต้ดินจะยังมีชีวิตอยู่ข้ามฤดูหนาว เมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิอีกครั้งก็จะแทงช่อดอก (Bolting)

ต้น  Agave americana  สามารถมีชีวิตอยู่ได้เป็นสิบปีก่อนจะออกดอกแล้วตายไป ซึ่งจัดว่าเป็นการเจริญแบบ Monocarpic แต่ไม่ใช่พืชปีเดียว และถือว่าเป็นพืชยืนต้น (Perennial) เพราะมีชีวิตอยู่ได้มากกว่า 2 ฤดูการปลูก เช่นเดียวกับต้นไผ่ซึ่งสามารถเจริญได้เป็นสิบปี  ก่อนจะออกดอกและตายไป    พืชเหล่านี้มีนิสัยการเจริญเป็นแบบ Monocarpic  ซึ่งเปลี่ยนเนื้อเยื่อเจริญซึ่งเป็น Indeterminate  ให้เป็นเนื้อเยื่อเจริญของดอกซึ่งเป็น determinate ทั้งหมด จึงไม่เหลือเนื้อเยื่อแบบ Indeterminate  ให้เจริญต่อไปอีก

พืชที่มีนิสัยการเจริญแบบ Polycarpic   จะไม่เปลี่ยนเนื้อเยื่อ Vegetative ไปเป็นเนื้อเยื่อReproductive ทั้งหมด  พืชทั้งหมดในกลุ่มนี้จึงเป็นพืชยืนต้น อาจจะเป็นไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้นใหญ่ และใช้ตาข้างในการสร้างตาดอกเท่านั้น ตาใบ ที่อยู่ปลายสุดยังคงเจริญต่อไปได้เรื่อย ๆ หรือพืชบางชนิดอาจจะเปลี่ยนตาใบที่อยู่ปลายสุดให้เป็นตาดอก ส่วนตาข้างยังเป็นตาใบเจริญทาง Vegetative ไปได้เรื่อย ๆ

 

ความสัมพันธ์ของการเจริญเติบโตกับเวลา (Growth Kinetics)

 

Growth Kinetics

การเจริญเติบโตของพืชนั้นสามารถเขียนออกมาเป็น Mathematical Model ได้โดยที่รูปแบบของการเจริญของพืชจะเป็นรูปตัว เอส  หรือเรียกว่า Sigmoid  Curve ซึ่งพืชปีเดียวและส่วนต่างๆ  ของพืชล้มลุกและยืนต้นมักจะมีการเจริญแบบนี้     โดยที่สามารถแบ่งรูปตัวเอสนี้ออกได้เป็น 4 ส่วนคือ

1. Exponential Phase เป็นการเจริญเติบโตที่เกิดขึ้นช้า ๆ  เช่น     ช่วงการงอกของเมล็ดมีเซลล์น้อยจึงเจริญช้า แต่อัตราจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อมีจำนวนเซลล์มากขึ้น ในทางพืชไร่จะเกิดขึ้นในช่วงสั้น ๆ คือระยะที่เริ่มแตกใบออกมา

2. Linear Phase เป็นช่วงที่มีการเพิ่มขนาดในอัตราคงที่ จนกระทั่งถึงอัตราสูงสุดในกำหนดเวลาหนึ่ง  เป็นช่วงที่มีการเจริญเติบโตเร็วและเป็นระยะที่ค่อนข้างยาว ยังไม่เข้าใจแน่ชัดนักว่าเหตุใดการเจริญเติบโตในช่วงนี้ของพืชจึงมีอัตราคงที่ อาจจะเป็นเพราะว่าต้นและรากเจริญโดยที่เนื้อเยื่อเจริญทางด้านความยาวเท่านั้น  ในทางพืชไร่จะใช้ช่วงการเจริญในระยะนี้เปรียบเทียบการเจริญของพืช

3. Declining State คือระยะที่มีการเจริญลดลง ถ้ายังเพิ่มอัตราการเจริญก็เป็นการเพิ่มที่น้อยกว่าระยะ  Linear Phase  ทั้งนี้อาจจะเกิดจากการแข่งขันกันภายในต้นพืช

4. Steady State     เป็นช่วงที่การสังเคราะห์สารเท่ากับการใช้สารของต้นพืชอาจจะเกิดจากใบเริ่มแก่ การสังเคราะห์แสงลดลง  แต่มีใบใหม่เกิดขึ้นสังเคราะห์แสงได้ ในอัตราที่สมดุลกัน เป็นช่วงที่เรียกว่า Physiological Maturity

การเจริญเติบโตของพืชในระยะแรกจะเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ เพราะพืชยังมีขนาดเล็กมีจำนวนเซลล์ไม่มาก  แต่เมื่อพ้นระยะนี้พืชจะโตอย่างรวดเร็วซึ่งจะเป็นช่วงที่เรียกว่า Linear Phase แต่การเจริญจะไม่สูงขึ้นอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ในที่สุดพืชจะมีการเจริญที่ลดลงและอาจจะหยุดไปเพราะพืชหมดอายุหรือเข้าสู่ระยะพักตัวซึ่งจะกล่าวถึงในบทต่อไป    ในระยะที่พืชยังมีขนาดเล็ก   พื้นที่ใบมีน้อยทำให้รับแสงได้ไม่มาก และยังต้องส่งอาหารที่สังเคราะห์ได้ลงไปยังราก  การลดการเจริญเมื่อพืชเข้าสู่ระยะใกล้จะแก่  คือ   ระยะ Declining State นั้น อาจจะเกิดจากหลายปัจจัย เช่น  พืช      หลายชนิดจะหยุดการเจริญทางกิ่งก้านสาขาเมื่อมีการสร้างดอกและผล เช่น ในกรณีข้าวโพดหรือ ธัญพืชอื่น ๆ    การออกดอกเป็นสัญญาณที่แสดงให้รู้ว่าส่วนอื่น ๆ  ของพืชจะหยุดการเจริญเติบโต   ในกรณีของฝ้าย การเจริญของกิ่งก้านอาจจะเกิดไปพร้อม ๆ กับการออกดอก แต่ก็จะเกิดในอัตราที่ต่ำลงมาก  และนอกจากนั้นเมื่อพืชเจริญมากขึ้นเนื้อเยื่อส่วนใหญ่จะมีกิจกรรมน้อยลง ใบล่างมักจะ   ถูกบังจากใบบนทำให้สังเคราะห์แสงไม่ได้ ในที่สุดใบก็จะตายไปทำให้น้ำหนักแห้งลดลง ส่วนของ     ลำต้นที่แก่มักจะมีกระบวนการเมตาบอลิสม์น้อยลงและไม่มีการเจริญเติบโตเกิดขึ้น  นอกจากนั้นพืชยังต้องแข่งขันกับพืชข้างเคียงทั้งในแง่ของอาหารและแสงด้วย

 

การวัดและวิเคราะห์การเจริญเติบโต

การเจริญเติบโตเป็นการเพิ่มขนาดหรือปริมาตร  ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถวัดการเจริญเติบโตได้ การเพิ่มปริมาตรนั้นจะวัดการขยายใน 1-2 ทิศทาง เช่น  ความยาว    ความสูง    ความกว้าง เส้นผ่าศูนย์กลางหรือพื้นที่  การเพิ่มน้ำหนักสามารถพิจารณาได้จากการชั่งน้ำหนักต้นไม้ทั้งต้นหรือบางส่วนที่ต้องการ การวัดต้องทำอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการระเหยของน้ำ การชั่งน้ำหนักดังกล่าวจะได้น้ำหนักสดของพืช ซึ่งเป็นปริมาณที่ผันแปรได้เพราะขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำภายในพืช เช่น ใบ จะมีน้ำหนักสดในตอนเช้ามากกว่าตอนบ่าย เพราะกระบวนการคายน้ำมีส่วน   เข้ามาเกี่ยวข้อง  ในการวัดการเจริญเติบโตจึงมักใช้น้ำหนักแห้งของพืชมากกว่า   การชั่งน้ำหนักแห้งทำได้โดยอบต้นไม้หรือส่วนใดส่วนหนึ่งที่ต้องการชั่งน้ำหนักแห้งที่อุณหภูมิ  70-80 องศาเซลเซียส   เป็นเวลา 24-48 ชั่วโมง  ใบซึ่งมีน้ำหนักสดในตอนบ่ายน้อยอาจจะมีน้ำหนักแห้งมากในตอนบ่ายก็ได้ เพราะมีการสังเคราะห์แสงและได้รับธาตุอาหารจากดิน ดังนั้นการชั่งน้ำหนักแห้งจึงมีประโยชน์ในด้านการวัดการเจริญมากกว่าการใช้น้ำหนักสด อย่างไรก็ตามการชั่งน้ำหนักอาจจะพบว่าน้ำหนักเพิ่มขึ้นโดยพืชไม่มีการเจริญเติบโตได้   เพราะเนื้อเยื่ออาจจะมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเพราะมีการสะสมอาหาร เช่น แป้ง และไขมัน   โดยไม่มีการเจริญเติบโตเข้ามาเกี่ยวข้อง  แต่ในแง่ของพืชไร่นั้นการเพิ่มน้ำหนักจะใช้ได้ดีกับพืชอาหารสัตว์   แต่ในกรณีของธัญพืชน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นอาจจะไปเพิ่มที่ส่วนอื่นซึ่งไม่ใช่ที่เมล็ด ซึ่งในทางเศรษฐกิจต้องการให้น้ำหนักของเมล็ดมากขึ้น

แต่ในกรณีการชั่งน้ำหนักแห้งอาจจะไม่สามารถชี้ให้เห็นว่ามีการเจริญเติบโตได้ เช่นกรณีที่เมล็ดงอก และการพัฒนาไปสู่ต้นอ่อนในที่มืด ซึ่งได้รับน้ำเท่านั้น  พบว่าขนาดและน้ำหนักสดจะเพิ่มขึ้นมากแต่น้ำหนักแห้งลดลงเนื่องจากอาหารสะสมถูกใช้ไปในกระบวนการหายใจ  ซึ่งแม้ว่าน้ำหนักแห้งทั้งหมดของต้นอ่อนนี้จะน้อยกว่าน้ำหนักของเมล็ดก่อนงอกก็ตามแต่ส่วนที่เจริญเติบโตคือลำต้นและรากก็มีการเพิ่มน้ำหนักแห้งแน่นอน การเพิ่มนี้เกิดจากกรณีที่มีการเคลื่อนย้ายสารที่สังเคราะห์ได้จากส่วนที่ไม่เจริญเติบโตมายังส่วนที่มีการเจริญเติบโต ซึ่งถ้าพิจารณาให้ลึกซึ้งก็พบว่ามีการเพิ่มน้ำหนักแห้ง  และเป็นการแสดงการเจริญเติบโตในกรณีที่มีการเจริญจากระยะหนึ่งไปสู่อีกระยะหนึ่ง คือ จากเมล็ดไปเป็นต้นอ่อน

ในระยะแรกของการพัฒนาของต้นอ่อนจะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโตซิส (Mitosis) เพื่อให้ได้เซลล์มากขึ้น  แต่มีต้นอ่อนบางชนิดซึ่งมีลักษณะผิดปกติอาจจะงอกออกมาจากเมล็ด โดยไม่มีการแบ่งเซลล์เลยเช่นเมื่อเมล็ดของผักสลัดและข้าวสาลี   ซึ่งได้รับรังสีแกมมาจากโคบอลท์-60 ที่ความเข้มสูงพอที่จะหยุดการสังเคราะห์ DNA และการแบ่งเซลล์  การเจริญยังคงเกิดต่อไปโดยไม่มีการแบ่งเซลล์ ต้นอ่อนนั้นประกอบด้วยเซลล์ที่มีขนาดใหญ่มาก  ต้นอ่อนชนิดนี้เรียกว่า Gamma Plantlets ซึ่งอาจจะมีชีวิตอยู่ได้ประมาณ 3  สัปดาห์แล้วจึงตายทั้งนี้เพราะเซลล์ใหม่มีความจำเป็นต่อต้นอ่อน ตัวอย่างดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าในบางกรณีการเพิ่มจำนวนเซลล์อาจจะใช้วัดการเจริญเติบโตไม่ได้  ตัวอย่างของการเจริญที่มีการแบ่งเซลล์แต่ไม่มีการเพิ่มขนาดก็คือ การแก่ของ Embryo Sac ดังนั้นจากตัวอย่างทั้งหลายที่กล่าวถึงนั้น การเพิ่มขนาดอาจจะใช้วัดการเจริญเติบโตได้ดีที่สุด แม้ว่าจะมีปัญหาในการวัดบ้างก็ตาม

วิธีการวัดการเจริญเติบโตที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขนาด  เช่น   การวัดความยาวทำได้โดยไม่ยาก   สามารถใช้เครื่องมือหลายชนิดวัด  เมื่อต้องการวัดปริมาตรอาจจะต้องใช้วิธีการคำนวณเมื่อลักษณะทางเรขาคณิตของส่วนของพืชนั้น ๆ ง่าย   แต่ถ้ารูปทรงไม่เป็นทรงเรขาคณิต อาจจะต้องใช้วิธีแทนที่น้ำ ส่วนการวัดพื้นที่  เช่น พื้นที่ใบสามารถทำได้หลายวิธี   เช่นวัดจากใช้กระดาษกราฟแล้ววัดพื้นที่โดยใช้ตารางในกระดาษกราฟ หรือใช้เขียนลงบนกระดาษแล้วตัดนำไปชั่งน้ำหนักหรือใช้เครื่องมืออัตโนมัติวัดโดยตรง เครื่องมือนี้ประกอบด้วย Photocells  ซึ่งได้รับแสงจากแหล่งของแสงในสัดส่วนที่ผกผันกับพื้นที่ของใบ ที่อยู่ระหว่าง Photocells และแหล่งของแสง

หน่วยที่ใช้ในการวัดการเจริญเติบโตนั้นใช้ระบบ SI (Systeme-International d’ Unites) ซึ่งหน่วยของความยาวคือ เมตร และมวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม  หน่วยย่อยของความยาวคือ มิลลิเมตร  หน่วยย่อยของน้ำหนักคือ ไมโครกรัม มิลลิกรัม และกรัม

หน่วย SI สำหรับพลังงานคือ จูล อุณหภูมิคือ เซลเซียส และเวลาคือ วินาที แต่ในด้านการวัดการเจริญ วินาทีเป็นช่วงที่สั้นเกินไปจึงสามารถใช้หน่วยเป็นวันหรือสัปดาห์ได้

การเจริญเติบโตของพืชในสภาพไร่นานั้น    มักจะวัดโดยการวิเคราะห์การเจริญ เติบโต ซึ่งใช้พื้นฐานจากน้ำหนักแห้งของพืช เปรียบเทียบกับพื้นที่ใบหรือพื้นที่ดิน  ทั้งนี้เพราะผลผลิตของพืชมักจะคิดตามพื้นที่ที่ปลูก ซึ่งมักจะวิเคราะห์จากพืชเป็นกลุ่มมากกว่าจากพืชต้นเดียว การวิเคราะห์การเจริญเติบโตจะทำให้เข้าใจถึงกระบวนการเจริญเติบโตและข้อจำกัดของผลผลิตดีขึ้น การหาน้ำหนักแห้งนั้นอาจจะหาน้ำหนักแห้งของใบ ของต้น  หรือของพืชทั้งต้น  ซึ่งจะทำให้ทราบว่า น้ำหนักแห้งมีการกระจายอย่างไร ส่วนพื้นที่ใบนั้นจะบอกความแตกต่างในกรณีที่พืชมีน้ำหนักเท่ากัน  แต่พื้นที่ใบอาจจะต่างกัน  ทำให้สามารถบอกถึงความหนาบางของใบได้ แต่พื้นที่ใบจะมีข้อเสีย คือ ในกรณีที่ใบเกิดการบังกันทำให้ใบบางใบสังเคราะห์แสงไม่ได้   พืชบางชนิด เช่น ข้าวบาร์เลย์ ช่อดอกอาจจะช่วยสังเคราะห์แสงและสร้างน้ำหนักแห้งได้มาก อาจจะถึง 50เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งได้ ซึ่งจะไม่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ใบเลย

 

Relative and Absolute Growth Rate

เมื่อทดลองปลูกพืช 2 ต้นเป็นเวลา 1 สัปดาห์  โดยที่พืชต้นแรกมีน้ำหนัก 1 กรัม และพืชต้นที่ 2 มีน้ำหนัก10 กรัม เมื่อเสร็จสิ้นการทดลองพบว่าพืชทั้งสองต้นมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น 1 กรัม ต้นใดเจริญเร็วกว่ากัน

จากคำถามดังกล่าว ถ้าสังเกตพืชทั้งสองต้นจะพบว่าพืชทั้งสองต้นเจริญได้เท่ากัน เพราะเพิ่มน้ำหนักเท่ากันในระยะเวลาเท่ากัน นั่นคือพืชทั้งสองมี Absolute Growth Rate เท่ากันคือ 1 กรัมต่อสัปดาห์  แต่เมื่อคำนึงถึงว่าน้ำหนักเริ่มต้นของพืชทั้งสองนั้นต่างกัน ถ้าพิจารณาพืชต้นที่ เบากว่าจะเห็นว่าน้ำหนักเพิ่มขึ้นเท่าตัว ในขณะที่พืชต้นที่หนักกว่านั้นมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่งในสิบของน้ำหนักเริ่มต้น  ดังนั้นถ้าให้ระยะเวลาหนึ่งเพื่อการเจริญของต้นพืชทั้งสอง จะพบว่าต้นที่เบาจะมีน้ำหนักเท่าต้นที่หนักเมื่อระยะเวลาหนึ่งผ่านไป ดังนั้นจึงต้องมีวิธีการวัดการเจริญโดยคำนึงถึงขนาดเริ่มต้นที่ต่างกัน นั่นคือต้องวัด Relative Growth  Rate ซึ่งคืออัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง      น้ำหนักแห้งต่อหน่วยเวลาโดยคิดจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นต่อหน่วยน้ำหนักที่มีอยู่ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นการบ่งบอกถึงอัตราการเจริญเติบโตต่อหนึ่งหน่วยน้ำหนักต้นที่มีอยู่

ค่า Relative Growth Rate       เป็นค่าที่บอกถึงประสิทธิภาพในการสังเคราะห์แสง  เพราะเป็นอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักแห้งต่อหน่วยเวลาเมื่อเทียบกับน้ำหนักที่มีอยู่เดิม ค่า Relative Growth Rate เป็นค่าที่จะคงที่ในระยะแรกแต่ต่อมาจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป   ในบางกรณีอาจจะลดตลอดเวลาที่ผ่านไปก็ได้    การลดของ RalativeGrowth Rate นี้  อาจจะเกิดจากอวัยวะของพืชกลายเป็นส่วนที่ไม่ทำหน้าที่ทางเมตาบอลิสม์   เช่น กลายเป็นท่อน้ำท่ออาหาร และมีเนื้อเยื่อที่ไม่สามารถสังเคราะห์อาหารได้เพิ่มขึ้น

 

Unit Leaf Rate และ Leaf Area Ratio (ULR และ LAR)

Unit  Leaf  Rate นั้นอาจจะเรียกว่า  Net  Assimilation  Rate (NAR) ซึ่งจะบอกถึงประสิทธิภาพของใบ เป็นอัตราส่วนของน้ำหนักแห้งต่อพื้นที่ใบทั้งหมดต่อเวลา

 

ค่า LAR สามารถบอกประสิทธิภาพของพื้นที่ใบในการสังเคราะห์แสง

 

Specific Leaf Area และ Leaf Weight Ratio (SLA และ LWR)

SLA  คือ  อัตราส่วนของพื้นที่ใบต่อหน่วยน้ำหนักของใบ  ซึ่งสามารถบอกต่อความหนาแน่นหรือความหนาของใบได้

Leaf Area Index (LAI)

LAI คือ อัตราส่วนของพื้นที่ใบต่อพื้นที่ปลูก

LAI  =    LA/P

เมื่อ LA เป็นพื้นที่ใบ      P เป็นพื้นที่ปลูกและไม่มีหน่วย

ค่า  LAI เป็นค่าที่แสดงขนาดของพืชบนพื้นที่ที่ปลูก  ในการวัดค่า LAI  นั้น     สามารถวัดจากกลุ่มตัวอย่างจากพื้นที่ที่ทราบเนื้อที่แน่นอน หรืออาจจะหาจากพืชต้นเดียวแล้วคูณด้วยความหนาแน่นของพืชในพื้นที่ก็ได้

ในพืชที่งอกออกจากเมล็ดใหม่ ๆ  LAI มักจะต่ำกว่า  1  อยู่ระยะเวลาหนึ่ง เพราะพื้นที่ใบทั้งหมดของต้นอ่อนน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่ปลูก  เมื่อพืชเจริญเติบโต LAI จะเพิ่มขึ้นจนถึงค่าสูงสุด ซึ่งจะมีค่าอยู่ระหว่าง 2-10 ในพืชเขตอบอุ่น  ในทางทฤษฎีค่า LAI ที่เหมาะสมคือ ค่าที่มีอัตราการเพิ่มน้ำหนักแห้งสูงที่สุดของพืชจะอยู่ในช่วงการเจริญเติบโตของพืชที่ใบชั้นล่างสุดได้รับแสงน้อยที่สุด แต่ยังสามารถรักษาระดับของการสังเคราะห์แสงให้มากกว่าการหายใจได้           ค่า LAI ที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การได้รับน้ำขาดน้ำและแสงอาทิตย์ การกำหนดทิศทางของใบให้ได้รับแสงมากจะเพิ่มประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงได้       และค่า LAI นั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยผู้ปลูก ซึ่งต่างจากค่าอื่นๆ ที่กล่าวมาแล้วข้างต้นที่เป็นค่าคงที่ ค่า LAI  ของต้นแกลดิโอลัสนั้นสามารถเพิ่มให้สูงได้ถึง 27 ถ้ามีการปลูกในอัตรา 688 ต้นต่อตารางเมตร แต่อัตราส่วนการเพิ่มค่า LAI ของแกลดิโอลัสต่อจำนวนต้นยังน้อย และไม่สามารถนำมาใช้ในแง่การค้าได้     สำหรับแกลดิโอลัสจัดเป็นพืชที่มี LAI สูง เพราะใบค่อนข้างตั้งตรง ในพืชที่มีใบในแนวระนาบ ค่า LAI มักจะต่ำ

 

Crop Growth Rate (CGR)

CGR  คืออัตราส่วนของน้ำหนักแห้งที่พืชสร้างขึ้นมาต่อหน่วยพื้นที่ที่ปลูก  ซึ่งจัดเป็นดัชนีที่ง่ายและสำคัญต่อการผลิตทางด้านการเกษตรกรรม

CGR = 1 dW / p dT

 

มีหน่วยเป็น น้ำหนักต่อพื้นที่ต่อเวลา

หรือ CGR = NAR x LAI

 

โดยทั่วไป  ค่า  NAR จะลดลงเมื่อพืชโตเต็มที่และค่า  LAI  มักจะเพิ่มขึ้น เนื่องจาก CGR สามารถคำนวณได้จากNAR และ LAI ดังนั้นค่า CGR  จึงขึ้นอยู่กับค่าทั้งสองดังกล่าว เช่น ข้าวสาลีที่ปลูกในส่วนควบคุมสภาพแวดล้อมเจริญทางด้านกิ่งก้านมาก ดังนั้น ค่า LAI จึงสูง ดังนั้นค่า CGR จึงสูงขึ้น  ในทำนองเดียวกันกรณีของแกลดิโอลัสข้างต้นซึ่งแม้ค่า NAR จะลดลงแต่ค่า LAIก็เพิ่มมากดังนั้น CGR จึงเพิ่มขึ้น

 

การเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของเซลล์

กระบวนการเมตาบอลิสต์ต่างๆ ที่เกิดขึ้น       จะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเอนไซม์  และการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการทำงานของเอนไซม์  เอนไซม์สามารถควบคุมโครงสร้างภายในเซลล์และโครงสร้างของเนื้อเยื่อตลอดจนอวัยวะต่างๆ ของพืชได้

หลักสำคัญประการหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ ก็คือเมื่อเกิดการ  สังเคราะห์อะไรก็ตามอันเนื่องมาจากเอนไซม์ โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นจะเรียงตัวเป็นโครงสร้าง 3 มิติที่อยู่ตัวด้วยตัวของมันเอง  เช่น ในการสังเคราะห์โปรตีนในกระบวนการTranslation  โปรตีนจะมีการพับของโมเลกุลเพื่อเป็นโครงสร้างที่อยู่ตัว หรือในกรณีที่เยื่อหุ้มเซลล์ถูกแยกออกเป็นโปรตีนและไขมัน เมื่อนำส่วนผสมนี้เก็บไว้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสมจะเกิดการรวมตัวกันเป็นเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีคุณสมบัติเหมือนเดิมได้อีกครั้งหนึ่ง ดังนั้นในการเปลี่ยนรูปร่างของเซลล์ให้เหมาะสมต่อ หน้าที่  จึงต้องการการควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์และกิจกรรมของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง   เซลล์หรืออวัยวะแต่ละชนิดจะมีรูปร่างเปลี่ยนไปเป็นแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับระนาบการแบ่งเซลล์และทิศทางการขยายตัวของเซลล์ไม่มีผู้ใดทราบว่าทำไม     Cell plate จึงเกิดในตำแหน่งที่เกิดได้       ยกเว้นทราบเพียงเล็กน้อยว่าไมโครทิวบูลส์ (Microtubules) เกี่ยวข้องบ้าง เป็นที่ทราบกันว่าการที่เซลล์จะมี      รูปร่างยาวหรือกลมนั้นขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวของเซลลูโลส ไมโครไฟบริลเนื่องจากไมโครทิวบูลส์มาเกี่ยวข้อง แต่ไม่มีผู้ใดทราบว่าอะไรเป็นกลไกควบคุมการเกิดลักษณะดังกล่าว แต่อย่างไรก็ตาม      รูปร่างของอวัยวะต่าง ๆ จะต้องมีผลเนื่องมาจากเอนไซม์

เมื่อยีนส์ทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ และกระบวนการแบ่งเซลล์ทำให้พืชได้เซลล์จำนวนมาก และเซลล์ที่แบ่งแล้วนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพเพื่อให้เหมาะสมกับหน้าที่โดยจะเกี่ยวข้องกับชนิด ปริมาณ และกิจกรรมของเอนไซม์ภายในเซลล์ และถึงแม้ว่ายีนส์จะทำหน้าที่ควบคุมชนิดของเอนไซม์ที่เซลล์จะสังเคราะห์ขึ้น  แต่สภาพแวดล้อมจะเป็นสิ่งกำหนดให้เอนไซม์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่

ตัวอย่างของการเกิด  Gene Activation  คือกรณียอดของต้นถั่ว  ซึ่งไม่สามารถสร้างโกลบูลิน(Globulin) และปกติโกลบูลินจะพบมากในส่วนของใบเลี้ยง ซึ่งผลของการควบคุมนี้ไม่ได้เกิดจากการควบคุมในระดับTranslation  หรือการควบคุมไม่ได้เกี่ยวข้องกับการระงับการสังเคราะห์เอนไซม์ที่สร้างโกลบูลิน  โครมาติน (Chromatin)ของยอดถั่วจะสร้างโกลบูลินไม่ได้  ถ้าหากว่า DNA ยังมีโปรตีน  ฮีสโตน  (Histone) ปรากฏอยู่แต่การสังเคราะห์โกลบูลินของโครมาตินในใบเลี้ยงจะไม่ถูกควบคุมโดยฮีสโตน

Histone Concept โดยทั่วไปโครมาตินประกอบด้วย DNA และโปรตีน  2 ชนิดคือ  ฮีสโตนและนันฮีสโตน (NonHistone) ฮีสโตนเป็นโปรตีนที่มีประจุบวกมากประกอบด้วยกรดอะมิโน อาร์จินีนและไลซีนเป็นส่วนใหญ่และไม่มีทริพโตแฟน(Tryptophan) ฮีสโตนทำหน้าที่เป็น Gene Repressor ของ DNA ส่งผลให้ DNA  ไม่สามารถทำหน้าที่ได้ตามปกติ  ทำให้ปริมาณของ  RNA ลดลง อัตราส่วนของ DNA : ฮีสโตน ซึ่งเท่ากับ 1:1  จะทำให้เกิดการลดการสังเคราะห์ RNA แต่หากมีการเพิ่มปริมาณDNA ลงไป จะทำให้สังเคราะห์ RNA ได้เพิ่มขึ้น และถ้ากำจัดฮีสโตนออกจากนิวเคลียส จะทำให้เซลล์สังเคราะห์ RNA  ได้มากขึ้น

Enzyme Repression คือสภาวะซึ่งเซลล์ไม่สามารถสังเคราะห์เอนไซม์หรือโปรตีนได้ ปรากฏการณ์ค่อนข้างซับซ้อน  แต่ก็พอจะสรุปได้ว่าเกิดจากประจุบวกจากฮีสโตนจะรวมกับประจุลบของ DNA ส่งผลให้ RNA polymerase  ไม่สามารถถ่ายทอดข้อมูลจากยีนส์ส่วนนั้นได้

Enzyme Induction คือการเกิดการกระตุ้นในการสร้างเอนไซม์ เช่นการสังเคราะห์เอนไซม์ไนเตรทรีดักเตส (Nitrate Reductase) จะเกิดเมื่อมี  NO₃^– ภายในเซลล์เท่านั้น อีกตัวอย่างหนึ่งของการกระตุ้นการสร้างเอนไซม์คือการที่ GA  กระตุ้นให้มีการสังเคราะห์เอนไซม์เพื่อสลายอาหารสำรองภายในเมล็ดในชั้นของอะลีโลน (Aleurone layer) การกระตุ้นดังกล่าวเกิดในช่วงของ Translation   มากกว่าในช่วงของ Transcription

 

Totipotency

เซลล์ที่ได้จากส่วนใดส่วนหนึ่งของพืชที่ยังมีชีวิตอยู่  เมื่อนำไปเลี้ยงจะสามารถ”Dedifferentiate” กลับเป็นเซลล์ของคัพภะแล้วเจริญเป็นต้นพืชที่สมบูรณ์ทุกประการได้ เช่นเดียวกับพืชต้นเดิม  ลักษณะของเซลล์เช่นนี้เรียกว่า “Totipotent  Cell”  ซึ่งเป็นหลักการของการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อซึ่งเจริญก้าวหน้ามากในปัจจุบัน ปรากฏการณ์ที่เซลล์ของพืชมีคุณสมบัติพิเศษที่กลับกลายเป็นส่วนต่าง ๆ ของพืชได้นั้นมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องหลายประการทางชีวเคมีและทางกายภาพ โดยที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่สลับซับซ้อนมาก ๆ นั้น  แต่ละเซลล์จะมีข้อมูล เช่นเดียวกับเซลล์ที่เป็นเซลล์เริ่มแรก

ในปี ค.ศ.1964 Steward  ได้ทดลองนำท่ออาหารของแครอทจากส่วนรากซึ่งเป็นเซลล์ที่จัดว่ามีการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพไปแล้วเพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่างมีคุณสมบัติที่ต่างจากคัพภะ   เมื่อนำท่ออาหารดังกล่าวมาเลี้ยงแล้วแยกเซลล์ให้หลุดออกเป็นเซลล์เดี่ยวๆ   พบว่าเซลล์เหล่านี้จะ dedifferentiate กลับเป็นคัพภะแล้วเจริญเป็นต้นแครอทได้อีก ทำให้เกิดทฤษฎีTotipotency ซึ่งหมายถึงเซลล์ทุกเซลล์ที่มีชีวิตในต้นพืชมีลักษณะทางกรรมพันธุ์อยู่ครบพร้อมที่จะเจริญเป็นพืชทั้งต้นได้

 

การเปลี่ยนแปลงระยะการเจริญเติบโต

แม้ว่าเซลล์ส่วนใหญ่จะเป็น Totipotent แต่ช่วงชีวิตการเจริญเติบโตของพืชจะประกอบด้วย 2 ระยะไม่ว่าจะแบ่งตามลักษณะทางสรีรวิทยาหรือสัณฐานวิทยาก็ตาม เมื่อพืชงอกออกจากเมล็ด พืชจะเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วซึ่งในช่วงการเจริญระยะนี้จะไม่สามารถกระตุ้นการออกดอกได้     ลักษณะสัณฐานวิทยาของใบของพืชบางชนิดจะแสดงว่าพืชยังอยู่ในระยะแรกของการเจริญเติบโตซึ่งไม่สามารถสร้างส่วนที่ใช้สืบพันธุ์ได้  เรียกว่า Juvenile   Phase  ซึ่งตรงข้ามกับ คำว่าเจริญเต็มที่หรือ  Mature  Phase   ระยะJuvenile Phase จะสั้นยาวไม่เท่ากัน อาจจะนานประมาณ 1 ปี ในพืชบางชนิด ถึง 40 ปีในพืชอีกชนิดหนึ่งพืชที่มีJuvenile Phase ยาวจะเป็นพืชที่ปรับปรุงพันธุ์ยาก ลักษณะทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกันของพืชในระยะ Juvenile และMature คือในระยะ Juvenile นั้น ถ้านำไปปักชำจะสามารถแตกรากได้ดี แต่เมื่อเลยระยะนี้แล้วความสามารถในการงอกรากจะลดลงหรือหมดความสามารถไป

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของใบของพืชในสองระยะนี้จะเป็นตัวอย่างของการมี  รูปร่างใบที่ต่างกัน เช่น กรณีของต้นEnglish Ivy ซึ่งในระยะ Juvenile  จะมีใบแบบ Palmate และเป็นไม้เลื้อย  แต่เมื่อออกดอกลักษณะการเจริญจะเปลี่ยนเป็นแบบพุ่มแล้วใบจะสร้างใบที่มีรูปร่างเป็นรูปไข่ (Ovate) ในกรณีพืชทั่ว ๆ ไปเมื่อถึงระยะ Mature  แล้วจะไม่กลับเป็นJuvenile อีก แต่ต้นEnglish Ivy สามารถกลับมาเป็นระยะ Juvenile ได้อีก เมื่อได้รับ GA₃ ส่วน ABA จะระงับการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องจาก GA₃  ดังนั้นการเปลี่ยนระยะการเจริญของพืช อาจจะเกี่ยวข้องกับความสมดุลของ GA และ ABA

 

ลักษณะต้น Juvenile                                ลักษณะต้น Mature

 

มีใบ 3 หรือ 5 แฉก มีลักษณะเป็น Palmate          มีใบเป็นรูป Ovate

Alternate Phyllotaxy                                        Spiral Phyllotaxy

ใบอ่อนและลำต้นมีรงควัตถุแอนโธไซยานิน           ไม่มีรงควัตถุแอนโธไซยานิน

ลำต้นมีขน                                                       ลำต้นเรียบไม่มีขน

ลำต้นเลื้อย                                                       ลำต้นตั้งตรง

ไม่มี Terminal bud                                           ยอดหยุดการเจริญได้โดยมี Terminal   bud

ไม่มีดอก                                                            มีดอก

 

ลักษณะความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาของพืชในระยะ   Juvenile   และ Mature ในพืชชนิดอื่นๆ มักมองเห็นไม่ชัดนัก  และมักจะไม่มีสัณฐานวิทยาเฉพาะซึ่งสัมพันธ์กับลักษณะการออกดอก

เมื่อพืชมีการสร้างส่วนที่สืบพันธุ์มักจะหยุดการเจริญทางด้านกิ่งก้านสาขาเพราะส่วนสืบพันธุ์มีความสามารถในการแย่งอาหารได้ดีกว่า  ซึ่งจะเห็นว่าพืชที่มีการเจริญแบบสิ้นสุด (Determinate) จะมีผลผลิตสูงกว่าพืชที่เจริญแบบไม่สิ้นสุด(Indeterminate)

การเปลี่ยนสภาพของพืชจาก Juvenile  ไปสู่ Mature นั้น   ดูเหมือนจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงที่บริเวณยอด ส่วนที่โคนต้นอาจจะยังอยู่ในระยะ Juvenile แม้ว่าที่ยอดจะเป็นระยะ  Mature ไปแล้วก็ตาม การตัดกิ่งของ English  Ivy  ที่บริเวณโคนต้นไปชำจะได้ต้นใหม่ในระยะ Juvenile    แต่ถ้านำกิ่งหรือนำยอดไปชำจะได้ต้นMature  ถ้านำส่วนของต้นที่เป็น  Transition zone ระหว่าง  Juvenile  และ Mature  ยอดที่แตกออกมาใหม่จะมีทั้ง Juvenile และ Mature ปนกัน  แต่ในระหว่างการเจริญเติบโตจะได้ต้นที่เป็น Juvenile หรือ Matureก็ได้  เมื่อพืชเปลี่ยนระยะเป็นระยะ  Mature แล้ว สภาพนี้จะคงทนมาก การเปลี่ยนกลับมาเป็นระยะ Juvenile  จะเกิดขึ้นน้อยมาก     ยกเว้นโดยการสืบพันธุ์แบบมีเพศหรือแบบ  Apomictic   ซึ่งจะทำให้ Juvenile เกิดขึ้นได้อีก การคงที่ของลักษณะMature  จะเกิดขึ้นเมื่อมีการแบ่งเซลล์จากส่วนที่เป็นระยะ Mature ซึ่งสังเกตเห็นได้จากการปักชำต้นไม้

 

การเข้าสู่ระยะ Mature ของพืช

การเปลี่ยนจากระยะ  Juvenile สู่ระยะ Mature นั้น  พืชไม่จำเป็นต้องแสดงด้วยการออกดอก พืชที่เข้าสู่ระยะ Mature  แล้วอาจจะไม่ออกดอกด้วยสาเหตุต่าง ๆ เช่น สภาพแวดล้อมซึ่งไม่เหมาะสมหรืออาจจะมีการเจริญทางด้านกิ่งก้านสาขามากเกินไป เป็นต้น

การที่พืชจะเข้าสู่ระยะ Mature นั้น มีแนวความคิดอธิบายเป็น 2 ทาง  คือ เมื่อพืชเจริญเติบโตถึงระยะที่พอเหมาะจะมีสัญญาณส่งไปยังยอด    ในอีกแนวความคิดหนึ่ง อธิบายว่ายอดจะมีลักษณะเป็นอิสระและเข้าสู่ระยะ Mature เอง  แต่จากการทดลองต่อๆ มายังสรุปไม่ได้แน่ชัดว่าแนวความคิดใดถูกต้อง เพราะต่างก็มีหลักฐานสนับสนุน อาหารและฮอร์โมนพืชอาจจะมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงระยะการเจริญเติบโตของพืชได้    เช่น ฮอร์โมน  จิบเบอเรลลิน อาจจะมีบทบาทสำคัญในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้ การให้จิบเบอเรลลินกับพืชในตระกูล  Taxodiaceae และ Cupressaceae  สามารถเร่งการออกดอกได้  แต่การให้จิบเบอเรลลินกับ  Ivy  กลับทำให้ต้น Ivy กลับคืนเป็นระยะ Juvenile

 

การเจริญเติบโตซึ่งไม่สมดุลและการเคลื่อนที่เนื่องจากความเต่งของเซลล์

พืชสามารถตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมหลายอย่าง เช่น การที่รากเจริญลงสู่พื้นดินและลำต้นเจริญขึ้นสู่อากาศซึ่งเป็นลักษณะการตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก นอกจากนี้ลำต้นและใบยังเจริญเข้าหาแสง พืชบางชนิดตอบสนองต่อการสัมผัสกับของที่มีลักษณะแข็ง การตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมนี้เรียกว่า Tropism ซึ่งสภาพแวดล้อมจะส่งผลที่ด้านใดด้านหนึ่งมากกว่าอีกด้านหนึ่งทำให้เกิดการเจริญที่ไม่สมดุลระหว่างสองด้านของต้นพืช

 

การเจริญตอบสนองต่อแสง (Phototropism)

การโค้งของลำต้นและใบเข้าหาแสงเรียกว่า Positive  Phototropism ซึ่งเกิดจากการยืดของเซลล์ทางด้านที่ไม่ได้รับแสงเร็วกว่าทางด้านที่ได้รับแสง  การโค้งของลำต้นจะทำให้ระบบยอดของต้นได้รับแสงเต็มที่เพื่อการสังเคราะห์แสง  ส่วนการตอบสนองของรากตามปกติจะเจริญออกจากแสง  เรียกว่า Negative Phototropism  แต่การตอบสนองต่อแสงของรากบางชนิดอาจจะเกิดน้อยมากหรือบางชนิดเป็นแบบ Positive Phototropism ก็ได้      การโค้งของยอดเข้าหาแสงนั้นจากการศึกษาในโคลีออพไทล์ (Coleoptile)   ของข้าวโอ๊ตนั้นพบว่า   การโค้งเข้าหาแสงเกิดจากการที่ปริมาณของฮอร์โมนออกซิน (Auxin)  จะปรากฏอยู่มากในด้านที่ไม่ได้รับแสงทำให้เกิดการขยายหรือยืดตัวของเซลล์ในบริเวณนั้นมากกว่าด้านที่ได้รับแสงซึ่งมีปริมาณออกซินอยู่น้อย

การเคลื่อนที่ของออกซินอันเนื่องมาจากแสงนั้นอธิบายได้โดยทฤษฎีของ Chlodny-Went ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ออกซินจะเคลื่อนที่ไปสู่ด้านที่ไม่ได้รับแสงของโคลีออพไทล์ของต้นอ่อนซึ่งทำให้เกิดการตอบสนองของแสงต่อยอดและรากของพืช  แสงไม่ได้มีส่วนในการทำลายออกซิน

ปริมาณแสงที่สามารถก่อให้เกิดการเจริญชนิดนี้   ใช้ไม่มากนักเพียงแสงสีน้ำเงินประมาณ 10-11ไอน์สไตน์ ก็ก่อให้เกิดการโค้งเข้าหาแสงได้ แต่ถ้าปริมาณแสงต่ำกว่านี้การโค้งเข้าหาแสงของโคลีออพไทล์ของต้นอ่อนจะเกิดน้อยลง

 

การเจริญตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก (Geotropism)

การเจริญของรากจะเป็นแบบ Positive Geotropism ซึ่งรากแก้วจะตอบสนองได้สูงที่สุด  ส่วนรากแขนงที่แตกจากรากแก้วจะตอบสนองน้อยลงไป    การเจริญของต้น   ดอกและใบจะเป็นแบบ Negative Geotropism  การตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลกทำให้มีการเจริญทั้งชนิดที่เข้าหาแรง และออกจากแรงดึงดูดนี้เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคภายในเซลล์ซึ่งจะเคลื่อนที่ลงทางด้านล่างของเซลล์เรียกว่าสตาโตลิธส์ (Statoliths)                  ซึ่งจากการศึกษาต่อมาพบว่าคือเม็ดอะไมโลพลาสต์ ซึ่งเป็นอวัยวะภายในเซลล์ที่ทำหน้าที่สำรองแป้งจึงมีน้ำหนักมากและมักพบเสมอว่าในเนื้อเยื่อที่เซลล์ไม่มีแป้งสะสมอยู่เลยจะตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลกน้อยมาก อวัยวะภายในเซลล์อื่น ๆ ที่มีขนาดเล็ก เช่น ไมโตคอนเดรียและไรโบโซมจะเล็กเกินกว่าที่จะตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก นิวเคลียสนั้นแม้จะมีขนาดใหญ่แต่มีปริมาณต่อเซลล์น้อยเกินไป

ในการศึกษากับโคลีออพไทล์ต้นอ่อนของข้าวโอ๊ตที่วางในแนวระดับ         พบว่าส่วนปลายจะตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก   ส่วนเซลล์ที่ถัดจากปลายยอดจะตอบสนองโดยการเจริญที่ไม่เท่ากันทั้งสองข้าง  คือเซลล์ทางด้านล่างจะเจริญมากกว่า  เมื่อศึกษาลักษณะภายในเซลล์พบว่าทั้งเซลล์ที่ส่วนปลายและเซลล์ถัดลงมา จะมีปริมาณของอะไมโลพลาสต์อยู่มากทางด้านล่างของเซลล์ในรากนั้น ส่วนRoot Cap เป็นส่วนที่ตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก ส่วนเซลล์ในชั้น    คอร์เทคซ์ (Cortex) และเซลล์ผิว (Epidermis)จะทำให้เกิดการโค้งของราก ถ้ากำจัด  Root Cap ออก รากจะไม่เจริญแบบตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก  เซลล์ของ Root Cap จะมีจำนวน          อะไมโลพลาสต์มาก   ในพืชใบเลี้ยงคู่ การตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลกจะเกิดที่ปลายยอด  และเซลล์ชั้นที่มีการยืดตัวซึ่งจะมีปริมาณอะไมโลพลาสต์มาก กลุ่มเซลล์เหล่านี้เรียกว่า Starch Sheath มักจะเกิดอยู่รอบ ๆ ท่อน้ำท่ออาหาร

สตาโตลิธส์ที่ตกลงสู่ด้านล่างของเซลล์นี้ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของออกซินลงสู่ด้านล่างของอวัยวะนั้น ๆ โดยไม่มีการทำลายหรือสร้างออกซินเพิ่มขึ้นแล้วก่อให้เกิดการเจริญของเซลล์ด้านล่างมากกว่าด้านบน       ในกรณีของรากที่วางในแนวระดับนั้นออกซินก็ยังคงสะสมมากทางด้านล่างของเนื้อเยื่อแต่ในปริมาณของออกซินที่มากนั้นจะหยุดชะงักการเจริญของรากซึ่งทำให้เซลล์ทางด้านบนเจริญมากกว่าและรากจึงโค้งลงสู่แรงดึงดูดของโลก แต่อย่างไร     ก็ตามในกรณีของรากนั้นยังมีสารระงับการเจริญเติบโตเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย  โดยที่สารนี้จะมีอยู่มากทางด้านล่างของรากที่วางในแนวระดับ     สารระงับการเจริญเติบโตนี้สร้างในส่วน Root Cap ซึ่งอาจจะเป็น ABA

 

Nyctinasty

พืชบางชนิดจะมีการเคลื่อนที่ของใบให้อยู่ในแนวดิ่ง   ในตอนกลางคืนและ           ในตอนกลางวันใบจะอยู่ในแนวระนาบ     ซึ่งการเคลื่อนที่ของใบดังกล่าวนั้น  มีเม็ดสีซึ่งเรียกว่า     ไฟโตโครม (Phytochrome) เข้ามาเกี่ยวข้อง การเคลื่อนที่ชนิดนี้ของพืชยังเกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อสิ่งเร้าด้วย แต่ทิศทางของการตอบสนองจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของส่วนนั้นๆ ของพืช มากกว่าที่จะเป็นธรรมชาติหรือทิศทางของสิ่งเร้า  การเคลื่อนที่จะเกี่ยวพันกับการยืดหยุ่น (Elastic Change) ของผนังเซลล์ของเนื้อเยื่อที่เคลื่อนที่ แต่อย่างไรก็ตามการเคลื่อนที่แบบนี้จะต้องผันกลับได้    และเกิดซ้ำได้อีก   (Reversible    และRepeatable)

ในการศึกษาพืชชื่อ Albizzia julibrissin ซึ่งมีใบประกอบและจะแสดงการเคลื่อนที่ของใบดังกล่าวข้างต้น ทำให้เกิดลักษณะ “หลับ” การเคลื่อนที่ของใบย่อยเกิดจากการเปลี่ยนขนาดของเซลล์บริเวณฐานของใบย่อยเหล่านี้  เซลล์เหล่านี้เรียกว่า  พัลวินัส (Palvinus) ในตอนกลางคืนน้ำจะเคลื่อนที่ออกจากด้าน Ventral (ด้านที่ติดแกนหรือในที่นี้คือRachilla ของใบ) สู่ด้าน Dorsal (ด้านที่ไม่ติดกับ Rachilla) ทำให้กลุ่มเซลล์ด้าน Dorsal มีขนาดใหญ่ เซลล์ด้าน Ventral มีขนาด   เล็กลง  ทำให้ใบย่อยเคลื่อนที่เข้าหากัน ส่วนตอนเช้าการเคลื่อนที่ของน้ำจะเกิดในทางกลับกัน แต่เนื่องจากการเปลี่ยนขนาดของเซลล์ดังกล่าวเกิดชั่วคราว จึงไม่เรียกการเคลื่อนที่ชนิดนี้ว่าการเจริญเติบโต

การที่น้ำเคลื่อนที่ได้เป็นเพราะว่ากลุ่มเซลล์พัลวีนัส มีปริมาณ K⁺ อยู่สูง  เมื่อ K⁺ เคลื่อนที่ออกจากเซลล์ด้านVentral และเซลล์ด้าน Dorsal จะรับ K⁺  เข้าไปทำให้เกิดอาการ  “หลับ” ของใบ  การเคลื่อนที่ของน้ำจึงเกี่ยวข้องกับพลังงานที่สามารถทำงานได้ของน้ำ และมีกลไกเหมือนกับการปิดเปิดของปากใบ

 

การเคลื่อนที่ของพืชแบบนี้มี 2 ลักษณะ คือ

1. Oscillatory movement     ซึ่งเป็นการเกิดขึ้นภายในระยะเวลา 24 ชั่วโมงลงมา  จนถึงระยะ 2-3 นาที เช่น การเคลื่อนที่ของใบ Albizzia  Mimosa และ Trifolium เป็นต้น

2. Single event  movement   เป็นการเคลื่อนที่ซึ่งเกิดขึ้นในระยะเวลา 2-3 นาที  ถึง2-3 milliseconds แต่การผันกลับจะเกิดอย่างช้า ๆ  เช่น  ใบ Mimosa บางชนิด

บทที่ 7 การพักตัวของพืช

บทที่ 7

การพักตัวของพืช

 

ความสำคัญของการพักตัวของพืชในทางชีววิทยา

การพักตัวของตา

การพักตัวของเมล็ด

สภาพแวดล้อมที่ควบคุมการพักตัวของเมล็ด

การกระตุ้นให้เมล็ดงอก

การงอกของเมล็ด

การเจริญของต้นอ่อน

 

ความสำคัญของการพักตัวของพืชในทางชีววิทยา

ส่วนประกอบที่มีมากของเซลล์พืชคือน้ำ ซึ่งสามารถจะกลายเป็นน้ำแข็งเมื่ออุณหภูมิต่ำเกินไป ซึ่งจะทำให้เกิดความเสียหายต่อการที่โปรโตพลาสต์จะถูกทำลาย โดยทั่วไปพืช  ในเขตร้อนจะไม่ทนต่อการเกิดน้ำแข็งภายในเซลล์ แต่พืชในเขตอาร์คติกสามารถทนต่อสภาวะที่เกิดน้ำค้างแข็งได้ การทนทานเช่นนี้เรียกว่า Cold Resistance

พืชที่ทนต่ออากาศหนาวเย็นนั้น ลักษณะทางสัณฐานวิทยาในฤดูหนาวและฤดูร้อนอาจจะไม่แตกต่างกันเลย หากแต่ว่าอัตราการเจริญในฤดูหนาวจะลดลงหรือหยุดชะงักไป แต่ส่วนที่เป็นยอดอ่อนยังคงมีกิจกรรมอยู่และสามารถจะเจริญได้หากสภาพแวดล้อมไม่เลวเกินไป พืชเหล่านี้จะมีความสามารถในการทนต่อสภาพอากาศที่หนาวเย็น  ส่วนพืชอีกหลายชนิด  เช่น ไม้ยืนต้น   ส่วนยอดจะหยุดกิจกรรมต่าง ๆ และพืชจะสร้างกาบเล็ก ๆ  มาหุ้มตาไว้เพื่อให้เกิดตาที่พักตัวในฤดูหนาว ตาเหล่านี้ถือว่าอยู่ในระหว่างการพักตัว (Dormant)  ซึ่งตาเหล่านี้จะต้านทานต่อความหนาวเย็นได้ดีกว่าตาที่ยังมีกิจกรรมอยู่

สาเหตุที่ตาที่พักตัวสามารถทนต่ออากาศหนาวเย็นได้ดีนั้น ยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก     หากแต่เป็นที่รู้อย่างแน่ชัดว่าเนื้อเยื่อเหล่านี้จะมีลักษณะของโปรโตพลาสต์ที่เฉพาะเจาะจงและเพราะมีกาบ (scale) ที่หุ้มห่อตาอยู่อีกหลายชั้น ซึ่งสามารถช่วยลดการสูญเสียน้ำได้ ทำให้พืชสามารถรักษาสมดุลของน้ำภายในต้นไว้ได้ในฤดูหนาว ภายใต้สภาพอากาศที่หนาวเย็นถึงจุดเยือกแข็งและลมแรงพืชจะมีการคายน้ำเช่นปกติ  หากแต่ไม่สามารถดูดน้ำมาทดแทนได้ อันตรายจากความหนาวเย็นข้อหนึ่งที่มีต่อพืชคือการขาดน้ำ  ซึ่งพืชสามารถลดการสูญเสียน้ำโดยการมีกาบหุ้มห่อตาเอาไว้ และในไม้ผลัดใบสามารถลดการสูญเสียน้ำโดยการทิ้งใบ ในพืชล้มลุกจะพักตัวเพื่อทนต่อสภาพอุณหภูมิต่ำโดยการสร้างเมล็ด ซึ่งสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมได้ดีกว่าส่วนอื่นๆ ของพืชต้นเดียวกัน เมล็ดที่แห้งจะทนอุณหภูมิต่ำได้ดีกว่าเมล็ดที่เริ่มดูดน้ำแล้ว

 

ชนิดของการพักตัว

การพักตัว (Dormancy) คือการหยุดชะงักการเจริญเติบโตอย่างชั่วคราว ซึ่งในพืชบางชนิดมีสาเหตุมาจากสภาพของอุณหภูมิและแสงไม่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโต ในกรณีที่การพักตัวเกิดจากสภาพแวดล้อมภายนอกที่ไม่เหมาะสมเรียกว่าเกิดImposed  หรือ Enforced Dormancy

อย่างไรก็ตามมีหลายกรณีซึ่งสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมไม่ใช่สาเหตุโดยตรงที่ทำให้เกิดการพักตัว เช่น  พืชยืนต้นหลายชนิดจะสร้างตาซึ่งต้านทานต่ออุณหภูมิต่ำระหว่างฤดูร้อนหรือฤดูใบไม้ร่วง เมื่อสภาพแวดล้อมยังเหมาะสมต่อการเจริญเติบโต เป็นการสร้างตาที่พักตัวล่วงหน้า กรณีเช่นนี้การพักตัวเกิดขึ้นจากลักษณะภายในของเนื้อเยื่อของตา การพักตัวชนิดนี้เรียกว่า Innate หรือSpontaneous Dormancy เมล็ดก็อาจจะมีการพักตัวเช่นนี้เกิดขึ้นได้   นอกจากนั้นส่วนอื่น ๆ ของพืชอาจจะพักตัวเนื่องจากสาเหตุนี้ได้เช่นกัน  เช่นส่วนของลำต้นใต้ดิน (Rhizomes, Corms และ Tubers)

การพักตัวของตา

ไม้ยืนต้นและไม้พุ่มในเขตอบอุ่นจะได้รับอุณหภูมิต่ำมากระหว่างฤดูหนาวซึ่งอาจจะก่อให้เกิดการตายของเนื้อเยื่อที่ยังคงมีกิจกรรมสูงและยังเจริญเติบโตอยู่  พืชเหล่านี้จึงต้องพัฒนาให้ตาเข้าสู่การพักตัวได้  ในเขตแห้งแล้งการพักตัวของตาอาจจะสัมพันธ์กับช่วงที่แห้งแล้งโดยไม่สัมพันธ์กับอุณหภูมิต่ำ

คำจำกัดความของการพักตัวของตา คือ  การหยุดการเจริญเติบโตที่มองเห็นได้ในพืช   ซึ่งในเขตอบอุ่นนั้นหลังจากช่วงกลางฤดูร้อนแล้วพืชจะมีการเจริญเติบโตช้ามาก หลังจากนั้นเมื่อเข้าสู่ฤดูใบไม้ร่วงต้นไม้จะเริ่มทิ้งใบ    ในกรณีของพืชล้มลุกต้นจะสร้างสิ่งสืบพันธุ์และตายไปก่อนจะถึงฤดูหนาว ในไม้พุ่มบางชนิด auxillary bud  มักจะพักตัวเพื่อต้นจะมีชีวิตอยู่ได้ แต่ปกติตายอดและตาข้างมักจะตายไป ในกรณีของราสเบอรี่  ต้นที่โตขึ้นมาเหนือดินจะเป็นชนิด biennial   โดยเจริญเติบโตทางกิ่งก้านสาขาในปีแรก  และจะสืบพันธุ์ในปีที่ 2  โดยที่ส่วนนี้จะพักตัวได้ด้วยและยอดที่เจริญใหม่จะเกิดจาก Adventitious buds

การพักตัวของตามักจะเกี่ยวข้องกับการสร้างกาบมาปิดตา  (Scale)  เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ ซึ่งยังมีอยู่สูงกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ในฤดูหนาว ต่อมาส่วนที่จะเจริญไปเป็นใบ (Leaf primordia) จะหยุดการเจริญ และปล้องจะหยุดการขยายตัว  ไม้ยืนต้นในเขตหนาวบางชนิด      เช่น  Betula Fagus  และ  Quercus  จะสร้างส่วนของหูใบ (Stipule) ซึ่งจะพัฒนาไปเป็นกาบใบ  ในพืชอื่นใบอาจจะดัดแปลงไปอาจจะเจริญออกมาเพียงแค่ฐานใบ  (Leaf base)  เท่านั้น  ในบางกรณีส่วนที่จะเจริญไปเป็นใบอาจจะยังเจริญอยู่ แต่จะไม่พัฒนาไปเป็นตัวใบ

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีอิทธิพลต่อการควบคุมการพักตัวของตาไม้ยืนต้น    คือ  ความยาวของวัน     โดยวันยาวกระตุ้นการเจริญของตาและวันสั้นจะก่อให้เกิดการชะงักการ     เจริญเติบโตและสร้างตาที่พักตัว  แต่มีพืชหลายชนิดที่ไม่มีการเจริญเติบโตตอบสนองต่อความยาวของวันเช่น สาลี่ แอปเปิล และพลัม เป็นต้น ในไม้ยืนต้นหลายชนิดการร่วงของใบถูกกระตุ้นโดย     วันสั้น และพืชเหล่านี้จะมีใบร่วงช้าลงเมื่อได้รับช่วงแสงตอนกลางคืน แต่อย่างไรก็ตามการร่วงของใบเกิดจากกระบวนการเสื่อมสลาย (Senescence) ซึ่งอาจจะเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิต่ำและความเข้มของแสงต่ำด้วย

การเจริญของตาที่พักตัว

ตามปกติตาที่พักตัวจากฤดูร้อนหรือฤดูใบไม้ร่วงจะพักตัวไปจนถึงฤดูใบไม้ผลิ จึงจะเริ่มเจริญออกมาเป็นยอดใหม่ การพักตัวจะลดปริมาณลงในระหว่างฤดูหนาว ไม้ยืนต้นหลายชนิดต้องการอุณหภูมิต่ำในช่วงฤดูหนาวเพื่อกำจัดการพักตัวของตา เช่น ต้นปอปเปลอร์ (Poplar) และ  ซิกคามอร์ (Sycamore) พืชเหล่านี้ต้องการอุณหภูมิต่ำ 0-5 องศาเซลเซียส  เป็นเวลาประมาณ260-1000 ชั่วโมงเพื่อกำจัดการพักตัวของตา       ไม้ผลบางชนิดจึงไม่สามารถปลูกให้เจริญเติบโตในเขตที่อากาศไม่หนาวเย็นพอได้ เช่น การปลูกท้อในรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งอากาศไม่หนาวเย็นนัก ในบางครั้งการแตกตาอาจจะล่าช้าหรือผิดปกติได้

ถึงแม้ว่าอุณหภูมิต่ำจะมีความจำเป็นในการกำจัดการพักตัวของตาพืชหลายชนิด แต่อุณหภูมิสูงก็มีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของตาหลังจากที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วถ้าหากอุณหภูมิไม่สูงพอตาอาจจะยังคงพักตัวไปได้เรื่อย ๆ      ดังนั้นการเจริญออกมาของตาจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในขณะนั้น

ในพืชเขตอบอุ่นซึ่งได้รับการศึกษาทางด้านการพักตัวมากนั้น พบว่า  เมื่อตาเกิดการพักตัวเพราะได้รับสภาพวันสั้น ตาที่พักตัวแล้วจะไม่เจริญออกมาแม้ว่าจะได้รับสภาพวันยาว  ตาเหล่านี้จะเจริญออกมาได้เพียงเมื่อได้รับอุณหภูมิต่ำเท่านั้น  มีพืชเพียงไม่กี่ชนิดที่ตาจะเจริญออกมาได้เพราะสภาพวันยาว เช่น ต้นบีช (Beech)   ต้นเบอช (Birch) และโรโดเดนดรอน (Rhododendron)เป็นต้น

 

การพักตัวของเมล็ด

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเมล็ดประกอบด้วยคัพภะซึ่งล้อมรอบโดยเปลือกหุ้มเมล็ด ซึ่งเกิดจากIntegument ของไข่ เมล็ดบางชนิดมีอาหารสำรอง (Endosperm) ล้อมรอบคัพภะอีกทีหนึ่ง เมล็ดสามารถพักตัวได้ ซึ่งคือการที่เมล็ดไม่สามารถงอกได้   ซึ่งอาจจะเนื่องจากสาเหตุใหญ่ ๆ สองประการคือ   สิ่งแวดล้อมภายนอกและสภาพภายในเมล็ดเอง การพักตัวของเมล็ดทำให้การงอกของเมล็ดช้าออกไป  จนกว่าจะถึงระยะเวลาที่เหมาะสม ดังนั้นการพักตัวของเมล็ดจึงเป็น บทบาทที่สำคัญของพืชในการที่จะรอดชีวิตอยู่ได้เพราะเมล็ดจะทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่ไม่ เหมาะสมดีกว่าเนื้อเยื่อทั่ว ๆ ไป     การพักตัวของเมล็ดมีข้อเสียอยู่บ้าง  เช่น ต้องสิ้นเปลืองหาวิธีการกำจัดการพักตัวออกไป และในกรณีที่เมล็ดตกค้างในดินและพักตัวอยู่แต่มางอกในฤดูที่ปลูกพืชชนิดถัดไป ทำให้เกิดปัญหาวัชพืชได้

แม้ว่าการพักตัวของเมล็ดจะมีลักษณะคล้ายคลึงกับการพักตัวของอวัยวะอื่น ๆ   แต่การที่เมล็ดมีโครงสร้างที่แปลกไปจากอวัยวะอื่น ๆ เพราะมีเปลือกหุ้มเมล็ดซึ่งก่อให้เกิดความซับซ้อนยิ่งขึ้น การพักตัวของเมล็ดจึงมีหลายชนิด  และแตกต่างไปจากการพักตัวของอวัยวะอื่น ๆ

 

1. เปลือกหุ้มเมล็ดแข็งและหนา

เมล็ดเป็นเนื้อเยื่อเจริญขนาดเล็ก ซึ่งจะมีเนื้อเยื่อที่สะสมอาหารอยู่ด้วยและมีเปลือกหุ้มบาง ๆ อีกหลายชั้น         เมล็ดบางชนิดอาจจะมีเนื้อเยื่อที่แข็งแรงหุ้มอยู่ภายนอกทำหน้าที่เป็นเปลือกหุ้มเมล็ด     ซึ่งเปลือกหุ้มเมล็ดที่หนาหรือแข็งมาก ๆ  มักจะมีส่วนร่วมทำให้เกิดการพักตัวของเมล็ด เพราะจะป้องกันไม่ให้น้ำและอากาศผ่านเข้าออก และยังจำกัดการเจริญของคัพภะด้วย     เมล็ดหลายชนิดจะงอกได้ดีขึ้นเมื่อกำจัดเปลือกหุ้มเมล็ดออกไป เมล็ดเหล่านี้แม้จะอยู่ในที่ชื้นหรือได้รับน้ำก็อาจจะไม่งอกเพราะบริเวณรอยแผล  (Hilum)     ของเมล็ดจะพองออกเมื่อได้รับความชื้นทำให้รูในบริเวณนี้ปิดสนิท น้ำซึมเข้าไปไม่ได้     ทำให้เกิดความแตกต่างของความชื้นภายในและภายนอก นอกจากนั้นเมล็ดที่มีเปลือกแข็งมักจะไม่ยอมให้ก๊าซผ่านเข้าออกเมล็ดโดยเฉพาะก๊าซออกซิเจน   การกระตุ้นให้เมล็ดเหล่านี้ดูดน้ำ  สามารถทำได้หลายวิธี เช่น  ขัดเมล็ดให้เปลือกบางลง  แช่ในกรดซัลฟูริคเข้มข้นเป็นระยะเวลาสั้น ๆ วิธีนี้จะทำลายส่วนเปลือกหุ้มเมล็ด ทำให้น้ำซึมเข้าไปได้ ในสภาพธรรมชาติเมล็ดเหล่านี้อาจจะถูกเชื้อจุลินทรีย์บางชนิดย่อยสลายเปลือกไปบางส่วน   การแช่เมล็ดในน้ำร้อน  40 องศาเซลเซียส ในระยะเวลาสั้น ๆ ก็สามารถลดปัญหานี้ได้เช่นกัน  ตัวอย่างของเมล็ดที่มีเปลือกหนาอยู่ในตระกูล Leguminosae Chenopodiaceae Malvaceae  และ Geraniaceae เป็นต้น

 

2. คัพภะยังไม่เจริญเต็มที่

ในเมล็ดหลายชนิด คัพภะยังไม่เจริญเต็มที่เมื่อเมล็ดร่วงจากต้น  ซึ่งการงอกของเมล็ดจะเกิดได้ก็ต่อเมื่อคัพภะเจริญเต็มที่แล้ว พบในพืชพวก Orchidaceae Fraxinus และ Ranunculus การกำจัดการพักตัวของเมล็ดชนิดนี้ ต้องปล่อยให้คัพภะเจริญเต็มที่ ซึ่งจะผันแปรจาก 10 วันจนถึงหลาย ๆ เดือน

 

3. After Ripening ในการเก็บรักษา

เมล็ดของพืชหลายชนิดจะไม่งอกทันทีหลังจากเก็บเกี่ยว  แม้ว่าคัพภะจะเจริญเต็มที่แล้วก็ตาม แต่ถ้าหากเก็บรักษาเมล็ดเหล่านี้ไว้ในสภาพแห้งที่อุณหภูมิห้อง เมล็ดเหล่านี้จะค่อย ๆ  สูญเสียการพักตัวไปทีละน้อย  และในที่สุดจะงอกได้เมื่อให้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสม ช่วงระยะเวลาที่เมล็ดใช้ในการกำจัดการพักตัวนี้เรียกว่า “After Ripening”      พบมากในธัญพืชหลายชนิด เช่น ข้าวบาร์เลย์ ข้าวสาลี ข้าวโอ๊ตและข้าว ระยะเวลาที่พักตัวจะผันแปรจาก  2-3  สัปดาห์ จนถึงหลาย ๆ  เดือน  นอกจากธัญพืชแล้วยังมีผักสลัดBrassica nigra และ Trifolium spp.เป็นต้น

 

4. ความไวต่อแสง

การงอกของเมล็ดจะตอบสนองต่อแสงต่างกันออกไป  เมล็ดบางชนิดต้องการแสงในการงอก เช่น เมล็ดยาสูบFoxglove และผักสลัดพันธุ์ Grand Rapids  เป็นต้น ในทางตรงกันข้ามมีเมล็ดหลายชนิดซึ่งแสงจะระงับการงอก   แต่เมล็ดในกลุ่มนี้มีน้อยชนิดกว่ากลุ่มแรกเช่น ฟลอกซ์  (Phlox drummondii) เป็นต้น

เมล็ดที่ไวต่อแสงนี้  จะตอบสนองต่อแสงหลังจากที่ดูดน้ำจนชุ่มแล้วเท่านั้น    ระยะเวลาที่ต้องการแสงในการงอกมักจะสั้นมาก   เช่น กรณีของผักสลัดต้องการแสงเพียง 1-2 นาที ในพืชบางชนิดต้องการเพียง 0.1 วินาทีเท่านั้น การตอบสนองต่อแสงของเมล็ดที่ไวแสงจะมีผลกระทบจากอุณหภูมิมาก เช่น เมล็ดผักสลัดต้องการแสงที่ 25 องศาเซลเซียส  จะไม่ต้องการแสงเมื่อให้งอกที่อุณหภูมิต่ำ นอกจากนั้นเมล็ดที่ได้รับอุณหภูมิสลับระหว่าง 15 องศาเซลเซียสและ 25 องศาเซลเซียส อาจจะงอกได้โดยไม่ต้องการแสง นอกจากนั้นมีสารอนินทรีย์หลายชนิดที่ทดแทนความต้องการแสงได้ เช่น โปแตสเซียมไนเตรทและไธโอยูเรีย เป็นต้น

เมล็ดที่ต้องการแสงในการงอกในระยะที่เก็บเกี่ยวนั้นจะค่อย ๆ          สูญเสียความต้องการแสงในการงอกไปเรื่อย ๆ เมื่อนำไปเก็บรักษา และในที่สุดจะงอกได้ในที่มืด เช่น กรณีของ  ผักสลัด ซึ่งอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงในระหว่าง After Ripening  ซึ่งสามารถกำจัดความต้องการแสงได้

การพบว่าเมล็ดของผักสลัดบางพันธุ์มีความต้องการแสงในการงอกนั้นเป็นการนำไปสู่การพบไฟโตโครม(Phytochrome) ในปัจจุบันทราบกันดีแล้วว่าแสงสีแดงจะกระตุ้นการงอกของเมล็ด ส่วนแสง Far Red จะระงับการงอก  และนอกจากนั้นยังพบว่าเมล็ดที่ไวต่อแสงจะตอบสนองต่อแสงสีแดงและแสง Far Red เหมือนกับเมล็ดของผักสลัด

 

5. ความต้องการอุณหภูมิเฉพาะ

เมล็ดหลายชนิดต้องการอุณหภูมิต่ำ  ภายใต้สภาพที่เมล็ดชื้นก่อนการงอกทั้งในสภาพธรรมชาติ และในสภาพที่มนุษย์จัดการขึ้น หลังจากที่เมล็ดได้รับอุณหภูมิต่ำพอเพียงแล้ว เมล็ดจะสามารถงอกได้ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส    ในสภาพความเป็นจริงนั้นจะหว่านเมล็ดในฤดูใบไม้ร่วงให้เมล็ดได้รับความเย็นในฤดูหนาวและงอกในฤดูใบไม้ผลิ  การตอบสนองของเมล็ดเช่นนี้ ทำให้เกิดกระบวนการให้ความเย็นแก่เมล็ดที่ชื้น  (Stratifying)   โดยวางเมล็ดไว้ในกระบะทรายแล้วนำกระบะทรายไปไว้นอกบ้านตลอดฤดูหนาว  เมล็ดจะงอกได้เมื่ออากาศอบอุ่น ดังนั้นอุณหภูมิต่ำจึงสามารถกำจัดการพักตัวของเมล็ดจำพวกนี้ได้  อุณหภูมิต่ำที่เหมาะสมคือ  0-5 องศาเซลเซียส  ซึ่งเมล็ดที่ต้องการอุณหภูมิต่ำอาจจะมีเปลือกหุ้มเมล็ดบาง เช่น แอปเปิล และเบอช เป็นต้น              การตอบสนองของอุณหภูมิต่ำจะเกิดได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเมล็ดดูดน้ำจนชื้นแล้วเท่านั้น เมล็ดที่ต้องการอุณหภูมิต่ำบางชนิดอาจจะงอกได้เมื่อกำจัดเปลือกหุ้มเมล็ดออกไป  เช่น เมล็ดซิกคามอร์  แต่ต้นอ่อนจะมีลักษณะแคระ (Dwarfism) เมล็ดของซิกคามอร์จะให้ต้นอ่อนที่ปกติเมื่อเมล็ดที่สมบูรณ์ได้รับอุณหภูมิต่ำ

 

6. การปรากฏของสารระงับการงอกในเมล็ด

ในเมล็ดหลายชนิดจะปรากฏสารระงับการงอกภายในเมล็ด    ทำให้เมล็ดเกิดการพักตัว  สารใดก็ตามที่มีพิษต่อกระบวนการงอกของเมล็ดจะระงับการงอกได้  ในบางกรณีสารเหล่านี้อาจจะทำให้เมล็ดตายได้ ถ้ามีอยู่ในปริมาณที่สูง  สารพิษเหล่านี้จะระงับขั้นตอนการงอกขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่ง สารเหล่านี้จะปรากฏอยู่ที่ส่วนใดของเมล็ดก็ได้ เช่น ในข้าวโอ๊ต สารพิษจะอยู่ที่ glumes ในเมล็ดบางชนิดมีสารระงับการงอกอยู่ที่เปลือกหุ้มเมล็ด ซึ่งเมล็ดจะงอกได้ตามปกติเมื่อกำจัดเปลือกหุ้มเมล็ดไปเสีย สารระงับการงอกที่พบในเมล็ด  คือ คัวมาริน (Coumarin)   กรดพาราซอร์บิค (Parasorbic   Acid)   กรดเฟอรูริค (Feruric Acid) และกรดแอบซิซิค หรือ ABA  เป็นต้น  โดยเฉพาะสาร ABA  นี้ สามารถระงับการงอกได้ที่ปริมาณต่ำมากคือ 5-10 ส่วนต่อล้าน

เมล็ดมะเขือเทศส่วนใหญ่ไม่งอกในผล แม้ว่าอุณหภูมิจะเหมาะสมและมีน้ำ และออกซิเจนเพียงพอ แต่ถ้านำเมล็ดออกจากผลแล้วผึ่งให้แห้ง เมื่อนำไปเพาะเมล็ดจะงอกอย่างรวดเร็ว ซึ่งชี้ให้เห็นว่าเมล็ดแก่เพียงพอแล้ว ความจริงเพียงเอาเมล็ดออกมาจากผลแล้วแช่ในน้ำเมล็ดเหล่านี้ก็จะงอกได้ ในผลมะเขือเทศ Osmotic potential ของน้ำภายในผลมีค่าเป็นลบมาก ซึ่งระงับการงอกของเมล็ด

ในสภาพธรรมชาติสารระงับการงอกของเมล็ดไม่เพียงปรากฏอยู่ในเมล็ดเท่านั้น แต่ยังปรากฏที่ใบ ราก และส่วนอื่น ๆ ของพืชด้วย เมื่อถูกชะล้างไปหรือถูกปลดปล่อยออกมา อาจจะระงับการงอกของเมล็ดหรือระงับการเจริญเติบโตของรากพืชในบริเวณนั้นได้   สารซึ่งผลิตโดยพืชชนิดหนึ่งแล้วมีผลกระทบในด้านลบกับพืชอื่นนี้เรียกว่า Allelopathic (แต่สารนี้โดยทั่วไปไม่ได้ทำให้เกิดการพักตัว) และยังมีสารที่ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นที่กระตุ้นการงอก เช่น ไนเตรท ซึ่งใช้ในการกระตุ้นการงอกของเมล็ดในห้องปฏิบัติการ เป็นสารที่สังเคราะห์ขึ้นมาได้ระหว่างการเน่าของพืชหรือสัตว์

 

สภาพแวดล้อมที่ควบคุมการพักตัวของเมล็ด

1. อุณหภูมิ   เป็นปัจจัยที่มีผลต่อการพักตัวของเมล็ดมาก  โดยเฉพาะการได้รับอุณหภูมิต่ำทำให้เมล็ดงอกได้  ซึ่งเมล็ดบางชนิดอาจจะต้องการอุณหภูมิต่ำในระยะเวลาเพียงสั้นๆ บางชนิดอาจจะต้องการระยะยาว โดยทั่วไปอุณหภูมิ 0-5 องศาเซลเซียส มักจะมีประสิทธิภาพในการทำให้เมล็ดงอก แต่ที่ 10  องศาเซลเซียสอาจจะต่ำพอสำหรับเมล็ดบางชนิด

กระบวนการ  Stratification  คือ  การปฏิบัติทางการเกษตรโดยการให้เมล็ดได้รับอุณหภูมิต่ำ ซึ่งชื่อกระบวนการไม่มีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางสรีรวิทยาเลย

การที่อุณหภูมิต่ำทำให้เมล็ดงอกได้นั้น จะเกิดการเคลื่อนย้ายอาหารในระหว่างการได้รับความเย็น โดยอาหารในเมล็ดจะเคลื่อนย้ายออกจากแหล่งอาหารสำรองไปยังคัพภะ เช่น กรณีของเมล็ดพีโอนี (Peony) นั้น ในขณะที่เมล็ดพักตัวคัพภะจะมีกรดอะมิโนอยู่น้อยมาก แต่ในระหว่างการได้รับอุณหภูมิต่ำจะเกิดการสะสมกรดอะมิโนซึ่งเคลื่อนย้ายมาจากแหล่งอาหารสำรอง ในกรณีของเมล็ดพีโอนีนั้นถ้าหากให้GA กับเมล็ด  จะทำให้คัพภะสะสมกรดอะมิโนได้เช่นกัน  ดังนั้นในกรณีนี้  GA  จึงสามารถกำจัดการพักตัวของเมล็ดได้     อุณหภูมิต่ำยังช่วยทำให้ปริมาณของสารระงับการงอกในเมล็ดลดต่ำลงด้วย  เช่น  กรณีของเมล็ดแอปเปิลนั้นปริมาณสารระงับการงอกจะลดลงระหว่างกระบวนการStratification

ในทางตรงกันข้าม อุณหภูมิสูงมักจะส่งผลให้เมล็ดพักตัว เช่น กรณีของเมล็ด       ผักสลัด  จะพักตัวได้ที่อุณหภูมิ 30-35 องศาเซลเซียส  แต่ผลของอุณหภูมิสูงจะหมดไปเมื่อเมล็ดผักสลัดได้รับแสงสีแดง

2. แสง   เมล็ดบางชนิดจะมีความไวต่อแสงดังกล่าวไปแล้ว  การตอบสนองต่อแสงของเมล็ดจะเป็นไปในทางปริมาณ คือ ยิ่งให้แสงนานก็จะงอกมาก  โดยทั่วไปแสงจะลบล้างผลของอุณหภูมิสูงได้   ในกรณีของผักสลัดนั้นเมล็ดจะงอกได้โดยไม่ต้องการแสงหากกำจัดเปลือกหุ้มเมล็ดออกไป  ดังนั้นแสดงว่าในกรณีของเมล็ดผักสลัดนี้  ส่วนที่ตอบสนองต่อแสงคือ   เปลือกหุ้มเมล็ด  แต่ในเมล็ดบางชนิดส่วนที่ตอบสนองต่อแสงอยู่ที่ใบเลี้ยงและ  Radicle

          3. น้ำ เป็นปัจจัยที่ช่วยทำให้เมล็ดงอกออกจากการพักตัวได้ เช่น กรณีของพืชที่ขึ้นอยู่ในเขตทะเลทรายที่เปลือกจะมีสารที่ควบคุมการไหลเข้าออกของน้ำ ซึ่งเมื่อโดนน้ำฝน สารนี้จะถูกชะล้างไปทำให้น้ำซึมเข้าไปในเมล็ดได้ เมล็ดจึงงอกออกมา  ในเมล็ดบางชนิดน้ำจะชะล้างเอาสารระงับการงอกออกไปจากเปลือกหุ้มเมล็ดแล้วจึงทำให้เมล็ดงอกได้

ในทางตรงกันข้ามเมล็ดบางชนิดหากมีความชื้นภายในเมล็ดมากเกินไปจะไม่งอก เช่น เมล็ดมะเขือเทศและถั่วLima Bean ต้องมีความชื้นภายในเมล็ดน้อยกว่า  60 เปอร์เซ็นต์เพราะความแห้งจะทำให้เกิดการกระจายของไรโบโซมออกจากเอนโดพลาสมิค     เรตติคิวลัม      แต่เมล็ดส่วนใหญ่การที่เมล็ดแห้งจะก่อให้เกิดการพักตัวของเมล็ด

4. ฮอร์โมนพืช      จากการทดลองการให้ฮอร์โมนพืชแก่เมล็ด  จะสามารถกำจัดการพักตัวของเมล็ดได้ ฮอร์โมนกลุ่มนี้คือ  จิบเบอเรลลิน (Giberellin)  ไซโตไคนิน (Cytokinins)  และ   เอทธิลีน (Ethylene)เมล็ดซึ่งตอบสนองต่อจิบเบอเรลลิน    ส่วนใหญ่เป็นเมล็ดที่ต้องการระยะ  After  Ripening  ต้องการแสงหรือต้องการอุณหภูมิต่ำ              จิบเบอเรลลินที่ให้ผลดีคือ  GA₄ และ GA₇  ไซโตไคนินสามารถกำจัดการพักตัวของเมล็ดบางชนิดได้แต่เป็นกลุ่มที่เล็กกว่าพวกแรก   เมล็ด   บางชนิดจะต้องการทั้งจิบเบอเรลลินและไซโตไคนินในการกำจัดการพักตัว เช่น เมล็ดผักสลัดและสาลี่    เอทธิลีนสามารถกระตุ้นให้เกิดการงอกของเมล็ดผักสลัด และยังเพิ่มเปอร์เซ็นต์การงอกของเมล็ดซึ่งได้รับไซโตไคนินหรือจิบเบอเรลลิน

แม้ว่าเมล็ดที่ต้องการแสงในการงอกจะสามารถงอกได้เมื่อได้รับสารควบคุมการเจริญเติบโตบางชนิด แต่สารเหล่านั้นก็ไม่สามารถทดแทนแสงได้ทั้งหมด แสงสีแดงและจิบเบอเรลลินมักจะให้ผลส่งเสริมกันในการกำจัดการพักตัวของเมล็ด  ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นว่าเป็นการกำจัดการพักตัวที่มีกลไกการทำงานแยกจากกัน       การให้สารไคเนติน (Kinetin) กับเมล็ดผักสลัดสามารถลดความต้องการแสงลงไปได้  แต่ไม่สามารถทดแทนแสงสีแดงได้

การหายไปของจิบเบอเรลลิน  ไซโตไคนิน  และเอทธิลีน เกี่ยวข้องกับการเกิดการพักตัวได้ก็จริง  แต่ก็มีหลักฐานที่ชี้ให้เห็นว่าการพักตัวยังเกี่ยวข้องกับสารระงับการเจริญเติบโตบางชนิดด้วย   สารดังกล่าวสามารถแยกออกมาจากเนื้อเยื่อหลายชนิดของพืชเช่นในหัวมันฝรั่งที่กำลังพักตัว อย่างไรก็ตามเมื่อมีการพบฮอร์โมน ABA  ซึ่งเป็นสารระงับการเจริญที่สำคัญ และพบว่าการให้ ABA ติดต่อกัน  จะทำให้ต้นอ่อนไม่สามารถงอกออกมาจากเมล็ดได้  แต่ถ้าเมล็ดเหล่านี้ไม่ได้อยู่ในระยะพักตัวตามธรรมชาติเมื่อล้างเอา   ABA ออกไป เมล็ดจะงอกได้ตามปกติ    ผลของ ABA และ        จิบเบอเรลลินและไซโตไคนินจะเป็นไปแบบหักล้างกัน

 

การกระตุ้นให้เมล็ดงอก

1. การทำ Scarification คือ การทำลายเปลือกหุ้มเมล็ด โดยอาจจะใช้มีด ตะไบ หรือกระดาษทรายในสภาพธรรมชาติ อาจจะเกิดจากการย่อยสลายเปลือกหุ้มเมล็ดโดยจุลินทรีย์ หรือผ่านยังระบบย่อยอาหารของนก ในห้องปฏิบัติการอัลกอฮอล์หรือตัวทำละลายไขมันซึ่งช่วยละลายแวกซ์ที่เคลือบเมล็ดทำให้น้ำผ่านเข้าเมล็ดได้ หรือการใช้กรดเข้มข้น เช่น กรดซัลฟูริค ไนโตรเจนเหลว อาจจะต้องนำเมล็ดไปแช่ในกรดซัลฟูริค นาน 2-3 นาที จนถึง 1 ชั่วโมง แล้วจึงล้างเอากรดออก จะช่วยทำให้เมล็ดเหล่านี้งอกดีและมากขึ้น

Scarification มีความสำคัญในแง่ของนิเวศวิทยา เพราะระยะเวลาที่ต้องการสำหรับการเกิดScarification ของเมล็ดให้เกิดสมดุลธรรมชาติ อาจจะเป็นการป้องกันการงอกในสภาพไม่เหมาะสม เช่น ฤดูใบไม้ร่วง เป็นต้น การเกิด Scarification ในระบบทางเดินอาหารของนก และสัตว์อื่นๆ นำไปสู่การงอกหลังจากที่เมล็ดได้แพร่กระจายออกไปแล้ว เมล็ดหลายชนิดจะได้รับการทำให้เปลือกบางลงเมื่อผ่านไฟป่า ซึ่งเกิดเป็นประจำ ผลที่ตามมา คือ ทำให้พื้นที่ป่าบริเวณนั้นกลับคืนมาโดยเร็ว นอกจากนั้นไฟยังกำจัดใบซึ่งดูดแสงสีแดงและส่งผ่านแสง Far Red ลงมายังพื้นดินซึ่งระงับการงอกของเมล็ด

2. การให้แสง

3. การให้อุณหภูมิต่ำ 0-5 องศาเซลเซียส หรือให้อุณหภูมิสูงสลับกับอุณหภูมิต่ำ

4. การใช้สารเคมีกระตุ้น เช่น โปแตสเซียมไนเตรท และไธโอยูเรีย  สำหรับไธโอยูเรียนั้นใช้ทดแทนความต้องการแสงของเมล็ดผักสลัดได้ด้วย

5. การทำ Impaction มีเมล็ดหลายชนิดซึ่งไม่สามารถงอกได้    เพราะน้ำและก๊าซออกซิเจนไม่สามารถเข้าสู่เมล็ดได้ เนื่องจากถูกปิดกั้นโดยเนื้อเยื่อคล้าย Cork ซึ่งเรียกว่า Strophiolar plug โดยปิดกั้นรูเปิดเล็กๆ ที่เรียกว่า Strophiolar cleft ที่เปลือกหุ้มเมล็ด การเขย่าเมล็ดอย่างรุนแรงบางครั้งทำให้ Plug นั้นหลุดได้ ทำให้เมล็ดงอก วิธีการนี้เรียกว่า Impaction และมักใช้กับเมล็ดพืชหลายชนิด เช่น Sweet Clover Trigonella arabiaและ Crotallaria egyptica

การงอกของเมล็ด

การกระตุ้นให้เมล็ดแห้งงอกและเจริญมาเป็นต้นใหม่   จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการ 4 กลุ่มคือ

1. การดูดน้ำ (Imbibition of Water)

2. การสร้างระบบเอนไซม์ และการใช้ออกซิเจนเพื่อการหายใจ

3. การเจริญและงอกของ Radicle

4. การเจริญของต้นอ่อน

การดูดน้ำ  เมล็ดที่แห้งสามารถดูดน้ำได้มาก    ทั้งนี้เกิดกับกรณีของเมล็ดที่ไม่ได้พักตัว เมล็ดที่พักตัวอาจจะดูดน้ำได้ แต่ปริมาณไม่มาก  การดูดน้ำทำให้น้ำหนักสดเพิ่มขึ้น ระยะเวลาที่เมล็ดดูดน้ำจะใช้เวลาต่าง ๆ กัน ตั้งแต่ 6 ชั่วโมงจนถึงหลาย ๆ วัน  กระบวนการดูดน้ำเป็นกระบวนการทางฟิสิกส์มากกว่าที่จะเป็นกระบวนการทางเมตาโบลิสม์ และมี  Q₁₀ ต่ำเพียง 1.5-1.8 เท่านั้น   ตามปกติเมล็ดจะดูดน้ำประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้ง

การสร้างระบบเอนไซม์และการหายใจ   การหายใจของเมล็ดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในเมล็ดถั่ว (Pea) อัตราการหายใจจะเพิ่มขึ้นภายใน 2-4  ชั่วโมงหลังจากแช่ในน้ำ  หลังจากนั้นอัตราการหายใจจะคงที่อยู่หลายชั่วโมง เมื่อ Radicle แทงออกมา การหายใจจะเพิ่มขึ้นอีก ชี้ให้เห็นว่าการหายใจเพิ่มขึ้นในครั้งที่สองเกิดจากการที่เปลือกหุ้มเมล็ดแตกออกทำให้การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดได้ดีขึ้น แต่ในกรณีของเมล็ดข้าวบาร์เลย์ และข้าวสาลี อัตราการหายใจจะเพิ่มขึ้นตลอดเวลาที่เมล็ดงอก เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับวงจรเครบส์จะเพิ่มกิจกรรมขึ้นเพราะมีการหายใจแบบใช้ออกซิเจนเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย ในเมล็ดที่แห้งนั้นกระบวนการสร้าง ATP จาก Oxidative Phosphorylation จะไม่เกิดขึ้นซึ่งกิจกรรมการสร้าง ATP จะเกิดขึ้นเมื่อเมล็ดเริ่มงอก

แม้ว่าในเมล็ดแห้งจะมีเอนไซม์ปรากฏอยู่หลายชนิด แต่ก็ยังมีเอนไซม์อีกหลายชนิดซึ่งไม่ปรากฏอยู่ในเมล็ด  หรือปรากฏอยู่ในรูปที่ไม่สามารถมีกิจกรรมได้  กิจกรรมของเอนไซม์เหล่านี้จะเกิดขึ้นเมื่อเมล็ดงอกเท่านั้น เอนไซม์พวกนี้ คือ อะไมเลส(Amylase)   ไลเพส (Lipases) และ   โปรตีเอส (Protease) เป็นต้น ซึ่งใช้ในการย่อยสลายอาหารสำรองในเมล็ด เป็นที่แน่ชัดแล้วว่าเอนไซม์ดังกล่าวสังเคราะห์ขึ้นมาระหว่างการงอกของเมล็ด ตัวอย่างที่เห็นชัดเจนคือกรณีของเอนไซม์ แอลฟา อะไมเลส (a-amylase)  ซึ่งสร้างโดยเซลล์ในชั้นของ อะลีโรน (Aleurone layer)   ทำหน้าที่ย่อยสลายแป้งในแหล่งอาหารสำรอง ตามปกติการที่เมล็ดจะสร้างแอลฟา  อะไมเลสได้เมล็ดจะต้องมีส่วนของคัพภะอยู่ด้วย  หรือถ้าไม่มีคัพภะก็จะต้องเติมจิบเบอเรลลินให้กับเมล็ด ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าคัพภะเป็นส่วนที่สร้างจิบเบอเรลลินเพื่อกระตุ้นให้เซลล์อะลีโลนสังเคราะห์แอลฟา อะไมเลส การสังเคราะห์แอลฟา อะไมเลสจะถูกทำให้หยุดชะงักโดยแอคติโนมัยซิน ดี (Actinomycin D)   และ คลอแรมฟีนิคอล (Chloramphenicol)  ส่วน เบตา อะไมเลส (b-amylase) จะอยู่ในรูปที่ไม่สามารถเกิดกิจกรรมได้ในเมล็ดแห้ง

ในขณะที่เมล็ดงอกนั้นพบว่าจะมีการสังเคราะห์ RNA เพิ่มมากขึ้น  และมีการเพิ่มปริมาณไรโบโซมมากขึ้น  ส่วน mRNA  นั้นพบอยู่ในเมล็ดแห้ง  ในสภาพที่ไม่สามารถสังเคราะห์โปรตีนได้ mRNA จะทำหน้าที่ได้เมื่อเมล็ดดูดน้ำ

การเจริญและการงอกของ Radicle การงอกของส่วนที่เรียกว่า Radicle ของต้นอ่อนจัดเป็นสัญญาณที่แสดงให้เห็นว่าเมล็ดงอกแล้ว การขยายตัวของ Radicle ออกมาจากเมล็ดเกิดจากการขยายตัวของเซลล์มากกว่าที่จะเกิดจากการแบ่งเซลล์

การเจริญของต้นอ่อน ลักษณะของยอดต้นอ่อนที่งอกขึ้นมาแบ่งเป็น  2 ลักษณะ คือ

   1. Hypogeal Germination คือการงอกชนิดที่ส่วนที่อยู่ใต้ใบเลี้ยงไม่ยืดตัว หลังจากต้นอ่อนเจริญขึ้นไปแล้วเมล็ดยังคงอยู่ที่ระดับเดิม เช่น  การงอกของเมล็ดข้าวโพด เมล็ดข้าว เมล็ดถั่ว (Pea) และเมล็ดมะเขือเทศ เป็นต้น

 2. Epigeal  Germination  คือการงอกชนิดที่ส่วนใต้ใบเลี้ยงยืดตัวทำให้เมล็ดอยู่ในระดับสูงกว่าเดิม เช่น ถั่ว มะขาม การงอกของเมล็ดชนิดนี้มักจะทำให้เกิดส่วนที่โค้งงอเป็นตะขอ (Hook) ของส่วนใต้ใบเลี้ยง  สาเหตุที่เกิดการโค้งงอเกิดมาจากเนื้อเยื่อบริเวณนั้นมีฮอร์โมน  เอทธิลีน สะสมอยู่ ส่วนนี้จะยืดตรงเมื่อได้รับแสงสว่าง เพราะแสงทำให้เนื้อเยื่อบริเวณนี้ไม่ไวต่อการตอบสนองเอทธิลีน  และการสังเคราะห์เอทธิลีนจะลดลงด้วย

จากช่วงระยะที่ Radicle งอกออกจากเมล็ดจนกระทั่งยอดอ่อนโผล่ขึ้นเหนือดิน    ลำต้นจะเปลี่ยนแปลงไปในหลาย ๆ ด้าน ซึ่งจะช่วยให้ต้นอ่อนโผล่เหนือดินขึ้นมา

ในพืชตระกูลหญ้า การเปลี่ยนแปลงคือ การปิดส่วนยอดของต้นอ่อนไว้ให้อยู่ในปลอกรูปทรงกระบอกซึ่งเรียกว่าColeoptile การยืดตัวของลำต้นจะเกิดในส่วนที่อยู่ระหว่างเมล็ดและ Coleoptile ซึ่งเรียกว่า Mesocotyl

ส่วนพืชใบเลี้ยงคู่    อาจจะมีการอัดตัวกันของเซลล์บริเวณยอดทำให้เกิดการโค้งงอและใบจะไม่คลี่ขยายออก เมื่อต้นอ่อนโผล่ขึ้นเหนือดิน บริเวณที่โค้งงอจะคลายออกและใบเริ่ม      คลี่ขยาย ใบเลี้ยงของพืชบางชนิดอาจจะโผล่ขึ้นมาเหนือดินด้วย เช่น กรณีของถั่ว (Bean) บางชนิดใบเลี้ยงจะอยู่ใต้ดิน เช่น ถั่ว (Pea)

การงอกของพืชตระกูลแตงจะสร้างอวัยวะพิเศษซึ่งเรียกว่า  “Foot”  เป็นส่วนที่ยื่นออกมาตามแนวระดับของส่วนที่อยู่ใต้ใบเลี้ยง  ทำหน้าที่กดให้เปลือกหุ้มเมล็ดซึ่งอยู่ใต้ดินอยู่กับที่เมื่อใบเลี้ยงยกตัวขึ้นมา

บทที่ 8 การตอบสนองต่อแสง

บทที่ 8

การตอบสนองต่อแสง

 

บทนำ

ไฟโตโครม

ผลของแสงต่อการเรียงตัวของคลอโรพลาสต์

ผลของแสงในการกระตุ้นการสังเคราะห์ฟลาโวนอยด์ (Flavonoid)

ผลของแสงในการงอกของเมล็ด

กลไกการทำงานของไฟโตโครม

 

บทนำ

แสงมีความจำเป็นต่อกระบวนการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืชมาก โดยที่อาจจะไม่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงเลยก็ตาม  มีปรากฏการณ์ 3 ชนิด   ซึ่งพืชตอบสนองต่อแสงคือ

1. Phototropism    เป็นการตอบสนองต่อทิศทางของแสง ซึ่งได้กล่าวไปแล้ว

2. Photoperiodism    ในการตอบสนองชนิดนี้พืชสามารถวัดเวลา สามารถบอกถึงความแตกต่างของฤดูกาลซึ่งส่งผลให้ความยาวของกลางวันและกลางคืนต่างกัน    การตอบสนองเช่นนี้เกี่ยวข้องกับไฟโตโครม (Phytochrome)

3. Photomorphogenesis    คือ การที่พืชตอบสนองต่อสัญญาณของแสงโดยไม่ใช่ตอบสนองต่อทิศทางหรือช่วงเวลาที่ได้รับแสง  เป็นการที่แสงมีผลต่อการควบคุมลักษณะที่ปรากฏของพืช หรือควบคุมการพัฒนาโครงสร้างของพืช

แสงควบคุมการเจริญเติบโตและพัฒนาของพืชโดยการดูดซับแสง  โดยตัวรับแสงซึ่งเรียกว่าPhotoreceptor  ซึ่งในปัจจุบันมีตัวรับแสงซึ่งเกี่ยวข้องกับ Photomorphogenesis อยู่ 4 ชนิด คือ

1. ไฟโตโครม  (Phytochrome)     เป็นรงควัตถุซึ่งดูดซับแสงสีแดงและแสง Far Red เป็นตัวรับแสงซึ่งรู้จักมากที่สุดในจำนวนทั้งหมด ไฟโตโครมดูดซับแสงสีน้ำเงินได้ด้วย   ในปัจจุบันมีไฟโตโครมอย่างน้อยสองชนิดซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

2. คริพโตโครม (Cryptochrome)   เป็นกลุ่มของรงควัตถุที่ยังไม่ได้รับการจำแนกชัด สามารถดูดซับแสงสีน้ำเงิน และรังสีอุลตราไวโอเล็ตซึ่งมีช่วงคลื่นยาว  (UV-A ซึ่งมีความยาวคลื่น 320-400 nm)

3. UV-B photoreceptor    เป็นสารประกอบหนึ่งชนิดหรือมากกว่าที่ยังไม่ได้รับการจำแนก เป็นสารที่ไม่ใช่รงควัตถุ ดูดซับรังสีอุลตราไวโอเล็ตช่วงคลื่น 280-320 nm

4. โปรโตคลอโรฟิลไลด์ เอ (Protochlorophyllide a)     เป็นรงควัตถุซึ่งดูดซับแสงสีแดงและน้ำเงิน แล้วถูกรีดิวซ์กลายเป็นคลอโรฟิลล์ เอ

                   ในบทนี้ จะกล่าวถึงไฟโตโครมทั้งนี้เพราะมีการศึกษาเกี่ยวกับรงควัตถุชนิดนี้มากและอาจกล่าวได้ว่าเป็นตัวรับแสงที่สำคัญที่สุดในพืชชั้นสูง  การควบคุม Photomorphogenesis ของไฟโตโครมเริ่มตั้งแต่เมล็ดงอก  การเจริญของต้นอ่อน  และการสร้างดอกและเมล็ด

Photomorphogenesis ถูกควบคุมที่หลายระยะในวงชีวิตของพืช  แสงไม่มีข้อมูลของการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของพืช    แต่การเปลี่ยนแปลงรูปร่างเกิดจากความสามารถในการตอบสนอง   หรือความไวของเซลล์ในการตอบสนองต่อแสงเป็นปัจจัยที่สำคัญ  จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ สรุปว่า Photomorphogenesis มี 2  ระยะ คือPattern specification เป็นระยะที่เซลล์และเนื้อเยื่อพัฒนาให้มีความสามารถที่จะตอบสนองต่อแสง  และPattern realization เป็น          ระยะที่เป็นกระบวนการที่ตอบสนองต่อแสง                      นอกจากนั้นลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของ  Photomorphogenesis  คือ ต้องการระบบขยายสัญญาณ (Need for an amplification system) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานของฮอร์โมนและยีนส์ (Gene activation) จำนวนโมเลกุลของสารในต้นพืชซึ่งถูกเปลี่ยนแปลงไป  เพราะแสงอาจจะมีหลายพันหรือหลายล้านเท่าของจำนวนโฟตอน (Photon)   ของแสงที่ทำให้เกิดการตอบสนอง

 

ไฟโตโครม

ไฟโตโครม  เป็นระบบของรงควัตถุ   ซึ่งพบทั่วไปในพืชชั้นสูงและสาหร่ายมีมวลประมาณ 120,000 ดัลตัน    พบในปริมาณที่น้อยมากประมาณ 0.1  เปอร์เซ็นต์ของโปรตีนทั้งหมด ประกอบด้วยโปรตีนที่มีกลุ่มพรอสทิติค (Prosthetic Group) 1 กลุ่ม  ซึ่งเป็นเตตราไพโรลที่เป็นลูกโซ่เปิด (Open-chain tetrapyrrole type) ซึ่งเป็นส่วนที่ดูดแสงได้                    ส่วนของ Tetrapyrrole chromophore จะเกาะอยู่กับ Apoprotein  ด้วยCovalent bond   ไฟโตโครมนั้นสามารถละลายน้ำได้  ตำแหน่งของไฟโตโครมในเซลล์นั้น เข้าใจว่าอยู่ระหว่างไซโตพลาสต์กับผนังเซลล์ และอาจจะอยู่รวมกับเยื่อหุ้มเซลล์     ดังนั้นไฟโตโครมจึงสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ในการยอมให้สารเข้าออกได้

ไฟโตโครมเป็นรงควัตถุซึ่งมองไม่เห็น          แต่ Hendricks  พบว่ามีกระบวนการPhotomorphogenesis เป็นจำนวนมาก  ซึ่งเกิดเมื่อพืชได้รับแสงช่วงคลื่นของแสงสีแดง จึงทำให้ศึกษาหารงควัตถุชนิดนี้   จนพบรงควัตถุชนิดนี้   และทราบคุณสมบัติว่าเป็น   Chromoprotein  ซึ่งในการศึกษาหารงควัตถุชนิดนี้มักจะศึกษาในพืชซึ่งเจริญในที่มืด (Etiolate seeding) เพราะไม่มีปริมาณของรงควัตถุคลอโรฟิลล์มารบกวน

เมื่อไฟโตโครมได้รับแสงสีแดงและแสง Far Red  คาดว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในโมเลกุล  นอกจากนั้นอาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลง Conformation และ Configuration  ของโปรตีนในระหว่างการรับแสงที่ต่างกันด้วย แต่อย่างไรก็ตามโครงสร้างทางเคมีของไฟโตโครมซึ่งได้รับแสงสีแดง (Pfr)  นั้นยังสรุปไม่ได้แน่ชัดนัก อาจจะเป็นไอโซเมอร์ (Isomer)ของ Pr ซึ่งมี Conformation  และ Configuration  ซึ่งใกล้เคียงกันมาก   และอาจจะมีปริมาณกรดอะมิโนเพิ่มมากขึ้นที่วงแหวน  A         การสังเคราะห์ไฟโตโครมนั้นยังไม่ทราบแน่ชัดนักว่าสังเคราะห์อย่างไร  แต่ในเบื้องต้นคาดว่าเกิดจากการสังเคราะห์Porphyrin      ไฟโตโครมที่สามารถดูดแสงสีแดงซึ่งมีความยาวคลื่น 660 nm อยู่ในรูป Pr ซึ่งเป็นรูปที่สังเคราะห์โดยพืช เมื่อได้รับแสงสีแดง Pr จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วเป็น Pfr ซึ่งจะดูดซับแสง Far Red ซึ่งมีความยาวคลื่น 730 nm  รูป Pr ของไฟโตโครมเป็นรูปที่ค่อนข้างอยู่ตัว ส่วน Pfr นั้นสลายตัวง่าย      ในพืชใบเลี้ยงคู่บางชนิด เช่น กะหล่ำดอก Pfr จะสามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นPr  ได้ในขณะที่อยู่ในที่มืดเรียกว่าเกิด “Dark Reversion”  แต่    ปรากฏการณ์นี้ยังไม่พบในพืชใบเลี้ยงเดี่ยว และกระบวนการนี้อาจจะถูกระงับโดยอุณหภูมิต่ำและอัตราการเปลี่ยนแปลงนี้จะขึ้นกับความเป็นกรดด่างของเซลล์

Pfr  นั้นเมื่อได้รับแสง Far Red จะเปลี่ยนกลับเป็น  Pr  อย่างรวดเร็วภายในเวลา 20-30 มิลลิเซคกัน (milliseconds) ส่วน Pr จะกลับเป็น Pfr เมื่อได้รับแสงสีแดงเป็นเวลาหลายวินาที

ความสมดุลของไฟโตโครมทั้งสองรูปคือ Pr และ Pfr  จะขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสงและไม่ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานจากแสง             โดยทั่วไปแสงสีแดงจะทำให้เกิด   Pfr ประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ และ Pr  20 เปอร์เซ็นต์

Pfr เป็นรูปที่ทำให้พืชเกิดการตอบสนองทางสรีรวิทยาได้   และเป็นรูปที่สามารถถูกเมตาโบไลซ์ให้เปลี่ยนรูปหรือถูกทำลายได้และไม่อยู่ตัว การทำลาย Pfr คือ    กระบวนการที่เกิดการสูญหายของ Pfr โดยไม่มีการสร้าง Pr ใหม่ ขณะที่ Pfr  หายไปนี้      ทำให้ปริมาณของไฟโตโครมรวมลดลงไประยะหนึ่ง แล้วจึงมีปริมาณเพิ่มเท่าเดิมเมื่อมีการสังเคราะห์ขึ้นใหม่

Pfr จึงเป็นรูปที่ทำให้เกิดกิจกรรมได้ ในขณะที่ Pr ไม่มีคุณสมบัตินี้  หรือถ้า พิจารณาในอีกด้านหนึ่ง Pr จะทำหน้าที่เป็นสารชะงักกิจกรรมซึ่งถูกทำลายได้โดยการเปลี่ยนเป็น Pfr    Pr จะอยู่ตัวในสภาพที่มีอุณหภูมิสูง(Thermodynamic Stable)

เนื่องจากไฟโตโครมที่สังเคราะห์ในพืชจะสังเคราะห์ขึ้นมาในรูปของ Pr ดังนั้น Pr จึงปรากฏอยู่ในพืชเสมอ และPfr จะปรากฏขึ้นเมื่อพืชได้รับแสงสีแดงเท่านั้น

การค้นพบไฟโตโครมนั้นเกิดขึ้นเมื่อมีการศึกษาการงอกของเมล็ดผักสลัด ซึ่งมีความไวต่อแสง เมล็ดเหล่านี้จะงอกได้ดีที่ 25 องศาเซลเซียสโดยที่ได้รับแสงเป็นระยะเวลาสั้น ๆ ในขณะนั้น โดยพบว่าแสงสีแดงซึ่งมีความยาวคลื่น 660 nm จะกระตุ้นการงอกได้สูงที่สุด   ส่วนแสง Far Red จะระงับการงอกของเมล็ด     เมื่อให้แสงสีแดงสลับกับ Far  Red จะพบว่าแสงที่ได้รับครั้งสุดท้ายเท่านั้นที่มีผลกระทบต่อการงอกของเมล็ด และลบล้างผลของแสงที่ได้รับก่อนหน้านั้นได้   ต่อมาพบว่า      ไฟโตโครมยังทำให้เกิดปรากฏการณ์อีกหลายชนิดขึ้นในพืช  ซึ่งปรากฏการณ์ทั้งหมดจะเกิดจากแสงสีแดงและแสง Far Red จะให้ผลในทางตรงกันข้าม ปรากฏการณ์ที่เกิดจากแสงสีแดงและแสง Far Red นั้นเกี่ยวข้องกับไฟโตโครมดังกล่าวมาแล้ว ดังนั้นการเจริญเติบโตที่เกี่ยวข้องกับ ไฟโตโครมจึงเรียกว่าPhotomorphogenesis

 

ลักษณะการตอบสนองของพืชที่ควบคุมโดยไฟโตโครม

สาหร่าย        Bryophytes และ Pteridophytes

– การงอกของสปอร์

– การเคลื่อนที่ของคลอโรพลาสต์

– การเจริญและพัฒนาของ Protonema

Gymnosperms

– การงอกของเมล็ด

– การโค้งของส่วนใต้ใบเลี้ยงของต้นอ่อน

– การขยายตัวของปล้อง

– การพักตัวของตา

Angiosperms

– การงอกของเมล็ด

– การโค้งของส่วนใต้ใบเลี้ยงของต้นอ่อน

– การขยายตัวของปล้อง

– การเกิดส่วนที่เจริญเป็นราก

– การเกิดใบและการเจริญเติบโต

– การเคลื่อนที่ของใบย่อย

– การยอมให้สารผ่านเข้าออกของเยื่อหุ้มเซลล์

– การโค้งเข้าหาและออกจากแสง

– การตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก

– การสังเคราะห์แอนโธไซยานิน

 

การเกิด Photomorphogenesis บางชนิดในพืช

พืชที่เจริญเติบโตในที่มืดและที่มีแสงจะมีลักษณะที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด การตอบสนองดังกล่าวจะเกี่ยวข้องกับระบบไฟโตโครมของพืช  ในการศึกษาลักษณะของต้นอ่อนของ  มัสตาด (Mustard) พบว่า ลักษณะการเจริญในที่มืด(Skotomorphogenesis) และที่มีแสง (Photomorphogenesis) จะแตกต่างกัน

 

ลักษณะของต้นอ่อนมัสตาดที่เจริญในที่มืดและที่มีแสง

 

          Skotomorphogenesis                            Photomorphogenesis

 

1.   ลักษณะทางสัณฐานวิทยา

– ใบเลี้ยงไม่คลี่ขยายมีขนาดเล็ก           – ใบเลี้ยงคลี่ขยายแผ่ใบเพื่อการรับแสง

– มี Hook บริเวณส่วนใต้ใบเลี้ยง          – Hook จะหายไปทำให้ต้นตั้งตรง

– ส่วนใต้ใบเลี้ยงยาวมาก                     – ส่วนใต้ใบเลี้ยงมีลักษณะปกติ

2.   เซลล์ของใบเลี้ยง (Cotyledon)

– สร้าง Ethioplast                             – สร้าง Chloroplast ซึ่งมีเม็ดแป้งภายใน

– ไม่มีปากใบหรือมีน้อยมาก                 – มีปากใบตามปกติ

– สร้าง Glyoxysome ซึ่ง                     – สร้าง Peroxisome

ย่อยสลายไขมัน

3.   ลักษณะทางสรีรวิทยาของใบเลี้ยง

– ไม่สะสมแอนโธไซยานิน                    – สะสมแอนโธไซยานิน

– หายใจและเคลื่อนย้ายสาร                – หายใจปกติและเคลื่อนย้ายสารอินทรีย์ช้า

อินทรีย์เร็ว

ผลของแสงต่อการเรียงตัวของคลอโรพลาสต์

เมื่อความเข้มของแสงสูง   ตามปกติคลอโรพลาสต์จะเรียงตัวในแนวตรงไปตามรัศมีของผนังเซลล์  เพื่อให้บังร่มกันเอง  ป้องกันการถูกทำลายโดยแสง  ในสภาพแสงความเข้มน้อย  หรือในที่มืดคลอโรพลาสต์จะแยกออกเป็นสองกลุ่มกระจายไปตามผนังเซลล์ที่ใกล้ที่สุดจนไกลที่สุดจากแหล่งของแสง   เพื่อให้ดูดรับแสงให้ได้มากที่สุด    การเคลื่อนที่ของคลอโรพลาสต์ขึ้นอยู่กับทิศทางของแสงและความเข้มของแสง และเป็นตัวอย่างของ phototaxis (การเคลื่อนที่ของอวัยวะของสิ่งมีชีวิตในการตอบสนองต่อแสง) ในมอส และแองจิโอสเปิร์มการตอบสนองต่อความเข้มของแสงต่ำและสูงจะสูงที่สุดภายใต้คลื่นแสงสีน้ำเงิน และไฟโตโครมไม่เกี่ยวข้องด้วย   ซึ่งจาก action spectra แสดงว่าเกี่ยวข้องกับฟลาโวโปรตีน

 

ผลของแสงในการกระตุ้นการสังเคราะห์ฟลาโวนอยด์ (Flavonoid)

พืชสวนใหญ่สามารถสังเคราะห์แอนโธไซยานิน (Anthocyanins) และฟลาโวนอยด์ชนิดอื่นๆ ได้ในอวัยวะต่างๆ และกระบวนการดังกล่าวถูกกระตุ้นโดยแสง ตัวอย่างที่เห็นชัดเจน  คือ ในกรณีของผลแอปเปิล   ผลที่อยู่ทางด้านใต้ของทรงพุ่มจะสังเคราะห์แอนโธไซยานินได้มากกว่าและเร็วกว่าผลที่อยู่ทางด้านเหนือของทรงพุ่ม   การสังเคราะห์ฟลาโวนอยด์ต้องการน้ำตาลเพื่อเกิดเป็นPhosphoenolpyruvate และ  Erythrose-4-phosphate ซึ่งเป็นแหล่งของคาร์บอนในวงแหวน Bและเป็นแหล่งของกลุ่มอะซีเตทซึ่งอยู่ในวงแหวน A     ซึ่งน้ำตาลนี้เกิดจากการสลายตัวของแป้งหรือไขมันในระหว่างการพัฒนาของต้นกล้าหรือจากการสังเคราะห์แสงในเซลล์ที่มีคลอโรฟิลล์ ช่วงความยาว คลื่นแสงซึ่งกระตุ้นการสังเคราะห์แอนโธไซยานินในพืชมีอยู่ในช่วงแสงสีแดง        แสงFar Red และแสงสีน้ำเงิน ในขณะที่สีเขียว (550 nm) เกือบจะไม่มีผลในการกระตุ้นเลย แต่อย่างไรก็ตามช่วงความยาวคลื่นดังกล่าวจะผันแปรไปตามชนิดของพืช เช่น แสงสีแดงและ Far Red จะไม่มีผลในการกระตุ้นให้เกิดแอนโธไซยานินในข้าวฟ่าง  แต่แสงสีน้ำเงินจะกระตุ้นได้ดี ในการที่แสงกระตุ้นให้เกิดแอนโธไซยานินนี้ รงควัตถุที่เกี่ยวข้อง คือ ไฟโตโครม  ในรูปของ Pfr อาจจะเป็นรูปที่กระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์ขึ้นมา  การเกิดฟลาโวนอยด์ในใบพืชระหว่างฤดูใบไม้ร่วง  ซึ่งเป็นกระบวนการเสื่อมสภาพของใบนั้น  เกิดจากการไฮโดรไลซ์โปรตีน  และการใช้ Phenylalanine   ในการสร้างวงแหวน B เพราะว่า Phenylalanine  นั้นสามารถถูกนำไปใช้ในกระบวนการเมตาบอลิสม์เป็นจำนวนมาก การควบคุมของแสงเป็นขั้นตอนแรกในการเปลี่ยน Phenylalanine ให้เกิดเป็นวงแหวน  Bขั้นตอนนี้ต้องการเอนไซม์  ชื่อ Phenylalanine ammonia lyase  และแสงจะกระตุ้นกิจกรรมของเอนไซม์นี้ในพืชหลายชนิด นอกจากนี้เอนไซม์ชนิดอื่นๆ  ซึ่งเกี่ยวข้องกับฟลาโวนอยด์ก็ถูกกระตุ้นกิจกรรมโดยแสง

ในทำนองเดียวกันลิกนินซึ่งเกิดโดย Shikimic pathway  เหมือนฟลาโวนอยด์ก็เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ Phenylalanine ammonia lyase  ในต้นกล้าบางส่วนที่ยังอ่อนของพืช  การเกิดท่อน้ำซึ่งต้องการสังเคราะห์ลิกนินนั้นถูกกระตุ้นโดยแสงเช่นกัน ซึ่งก่อให้เกิดลำต้นที่แข็งแรงของพืชที่เจริญในที่ที่มีแสง

 

ผลของแสงในการงอกของเมล็ด

ความสำคัญของแสงต่อการงอกของเมล็ดนั้นได้ทราบกันมานานนับร้อยปีแล้ว  แต่เพิ่งมีการศึกษากันอย่างมากเป็นครั้งแรก โดย Kingel ได้ศึกษาในปี 1907  แสดงให้เห็นว่าในเมล็ดของพืช  964 ชนิด มีอยู่  672  ชนิดซึ่งการงอกของเมล็ดกระตุ้นโดยแสง เมล็ดส่วนใหญ่ที่ตอบสนองต่อแสงเป็นเมล็ดที่มีขนาดเล็ก  มีไขมันมาก  ส่วนใหญ่เมล็ดที่ปลูกเพื่อผลิตผลทั่ว ๆ ไปมักไม่ต้องการแสงเพราะได้มีการคัดเลือกมานานแล้ว  เมล็ดของพืชป่าบางชนิดแสดงลักษณะที่แสงระงับกระบวนการงอกได้  โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะแสงสีน้ำเงินและแสง Far Red ทั้งนี้เพราะแสงทั้งสองนี้จะลดปริมาณ Pfr  ในเมล็ดไปถึงระดับซึ่งต่ำกว่าที่เมล็ดต้องการใช้เพื่อการงอก อาจจะโดยการเปลี่ยน Pfr เป็น Pr  หรือเปลี่ยนไปเป็นรูปของ  Pfr ซึ่งไม่มีกิจกรรม  เมล็ดบางชนิดตอบสนองต่อช่วงความยาวของช่วงแสงและช่วงมืด และมีลักษณะเหมือนเมล็ดวันยาวและเมล็ดวันสั้น  เมล็ดที่ต้องการแสงในการงอกเรียกว่า Photodormant

นอกจากนี้การงอกของเมล็ดบางชนิดยังมีผลกระทบจากอุณหภูมิ  ทำให้เกิด       ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและแสงร่วมกัน ระดับอุณหภูมิก่อนและหลังการได้รับแสงจะมีความสำคัญมากกว่าในระหว่างการได้รับแสงโดยตรง  เพราะว่าการเปลี่ยนรูปของ  Pr  และ Pfr     ไม่มีความสัมพันธ์กับระดับอุณหภูมิ     ในขณะที่กระบวนการทางเคมีซึ่งควบคุมโดย Phytochrome จะมีความไวต่ออุณหภูมิมากกว่า     ตัวอย่างของการควบคุมการงอกโดยอุณหภูมิ คือ เมล็ดของผักสลัด พันธุ์ Grand Rapids ซึ่งปกติแสงจะกระตุ้นการงอก แต่ถ้าให้เมล็ดอยู่ที่อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส หลังจากการได้รับแสงหรือในขณะได้รับแสงจะทำให้เมล็ดนี้พักตัว       ในทำนองเดียวกันเมล็ดของผักสลัดพันธุ์ Great Lakes  ซึ่งไม่ต้องการแสงในการงอก แต่ถ้าหากเมล็ดที่ชื้นอยู่ภายใต้อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส    เมล็ดนี้จะกลายเป็นเมล็ดชนิด Photodormant ในกรณีของ Kentucky bluegrass  (Poa pratensis) การได้รับอุณหภูมิ  15 องศาเซลเซียส สลับกับ 25  องศาเซลเซียส  จะทดแทนความต้องการแสงในการงอกได้   จึงเป็นที่คาดว่าการตอบสนองต่ออุณหภูมิเช่นนี้มีผลต่อปริมาณของ Pfr ในเมล็ด อุณหภูมิอาจจะมีอิทธิพลต่อระดับของ  Pfr ผ่านมาทางผลของอัตราการเปลี่ยนกลับเป็น Pr หรืออัตราการถูกทำลายหรืออัตราการรวมกับสารชนิดอื่น ๆ

 

 

กลไกการทำงานของไฟโตโครม

การควบคุมของไฟโตโครมต่อการเกิดกระบวนการเจริญเติบโตของพืชหลายชนิดเกี่ยวข้องกับยีนส์ซึ่งเมื่อยังไม่ได้รับแสงจะไม่สามารถถ่ายทอดข้อมูล  ตัวอย่าง เช่น   การปรากฏของขนที่เซลล์ผิว และการเกิดแอนโธไซยานินขึ้นในส่วนใต้ใบเลี้ยงของมัสตาดนั้น ควบคุมโดยไฟโตโครมและเกี่ยวข้องกับยีนส์ซึ่งจะไม่สามารถถ่ายทอดข้อมูล หากต้นอ่อนของมัสตาดไม่ได้รับแสง  ยิ่งไปกว่านั้นการถ่ายทอดข้อมูลของยีนส์ยังเกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์เอนไซม์และกิจกรรมของเอนไซม์ ซึ่งจากการศึกษาพบว่าไฟโตโครมควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนได้ทั้งในช่วง  Transcription และ Translation    หรืออาจจะควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งปรากฏอยู่ในเซลล์แล้วก็ได้    อย่างไรก็ตามการตอบสนองต่อไฟโตโครมของพืชจะเกิดขึ้น  เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงการยอมให้สารผ่านเข้าออกของเยื่อหุ้มเซลล์(Change in Membrane Permeability)

ในใบของพืชหลายชนิด เช่น Mimosa pudica และ Albizzia julibrissinแสดงอาการเคลื่อนไหวให้เกิดการหลับของใบได้ การเคลื่อนไหวดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนความเต่งภายในเซลล์  การเคลื่อนไหวดังกล่าวควบคุมโดยไฟโตโครมโดยแสง Far Red จะระงับการเคลื่อนไหวของใบ  และแสงสีแดงจะให้ผลในทางกลับกัน      โดยผลของแสง Far Red จะแสดงให้เห็นภายใน 10 นาที การเปลี่ยนแปลงความเต่งภายในเซลล์เกิดจากการเคลื่อนที่ของ K⁺ เข้าและออกจากเซลล์ นั่นก็คือ มีการเปลี่ยนคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ การได้รับแสงสีแดงของปลายรากถั่วเขียว และข้าวบาร์เลย์จะทำให้เกิดประจุบวกขึ้นที่ผิวของรากและปรากฏการณ์นี้จะกลับสู่ปกติเมื่อได้รับแสง Far Red ตัวอย่างที่กล่าวมาแล้ว     ชี้ให้เห็นว่าการตอบสนองต่อไฟโตโครมของพืชเกิดในเวลาสั้นมากภายในเวลา 2-3 นาทีเท่านั้น ซึ่งเป็นระยะเวลาซึ่งสั้นเกินกว่าจะสังเคราะห์โปรตีนได้           ดังนั้นจึงมักกล่าวกันว่ากลไกในการทำงานของไฟโตโครมในขั้นต้นคือการเปลี่ยนคุณสมบัติในการยอมให้สารเข้าออกของเยื่อหุ้มเซลล์    อย่างไรก็ตามแม้ว่ากลไกการทำงานขั้นต้นของไฟโตโครมคือการเปลี่ยนคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์      แต่ก็มีหลักฐานเด่นชัดว่าผลในขั้นที่สองของไฟโตโครม คือ  การควบคุมระบบเอนไซม์  เช่น การที่ต้นอ่อนของข้าวโอ๊ตได้รับแสงสีแดงจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ADP ให้เป็น ATP  และในเนื้อเยื่อชนิดอื่นจะมีการเปลี่ยนแปลงระดับของ NADP ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะถูกระงับโดยแสง Far Red ยิ่งไปกว่านั้นแสงสีแดงจะกระตุ้นกิจกรรมของเอนไซม์หลายชนิด เช่น เพิ่มระดับของเอนไซม์ ฟีนีลอะลานีน แอมโมเนียไลเอส (Phenylalanine Ammonia Lyase)    ซึ่งใช้ในการสังเคราะห์แอนโธไซยานินในต้นอ่อนของมัสตาด  ในกรณีนี้แสง     สีแดงกระตุ้นให้เอนไซม์ที่มีอยู่เดิมเกิดมีกิจกรรมขึ้นมากกว่าที่จะสังเคราะห์เอนไซม์ใหม่

บทที่ 9 การออกดอก

บทที่ 9

การออกดอก

บทนำ

แสดงตัวอย่างของพืชวันสั้นและวันยาวบางชนิด

ความพร้อมต่อการตอบสนอง

ความไวต่อการตอบสนองต่อความยาวของวัน

ไฟโตโครมและบทบาทของความมืด

การวัดเวลาใน Photoperiodism

สารกระตุ้นการออกดอก (The Flowering Stimulus)

การพักตัว (Dormancy)

การยืดตัวของลำต้น (Stem elongation)

อวัยวะสะสมอาหาร (Storage organ)

Thermoperiodism

กลไกของการตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ

สารกระตุ้นการออกดอกในกระบวนการVernalization

เวอนาลินและจิบเบอเรลลิน

 

 

 

บทนำ

การออกดอกของพืชคือการเปลี่ยนแปลงของการเจริญเติบโตทางด้านกิ่งก้านสาขา (Vegetative Growth)     สู่การเจริญทางด้านการสืบพันธุ์ (Reproductive Growth) เพราะดอกก็คืออวัยวะสืบพันธุ์ของต้นไม้นั่นเอง หลังจากที่พืชมีการเจริญเติบโตทางด้านกิ่งก้านสาขาจนถึงอายุที่มีความพร้อมที่จะออกดอก (Ripeness to Flower) ก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นที่ใบพืช ซึ่งจะส่งผลให้เกิดการออกดอกได้ การเปลี่ยนแปลงของใบจะได้รับการกระตุ้นจากสภาพแวดล้อม คือ   ความยาวของวันและอุณหภูมิ  สภาพแวดล้อมดังกล่าวที่เหมาะสมต่อการออกดอกของพืช อาจจะแตกต่างจากสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตได้ นอกจากนั้นยังรวมถึงปัจจัยความชื้น  อาหารและสารควบคุมการเจริญเติบโต (Growth Regulators) ด้วย

ปัจจัยซึ่งสำคัญที่สุดที่มีผลกระทบต่อการออกดอก  คือ แสง  โดยที่แสงมีผลต่อการออกดอกทั้งในแง่ของช่วงเวลาที่ได้รับแสง (Photoperiod) คุณภาพของแสง (Wave length) และ Irradiance หรือ Radiant energy  ทั้ง 3  ส่วนของแสงมักจะมีผลกระทบต่อการออกดอกอย่างมี   ปฏิสัมพันธ์กัน (Interaction)

ในเขตศูนย์สูตร เวลาที่ดวงอาทิตย์ขึ้นและตกในแต่ละวันจะไม่ต่างกันตลอดทั้งปี ความยาวของวันจึงคงที่ จากเส้นศูนย์สูตรไปสู่ขั้วโลกจะพบว่าวันจะยาวขึ้นเรื่อยๆ ในฤดูร้อน และสั้นลงเรื่อย ๆ ในฤดูหนาว    พืชที่ปลูกในเขตที่ห่างออกจากเส้นศูนย์สูตรตอบสนองต่อความยาวของวัน โดยแสดงลักษณะต่าง ๆ ออกมา โดยเฉพาะการออกดอก  พืชที่ขึ้นอยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรมักแสดงการตอบสนองมากกว่ากลุ่มที่อยู่บริเวณศูนย์สูตร เช่น ในการศึกษา Photoperiodism คือ การ      ตอบสนองของพืชต่อความยาวของวัน โดยเฉพาะความสามารถในการออกดอก     พืชจำนวนมากที่จะออกดอกได้เมื่อมีความยาวของวันที่เหมาะสม  การค้นพบเรื่องPhotoperiodism นี้เกิดจากการศึกษาของ W.W.Garner และ H.A.Allard (1923) ซึ่งทดลองปลูกยาสูบพันธุ์Maryland Mammoth ซึ่งจะออกดอกในฤดูหนาวโดยปลูกในเรือนกระจกเท่านั้น นอกจากนั้นเขายังได้ศึกษาถึงการออกดอกของถั่วเหลือง ทำให้สามารถแบ่งพืชออกเป็น 3 กลุ่ม คือ

1. พืชที่จะออกดอกเมื่อได้รับช่วงวันสั้น   เรียกว่าพืชวันสั้น (Short Day Plant  หรือ  SDP)  พืชชนิดนี้จะออกดอกได้เมื่อได้รับความยาวของวันสั้นกว่าวันวิกฤต (Critical day length)

2. พืชที่จะออกดอกเมื่อได้รับช่วงวันยาว  เรียกว่าพืชวันยาว (Long Day Plant  หรือ LDP) จะออกดอกเมื่อได้รับความยาวของวันซึ่งยาวกว่าวันวิกฤต  (Critical day length)

3. พืชที่ไม่ตอบสนองต่อความยาวของวันเรียกว่า Day neutral plant พืชบางชนิดจะไม่สามารถออกดอกได้เลย  ถ้าหากว่าได้รับความยาวของวันที่ไม่เหมาะสม  ซึ่งจัดเป็นพืชพวก Obligate Photoperiodic Plant ซึ่งมีทั้งพืชวันสั้น เช่น Xanthium pennsylvanicum และวันยาว เช่น Hyoscyamus nigerพืชบางชนิดจะออกดอกได้เร็วเมื่ออยู่ในสภาพวันสั้นหรือยาว   แต่ถ้าไม่ได้รับความยาวของวันตามต้องการก็จะสามารถออกดอกได้เช่นกัน แต่ต้องใช้เวลานานขึ้น พืชพวกนี้เป็น Quantitative Photoperiodic  Plant ซึ่งได้แก่ พวกต้องการวันสั้นคือSalvia splendens ข้าวและฝ้าย   ส่วนพืชวันยาวในกลุ่มนี้คือ  ข้าวสาลี  และ  Flax  พืชที่เป็น   Obligate Photoperiodic Plants จะมีความยาวของวันวิกฤต (Critical Day Length)  ที่แน่นอน

 

แสดงตัวอย่างของพืชวันสั้นและวันยาวบางชนิด

 

     พืชวันสั้น

1.    Qualitative Short Day

Amaranthus  caudatus                        Ipomoea  hederacea(Morning Glory)

Chenopodium album (Pigweed)           Nicotiana tabacum

Chrysanthemum moriforlium                (สายพันธุ์ Maryland Mammoth)

Coffea arabica (กาแฟ)                         Xanthium strumarium(Cocklebur)

Euphorbia pulcherrima (Poinsettia)

Fragaria (สตรอเบอรี่)

Glycine max (ถั่วเหลือง)

2.    Quantitative Short Day

Canabis sativa (Hemp)                        Oryza sativa (ข้าว)

Cosmos bipinnatus (Cosmos)              Saccharum offinarum (อ้อย)

Gossypium hirsutum (ฝ้าย)                  Salvia splendens

     พืชวันยาว

1.    Qualitative Long Day

Anethum   graveolens  (Dill)                Mentha   piperita(Peppermint)

Avena sativa (ข้าวโอ๊ต)                         Raphanus sativus (แรดิช)

Dianthus superbus (คาร์เนชั่น)              Spinacia oleracea (ปวยเหล็ง)

Lolium temulentum (Rye Grass)          Trifolium spp. (Clover)

2.   Quantitative Long Day

Anthirrhinum majus (ลิ้นมังกร)              Petunia hybrida (พิทูเนีย)

Beta vulgaris (หัวบีท)                           Pisum sativum (ถั่วลันเตา)

Brassica rapa (เทอร์นิพ)                       Triticum aestivum (ข้าวสาลีฤดูใบไม้ผลิ)

Lactuca sativa (ผักสลัด)

 

ความแตกต่างของพืชวันสั้นและวันยาว ไม่ได้อยู่ที่จำนวนชั่วโมงของวันวิกฤต (Critical day length) ว่ามากหรือน้อยกว่ากัน เช่น Xanthium เป็นพืชวันสั้นซึ่งมี Critical day length เท่ากับ 15.5ชั่วโมง ในขณะที่ Hyoscyamus ซึ่งเป็นพืชวันยาว     แต่มี Critical day length เพียง 11 ชั่วโมงเท่านั้น ดังนั้นความแตกต่างจึงอยู่ที่ว่าพืชวันสั้นต้องได้รับช่วงความยาวของวันน้อยกว่าหรือเท่ากับ Critical day length จึงจะออกดอกได้

พืชวันสั้นอย่างพืชที่อยู่ในเขตใกล้เคียงกับเส้นศูนย์สูตรทั้งทางส่วนเหนือและใต้ เช่น ข้าว อ้อย ข้าวฟ่าง และข้าวโพด ซึ่งเจริญได้ดีในเขตที่มีความยาวของวันไม่เกิน 14 ชั่วโมง พืชวันสั้นที่เจริญในเขตอบอุ่นซึ่งมีวันยาวในฤดูร้อน จะออกดอกในปลายฤดูร้อนซึ่งวันจะสั้นลง เช่น Aster spp. และเบญจมาศ

พืชวันยาวนั้นจะมีถิ่นกำเนิดอยู่ในเขตอบอุ่นอยู่แล้วและจะออกดอกภายใต้สภาพที่มีวันยาวในช่วงฤดูร้อน ซึ่งได้แก่หญ้าและธัญพืชหลายชนิด รวมทั้งผักหลายชนิด เช่น ปวยเหล็ง     ผักสลัด หัวบีท และแฟลกซ์ (Linum ustatissimum)

นอกเหนือจากพืชวันยาว วันสั้น ดังกล่าวแล้ว ยังมีพืชบางกลุ่มที่ต้องการความยาวของวันทั้ง 2 ชนิด เช่นพืชบางชนิดต้องการวันยาวก่อนแล้วตามด้วยวันสั้นเพื่อออกดอก พืชพวกนี้เรียกว่า พืชวันยาวตามด้วยวันสั้น (Long-Short Day Plant)ส่วนพืชที่ต้องการวันสั้นก่อนแล้วตามด้วยวันยาว เรียกว่า พืชวันสั้นตามด้วยวันยาว (Short-Long Day Plant)

ตัวอย่างพืชซึ่งจัดเป็นพืชวันยาวตามด้วยวันสั้น คือ Bryophyllum และ Crassulaceanspp. พืชพวกนี้ในเขตอบอุ่นจะออกตอนปลายฤดูร้อนหรือต้นฤดูใบไม้ร่วง แต่จะไม่ออกดอกในฤดูใบไม้ผลิ ในทางกลับกันพืชพวกวันสั้นตามด้วยวันยาว ตัวอย่างคือ Trifolium repens ซึ่งจะออกดอกตอนปลายฤดูใบไม้ผลิหรือต้นฤดูร้อน นอกจากนั้นในปัจจุบันยังพบว่าการออกดอกของพืชอาจจะขึ้นอยู่กับน้ำ อุณหภูมิ และช่วงความยาววันร่วมกัน จึงมีพืชซึ่งต้องการอุณหภูมิต่ำ แล้วตามด้วยวันยาว คือ พืชในกลุ่มBiennial เช่น พืชตระกูลกะหล่ำ     หัวบีท และธัญพืชเมืองหนาว (Winter grain) ส่วนพืชวันยาวที่ต้องการอุณหภูมิสูง คือ   ปวยเหล็ง พืชวันสั้นซึ่งต้องการอุณหภูมิต่ำเพื่อการออกดอก คือ เบญจมาศ ส่วนพืชวันสั้นซึ่งต้องการอุณหภูมิสูงเพื่อการออกดอกคือChina Aster

นอกจากการออกดอกของต้นไม้แล้ว Allard ยังแสดงให้เห็นว่าพืชยังตอบสนองต่อความยาวของวันได้อีกหลายชนิด เช่น การเจริญของพืชวันยาวจะมีลักษณะเป็นพุ่มเตี้ย (Rosette) ถ้าหากได้รับความยาวของวันแบบวันสั้น     การสร้าง “ไหล”ของสตรอเบอรี่จะเกิดขึ้นภายใต้สภาพวันยาว   การสร้างหัวของเจรูซาเล็ม     อาร์ติโชค และมันฝรั่งพันธุ์ป่าจะเกิดเมื่อได้รับวันสั้น        ส่วนหอมหัวใหญ่นั้นจะสร้างหัวเมื่อได้รับวันยาว

 

ความพร้อมต่อการตอบสนอง

มีพืชเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถตอบสนองต่อความยาวของวัน เมื่อยังเป็นต้นอ่อนเช่น Pharbitis หรือJapanese morning glory ตอบสนองต่อวันสั้นได้ในระยะที่มีใบเลี้ยง และ Chenopodium บางชนิดตอบสนองและออกดอกได้เมื่อยังเป็นต้นอ่อนขนาดเล็ก แต่จากการศึกษาพบว่าพืชส่วนใหญ่ เช่น Xanthium จะตอบสนองต่อความยาวของวันและออกดอกได้เมื่อต้นมีขนาดใหญ่ ใบเลี้ยงไม่สามารถตอบสนองได้ ต้น Henbane จะต้องมีอายุ 10-30 วันก่อนที่จะตอบสนองต่อวันยาว พืชที่เป็น Monocarpic บางชนิด เช่น ต้นไผ่ และพืช Polycarpic ยืนต้นจะไม่ออกดอกจนกว่าจะมีอายุ 5-40 ปี พืชพร้อมที่จะออกดอกได้นี้เรียกว่า Ripeness to Flower หรือถ้าจะให้ถูกต้องจริงๆ คือ Ripeness to Respondในพืชหลายชนิดความต้องการรอบของการได้รับความยาวของวันตามต้องการจะลดลงเมื่อพืชมีอายุมากขึ้น พืชบางชนิดอาจจะออกดอกได้โดยไม่ตอบสนองต่อความยาวของวันกลายเป็น Day neutral plant เมื่ออายุมากขึ้น ในทางตรงกันข้ามพืชชนิดหนึ่งชื่อScarlet pimpernel (Anagallis arvensis) ตอบสนองต่อวันยาวได้ดีที่สุดเมื่อเป็นต้นอ่อน ความไวต่อการ        ตอบสนองจะลดลงในใบที่เพิ่งเกิด นั้นคือพืชชนิดนี้จะถูกกระตุ้นให้ออกดอกยากขึ้นเมื่ออายุมาก

วิธีการเดียวที่จะทราบว่าพืชได้รับการกระตุ้นให้ออกดอกแล้ว คือ การตรวจสอบบริเวณเนื้อเยื่อเจริญว่ามีการเปลี่ยนแปลงจาก Vegetative ไปสู่ Reproductive หรือกล่าวง่ายๆ ว่าสังเกตการสร้างดอกที่บริเวณเนื้อเยื่อเจริญ การเปลี่ยนของเนื้อเยื่อเจริญดังกล่าวเรียกว่า Evocation ซึ่ง Ripeness to Respond อาจจะขึ้นอยู่กับสภาพของใบว่ามีคุณสมบัติในการตอบสนองหรือยัง และอาจจะขึ้นอยู่กับความสามารถของเนื้อเยื่อเจริญซึ่งจะเกิด Evocation       ถ้าหากว่าEvocation เกิดได้ เนื้อเยื่อเจริญนั้นอยู่ในสภาพที่เรียกว่ามีศักยภาพหรือมี Competence คำว่า Ripeness to Respond นั้นมีความหมายเหมือนกับ Juvenility ซึ่งคือสภาพของพืชก่อนที่จะแก่พอที่จะออกดอก ซึ่งแนวความคิดที่ใกล้เคียงกันอีกประการหนึ่งคือ จำนวนใบที่น้อยที่สุด (Minimum leaf number) ซึ่งเป็นจำนวนใบที่พืชมีน้อยที่สุดที่พอเพียงต่อการออกดอกครั้งแรก ภายใต้สภาพที่เหมาะสมต่อการออกดอก

โดยสรุปแล้ว ก่อนที่พืชจะออกดอกเนื่องจากการตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม เช่น ความยาวของวันและอุณหภูมิ ใบจะต้องเข้าสู่สภาพที่เรียกว่า Ripeness to Respond และเนื้อเยื่อเจริญต้องมีศักยภาพที่จะตอบสนองต่อสารกระตุ้น(Stimulus) จากใบ ซึ่งจะมีความแตกต่างกันมากในพืชแต่ละชนิด และอายุของพืชที่จะมาสู่สภาพดังกล่าว

 

ความไวต่อการตอบสนองต่อความยาวของวัน

พืชหลายชนิดมีความไวสูงมากต่อการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัน   ในบางกรณีเมื่อความยาวของวันเปลี่ยนไปเพียง 15-20 นาที  เช่น กรณีของข้าวบางพันธุ์  และ Cocklebur  ความไวต่อการตอบสนองต่อความยาวของวันจะผันแปรไปโดยสามารถแสดงจำนวน Photoperiodic Cycles     ซึ่งพืชต้องการเพื่อกระตุ้นให้เกิดการออกดอก เช่น พืชพวกXanthium ต้องการช่วงได้รับวันสั้นเพียง 1 รอบเท่านั้นก็จะสามารถออกดอกได้และเมื่อได้รับแสงดังกล่าวแล้วต้นไม้ชนิดนี้สามารถออกดอกต่อเนื่องไปอีก 12 เดือน  แต่ยังมีพืชอีกหลายชนิดที่ต้องการรอบของวันสั้น 2-3 รอบเช่น ในถั่วเหลืองถ้าได้รับวันสั้นหลายรอบจำนวนดอกจะเพิ่มมากขึ้น จำนวนรอบที่พืชต้องการเพื่อกระตุ้นให้ออกดอกนี้จะลดลงตามอายุของพืช เช่น ถั่วเหลืองนั้นเมื่ออายุต้นยังน้อยจะออกดอกในสภาพวันสั้นเท่านั้น แต่เมื่ออายุของต้นมากขึ้นถั่วเหลืองสามารถออกดอกได้ภายใต้สภาพของวันยาว สตรอเบอรี่ซึ่งเป็นพืชวันสั้นต้องการ 6-20 รอบ ขึ้นอยู่กับพันธุ์ ในขณะที่เบญจมาศต้องการ 12 รอบ แต่ถ้าถูกนำไว้ในสภาพวันยาวเร็วเกินไปตาดอกอาจจะหยุดการเจริญได้     พืชที่ต้องการรอบของช่วงแสง 1  รอบนี้ เรียกว่า Single Inductive Cycle เช่น Cocklebur หรือ  Xanthium และ Japanese Morning Glory    ซึ่งสามารถออกดอกได้เมื่อได้รับวันสั้นหลังจากงอกจากเมล็ดได้เพียง 4 วัน   พืชวันยาวที่เป็น Single Inductive cycle เช่น  Dill       Rape และข้าวบาร์เลย์  พืชที่ตอบสนอง Single Inductive Cycle  นั้นมักจะอยู่ทางด้านซีกโลกเหนือ

ความสำคัญทางเศรษฐกิจของ  Photoperiodism  ของไม้ประดับ   เช่น Poinsettiaและเบญจมาศ สามารถใช้ประโยชน์ในการผลิตพืชดังกล่าวได้ คือ  ในช่วงฤดูร้อนซึ่งวันยาวสามารถกระตุ้นให้พืชเหล่านี้ออกดอกได้ โดยการคลุมด้วยผ้าดำในช่วงกลางวัน  ส่วนการกระตุ้นให้พืชวันยาวเช่น คาร์เนชั่นออกดอกอาจจะทำโดยการให้แสงในช่วงกลางคืน (Interrupt dark period) ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป  ซึ่งในทางตรงกันข้ามจะระงับการออกดอกของเบญจมาศเพื่อทำให้ก้านดอกยาวขึ้น ในการคัดเลือกพันธุ์เพื่อปลูกในท้องที่ต่าง ๆ นั้นควรสนใจเรื่องความยาวของวันด้วย เช่น  ผักสลัดพันธุ์เบาบางพันธุ์เป็นพืชวันยาวซึ่งจะสร้างตาดอกเร็วมากภายใต้สภาพวันยาว     ส่วนถั่วเหลืองแต่ละพันธุ์จะตอบสนองต่อ Photoperiod ที่ต่างกัน เพราะบางพันธุ์อาจจะออกดอกเร็วเกินไปในสภาพวันสั้นทำให้ได้ผลผลิตต่ำ  ข้าวจัดเป็นพืชเศรษฐกิจนั้น    ปกติพันธุ์พื้นเมืองเป็นพืชวันสั้น  และตอบสนองต่อความยาวของวันเร็วมาก   ข้าวพันธุ์นี้อาจจะใช้เวลาในการออกดอกหลังปลูก 4-11 เดือน ขึ้นอยู่กับเวลาที่หว่าน การนำข้าวพันธุ์ใหม่ซึ่งไม่ตอบสนองต่อความยาวของวันจะสามารถออกดอกได้ภายในเวลา 3-5 เดือน โดยไม่เกี่ยวกับเวลาที่หว่าน

 

ไฟโตโครมและบทบาทของความมืด

ในปี 1930 Karl Hamner และ James Bonner  ได้ศึกษาถึงการกระตุ้นการออกดอกโดยความยาวของวันในต้น Xanthium  เขาเกิดความสงสัยว่าช่วงที่สำคัญต่อการ  ออกดอกของพืชเป็นช่วงกลางวันหรือกลางคืน     เขาทดลองให้รอบของกลางวันและกลางคืนหลายแบบซึ่งเมื่อเวลากลางวันกลางคืนรวมกันแล้วไม่เท่ากับ  24  ชั่วโมง เขาพบว่า  ความมืดวิกฤต (Critical night) จะคงที่ตลอดทุกการทดลอง  แต่วันวิกฤต (Critical day) ไม่คงที่ แสดงให้เห็นว่า ความมืดมีความสำคัญต่อการออกดอก ในอีกการทดลองหนึ่งเขาได้ใช้ การให้ความมืดในช่วงกลางวันและให้แสงในช่วงกลางคืน การให้ความมืดในช่วงกลางวันมีผลกระทบต่อการออกดอกน้อยมากหรือไม่มีเลย  แต่การให้แสงในช่วงกลางคืนสามารถระงับการออกดอกของ Xanthium ซึ่งเป็นพืชวันสั้นได้ ต่อมาพบว่า การกระทำดังกล่าวยังกระตุ้นให้พืชวันยาวออกดอกได้         ซึ่งการทดลองนี้นำไปสู่การค้นพบปรากฏการณ์ Night break ต่อมาพบว่า Night break  นั้นต้องการแสงซึ่งมีความเข้มต่ำมาก และ พบว่าแสงสีแดงให้ผลสูงสุดเมื่อเทียบกับแสงที่ช่วงคลื่นอื่น ๆ และกระตุ้นการออกดอกของพืชวันยาวจะเหมือนกับการตอบสนองของไฟโตโครม      จึงมีการให้แสงสีแดงแล้วตามด้วยแสง Far red       แก่ต้น Xanthium ที่ตรงกึ่งกลางของช่วงมืด พบว่า ถ้าให้แสง  Far red  ทันทีหลังจากให้แสงสีแดง ต้นXanthium สามารถออกดอกได้  แต่ถ้าหากให้แสง Far red ช้าไปอีก 30 นาที ต้น Xanthium ไม่ออกดอก    ดังนั้นPfr สามารถระงับกระบวนการกระตุ้นการออกดอกของใบได้ภายใน 30 นาที

ข้อมูลเกี่ยวกับการตอบสนองต่อแสงและความมืดของพืชวันสั้นนั้นมีมากกว่าของพืชวันยาว ในปัจจุบันทราบกันแล้วว่าการออกดอกของพืชวันสั้นนั้นไม่ได้ขึ้นกับระยะเวลาที่รับแสงในแต่ละวันเพราะจากการทดลอง พบว่าถั่วเหลืองจะออกดอกเมื่อได้รับ Inductive Cycle 3 รอบ โดยแต่ละรอบได้รับแสง 12 ชั่วโมง และความมืด 12 ชั่วโมง         แต่ถ้าให้แสง 36ชั่วโมงและความมืด 36 ชั่วโมง ถั่วเหลืองจะไม่ออกดอก  แม้ว่าจำนวนชั่วโมงที่ได้รับแสงรวมจะเท่ากันก็ตาม  ในการทดลองกับXanthium ซึ่งเป็นพืชวันสั้น  ซึ่งมี Critical day length เท่ากับ 15.5 ชั่วโมง    ดังนั้นจึงเหลือช่วงมืด 8.5ชั่วโมง นั่นคือ  การออกดอกจะเกิดขึ้นเมื่อได้รับช่วงมืดยาวเท่ากับ 8.5 ชั่วโมงหรือมากกว่า    ถ้าหาก Xanthium ได้รับแสง 4ชั่วโมงและช่วงมืด 8 ชั่วโมง Xanthium  จะไม่ออกดอก แม้ว่าช่วงความยาววันจะน้อยกว่า Critical day lengthก็ตาม แต่ Xanthium  จะออกดอกได้ เมื่อได้รับความยาวของวันเท่ากับ 16 ชั่วโมง และได้รับความมืด 32 ชั่วโมง ซึ่งช่วงความยาววันยาวกว่า Critical day length ช่วงที่มีความสำคัญต่อการออกดอกของพืชวันสั้นเป็นช่วงมืด ดังนั้นพืชวันสั้นจึงมีCritical Dark Period ซึ่งเป็นช่วงมืดที่สั้นที่สุดที่พืชวันสั้นจะออกดอกได้ ซึ่งในกรณีถั่วเหลืองจะประมาณ 10ชั่วโมง         แต่การตอบสนองให้มีการออกดอกสูงสุดจะอยู่ที่ช่วงมืด  16-20 ชั่วโมง  พืชวันสั้นบางชนิดอาจจะออกดอกได้เมื่อได้รับช่วงมืดติดต่อกัน   แต่บางชนิดจะออกดอกได้เมื่อได้รับช่วงแสงสลับกับช่วงมืด การได้รับช่วงมืดเพื่อการออกดอกนี้จะต้องต่อเนื่องกันตลอด  การให้แสง     สีแดงในช่วงมืดแม้เพียง 2-3 นาที  จะทำให้พืชออกดอกไม่ได้  ซึ่งการทำลายคุณสมบัติในการ     ออกดอกได้ดีที่สุดเมื่อให้แสงสีแดงในช่วงกึ่งกลางของช่วงมืด  การให้แสงในช่วงมืดเป็นระยะเวลาสั้นๆ  โดยอาจจะสั้นเพียง 1-2 วินาทีนี้เรียกว่า Night Break ซึ่งสามารถลบล้างความสามารถในการออกดอกของพืชวันสั้นและวิธีการนี้จะเกี่ยวข้องกับระบบไฟโตโครม  ดังแสดงในตารางที่ 9.2 ถึงการได้รับแสงสีแดงและแสง Far Red จะทำให้  Xanthium และถั่วเหลืองออกดอกได้ต่างกัน

 

ตารางที่ 9.2 ผลของการให้แสงสีแดงและ Far Red  ในช่วงมืดต่อการออกดอกของ Xanthium และถั่วเหลือง

 

การให้แสง                จำนวนดอกของ Xanthium           จำนวนดอกของถั่วเหลือง

 

มืดตลอด                              6.0                                           4.0

R                                         0.0                                           0.0

R, FR                                   5.6                                           1.6

R, FR, R                              0.0                                           0.0

R, FR, R, FR                        4.2                                           1.0

R, FR, R, FR, R                    0.0                                             –

R, FR, R, FR, R, FR              2.4                                           0.6

 

หมายเหตุ   R คือแสงสีแดง    FR คือแสง Far Red

 

อย่างไรก็ตามแม้ว่าพืชวันสั้นส่วนใหญ่ต้องการระยะเวลา Night Break สั้นเพียงไม่กี่นาทีในการระงับกระบวนการออกดอก     แต่ในกรณีของเบญจมาศนั้นต้องการช่วง Night Break นานถึง 4 ชั่วโมง

ในพืชวันสั้น เช่น Xanthium พบว่า Night Break จะให้ผลสูงสุด ตรงจุดกึ่งกลางของช่วงมืด ดังนั้นจึงคาดว่า Night Break ทำหน้าที่แยกช่วงมืดออกให้เป็น  2 ช่วงสั้น ๆ      ซึ่งทำให้พืชวันสั้นออกดอกไม่ได้     แต่กรณีดังกล่าวจะไม่เกิดกับพืช   Phabitis เพราะแม้ว่าทำ Night Break ที่ 8 ชั่วโมงของช่วงมืด 48 ชั่วโมง  ทำให้เหลือช่วงมืดอีก 40 ชั่วโมงซึ่งควรจะพอเพียงต่อการกระตุ้นการออกดอก แต่ Phabitis ก็ยังออกดอกไม่ได้       Night Break จะให้ผลระงับการออกดอกของพืชวันสั้นได้ดีโดยใช้ช่วงคลื่น 600-660 nm และจะมีผลน้อยมากเมื่อความยาวคลื่นเกินจาก 720 nm

ความสำคัญของช่วงมืดจะสัมพันธ์กับอุณหภูมิมาก  ตัวอย่างเช่น Xanthium นั้น ช่วงมืดจะหมดความสามารถในการกระตุ้นให้ออกดอกได้ถ้าอุณหภูมิต่ำประมาณ 4 องศาเซลเซียส แต่ถ้าหากผันแปรอุณหภูมิระหว่าง 4-40 องศาเซลเซียสในช่วงที่ได้รับแสงจะไม่มีผลต่อการออกดอก    อุณหภูมิต่ำตอนกลางคืนยังกระตุ้นให้พืชวันยาว เช่น Hyoscyamus ออกดอกได้ในสภาพวันสั้น

ในกรณีของพืชวันยาวนั้นค่อนข้างมีกลไกที่ซับซ้อนกว่าพืชวันสั้นและจะตอบสนองน้อยกว่าและเป็นไปในทางปริมาณต่อ  Night break เมื่อเปรียบเทียบกับพืชวันสั้น การระงับการ ออกดอกเนื่องจาก Night break ของ Xanthiumเกิดขึ้นเมื่อได้รับแสงเพียง 2-3 วินาที ในชั่วโมงที่ 8 ของความมืด แต่ในพืชวันยาวการออกดอกจะเกิดเพิ่มขึ้นเมื่อให้แสงเพิ่มจากวินาทีเป็นหลายชั่วโมง ยิ่งไปกว่านั้นขณะที่แสงสีแดงมีประสิทธิภาพสูงสุดในการทำ Night break กับพืชวันสั้น    แต่การใช้แสงสีแดงและแสงFar Red  ผสมกันจะมีประสิทธิภาพในการกระตุ้นการออกดอกมากกว่าแสงสีแดง

ในกรณีของต้น  Pharbitis ซึ่งเป็นพืชวันสั้นนั้น เมื่อได้รับแสง Far  Red เมื่อเริ่มช่วงมืดจะไม่ออกดอกเมื่อความยาวของวันสั้นกว่า 5 ชั่วโมง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพืชวันสั้นต้องการ Pfr ระดับหนึ่ง ที่เวลาใดเวลาหนึ่งระหว่างช่วงมืดหรือช่วงมีแสง   เป็นที่ชัดเจนว่าแสงสีแดงซึ่งกระตุ้นการสร้าง Pfr  มีประสิทธิภาพสูงสุดในการระงับการกระตุ้นการออกดอกของพืชวันสั้นเมื่อให้ในช่วงมืด     ตามปกติ 80 เปอร์เซ็นต์ ของไฟโตโครมทั้งหมดอยู่ในรูปของ  Pfr  เมื่อสิ้นสุดวันหรือสิ้นสุดช่วงมีแสง ฟลูออเรสเซนหรือแสงสีแดง แต่หลังจากที่มืดแล้วประมาณ 2-3 ชั่วโมง แสงสีแดงซึ่งทำให้เกิด Pfr  จะมีประสิทธิภาพในการระงับการออกดอกของพืชวันสั้น ดังนั้น Pfr ที่มีอยู่มากก่อนช่วงมืดและจะเปลี่ยนรูปไปหมดหรือถูกทำลายในช่วงมืด      Pfr ซึ่งเกิดขึ้นโดยแสงสีแดงในเวลาที่เหมาะสมในระหว่างช่วงมืด จะมีผลในการระงับการออกดอกของพืชวันสั้น   ในขณะที่บทบาทของ Pfr ในการกระตุ้นการออกดอกของพืชวันสั้นไม่มีความสัมพันธ์กับเหตุการณ์ใดๆ  ในรอบของการกระตุ้น (Inductive cycle)  จากการสังเกตดังกล่าวจึงมีความคิดว่าไฟโตโครมนั้นเกิดเป็น 2 ชนิดในพืชวันสั้น ชนิดหนึ่งจำเป็นต่อการกระตุ้นการออกดอกของพืชวันสั้น และจะคงตัว  (Stable) ในความมืด        อีกชนิดหนึ่งจะไม่คงตัวในความมืด  แต่จะระงับการออกดอกของพืชวันสั้นได้ เมื่อปรากฏในช่วงเวลาที่พอเหมาะและ Pfr นั้นน่าจะมีอยู่ 2  ชนิด (ตามที่กล่าวมาแล้วในบทที่ 9 ว่าไฟโตโครมมีชนิดที่ 1 และชนิดที่ 2)

ลำดับของการกระตุ้นการออกดอกของ  Pfr จะกลับกันในพืชวันยาว  นั่นคือ   ระบบไฟโตโครมควบคุมการตอบสนองในการออกดอกของพืชวันยาวและวันสั้นจะสลับกัน คือ ช่วงมืดที่ ยาวจะกระตุ้นให้พืชวันสั้นออกดอก  แต่จะระงับการออกดอกของพืชวันยาว ยิ่งไปกว่านั้นพืชทั้งสองชนิดจะตอบสนองต่อ Night Break ซึ่งส่งผลให้เกิด Pfr สูงขึ้น ในช่วงแรกของรอบในการรับแสงพบว่าพืชวันสั้นนั้นการออกดอกจะได้รับการกระตุ้นโดย Pfr  สูง   ดังนั้นพืชวันสั้นต้องการ Pfr สูงในช่วงแรกของรอบการรับแสงแล้วจึงต้องการ  Pfr ต่ำในช่วงต่อมาของรอบการรับแสง

พืชหลายชนิดมีการเจริญซึ่งกระตุ้นโดยแสง (Photophile phase)  และมีการเจริญซึ่งถูกระงับโดยแสงแต่กระตุ้นโดยความมืด  (Skotophile phase)  โดยรอบของการกระตุ้นหรือระงับการเจริญเติบโตนั้นจะอยู่ในรอบของ 24ชั่วโมง ในการออกดอกของพืชนั้น จากที่กล่าวมาแล้วจะเห็นว่าช่วงมืดมีความสำคัญมาก แต่ไม่ได้หมายความว่าช่วงที่ได้รับแสงจะไม่มีความสำคัญ ระยะเวลาของการได้รับแสงและการกระจายของความยาวคลื่นแสงซึ่งพืชได้รับระหว่าง Photophile Phase   สามารถทำให้การตอบสนองต่อการออกดอกเปลี่ยนไปได้บ้างในบางกรณี ถ้าหากพืชวันสั้นไม่ได้รับแสงมาก่อนเลย ช่วงมืดจะไม่สามารถกระตุ้นการออกดอกได้  เช่น  พืชที่เป็น  Single  Inductive Cycle  คือ Xanthium ช่วงมืดจะกระตุ้นให้เกิดการออกดอกได้ก็ต่อเมื่อได้รับแสงมาก่อน 3-5 ชั่วโมง และพืชวันยาว Hyoscyamus ที่อยู่ในสภาพวันสั้น 2 วัน  จะระงับการออกดอกได้มากกว่าการที่พืชอยู่ในความมืดติดต่อกัน 48 ชั่วโมง

 

การวัดเวลาใน Photoperiodism

ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของ Photoperiodism คือ  การวัดฤดูกาลที่เปลี่ยนแปลงความยาวของวัน ซึ่งการวัดเวลาจากความยาวของวันอาจจะเป็นการวัดช่วงเวลาที่ต้องการสำหรับสารเมตาโบไลท์ จากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง ซึ่งจะคล้ายคลึงกับนาฬิกาทรายซึ่งต้องการเวลาเพื่อให้ทรายตกจากด้านบนลงสู่ด้านล่างผ่านทางช่องแคบ ๆ ในระบบดังกล่าวมีเพียงช่วงเวลาเดียวที่จะถูกวัดได้ เมื่อเสร็จสิ้นต้องมีปัจจัยภายนอกทำให้เกิดระบบนี้ขึ้นมาใหม่ เหมือนกับต้องมีการกลับนาฬิกาทรายด้านล่างขึ้นอยู่ด้านบน ซึ่งจากการทดลองในพืชวันสั้นหลายชนิด รวมทั้ง Xanthium พบว่า การสร้างสารกระตุ้นการออกดอก (Flowering stimulus) เป็นไปตามระบบของนาฬิกาทรายโดยเฉพาะ Xanthium ซึ่งจัดเป็นพืชชนิด Single inductive cycle พบว่าในวันที่ 9 หลังจากได้รับวันสั้นหรือได้รับช่วงมืดซึ่งกระตุ้นการออกดอก ต้น Xanthium  ซึ่งได้รับความมืด 10 ชั่วโมง จะเกิดตาดอกพัฒนาไปในระยะที่ 1 หรือ2 ในขณะที่ต้นที่ได้รับช่วงมืด 16 ชั่วโมง ตาดอกพัฒนาไปสู่ระยะที่ 6 หรือ 7 เป็นที่ชัดเจนว่า Flowering stimulusเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับความมืดนานขึ้น

จากการศึกษาพบว่าในระหว่างช่วงกลางวัน พืชได้รับแสงจะทำให้ไฟโตโครมอยู่ในรูป Pfr  แต่เมื่อมีการทำNight break แสงสีแดงทำให้เกิด Pfr ขึ้นในช่วงมืดทำให้พืชวันสั้นออกดอกไม่ได้ ดังนั้น Pfr ซึ่งปรากฏจึงระงับการออกดอก ยกเว้น Pfr ชนิดที่กระตุ้นการออกดอก และต้องมีแสงสีแดงในปริมาณที่พอเพียงเพื่อให้ Pr ดูดซับ ในกรณีดังกล่าวแสดงว่าพืชวัดความยาวของวันโดยการวัดช่วงมืด ซึ่ง Pfr ลดลง และ Pr เพิ่มขึ้น

จากการศึกษาต่อมาพบว่า อาจจะเป็นไปได้ว่าพืชรู้ว่าความมืดเกิดขึ้นแล้วจากการที่ Pfr เปลี่ยนกลับเป็น Pr ในที่มืด แต่ก็มีข้อขัดแย้งเกิดขึ้นเพราะการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเกิดอย่าง  รวดเร็วมาก ใช้เวลาน้อยกว่า 1 ชั่วโมง นอกจากนั้นการเปลี่ยนแปลงรงควัตถุไฟโตโครมยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย แต่การวัดเวลาของ Photoperiodism ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ

ดังนั้นความสนใจจึงเปลี่ยนไปว่า พืชอาจจะวัดความยาวของวันโดย Oscillating circadian clock ซึ่งเหมือนลูกตุ้มนาฬิกาแกว่งไปมาเพื่อพิสูจน์ว่า จริงหรือไม่นั้น มีการศึกษาโดยใช้ถั่วเหลืองซึ่งได้รับInductive cycle 7 รอบ แต่ละรอบมีช่วงมืด 64 ชั่วโมง ช่วงมืดนี้ถูกคั่นโดยการให้แสงนานทีละชั่วโมงหลายครั้ง เมื่อศึกษาพืชวันสั้นและวันยาวพบว่ามีการตอบสนองต่อ Night break เป็นจังหวะเหมือนกับถั่วเหลือง คือ ที่เวลาหนึ่งซึ่งแสงระงับการออกดอก การระงับการออกดอกจะเกิดขึ้นอีกใน 24 และ 48 ชั่วโมง ระหว่างเวลาที่ระงับและช่วงของการกระตุ้น ซึ่งชี้ให้เห็นว่าเป็นการวัดเวลาแบบOscillating timer มีพืชไม่กี่ชนิดที่ไม่ตอบสนองดังกล่าว เช่น Xanthium ซึ่งตอบสนองแบบ Single inductive cycle ในการทดลองกับถั่วเหลืองยังพบว่า ถั่วเหลืองจะออกดอกมากที่สุดเมื่อช่วงแสงและช่วงมืดรวมกันได้ 24   48 หรือ 72 ชั่วโมง ซึ่งชี้ให้เห็นว่าความมืดไม่ได้ควบคุมการออกดอกทั้งหมด แต่ช่วงแสงก็มีความสำคัญเช่นกัน ในช่วงที่ได้รับแสงนั้น แสงสีแดงมีประสิทธิภาพสูงสุดในการกระตุ้นการออกดอก ส่วนแสง Far Red กลับระงับการออกดอก Bunning ได้สรุปว่าการวัดเวลาของพืชอาจจะเกิดขึ้นแบบ Oscillating-circadian rhythm

 

สารกระตุ้นการออกดอก (The Flowering Stimulus)

ในระยะแรกของการศึกษาในด้านนี้ นักวิทยาศาสตร์พบว่าส่วนที่รับสัญญานจากสภาพแวดล้อม คือ ใบ โดยใบจะผลิตสารบางชนิดขึ้นมาเพื่อตอบสนองต่อ Photo Inductive Cycle และสารนี้จะเคลื่อนย้ายไปสู่ยอด  ในการทดลองพบว่าใบเพียงใบเดียวก็สามารถสร้างสารที่กระตุ้นให้เกิดการออกดอกได้ เช่น ให้ใบเพียงใบเดียวของต้นพืชได้รับรอบของแสงที่ต้องการ ส่วนใบที่เหลือไม่ได้รับช่วงแสงที่ต้องการ พบว่าพืชทั้งต้นสามารถออกดอกได้       Chailachjan เรียกสารที่กระตุ้นให้เกิดการออกดอกที่สร้างที่ใบว่าฟลอริเจน(Florigen)   ซึ่งจะสร้างในใบภายใต้สภาพความยาวของวันที่เหมาะสม แต่ในปัจจุบันยังไม่มีผู้ใดสามารถแยกสารฟลอริเจนได้

Hamner ได้ยืนยันข้อเสนอของ Chailachjan โดยทดลองกับต้น Xanthium โดยแสดงให้เห็นว่าถ้าหากต้น Xanthium ได้รับแสงที่เหมาะสมต่อการออกดอก แต่ต้นนั้นปราศจากใบ ต้น Xanthium จะไม่ออกดอก       แต่ถ้าเหลือใบไว้ 1/8 ของใบหนึ่งใบ พบว่า Xanthium สามารถออกดอกได้   ในการทดลองซึ่งใช้ต้นXanthium ต้นเดียวกันแต่มี 2 กิ่ง พบว่าสารกระตุ้นการออกดอกที่เกิดในใบเพียงใบเดียวสามารถกระตุ้นให้พืชทั้งต้นออกดอกได้

ในการทดลองจำนวนมากได้แสดงให้เห็นว่า สารที่กระตุ้นการออกดอกนี้สามารถเคลื่อนย้ายจากต้นหนึ่งไปยังอีกต้นหนึ่ง โดยผ่านทางรอยต่อเชื่อม (Graft Union) ซึ่งการต่อเชื่อม (Graft) นี้ อาจจะทำในต้นหนึ่งกับอีกต้นหนึ่งหรือนำใบเพียงหนึ่งใบซึ่งมีสารกระตุ้นการออกดอกมาต่อเชื่อมกับต้นที่ไม่ได้รับสภาพแสงที่เหมาะสมต่อการออกดอก สารกระตุ้นการออกดอกจากใบเพียงใบเดียวสามารถเคลื่อนย้ายผ่านรอยต่อเชื่อม และทำให้พืชต้นที่ไม่พร้อมที่จะออกดอกสามารถออกดอกได้ การทดลองการต่อเชื่อมนี้กระทำกันทั้งพืชวันสั้นและวันยาว ซึ่งพบว่าให้ผลเหมือนกัน

ดังได้กล่าวมาแล้วว่า ยังไม่มีผู้ใดสามารถแยกสารฟลอริเจนออกมาจากพืชได้ แต่ในปัจจุบันพบว่ามีฮอร์โมนพืชซึ่งจะกล่าวถึงในบทต่อไปสามารถกระตุ้นให้พืชออกดอกได้ เช่น ออกซิน จิบเบอเรลลิน และเอทธิลีน เป็นต้น สามารถกระตุ้นให้พืชบางชนิดออกดอกได้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง     ในแนวความคิดของนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันนั้นเป็นไปได้ว่า ฟลอริเจนเป็นเพียงชื่อเท่านั้น แต่ตัวสารอาจจะเป็นฮอร์โมนชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น จิบเบอเรลลิน เพราะการออกดอกของพืชบางชนิดจะควบคู่ไปกับการเพิ่มปริมาณของจิบเบอเรลลินนอกจากนี้จิบเบอเรลลินยังทำให้ความต้องการวันยาวในการออกดอกของพืชลดลง  และยังสามารถลดความต้องการอุณหภูมิต่ำ(Vernalization) ในการออกดอกด้วย      แต่นักวิทยาศาสตร์บางท่านให้ความเห็นว่าฟลอริเจนอาจจะเป็นความสมดุลของฮอร์โมนหลายชนิดในพืช

จากที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นได้ว่าพืชหลายชนิดจะออกดอกได้ เมื่อได้รับช่วงแสงที่เหมาะสม แต่ความยาวของวันไม่ได้เป็นสภาพแวดล้อมเพียงอย่างเดียวซึ่งควบคุมการออกดอกของพืช    อุณหภูมิยังเป็นปัจจัยอีกปัจจัยหนึ่งที่สามารถควบคุมการออกดอกของพืชได้โดยเฉพาะพืชในเขตอบอุ่น

 

การตอบสนองของพืชต่อความยาวของวันที่นอกเหนือจากการออกดอก

ความยาวของวันทำให้การเจริญเติบโตของพืชตอบสนองในลักษณะอื่น ๆ            ที่       นอกเหนือจากการออกดอกหลายประการ เช่น การเจริญเติบโตของดอก พืชหลายชนิด เช่น เบญจมาศ ดอกตูมจะเหี่ยวแห้งตายไป   เมื่อนำต้นเบญจมาศดังกล่าวไปไว้ในสภาพแวดล้อมซึ่งไม่ใช่สภาพที่กระตุ้นให้เกิดการออกดอก ดอกของพืชที่เป็น Single Inductive Cycle เจริญได้ดีในสภาพที่กระตุ้นให้เกิดการออกดอกได้ ความสามารถในการผสมของละอองเกสรตัวผู้จะตอบสนองต่อความยาวของวันมากกว่าความสามารถในการผสมของไข่    พืชที่เป็น Monoecious และ Dioecious นั้น จำนวนดอกตัวผู้และดอกตัวเมียจะขึ้นอยู่กับความยาวของวัน  ทั้งดอกตัวผู้และดอกตัวเมียจะถูกกระตุ้นให้เกิดขึ้นได้ทั้งวันยาวและวันสั้น ทั้งนี้ขึ้นกับชนิดของพืช ตามปกติสารควบคุมการเจริญ    เติบโตจะมีผลกระทบต่อการพัฒนาของดอก รวมทั้งการกำหนดเพศของดอกด้วย เช่น ออกซิน และ  เอทธิลีนมักจะถูกกระตุ้นให้เพิ่มปริมาณของดอกตัวเมีย  เช่น  ในกรณีของพืชตระกูลแตงเอทธิลีนภายในต้นเป็นฮอร์โมนซึ่งกระตุ้นการเกิดดอกตัวเมีย  ภายใต้สภาพความดันที่ลดลงซึ่งทำให้เอทธิลีนสามารถซึมออกจากเนื้อเยื่อพบว่าจะทำให้ปริมาณของดอกตัวผู้เพิ่มขึ้น เมื่อเพิ่มเอทธิลีนภายใต้สภาพความดันต่ำดอกตัวเมียจะเพิ่มขึ้นได้ คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็น Competitive inhibitor  ของเอทธิลีนสามารถกระตุ้นให้เกิดดอกตัวผู้ได้ในหลาย ๆ กรณี นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าการทำ  Night break จะทำให้การพัฒนาของดอกตอบสนองเหมือนกับได้รับวันยาว  พืชบางชนิด เช่น      สตรอเบอรี่จะผลิตไหลเมื่อได้รับวันยาว และ Bryophyllum  จะสร้างต้นอ่อนขนาดเล็กที่ขอบใบเมื่อได้รับวันยาวเช่นกัน

 

การพักตัว (Dormancy)

ดังได้กล่าวมาแล้วถึงการพักตัวของตาและเมล็ด   โดยทั่วไปวันสั้นกระตุ้นให้เกิดการพักตัวของตา  การตอบสนองดังกล่าวมีทั้งชนิดที่เป็นชนิด Absolute, Facultative หรือเป็นแบบ Day-neutral  (ซึ่งในกรณีนี้มักจะพักตัวโดยการตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ) การทำ Night break จะให้ผลเหมือนวันยาว ใบจะตอบสนองต่อวันสั้นทำให้เกิดการพักตัวซึ่งอาจจะเกิดสารกระตุ้นการพักตัวขึ้น  แต่ถ้าวันยาวสามารถทำให้พืชออกจากการพักตัว ก็น่าจะเป็นเพราะตัวของตาเอง หรือกาบตา (Scale) ที่อยู่รอบ ๆ ซึ่งจะตอบสนองต่อความยาวของวัน   ABA มักจะให้ผลเหมือนวันสั้นในการกระตุ้นให้เกิดการพักตัว แต่ไม่เสมอไป จิบเบอเรลลินทำให้ตาออกจากการพักตัวในพืชหลายชนิดแต่ไม่ใช่ทุกชนิด การงอกของเมล็ดบางชนิดก็ตอบสนองต่อความยาวของวัน คือ มีเมล็ดชนิดวันสั้นและวันยาว

 

การยืดตัวของลำต้น (Stem elongation)

ลำต้นของพืชหลายชนิดมีแนวโน้มจะยืดตัวภายใต้สภาพวันยาวมากกว่าภายใต้สภาพวันสั้น  แสง Far Red ซึ่งให้พืชตอนเริ่มต้นความมืดจะเพิ่มการยืดตัวของลำต้น การกำจัด  Pfr ก่อนช่วงมืดอาจจะเป็นการกระตุ้นให้เกิดสภาพวันสั้นขึ้นซึ่งในกรณีการกระตุ้นการยืดตัวของลำต้นจะต่างไปจากกรณีดังกล่าวซึ่งยังไม่เข้าใจนัก

 

อวัยวะสะสมอาหาร (Storage organ)

การเจริญของอวัยวะสะสมอาหารทั้งหมด    ยกเว้นหัวหอมใหญ่จะเกิดในสภาพ   วันสั้น ซึ่งตามปกติจะมีปฏิสัมพันธ์กับอุณหภูมิและลักษณะการตอบสนองต่อความยาวของวันจะเป็นไปตามกฎ ความยาวของช่วงกลางคืนมีความสำคัญมาก การเกิด Night break จะส่งผลกระทบและมีระบบไฟโตโครมเข้ามาเกี่ยวพัน ในกรณีนี้จะเกิด Stimulus  ขึ้นที่ใบ ซึ่งจะคล้ายคลึงกับการออกดอกของพืชวันสั้น ยกเว้นกรณีการลงหัวของหอมหัวใหญ่  ซึ่งจะคล้ายคลึงกับการออกดอกของพืชวันยาว   แต่ยังมีข้อขัดแย้งจากผลของจิบเบอเรลลินออกซิน เอทธิลีน และไซโตไคนินซึ่งสามารถกระตุ้นการพัฒนาของอวัยวะสะสมอาหาร เช่น หัวของ  มันฝรั่ง  หอมหัวใหญ่ และหัวมันเทศ  ซึ่งเป็นพืชซึ่งมีความต้องการความยาวของวันต่างกัน คือ มันฝรั่งต้องการวันสั้นในการลงหัว       ส่วนหอมหัวใหญ่ต้องการวันยาวและมันเทศเป็นพืชชนิด Day-neutral  ในปัจจุบันยังจำแนกลักษณะของ Stimulus ที่เกิดที่ใบยังไม่ได้  แต่สารดังกล่าวไม่ใช่ไซโตไคนินอย่างแน่นอน

 

กิ่งก้านสาขา

การเจริญของใบพืชหลายชนิดเกิดจากผลของความยาวของวัน    วันยาวจะกระตุ้นให้ใบที่มีลักษณะ ยาว  ใหญ่ บาง และมีสีเหลืองกว่าวันสั้น ในพืชอวบน้ำ ความอวบน้ำ จะลดลงในสภาพวันยาว  การตอบสนองของใบจะเป็นอิสระจากการออกดอก  การแตกกิ่งก้านสาขาของพืชหลายชนิดกระตุ้นโดยสภาพวันสั้น  ในกรณีมะเขือเทศและพืชอื่นอีก 2-3 ชนิด เมื่อให้แสงมากกว่า 18 ชั่วโมงต่อวันจะทำให้ใบพัฒนาลักษณะ  interveinal chlorosis แต่พืชอีกหลายชนิดไม่ตอบสนองเช่นนี้  ใบพืชอีกหลายชนิดพบว่าสภาพวันสั้นทำให้การสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ลดลง การแตกรากของกิ่งชำมักจะถูกกระตุ้นโดยสภาพวันยาวแต่การศึกษาด้านนี้ยังมีข้อมูลน้อย ในหลายกรณีพบว่าช่วงความยาวของวัน ก่อนการตัดกิ่งชำจะมีผลมาก แต่มีอีกหลายกรณีที่มีผลต่อกิ่งชำโดยตรง

Thermoperiodism

Thermoperiodism เป็นปรากฏการณ์ซึ่งการเจริญเติบโตได้รับการกระตุ้นโดยการสลับกันของอุณหภูมิกลางวันและกลางคืน หัวมันฝรั่งสร้างขึ้นเมื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิกลางคืนต่ำ การติดผลของมะเขือเทศก็ถูกกระตุ้นโดยอุณหภูมิกลางคืนต่ำเช่นกัน การเจริญของจุดกำเนิดดอกในพืชบางชนิดก็เป็นการตอบสนองแบบ Termoperiodism    แนวความคิดในเรื่อง Thermoperiodism คือ พืชให้ผลผลิตสูงขึ้นภายใต้สภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิกลางคืน และกลางวันแตกต่างกันThermoperiodism พบในพืชบางชนิดรวมทั้งมะเขือเทศ แต่ในพืชอีกหลายชนิดความแตกต่างของอุณหภูมิกลางคืนและกลางวันไม่มีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโต เช่น Cocklebur      Sugar Beet ข้าวสาลี   ข้าวโอ๊ต และถั่ว เจริญเติบโตได้เท่ากันในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิกลางวันและกลางคืนคงที่ และในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิกลางวันและกลางคืนแตกต่างกัน

พืชบางชนิดเจริญเติบโตดีขึ้น เมื่ออุณหภูมิผันแปรในรอบ 24 ชั่วโมง ซึ่งดูจะเข้ากันได้กับ Circadian clock จึงมีพืชหลายชนิดที่เจริญเติบโตไม่ดี เมื่ออุณหภูมิกลางวันกับกลางคืนคงที่ ในความเป็นจริงแล้วการตอบสนองแบบThermoperiodi มีปฏิสัมพันธ์กับแสงหรือมักจะสัมพันธ์กับ Photoperiodism โดยอาจจะเกี่ยวข้องกับความสมดุลของระบบไฟโตโครม

ตัวอย่างหนึ่งที่ชัดเจนในเรื่อง Thermoperiodism นั้น คือใบพืช Laotheniacharysostoma เป็นพืชล้มลุกในตระกูล Compositae ซึ่งเกิดทั่วไปในฤดูใบไม้ผลิในทะเลทรายแถบแคลิฟอร์เนีย พืชชนิดนี้ไวต่ออุณหภูมิกลางคืนมาก การปลูกภายใต้สภาพวันสั้นพืชจะมีชีวิตอยู่ได้เพียง 2 เดือน เมื่ออุณหภูมิกลางคืนเท่ากับ 20 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิต่ำลงมาพืชชนิดนี้จะเจริญเติบโตได้นานอย่างน้อย 100 วัน และจะตายอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิกลางคืนเท่ากับ 26 องศาเซลเซียส พืชอีกหลายชนิดเจริญได้ไม่ดีเมื่ออุณหภูมิกลางคืนเท่ากับ 26 องศาเซลเซียส  Laothenia เจริญเติบโตได้ดี เมื่ออุณหภูมิกลางวันสูงกว่า 26 องศาเซลเซียส      แต่ต้องมีอุณหภูมิกลางคืนต่ำพอ พืชพื้นเมืองในแคลิฟอร์เนียอื่น ๆ ก็ตอบสนองเช่นเดียวกับ Laothenia

เนื้อเยื่อที่แตกต่างกันของพืชยังตอบสนองต่อสภาพอุณหภูมิต่างกันด้วย     ดังนั้นการรักษาระดับอุณหภูมิของรากและลำต้นให้เท่ากัน อาจจะไม่ทำให้พืชเจริญเติบโตดีก็ได้ ตามปกติอุณหภูมิดินจะแตกต่างจากอุณหภูมิของอากาศอยู่แล้ว ดังนั้นพืชอาจจะต้องการอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างรากและลำต้น

 

กลไกของการตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ

การเข้าใจถึงกลไกของการตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำนั้นอาจจะเกี่ยวข้องกับฮอร์โมนหรือการปิดกั้นกระบวนการเมตาบอลิสม์ ซึ่งการปิดกั้นอาจจะเกิดจากสารระงับการเจริญเติบโต หรือการขาดหายไปของสารที่จำเป็นภายในต้นพืชหรือทั้ง 2 กรณีร่วมกัน     สารระงับการเจริญเติบโตอาจจะหายไปหรือสารควบคุมการเจริญเติบโตอาจจะเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับอุณหภูมิต่ำ     มีผลต่อการออกดอก เมล็ดงอก และต้นอ่อนเจริญเติบโต    ซึ่งในกรณีดังกล่าวจิบเบอเรลลิน และ ABA ดูจะมีบทบาทเกี่ยวข้องมาก กลไกเหล่านี้เหมือนกันในแต่ละกระบวนการหรือไม่ ความแตกต่างน่าจะมีในแต่ละกระบวนการ แต่ในหลาย ๆ กรณีอาจจะคล้ายคลึงกัน

ถ้าอุณหภูมิต่ำลดอัตราของปฏิกิริยาทางเคมี จะอธิบายถึงการเพิ่มขึ้นของสารกระตุ้นการเจริญเติบโตได้อย่างไร หรือแม้แต่การเพิ่มอัตราการทำลายสารระงับการเจริญเติบโต      ก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Melchers และ Lang และอีกกลุ่ม คือ Purvis และGregory ได้ให้        คำแนะนำในช่วงทศวรรษที่ 1940 โดยทั้งสองกลุ่มทำงานแยกกัน แต่ให้คำแนะนำคล้ายกันว่าอาจจะมีปฏิสัมพันธ์ 2 ประการเกิดขึ้น คือ ปฏิกิริยาที่ 1 ซึ่งมีค่า Q₁₀ หรือ Temperature Coefficient ต่ำกว่าปฏิกิริยาที่ 2ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่ 1 ถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาที่ 2      ถ้าอัตราของปฏิกิริยาที่ 1 มากกว่าอัตราของปฏิกิริยาที่ 2 จะทำให้ผลิตภัณฑ์ Bของปฏิกิริยาที่ 1 สะสม  ในทางตรงกันข้ามผลิตภัณฑ์ C ของปฏิกิริยาที่ 2 จะสะสมเมื่ออัตราของปฏิกิริยาที่ 2 มากกว่า แม้ว่า Q₁₀ ของปฏิกิริยาที่ 1 ต่ำ แต่ปฏิกิริยาที่ 1 ดำเนินไปได้ที่อุณหภูมิต่ำเร็วกว่าปฏิกิริยาที่ 2 ซึ่งทำให้สามารถอธิบายการสะสมของ B ที่อุณหภูมิต่ำได้ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ 2 เพิ่มขึ้นเร็วกว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ 1     ดังนั้นที่อุณหภูมิวิกฤต B    จะถูกใช้ไปเร็วเท่าๆ กับการที่ถูกผลิตขึ้นมาและไม่มีการสะสม ปฏิกิริยาที่ 2 อาจจะเป็นกระบวนการ Devernalization และในความเป็นจริงDevernalization อาจจะหมดไปใน 2-3 วัน ที่ได้รับอุณหภูมิ neutral อาจจะแสดงให้เห็นว่ามีปฏิกิริยาที่ 3 ซึ่งเปลี่ยน B เป็น D ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่อยู่ตัว และแน่นอนว่าโครงสร้างที่เสนอมานี้ยังไม่สมบูรณ์ เพราะว่ายังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่อาจจะเกี่ยวข้อง เช่น การสังเคราะห์เอนไซม์ การกระตุ้นเอนไซม์ Membrane permeability ซึ่งเปลี่ยนไป และการเคลื่อนย้ายอาหารเป็นต้น

ระบบการควบคุมแบบ Feedback   อาจจะมีผลต่อปฏิกิริยาโดยรวม ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาหนึ่งอาจจะระงับอัตราการเกิดอีกปฏิกิริยาหนึ่งได้ หรือที่อุณหภูมิต่ำ สารบางอย่างอาจจะเกิดการสะสม เพราะสารประกอบอีกชนิดหนึ่งระงับการสังเคราะห์สารนี้ไม่สามารถสะสม               จิบเบอเรลลินเพิ่มขึ้นในเมล็ดบางชนิด และตาของพืชเมื่อพ้นจากการพักตัว      จิบเบอเรลลินจึงเทียบเท่ากับ Bหรือ D หรือจิบเบอเรลลินอาจจะรั่วออกมาจากบริเวณที่สะสมเมื่อเยื่อหุ้มยอมให้สารเข้าออกได้มากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ ในพืช 2-3 ชนิด ไซโตไคนินและเอทธิลีนอาจจะเข้ามามีบทบาท

ถ้ากำลังอธิบายเกี่ยวกับการทำลายสารระงับการเจริญเติบโตที่อุณหภูมิมากกว่ามีการสังเคราะห์สารกระตุ้นการเจริญเติบโต เราจะพบบทบาทที่กลับกันของสมมุติฐานที่กล่าวมาแล้ว การทำลายหรือการเปลี่ยนแปลงอาจจะเกิดในอัตราที่เร็วที่อุณหภูมิต่ำ และมี Q₁₀ต่ำด้วย การสังเคราะห์สารระงับการเจริญเติบโตต้องเกิดน้อยที่อุณหภูมิต่ำด้วย แต่จะต้องมี Q₁₀ สูง

Vernalization คือ การกระตุ้นให้พืชออกดอกโดยการใช้อุณหภูมิต่ำประมาณ 1-7 องศาเซลเซียส โดยเฉพาะกับพืช Bienial และ Perennial (พืชบางชนิดที่ออกดอกได้เมื่อกระตุ้นด้วยอุณหภูมิสูงมักเป็นพืชล้มลุก(Annual) เช่น ปวยเหล็ง และแอสเตอร์ เป็นต้น      พืชพวกนี้ เช่น กะหล่ำปลี เซเลอรี่ หัวบีท และหอมหัวใหญ่ ทั้งนี้รวมกับการกระตุ้นให้ออกดอกเร็วขึ้น โดยได้รับอุณหภูมิต่ำ เช่น ธัญพืชฤดูหนาว (Winter Grain) ผักสลัด และแรดิช เป็นต้น

การพบความสำคัญของอุณหภูมิต่อการออกดอกนั้น เริ่มมาจากงานของ Gassner ในปี 1918 ซึ่งการศึกษาการออกดอกของธัญพืช เช่น ข้าวสาลี และข้าวไรย์ ซึ่งสามารถแบ่งเป็น       2 กลุ่ม คือ กลุ่มที่หว่านในฤดูใบไม้ร่วงหรือพันธุ์ฤดูหนาว (Winter Varieties) กับพวกที่หว่านในฤดูใบไม้ผลิซึ่งเป็นพันธุ์ฤดูใบไม้ผลิ (Spring Varieties) ทั้ง 2 กลุ่มนี้ แม้ว่าจะหว่านในฤดูต่างกัน แต่จะออกดอกและแก่ในฤดูร้อนถัดไป ถ้าหากหว่านข้าวสาลีฤดูหนาวช้าไปจนถึงฤดูใบไม้ผลิ  ข้าวสาลีเหล่านี้จะไม่ออกดอก แต่จะเจริญเติบโตทางด้านลำต้นและใบ ตลอดฤดูการปลูก จึงเหมือนกับว่าเป็นความจำเป็นที่ต้องหว่านข้าวสาลีฤดูหนาวในฤดูใบไม้ร่วง ซึ่งทำให้ฤดูการปลูกยาวออกไป แม้ว่าในระหว่างฤดูหนาวนั้นข้าวสาลีเหล่านี้จะเจริญ  เติบโตน้อยมากก็ตาม

Gassner ได้ศึกษาถึงผลกระทบของอุณหภูมิในระหว่างการงอก และในระยะแรกของการเจริญเติบโตของข้าวไรย์ฤดูหนาวและฤดูใบไม้ผลิ และพบว่าอุณหภูมิในระหว่างการงอกไม่มีผลกระทบต่อการออกดอกของข้าวไรย์ฤดูใบไม้ผลิ แต่สำหรับข้าวไรย์พันธุ์ฤดูหนาวนั้นอุณหภูมิต่ำในช่วงที่เมล็ดงอกและช่วงแรกของการเจริญเติบโตมีความจำเป็นต่อการออกดอกของข้าวไรย์กลุ่มนี้ ซึ่งความต้องการอุณหภูมิต่ำในการออกดอกของธัญพืชเหล่านี้เรียกว่า Vernalization ซึ่งโดยเริ่มต้นหมายถึง การกระตุ้นการออกดอกในธัญพืชฤดูหนาวด้วยการได้รับอุณหภูมิต่ำของต้นกล้า เมล็ดชื้นหรือเมล็ดที่กำลังงอก  แต่ความหมายในปัจจุบันได้เปลี่ยนไปเป็นการกระตุ้นให้พืชออกดอกโดยการได้รับอุณหภูมิต่ำมาก่อน

พืชสองฤดู (Biennial) นั้น ในสภาพธรรมชาติจะงอกในฤดูใบไม้ผลิแล้วเจริญมีลักษณะต้นเตี้ย(Rosette) ต่อเมื่อผ่านฤดูหนาวแล้วจึงสามารถแทงช่อดอกออกมาในฤดูที่สอง ทั้งนี้เพราะผลของอุณหภูมิต่ำที่ได้รับในช่วงฤดูหนาวนั่นเอง พืชสองฤดูนี้ถ้าหากไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำจะไม่สามารถออกดอกได้ พืชสองฤดูที่สำคัญทางเศรษฐกิจคือ หอมหัวใหญ่ เซเลอรี่ แครอท หัวบีท กะหล่ำปลี คะน้า และกะหล่ำดาว เป็นต้น

ในกรณีของพืชยืนต้น (Perennal) เมื่อออกดอกแล้วต้นไม่ตาย และในการออกดอกครั้งต่อไปต้องได้รับอุณหภูมิต่ำเสียก่อน พืชยืนต้นที่ต้องการอุณหภูมิต่ำเพื่อการออกดอก คือ         ราสเบอรี่ และ Lolium perenne      Primrose Violet และเบญจมาศ เป็นต้น

อายุของพืชซึ่งเหมาะสมต่อการได้รับอุณหภูมิต่ำเพื่อกระตุ้นให้ออกดอกนั้นอาจจะต่างกันไปในแต่ละพืช เช่น พืชบางชนิดจะตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีในระยะที่เป็นเมล็ด เช่น ในกรณีของ Winter grain ต่าง ๆ พืชบางชนิดจะตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำได้เมื่อเจริญเติบโตเต็มที่แล้ว เช่น บีท ซึ่งในระยะที่ต้นยังอ่อนอยู่จะไม่ตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ พืชบางชนิดตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำได้ในทุกระยะของการเจริญเติบโตโดยที่อายุจะมีระยะที่ตอบสนองดีที่สุดอยู่ระยะหนึ่ง เมล็ดของพืชบางชนิดอาจจะตอบสนองอุณหภูมิต่ำได้ตั้งแต่ยังคงอยู่บนต้น พืชที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วสามารถออกดอกได้นั้นยังแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มที่ต้องการอุณหภูมิต่ำเพื่อการออกดอกโดยที่ถ้าไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำจะไม่สามารถออกดอกได้    จัดเป็น Obligate requirement for vernalization เช่น กะหล่ำปลี เซเลอรี่  และ Foxglove เป็นต้น พืชบางชนิดหากได้รับอุณหภูมิต่ำจะออกดอกเร็ว แต่ต้นที่ไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำก็ออกดอกได้ โดยใช้เวลานานออกไป      จัดเป็นกลุ่ม Facultative cold requirement เช่น ผักสลัด และ Pisumsativum บางสายพันธุ์

มีพืชหลายชนิดซึ่งมีจุดกำเนิดดอกแล้ว (Flower primordia) แต่การเจริญเติบโตของดอกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เหมาะสมซึ่งมักจะเป็นอุณหภูมิต่ำ เช่น ทิวลิป จุดกำเนิดของดอกจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงประมาณ 20 องศาเซลเซียส แต่อุณหภูมิที่จะทำให้ดอกและใบพัฒนาได้ คือ   อุณหภูมิ 8-9 องศาเซลเซียส ในตอนแรกและต่อมาต้องการอุณหภูมิ 13 องศาเซลเซียส ซึ่งก็เหมือนกับ         ไฮยาซินซ์ (Hyacinth) และแดพโฟดิล (Daffodil) พืชที่แสดงลักษณะการออกดอกแบบนี้ไม่ต้องการVernalization เพราะ Vernalization นั้น พืชจะสร้างจุดกำเนิดของดอกหลังจากที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วโดยที่อาจจะเกิดที่อุณหภูมิปกติได้

สำหรับกลไกของอุณหภูมิต่ำที่มีผลต่อการออกดอกนั้น ยังไม่ทราบแน่นอนนัก แต่อาจจะเกี่ยวข้องกับการปลดจากการปิดกั้นข้อมูลทางพันธุกรรมของเซลล์ซึ่งอาจจะมีผลกระทบต่อปริมาณของกรดนิวคลีอิคและโปรตีนที่เกิดขึ้นขณะได้รับอุณหภูมิต่ำ เช่น ในข้าวไรย์พันธุ์ฤดูหนาวจะปรากฏโปรตีนชนิดใหม่ขึ้นในระหว่างที่ได้รับอุณหภูมิต่ำ ซึ่งเป็นโปรตีนที่คล้ายกับโปรตีนที่พบในข้าวไรย์พันธุ์ฤดูใบไม้ผลิ นอกจากนั้นยังพบว่าฮีสโตนของข้าวสาลีพันธุ์ฤดูหนาวจะมีรูปแบบที่ซับซ้อนกว่าฮีสโตนของข้าวสาลีพันธุ์ฤดูใบไม้ผลิและในระหว่างที่ได้รับอุณหภูมิต่ำ รูปแบบของฮีสโตนนี้จะลดความซับซ้อนลง กลายเป็นรูปแบบอย่างง่ายซึ่งพบในสายพันธุ์ฤดูใบไม้ผลิ         ซึ่งการเกิดการเปลี่ยนแปลงของโปรตีนและฮีสโตนนั้นเกิดในคัพภะหรือต้นอ่อนของเมล็ดไม่ใช่ในส่วนของอาหารสำรอง (Endosperm)

ส่วนของพืชที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำจะอยู่ที่ปลายยอดโดยเซลล์ของเนื้อเยื่อเจริญบริเวณนั้นจะตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ โดยส่วนอื่น ๆ ของต้นอาจจะอยู่ในอุณหภูมิเท่าไรก็ได้ การศึกษาให้อุณหภูมิต่ำบริเวณปลายยอดนี้ได้ผลใน เซเลอรี่ บีท เบญจมาศ และหอมหัวใหญ่ ส่วนในLunaria annua พบว่าใบที่ยังไม่แก่เต็มที่จะสามารถตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำได้ คือ ถ้าหากเด็ดใบจากต้นที่ไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำมาปักชำ   ต้นที่เกิดใหม่จากส่วนโคนของใบนี้จะต้องผ่านอุณหภูมิต่ำเสียก่อน จึงจะออกดอกได้ แต่ถ้านำใบที่เด็ดออกมานี้ไปไว้ในอุณหภูมิต่ำ ต้นที่เกิดใหม่จากใบนี้จะมีคุณสมบัติเหมือนกับต้นที่ผ่านอุณหภูมิต่ำมาแล้ว  ผลของอุณหภูมิต่ำจะจำกัดอยู่ตรงบริเวณโคนใบซึ่งเซลล์กำลังแบ่งตัวแบบไมโตซิสอยู่   ซึ่งถ้าหากเด็ดเอาส่วนของโคนใบออกประมาณ 5 เซนติเมตร ต้นที่เกิดใหม่จากรอยเด็ดนี้จะไม่มีคุณสมบัติของการผ่านอุณหภูมิต่ำมาก่อนเลย

 

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระหว่างได้รับอุณหภูมิต่ำ

ลักษณะของ  Vernalization   ที่สำคัญคือเป็นกระบวนการที่เกิดได้เร็วที่     อุณหภูมิต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับที่อุณหภูมิสูง  ซึ่งเป็นลักษณะที่ผิดปกติสำหรับกระบวนการทางเคมีทั่วๆ ไป แต่อย่างไรก็ตามกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่เกิดระหว่าง Vernalization เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์

 

สารกระตุ้นการออกดอกในกระบวนการ Vernalization

ในการศึกษาพืชชนิดหนึ่งชื่อเฮนเบน (Henbane) พบว่าถ้านำใบของเฮนเบนจากต้นที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วไปต่อเชื่อมบนต้นตอที่ยังไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำ   จะส่งผลให้ต้นตอสามารถออกดอกได้  ผลการทดลองในทำนองเดียวกันนี้ยังพบในพืชสองฤดู   เช่น หัวบีท กะหล่ำปลี และแครอท การถ่ายทอดสารกระตุ้นการออกดอกที่เกิดจาก  Vernalization นี้ สามารถถ่ายทอดระหว่างพืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำในการออกดอกและไม่ต้องการได้      หรือแม้แต่เป็นพืชคนละสกุล (Genera)    ก็สามารถถ่ายทอดสารกระตุ้นการออกดอกถึงกันได้ สารกระตุ้นการออกดอกที่เกิดจาก Vernalization นี้ Melchers และ Lang ตั้งชื่อว่า เวอนาลิน(Vernalin) แต่อย่างไรก็ตามพืชบางชนิดเช่น  เบญจมาศไม่สามารถถ่ายทอดเวอนาลินไปยังอีกต้นหนึ่งโดยการเชื่อมต่อและถ้าเฉพาะส่วนยอดได้รับอุณหภูมิต่ำเท่านั้น จะทำให้ส่วนยอดออกดอกได้  แต่ส่วนอื่น ๆ ยังคงไม่สามารถออกดอกได้  จากการที่เบญจมาศแสดงผลดังกล่าวนั้น ทำให้เกิดความคิดที่ว่าการให้อุณหภูมิต่ำอาจไม่มีผลโดยตรงในการผลิตฮอร์โมนเฉพาะที่ถ่ายทอดได้  แต่อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะแห่งในกลุ่มเซลล์ที่ทำให้สามารถผลิตฟลอริเจนได้ในเวลาต่อมาเมื่ออยู่ในสภาพที่เหมาะสม  ดังนั้นเวอนาลินจึงต่างจาก     ฟลอริเจน และไม่ใช่สารชนิดเดียวกัน หลักฐานที่สนับสนุนความคิดดังกล่าวคือ การที่ยาสูบพันธุ์ Maryland Mammoth ซึ่งเป็นพืชวันสั้นต่อเชื่อมกับHyoscyamus niger ซึ่งเป็นพืชวันยาว และต้องการอุณหภูมิต่ำในการออกดอก พบว่าในสภาพวันยาว Hyoscyamusniger สามารถออกดอกได้โดยไม่ต้องได้รับอุณหภูมิต่ำ  แต่ต้นยาสูบเป็นพืชวันสั้นจึงไม่สามารถออกดอกในสภาพวันยาว ดังนั้นจึงแสดงว่า     การที่ต้นรับ (Hyoscyamus  niger) ออกดอกได้แสดงว่าไม่ได้เกิดจากการถ่ายทอด ฟลอริเจนจากยาสูบ เพราะยาสูบไม่ออกดอกแสดงว่ามีสารอื่นมาเกี่ยวข้อง

สารที่ได้จาก Vernalization นั้น    อาจจะเกี่ยวข้องกับฮอร์โมนจิบเบอเรลลินเพราะมีหลายกรณีที่จิบเบอเรลลินสามารถทดแทนอุณหภูมิต่ำในการออกดอกได้ ดังจะได้กล่าวถึงต่อไป

 

เสถียรภาพของ Vernalization

โดยทั่วไปอุณหภูมิสูงจะลบล้างผลของอุณหภูมิต่ำในช่วงแรกของการได้รับอุณหภูมิต่ำ แต่ภาวะของVernalization จะมีเสถียรภาพดีมากหากได้รับอุณหภูมิต่ำจนทำให้เกิดผลอย่างสมบูรณ์แล้ว  โดยทั่วไปเซลล์ทั้งหมดที่เกิดจากการแบ่งเซลล์เดิมที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วจะมีสภาพที่ได้รับ  Vernalization ด้วย  การลบล้างผลของ Vernalizationเรียกว่า Devernalization ซึ่งจะลบล้างด้วยอุณหภูมิสูงและสภาพขาดออกซิเจน  ซึ่งพบได้ในเซเลอรี่และธัญพืชบางชนิด  ดังนั้นสารที่เกิดขึ้นโดย  Vernalization   อาจจะไม่เสถียรในอุณหภูมิสูง และในสภาพที่ขาดออกซิเจน

ในกรณีของเบญจมาศ พบว่า เมื่อผ่านการได้รับอุณหภูมิต่ำไปแล้วได้รับอุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียสทันทีจะลบล้างVernalization ที่ได้รับมาทั้งหมด          โดยเฉพาะเมื่อยังไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำในระดับที่เหมาะสม แต่ถ้าได้รับอุณหภูมิต่ำในระดับที่เหมาะสมแล้วมักจะไม่เกิดปัญหาดังกล่าว ในกรณีข้าว Rye ก็ตอบสนองในทำนองเดียวกัน คือ ถ้าได้รับอุณหภูมิต่ำเป็นช่วงเวลาสั้นๆ แล้วได้รับอุณหภูมิสูง  ผลของ  Vernalization  จะหายไปเช่นกัน  แต่ถ้าข้าว  Rye  ได้รับอุณหภูมิต่ำนาน 8 สัปดาห์ ผลของ Vernalization  จะคงทน  นอกจากนั้นการได้รับวันสั้นอาจจะลบล้างผลของ Vernalization ได้ในบางกรณี

พืชหลายชนิดต้องการอุณหภูมิต่ำ เช่น Perennial grasses บางชนิดออกดอกโดยการกระตุ้นของอุณหภูมิต่ำ โดยบางชนิดต้องการวันสั้นหลังจากนั้น ซึ่งเบญจมาศเป็นพืชที่มีการศึกษากันมาก เบญจมาศเป็นพืชวันสั้นที่เป็นPerennial ซึ่งจะออกดอกได้เมื่อได้รับอุณหภูมิต่ำก่อนแล้วจึงจะตอบสนองต่อวันสั้น แต่การปลูกเบญจมาศมักไม่มีปัญหาในเรื่องการออกดอก ทั้งนี้เพราะเบญจมาศนั้นได้รับการขยายพันธุ์โดยการปักชำ และกิ่งชำมักจะได้รับผลของ Vernalization มาแล้ว ไม้ยืนต้นหลายชนิดต้องการอุณหภูมิต่ำเพื่อการออกดอก และผักหลายชนิดจะออกดอกเร็วขึ้นเมื่อได้รับ Vernalization เป็นระยะเวลาสั้น ๆ

 

เนื้อเยื่อที่ตอบสนองอุณหภูมิต่ำ

เนื้อเยื่อเจริญของตาเป็นบริเวณที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำและเป็นเนื้อเยื่อที่ถูก Vernalized เมื่อตาได้รับอุณหภูมิต่ำต้นพืชจะสามารถออกดอกได้ ต้นอ่อนหรือแม้แต่เนื้อเยื่อเจริญที่แยกมาจากเมล็ดข้าวไรย์ก็สามารถถูก Vernalized ได้ ถ้านำเอาส่วนต่างๆ ที่มีเนื้อเยื่อเจริญ ของพืชที่ได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วไปต่อกับต้นที่ยังไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำ ในที่สุดจะออกดอกได้ แต่ถ้านำเอาเนื้อเยื่อเจริญจากต้นที่ไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำไปต่อกันต้นที่ผ่านการได้รับอุณหภูมิต่ำแล้ว แต่เอาเนื้อเยื่อเจริญออกไปจากต้น ส่วนที่นำมาต่อจะยังคงมีสภาพไม่ออกดอก    กระบวนการ Vernalization ต้องการเซลล์ที่กำลังแบ่งหรืออย่างน้อยต้องการการลอกแบบ DNA โดยทั่วไป DNA จะถูกลอกแบบก่อนที่จะเกิดการแบ่งเซลล์

กระบวนการ Vernalization เกิดขึ้นสูงสุดในช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างกว้างขึ้นอยู่กับชนิดของพืช และกระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้แม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำ  ตามปกติ ข้อจำกัดของอุณหภูมิต่ำคือ การเกิดผลึกน้ำแข็งขึ้นภายในเนื้อเยื่อ จึงมีช่วงในการเกิด Vernalization ค่อนข้างกว้างประมาณ 0-10 องศาเซลเซียส และในบางกรณีอุณหภูมิVernalization อาจจะสูงถึง 18 หรือ 22 องศาเซลเซียสในพืชบางชนิด ระยะเวลาที่ได้รับอุณหภูมิต่ำจะผันแปรจากประมาณ 4วัน ถึง 3 สัปดาห์ ในกรณีของข้าวสาลีฤดูหนาว (Winter wheat) จนถึง 3 เดือนในกรณีของ Henbane

การได้รับอุณหภูมิสูงทันทีหลังจากกระบวนการ Vernalization มักจะทำให้พืช   ออกดอกไม่ได้ กระบวนการนี้เรียกว่า Devernalization ซึ่งอุณหภูมิสูงจะอยู่ที่ประมาณ 30 องศาเซลเซียส หรือสูงกว่านั้น   ในกรณีของข้าวไรย์ฤดูหนาวและต้องได้รับนาน 2-3 วัน ภายในระยะเวลา 4 หรือ 5 วัน หลังจากได้รับอุณหภูมิต่ำ ความจริงDevernalization อาจจะพบในกรณีที่พืชได้รับอุณหภูมิเท่าไรก็ได้ที่สูงกว่าอุณหภูมิ Vernalization ในข้าวไรย์ฤดูหนาว อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส เป็น Neutral temperature อุณหภูมิที่ต่ำกว่านั้นจะเร่งการออกดอก ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า 15 องศาเซลเซียส จะทำให้ออกดอกช้าลง สภาพขาดออกซิเจนที่เกิดขึ้นทันทีหลังกระบวนการ Vernalization สามารถทำให้เกิด Devernalization ได้เช่นกัน       แม้ที่อุณหภูมิ Neutral ก็ตาม หลังจากDevernalization พืชส่วนใหญ่สามารถทำให้เกิด Vernalization ได้ใหม่โดยอุณหภูมิต่ำอีกครั้งหนึ่ง

 

เวอนาลินและจิบเบอเรลลิน

ถ้าหากเนื้อเยื่อเจริญ (Apical meristem) เป็นส่วนที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิต่ำ การเคลื่อนย้ายFlowering stimulus หรือฮอร์โมนไม่น่าจะเกิดขึ้น ผลของการเกิด Vernalization ไม่สามารถเคลื่อนย้ายจากเนื้อเยื่อเจริญหนึ่งไปยังอีกเนื้อเยื่อเจริญหนึ่งได้ ไม่ว่าจะเป็นภายในต้นเดียวกันหรือเมื่อนำตาที่ผ่านอุณหภูมิต่ำแล้วไปติดกับต้นที่ยังไม่ผ่านอุณหภูมิต่ำก็ตาม มีข้อยกเว้นอยู่บ้างเมื่อมีการต่อกิ่ง Henbane ซึ่งผ่านอุณหภูมิต่ำมาแล้วเข้ากับต้นซึ่งยังไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำ ปรากฏว่าต้นที่ยังไม่ผ่านอุณหภูมิต่ำออกดอกได้ อาจจะเป็นเพราะว่า Flowering stimulus สามารถเคลื่อนผ่านรอยต่อได้ พืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำจึงสามารถออกดอกได้โดยการต่อกิ่งหรือติดตากับพืชที่ไม่ต้องการอุณหภูมิต่ำในการออกดอก ปรากฏการณ์ดังกล่าวการผ่านสารบางอย่างที่เกิดขึ้นกับHenbane นั้น จำกัดอยู่เพียงพืชบางชนิด และโดยส่วนใหญ่การผ่านของสารทางรอยต่อจะไม่เกิดขึ้น

สารที่เกิดจากการที่พืชได้รับอุณหภูมิต่ำได้รับการตั้งชื่อว่าเวอนาลิน (Vernalin) มีผู้พยายามแยกและจำแนกเวอนาลินว่าเป็นสารเคมีชนิดใด แต่ไม่สำเร็จ มีการศึกษาและพบว่าจิบเบอเรลลินมีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกับคุณสมบัติที่คาดว่าเวอนาลินควรจะมี เช่น เมื่อให้จิบเบอเรลลินกับพืชสองฤดูจะสามารถกระตุ้นให้พืชกลุ่มนี้ออกดอกได้โดยไม่ต้องได้รับอุณหภูมิต่ำ      การให้         จิบเบอเรลลินกับเมล็ดของ Winter annual ทำให้พืชชนิดนี้ออกดอกได้ และในพืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำเพื่อกระตุ้นการออกดอกนั้น           ในระหว่างที่ได้รับอุณหภูมิต่ำจะสะสมจิบเบอเรลลินเพิ่มขึ้น จิบเบอเรลลินเกี่ยวข้องกับกระบวนการ Vernalizationอย่างแน่นอน

นักวิทยาศาสตร์ ยังไม่ยืนยันแน่นอนนักว่าจิบเบอเรลลินและเวอนาลินเป็นสารชนิดเดียวกัน เมื่อให้จิบเบอเรลลินกับพืชที่มีลักษณะเป็น Rosette ในรูป GA₃ การตอบสนองครั้งแรกคือ การที่เกิดการยืดยาวออกของส่วนที่เป็นการเจริญทางกิ่งก้านสาขา(Vegetative) แล้วจึงตามมาด้วยการพัฒนาของตาดอกที่ลำต้นที่ยืดขึ้นไป แต่เมื่อพืชถูกกระตุ้นให้ออกดอกโดยได้รับอุณหภูมิต่ำ    ตาดอกจะเกิดขึ้นทันทีที่ลำต้นยืดยาวขึ้นมา ถ้าการออกดอกที่เกิดจากการตอบสนองต่อจิบเบอเรลลินไม่เหมือนกับการกระตุ้นตามธรรมชาติ จึงเกิดคำถามหลายคำถามขึ้น เช่น จิบเบอเรลลินสามารถกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงในต้นพืชแล้วจึงนำไปสู่การออกดอกหรืออาจจะกระตุ้นให้สร้างเวอนาลินได้หรือไม่

Chailakhyan ตั้งสมมุติฐานว่า อาจจะมีสาร 2 ชนิด เกี่ยวข้องกับการสร้างตาดอก คือ จิบเบอเรลลินหรือสารที่คล้ายจิบเบอเรลลินและสารอีกชนิดหนึ่งเรียกว่าแอนทีซิน (Anthesin) พืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำหรือวันยาวหรือต้องการทั้งสองปัจจัย    อาจจะขาดจิบเบอเรลลินจนกว่าพืชชนิดนี้จะได้รับสภาพแวดล้อมที่กระตุ้นให้สร้างจิบเบอเรลลิน               ในขณะที่พืชวันสั้นอาจจะมีจิบเบอเรลลินพอเพียง แต่ขาดแอนทีซิน             Chailakyan ยอมรับข้อสันนิษฐานที่ว่าพืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำสามารถสร้างเวอนาลินเมื่อได้รับอุณหภูมิต่ำ            แต่เวอนาลินจะต้องเปลี่ยนไปเป็นจิบเบอเรลลินในระหว่างการได้รับวันยาว  อย่างน้อยที่สุดพืชชนิดนี้ต้องการวันยาวตามหลังการได้รับอุณหภูมิต่ำ งานทดลองที่สนับสนุนการมีสาร 2 ชนิดกระตุ้นการออกดอก คือ การใช้พืชวันสั้น   ซึ่งยังไม่ได้รับวันสั้น คือ ยาสูบพันธุ์ Maryland Mammoth ไปต่อกับพืชที่ต้องการอุณหภูมิต่ำ คือ เฮนเบน ซึ่งยังไม่ได้รับอุณหภูมิต่ำ ผลปรากฏว่าเฮนเบนออกดอกได้ ทั้งนี้เพราะพืช แต่ละต้นมีสารที่จำเป็นต่อการออกดอก ต้นละชนิด และต้องได้สารอีกชนิดจากแต่ละต้นซึ่งมาต่อกิ่งกัน ซึ่งเฮนเบนออกดอกได้ แต่ยาสูบไม่ออกดอก

การพัฒนาของดอกหลังจากได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วผันแปรจากหลายวันจนถึง   หลายสัปดาห์ และระยะที่พืชได้รับการกระตุ้นนี้มีความคงทนถาวรเพียงไร เฮนเบนพันธุ์หนึ่งต้องการอุณหภูมิต่ำ ตามด้วยวันยาวเพื่อการออกดอก หลังจากได้รับอุณหภูมิต่ำแล้วการออกดอกอาจจะเลื่อนออกไปโดยการให้วันสั้นกับเฮนเบน  สภาพที่ถูกกระตุ้นจากอุณหภูมิต่ำยังคงอยู่หลังจากนั้น 190 วัน แม้ว่าใบที่ได้รับอุณหภูมิต่ำจะตายไปแล้ว ในพืชชนิดอื่นๆ ระยะที่ถูกกระตุ้นค่อนข้างอยู่ตัวเช่นกัน เมล็ดธัญพืชที่ชื้นนำไปให้อุณหภูมิต่ำแล้วทำให้เมล็ดแห้งอีกครั้ง     ถึงแม้จะเก็บรักษาไว้หลายเดือนถึงหลายปี      สภาพ Vernalized ยังคงอยู่ต่อไปได้ ตามที่ทราบแล้วว่าเบญจมาศซึ่งขยายพันธุ์โดยการปักชำสามารถคงสภาพ Vernalized ไว้ได้นาน แต่ก็ยังมีพืชชนิดอื่นที่คงสภาพ Vernalized ไว้ได้นานกว่านั้น

บทที่ 10 ฮอร์โมนพืช

บทที่ 10

ฮอร์โมนพืช

ออกซิน Auxin) 

จิบเบอเรลลิน (Gibberellins)

ไซโตไคนิน (Cytokinins)

กรดแอบซิสิค (Abscisic Acid)

เอทธิลีน (Ethylene)

 

ฮอร์โมนพืชเป็นสารเคมีภายในพืชซึ่งเกี่ยวข้องกับการเจริญของพืชไม่เพียงแต่การเจริญของพืชทั้งต้นเท่านั้น หากแต่ยังเกี่ยวข้องกับการเจริญของพืชแต่ละส่วนด้วย     ในปัจจุบันทราบกันดีแล้วว่าฮอร์โมนพืชมีทั้งชนิดที่กระตุ้นการเจริญเติบโต และระงับการเจริญเติบโต            ฮอร์โมนพืชที่พบในปัจจุบันคือออกซิน (Auxin)      จิบเบอเรลลิน (Gibberellins)      ไซโตไคนิน(Cytokinins) กรดแอบซิสิค (Abscisic Acid) หรือ ABA และ  เอทธิลีน (Ethylene) ซึ่งมีสภาพเป็นก๊าซ

                        ฮอร์โมนพืชสามารถเคลื่อนย้ายภายในต้นพืชได้และมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโต  การเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพและการพัฒนาของเนื้อเยื่อ และอวัยวะของพืชซึ่งได้รับฮอร์โมนนั้น ๆ คำว่า ฮอร์โมน นั้นเริ่มใช้โดยนักสรีรวิทยาของสัตว์ ซึ่งต่อมานักสรีรวิทยาของพืชได้นำมาใช้กับสารประกอบอินทรีย์ ซึ่งสามารถมีผลกระทบในปริมาณที่น้อยมาก     โดยพืชจะสังเคราะห์ที่ส่วนหนึ่งแล้วเคลื่อนย้ายไปยังอีกส่วนหนึ่ง และมีผลต่อกระบวนการทางสรีรวิทยาที่ค่อนข้างเฉพาะเจาะจง ดังนั้นในการศึกษาทางด้านฮอร์โมนจึงมักศึกษาในแง่ของแหล่งและกระบวนการสังเคราะห์ การเคลื่อนที่และเคลื่อนย้าย และปฏิกิริยาของฮอร์โมนที่มีต่อพืช

                        สารควบคุมการเจริญเติบโต (Plant Growth Regulator) เป็นสารเคมีที่สำคัญในการเกษตร เป็นสารอินทรีย์ซึ่งมนุษย์สังเคราะห์ขึ้นมาได้  ซึ่งบางชนิดมีคุณสมบัติเหมือนฮอร์โมนพืช มนุษย์รู้จักการใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตมานานแล้ว      เช่น  กระตุ้นให้มะม่วงหรือสับปะรดออกดอกโดยการจุดไฟข้างสวน   เพื่อให้เกิดควันซึ่งมีเอทธิลีนปนอยู่    สามารถกระตุ้นให้เกิดการออกดอกได้  ถึงแม้ว่าในขณะนั้นจะยังไม่ทราบสาเหตุที่แท้จริงก็ตาม

                        การแสดงออกถึงลักษณะต่าง ๆ ของพืชจะเกิดจากพันธุกรรมและสภาพแวดล้อม ซึ่งรวมกับฮอร์โมนด้วย เช่น การปลูกผักกาดขาวปลีบางพันธุ์ในฤดูร้อน ผักกาดขาวปลีจะไม่เข้าหัว ฮอร์โมนบางชนิดสามารถกระตุ้นให้ผักกาดขาวปลีเข้าหัวได้        ซึ่งในกรณีนี้ฮอร์โมนจะทดแทนสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมได้

                        ในประเทศไทยการใช้ฮอร์โมนพืชมีวัตถุประสงค์ในทางการเกษตรเพื่อให้มีผลผลิต เพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพ และเพื่อความสะดวกในการจัดการฟาร์ม

 

 

ออกซิน (Auxin)

                        ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออกซินนั้นเกิดขึ้นจากงานของ Charles Darwin ซึ่งศึกษาเรื่องPhototropism ซึ่งพืชจะโค้งงอเข้าหาแสง   Darwin ทดลองกับต้นกล้าของ Phalariscanariensis     และพบว่าโคลีออพไทล์ของพืชชนิดนี้จะตอบสนองต่อการได้รับแสงเพียงด้านเดียวทำให้เกิดการโค้งเข้าหาแสง  Darwin สรุปว่าเมื่อต้นกล้าได้รับแสงจะทำให้มี   “อิทธิพล” (Influence)  บางอย่างส่งผ่านจากส่วนยอดมายังส่วนล่างของโคลีออพไทล์   ทำให้เกิดการโค้งงอเข้าหาแสง   ซึ่งนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ศึกษาถึง “อิทธิพล” ดังกล่าว

                        ต่อมา Boysen-Jensen  และ Paal     ได้ศึกษาและแสดงให้เห็นว่า “อิทธิพล”       ดังกล่าวนี้มีสภาพเป็นสารเคมี  ซึ่งในสภาพที่โคลีออพไทล์ได้รับแสงเท่ากันทั้งสองด้าน   สารเคมีนี้จะเคลื่อนที่ลงสู่ส่วนล่างของโคลีออพไทล์  ในอัตราเท่ากันทุกด้านและทำหน้าที่เป็นสารกระตุ้นการเจริญเติบโต

                        ในปี  ค.ศ. 1926 Went        ได้ทำงานทดลองและสามารถแยกสารชนิดนี้ออกจากโคลีออพไทล์ได้    โดยตัดส่วนยอดของโคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ตแล้ววางลงบนวุ้นจะทำให้สารเคมีที่กระตุ้นการเจริญเติบโตไหลลงสู่วุ้น   เมื่อนำวุ้นไปวางลงที่ด้านหนึ่งของโคลีออพไทล์ที่ไม่มียอดด้านใดด้านหนึ่งจะทำให้โคลีออพไทล์ดังกล่าวโค้งได้ เขาสรุปว่าสารเคมีได้ซึมลงสู่วุ้นแล้วซึมจากวุ้นลงสู่ส่วนของโคลีออพไทล์   วิธีการดังกล่าวนอกจากเป็นวิธีการแรกที่แยกสารเคมีชนิดนี้ได้แล้ว ยังเป็นวิธีการวัดปริมาณของฮอร์โมนได้ด้วย เป็นวิธีที่เรียกว่า Bioassay

                        สารเคมีดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า ออกซิน  ซึ่งในปัจจุบันพบในพืชชั้นสูงทั่วๆ ไป และมีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช      สังเคราะห์ได้จากส่วนเนื้อเยื่อเจริญของลำต้น ปลายราก ใบอ่อน ดอกและผล และพบมากที่บริเวณเนื้อเยื่อเจริญ โคลีออพไทด์และคัพภะ รวมทั้งใบที่กำลังเจริญด้วย

 

                        การสังเคราะห์ออกซิน

                        ในปี   ค.ศ.  1934   ได้พบว่า   ออกซินมีลักษณะทางเคมีเป็นสาร Indole-3-acetic acid หรือ เรียกย่อๆ ว่า IAA ซึ่งในปัจจุบันเชื่อว่าเป็นออกซินส่วนใหญ่ที่พบในพืชและในสภาพธรรมชาติ อยู่ในรูป Indole ทั้งสิ้น โดยที่ IAA เป็นสารที่สำคัญที่สุด  นอกจากนั้นยังพบในรูปของ Indole-3-acetaldehyde หรือ IAAld  Indole-3-Pyruvic acid หรือ IPyA และ Indole-3-acetonitrile หรือ        IAN ซึ่งสารทั้ง 3 ชนิดนี้สามารถเปลี่ยนเป็น IAA ได้ พืชสังเคราะห์ออกซินที่ใบอ่อน จุดกำเนิดของใบและเมล็ดซึ่งกำลังเจริญเติบโต

                        การสังเคราะห์ออกซินนั้น  มีกรดอะมิโน L-Tryptophan  เป็นสารเริ่มต้น (Precursor)   L-Tryptophan เป็นกรดอะมิโนที่มีโครงสร้างของ Indole อยู่ การสังเคราะห์ออกซิน ซึ่งในการสังเคราะห์ IAA นั้น จะมีIAAld และ IPyA  เป็นสารที่พบในระหว่างการสังเคราะห์ ในพืชบางชนิด  เช่น  ข้าวโอ๊ต  ยาสูบ    มะเขือเทศ  ทานตะวัน  และข้าวบาร์เลย์  พบว่า Tryptophan  สามารถเปลี่ยนเป็น Tryptamine   ได้     ในพืชตระกูลกะหล่ำ    Tryptamine   อาจจะเปลี่ยนไปเป็น Indoleacetaldoxime แล้วเปลี่ยนไปเป็น IAN แล้วจึงเปลี่ยนเป็น IAA

                        การศึกษาเรื่องการสังเคราะห์ออกซินมักศึกษาจากเนื้อเยื่อปลายรากหรือปลายยอด และพบว่า IAA นี้สังเคราะห์ได้ทั้งในส่วนไซโตซอล (Cytosol) ไมโตคอนเดรีย  และคลอโรพลาสต์ ในการศึกษาในปัจจุบันพบว่า Phenylacetic acidหรือ PAA มีคุณสมบัติของออกซินด้วย และสามารถสังเคราะห์ได้จาก   L-Phenylalanine    โดยพบในคลอโรพลาสต์ และไมโตคอนเดรียของทานตะวัน

                        สารสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติของออกซินมีหลายชนิดที่สำคัญทางการเกษตร เช่น สาร  2,4-dichlorophenoxyacetic acid หรือ  2,4-D  ซึ่งใช้ในการกำจัดวัชพืช IBA หรือ Indolebutyric acid ใช้ในการเร่งให้ส่วนที่จะนำไปปักชำเกิดรากเร็วขึ้น และ NAA หรือ Napthalene acetic acidจะช่วยในการติดผลของผลไม้บางชนิด เช่น แอปเปิล

 

ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของโมเลกุลและการมีคุณสมบัติของออกซิน

                                    เนื่องจากมีสารที่เกิดในธรรมชาติและสารสังเคราะห์จำนวนมากมีคุณสมบัติของออกซิน  จึงจำเป็นต้องรู้โครงสร้างของโมเลกุลที่จะก่อให้เกิดคุณสมบัติของออกซินได้ ซึ่งมีการศึกษากันมาก   ในขั้นต้น เข้าใจว่าสารที่จะมีคุณสมบัติของออกซินต้องประกอบด้วยวงแหวนที่ไม่อิ่มตัว มี side chain เป็นกรด ซึ่งต่อมาพบว่าไม่ใช่สาเหตุที่แท้จริง  เพราะมีสารหลายชนิดที่ไม่มีลักษณะ     ดังกล่าว แต่มีคุณสมบัติของออกซิน       จากการศึกษาของ Thimann ในปี ค.ศ. 1963 ได้สรุปว่า โครงสร้างของโมเลกุลที่สำคัญของสารที่จะมีคุณสมบัติของออกซินคือ  ต้องประกอบด้วยประจุลบ (Strong Negative Charge)  ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของกลุ่มคาร์บอกซิล     และประจุลบจะต้องอยู่ห่างจากประจุบวก     (Weaker Positive Charge)          บนวงแหวนด้วยระยะทางประมาณ 5.5 Angstrom สมมุติฐานของ Thimann   นับว่าใช้อธิบายโครงสร้างโมเลกุลของสารที่มีคุณสมบัติของออกซินได้ครบ

 

การสลายตัวของ IAA

                        ปริมาณของ  IAA  ในพืชนั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอัตราการสังเคราะห์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับอัตราการสลายตัว ซึ่งการสลายตัวของ IAA นั้น สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี

                        1. Photo-oxidation    IAA  ที่อยู่ในสภาพสารละลายจะสลายตัวได้เมื่อได้รับแสง การเกิดPhoto-oxidation ของ IAA   จะถูกเร่งโดยการปรากฏของรงควัตถุตามธรรมชาติ หรือที่สังเคราะห์ได้ จึงอาจจะเป็นไปได้ว่าการที่รงควัตถุของพืชดูดซับพลังงานจากแสงแล้วทำให้เกิดการออกซิไดซ์  IAA ซึ่งรงควัตถุที่เกี่ยวข้อง คือ    ไรโบฟลาวินและไวโอลาแซนธิน (Riboflavin และ Violaxanthin)  สารที่เกิดขึ้นเมื่อ IAA     สลายตัวโดยแสงคือ     3-methylene-2-oxindole   และ Indoleacetaldehyde

                        2. การออกซิไดซ์โดยเอนไซม์ (Enzymic Oxidation of  IAA)       พืชหลายชนิดมีเอนไซม์เรียกว่า  IAA-oxidase     ซึ่งจะคะตะไลท์   สลาย  IAA  ได้คาร์บอนไดออกไซด์ และเป็นปฏิกิริยาที่ใช้ออกซิเจนIAA-oxidase                    มีคุณสมบัติคล้ายเอนไซม์ประเภทเพอร์ออกซิเดส  (Peroxidase)  และเป็นเอนไซม์ที่ต้องการแมงกานีสเป็นโค-แฟคเตอร์ กระบวนการออกซิไดซ์ โดย IAA-oxidase ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันมากนัก          จากการทดลองIn vitro  พบว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้ คือ 3-methylene-2-oxindole  และถูกเมตาโบไลซ์ต่อไป  เป็น 3-methyl-2-oxindole  มีการทดลองหลายครั้งที่ยืนยันว่า  IAA-oxidase จะเพิ่มขึ้นเมื่ออายุของพืชเพิ่มมากขึ้น   นอกจากนั้นยังมีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างอัตราการเจริญเติบโตและปริมาณของ IAA-oxidase ในเนื้อเยื่อของรากจะมี IAA ในปริมาณต่ำ แต่มี IAA-oxidase เป็นจำนวนมาก

                        3. รวมกับสารชนิดอื่นในไซโตพลาสต์

                        4. เปลี่ยนเป็นอนุพันธ์ชนิดอื่น

         

การวัดปริมาณออกซิน

                        1. Bioassay    คือ  การวัดปริมาณออกซินโดยใช้ชิ้นส่วนของพืช  เช่น  โคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ตหรือพืชใบเลี้ยงเดี่ยวอื่นๆ  แล้ววัดความโค้งของยอดโดยการวางออกซินที่ต้องการวัดปริมาณลงบนส่วนของโคลีออพไทล์ซึ่งตัดยอดออกแล้ว  มุมที่โค้งจะบอกปริมาณของออกซินได้โดยเปรียบเทียบจากเส้นมาตรฐาน (Standard Curve)

                        2. การวัดจากคุณสมบัติทางฟิสิกส์ คือ     การวัดปริมาณของออกซินโดยใช้การดูดกลืนแสงของ  IAA ซึ่งเมื่อมีความเข้มข้นต่างกันจะดูดกลืนแสงได้ต่างกัน     โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่ 280 nm      หรือสกัดจนเป็นสารบริสุทธิ์แล้วจึงใช้เครื่อง Gas Chromatograph ร่วมกับ Mass Spectrometry ในการจำแนกและหาปริมาณ

                        3. การวัดโดยวิธีเคมี          โดยให้ออกซินทำปฏิกิริยากับ   Salkowski’s Reagent (acidified ferric chloride) หรือใช้ Ehrllch’s Reagent  ซึ่งจะเกิดสีขึ้นมา จากนั้นวัดความเข้มของสีแล้วเปรียบเทียบกับเส้นมาตรฐาน

 

การเคลื่อนที่ของออกซินในต้นพืช

                        จากส่วนของพืชที่มีการสังเคราะห์       ฮอร์โมนจะเคลื่อนย้ายไปสู่ส่วนอื่นๆ  และมีผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่ได้รับฮอร์โมน การเคลื่อนที่จะถูกควบคุมอย่างดี การเคลื่อนที่ของออกซินจะเป็นแบบโพลาไรซ์ (Polarized) คือ เคลื่อนที่ไปตามยาวของลำต้นโดยไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งการเคลื่อนที่แบบโพลาร์ (Polar)  นี้จะเกี่ยวข้องกับการเจริญและการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของพืชทั้งต้น

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในส่วนที่อยู่เหนือดิน  จะเป็นแบบโพลาร์   เบสิพีตัล (Polar  Basipetal) คือ จะเคลื่อนที่จากแหล่งผลิตที่ยอดไปสู่โคนต้น  ซึ่งการทดลองที่แสดงว่ามีการเคลื่อนที่แบบนี้สามารถทำได้โดยใช้ก้อนวุ้นที่เป็นแหล่งให้ออกซินและรับออกซิน (Donor-Receiver  Agar Block) คือ ใช้ก้อนวุ้นที่มีออกซินอยู่วางบนท่อนของเนื้อเยื่อ        ส่วนก้อนวุ้นอีกก้อนซึ่งทำหน้าที่รับออกซินอยู่อีกปลายหนึ่งของท่อนเนื้อเยื่อ      ออกซินจะเคลื่อนที่จากก้อนวุ้นที่มีออกซินผ่านเนื้อเยื่อลงไปสู่ก้อนวุ้นที่ไม่มีออกซิน    ซึ่งจากวิธีการนี้สามารถคำนวณความเร็วของการเคลื่อนที่ของออกซินในเนื้อเยื่อได้ เพราะทราบความยาวของท่อนเนื้อเยื่อ ความเร็วในการเคลื่อนที่แสดงเป็นระยะทางต่อหน่วยเวลา  ซึ่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของออกซินจะประมาณ 0.5-1.5เซนติเมตรต่อชั่วโมง

                                    การเคลื่อนที่ของออกซินจะเกิดแบบเบสิพีตัลก็เมื่อท่อนเนื้อเยื่อวางอยู่ในลักษณะปกติของลักษณะทางสัณฐานวิทยาเท่านั้น คือ  ก้อนวุ้นที่เป็นก้อนที่รับออกซินจะต้องอยู่ทางด้านโคนของท่อนเนื้อเยื่อ    ถ้าหากกลับท่อนเนื้อเยื่อเอาด้านโคนกลับขึ้นเป็นด้านยอด       การเคลื่อนที่แบบเบสิพีตัลจะลดลงทันที

                        อัตราการเคลื่อนที่ของสารสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติของออกซิน จะช้ากว่าการ     เคลื่อนที่ของ  IAA แต่ลักษณะการเคลื่อนที่ของสารสังเคราะห์ เช่น 2,4-D   IBA  และ NAA ก็เกิดในลักษณะโพลาร์เช่นเดียวกับสาร IAA

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในส่วนที่อยู่เหนือดินของพืช เกิดแบบอะโครพีตัล (Acropetal)  ได้บ้างแต่น้อยมาก  การเคลื่อนที่แบบโพลาร์จะลดลงเมื่ออายุของพืชเพิ่มมากขึ้น  ในปัจจุบันยังไม่ทราบแน่ชัดว่าออกซินเคลื่อนที่ผ่านไปในส่วนใดของเนื้อเยื่ออาจจะเป็นแบบจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งเพราะการเคลื่อนที่ช้ากว่าการเคลื่อนที่ของสารในท่ออาหาร (Phloem) ซึ่งประมาณ 10-100เซนติเมตรต่อชั่วโมง และการเคลื่อนที่ของสารในท่ออาหารจะเป็นแบบอะโครพีตัล    มากกว่า      ดังนั้นออกซินจึงไม่ได้เคลื่อนที่ในท่ออาหาร แต่การเคลื่อนที่ในรากอาจจะเป็นแบบตาม  Phloem   และเป็นที่เด่นชัดว่าออกซินไม่ได้เคลื่อนที่ในท่อน้ำของพืชเพราะการไหลของน้ำจะเป็นไปในทิศทางที่ขึ้นสู่ยอด  และนอกจากนั้นท่อน้ำยังเป็นเนื้อเยื่อที่ตายแล้วไม่มีพลังงานที่จะทำให้ออกซินเคลื่อนที่แบบโพลาร์ได้  ในกรณีของโคลีออพไทล์ของพืชนั้นชี้ให้เห็นว่าออกซินเคลื่อนที่ผ่านเซลล์ทุกเซลล์ลงมา      แต่ในกรณีของลำต้นนั้นยังไม่มีหลักฐานชี้ให้เห็นเด่นชัดนัก     แต่อาจจะเป็นไปได้ว่าโปรแคมเบียม (Procambium) และแคมเบียม (Cambium) โดยเฉพาะส่วนที่จะกลายเป็นท่ออาหารอาจจะเป็นทางเคลื่อนที่ของออกซิน

                        การเคลื่อนที่ของออกซินในรากก็มีลักษณะเป็นโพลาร์  แต่เป็นแบบ อะโครพีตัล ซึ่งกลับกันกับกรณีของลำต้น ความเร็วของออกซินที่เคลื่อนที่ไปในรากพืชประมาณ 1 เซนติเมตรต่อ   ชั่วโมง โดยคาดว่าเกิดในส่วนของแคมเบียมและท่ออาหารที่เกิดใหม่

                       

การเคลื่อนที่ของออกซินเป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงานโดยมีหลักฐานที่สนับสนุนดังนี้

                        1. การเคลื่อนที่เร็วกว่าการซึม 10 เท่า

                        2. เคลื่อนที่ได้ดีในสภาพที่มีออกซิเจนเท่านั้น   และการเคลื่อนที่หยุดได้โดยสารบางชนิด(Inhibitor)

                        3. เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีปริมาณมากไปสู่บริเวณที่มีปริมาณน้อย (Gradient)

                        4. เกิด Saturation Effect ได้

 

กลไกการทำงานของออกซิน

                        โดยทั่วไปฮอร์โมนจะสามารถก่อให้เกิดผลต่อการเจริญเติบโตได้ในปริมาณที่ต่ำมาก จึงสรุปกันว่าการทำงานของฮอร์โมนต้องเกี่ยวข้องกับการขยายสัญญาณของฮอร์โมน (Large Amplification) แล้วฮอร์โมนสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลจำนวนมากขึ้นได้  โดยทั่วไปฮอร์โมนจะมีผลต่อการเจริญเติบโตโดยผ่านมาทางการควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนหรือกรดนิวคลีอิคควบคุม “pace-setter”  ของเอนไซม์และควบคุมการยอมให้สารเข้าออกจากเซลล์ของเยื่อหุ้มเซลล์

                        กลไกในการทำงานของออกซินในระยะที่ผ่านมาจะมีแนวความคิดเป็นสองอย่าง คือ แนวคิดที่เกี่ยวข้องกับผนังเซลล์เป็นส่วนที่รับผลกระทบของออกซินและขยายตัว ส่วนอีกแนวคิดหนึ่งมุ่งไปที่ผลของออกซินต่อเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค ในปัจจุบันได้นำสองแนวคิดมาวิเคราะห์ ร่วมกันเพื่อศึกษากลไกในการทำงานของออกซิน และยังศึกษาผลของออกซินต่อเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย

                       การขยายตัวของเซลล์จะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงปริมาณและกิจกรรมของเอนไซม์ โดยที่ออกซินจะมีบทบาทต่อ กระบวนการเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค โดยการศึกษาจากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อที่เป็นไส้ของต้นยาสูบ (Tobacco Pith)  ซึ่งจะเจริญไปเป็นกลุ่มเนื้อเยื่อ (Callus) นั้นพบว่ามีปริมาณของ RNA เพิ่มมากขึ้น  ทั้งนี้เพราะออกซินจะกระตุ้นให้มีการสังเคราะห์ RNA มากขึ้น  แล้วส่งผลไปถึงการเจริญของกลุ่มเนื้อเยื่อ ถ้าหากใช้สารระงับการสังเคราะห์โปรตีนหรือ RNA ความสามารถในการกระตุ้นการเจริญเติบโตของออกซินจะหายไป

                        การทดลองอีกเรื่องที่ชี้ให้เห็นว่าออกซินกระตุ้นให้มีการสร้าง RNA คือ การใช้นิวเคลียส  หรือโครมาตินเลี้ยงไว้ในสารที่เป็นสารเริ่มต้นของ RNA เช่น ATP  CTP GTP และ UTP ซึ่งสารเริ่มต้นเหล่านี้จะมีสารกัมมันตรังสีปรากฏอยู่ด้วย  RNA ที่เกิดขึ้นมาใหม่จะมีสารกัมมันตรังสีด้วย    ซึ่งการที่จะเกิด RNA ใหม่ขึ้นได้นี้เซลล์จะต้องได้รับออกซินก่อนที่นิวเคลียสหรือโครมาตินจะถูกแยกออกจากเซลล์เท่านั้น   ซึ่งแสดงให้เห็นว่าออกซินไปกระตุ้นการสังเคราะห์  RNA

                        ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าออกซินมีผลต่อระดับเอนไซม์     โดยผ่านทางการสังเคราะห์ RNA นอกจากนั้นออกซินยังมีผลกระทบต่อกิจกรรมของเอนไซม์โดยตรง เช่น การกระตุ้นให้เอนไซม์เกิดกิจกรรมหรือเปลี่ยนรูปมาอยู่ในรูปที่มีกิจกรรมได้   แต่ไม่ว่าออกซินจะมีผลกระทบต่อเอนไซม์แบบใดก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ได้มุ่งความสนใจไปสู่เอนไซม์ที่สัมพันธ์กับกระบวนการขยายตัวของเซลล์      เซลล์พืชจะมีผนังเซลล์อยู่ข้างนอกสุด  ดังนั้นการเจริญของเซลล์จะเกิดขึ้นได้เมื่อคุณสมบัติของผนังเซลล์เปลี่ยนไปในทางที่ก่อให้เกิดการขยายตัวของโปรโตพลาสต์     จากความจริงดังกล่าวการศึกษาทางด้านนี้จึงมุ่งไปสู่ผลกระทบของออกซินต่อคุณสมบัติของผนังเซลล์

                       เซลล์พืชทุกชนิดที่ผ่านขั้นตอนของเนื้อเยื่อเจริญมาแล้วจะผ่านขั้นตอนการ       เจริญเติบโต 2 ขั้น    คือ      การแบ่งเซลล์และการขยายตัวแวคคิวโอขึ้นภายในเซลล์ (Vacuolation) ในการศึกษาการเจริญเติบโตของโคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ต      พบว่าการแบ่งเซลล์จะหยุดเมื่อมีความยาว  10 มิลลิเมตร  การเจริญเติบโตที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นจะเนื่องมาจากการขยายขนาดของเซลล์ ดังนั้นในการศึกษาถึงผลกระทบของออกซินต่อการเจริญเติบโตของพืชจึงเน้นไปที่ผลต่อการขยายตัวของเซลล์ ในระหว่างการขยายขนาดของเซลล์เพราะการขยายตัวของแวคคิวโอ  หรืออาจจะเกิดช่องว่างภายในเซลล์ขึ้น ที่ผนังเซลล์จะเกิดการยืดตัวชนิดที่ไม่สามารถหดได้อีก  มีการทดลองหลายการทดลองสนับสนุนว่าออกซินเพิ่มการยืดตัวของผนังเซลล์ (Plasticity)

                       ในระหว่างการขยายตัวของเซลล์นั้น ไม่เพียงแต่ผนังเซลล์ยืดตัวเท่านั้น แต่ยังมีการเพิ่มความหนาของผนังเซลล์เพราะมีสารใหม่ ๆ  ไปเกาะด้วย      ซึ่งการเจริญดังกล่าวนี้ก็เป็นผลจากการกระตุ้นของออกซิน ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อการยืดตัวของเซลล์หยุดลงแล้ว

                       จากบทที่ 1  ได้กล่าวแล้วว่าผนังเซลล์ประกอบด้วยเซลล์ลูโลสไมโครไฟบริลฝังตัวอยู่ในส่วนที่เป็นแมททริกซ์(Matrix) และโปรตีน    ดังนั้นถ้าพิจารณาดูผนังเซลล์จะมีลักษณะเหมือนคอนกรีตเสริมเหล็กโดยเซลลูโลสจะเป็นส่วนของเหล็ก  โมเลกุลของเซลลูโลสยึดติดกันด้วยแขนไฮโดรเจน  (Hydrogen bond)  ในขณะที่ส่วนของแมททริกซ์เกาะกันด้วยแขนโควาเลนท์(Covalent bond) และในเนื้อเยื่อใบเลี้ยงของพืชใบเลี้ยงคู่ เซลลูโลสเกาะอยู่กับแมททริกซ์โดยแขนไฮโดรเจน   ดังนั้นการที่ออกซินจะทำให้เซลล์ยืดตัวนั้นต้องทำลายแขนเหล่านี้เสียก่อน   ในปัจจุบันเป็นที่ทราบกันแล้วว่าแม้ว่าการขยายตัวของเซลล์เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนและ RNA รวมทั้งพลังงานจากการหายใจก็ตาม  แต่ถ้าให้ออกซินจากภายนอกต่อลำต้นหรือโคลีออพไทล์อัตราการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นหลังจากระยะเวลา “lag” เพียง 2-3 นาทีเท่านั้น ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่การเจริญเติบโตถูกเร่งโดยการเปลี่ยนอัตราของการTranscription และ Translation แต่ดูเหมือนว่าออกซินจะไปมีผลต่อระบบที่ปรากฏอยู่ในพืชแล้ว  (Pre-formed  System)   ดังนั้นจากเหตุผลข้างต้น     การทำลายการเกาะกันของโครงสร้างของผนังเซลล์จะไม่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์

                       ในการทดลองต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้นำเอาโคลีออพไทล์หรือลำต้นที่ไม่ได้รับแสงไปแช่ลงในสภาพที่มี pH ประมาณ3 ปรากฏว่าโคลีออพไทล์และลำต้นสามารถยืดตัวได้ และเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Acid Growth Effect”    ซึ่งให้ผลเหมือนกับการให้ออกซินแก่พืช  การทดลองนี้ได้นำไปสู่การศึกษาที่แสดงว่า ออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ หรือโปรตอนจากเนื้อเยื่อ  ทำให้ pH ของผนังเซลล์ต่ำลง ซึ่งการปลดปล่อย H⁺  นี้ต้องใช้พลังงานจากการหายใจด้วย สมมุติฐานเกี่ยวกับ “Proton-Pump” นี้  คาดว่าเกิดในเยื่อหุ้มเซลล์

                      ในการยอมรับปรากฏการณ์ข้างต้นว่าเป็นการทำงานของออกซินในการกระตุ้นอัตราการเจริญเติบโตของพืช       ต้องสามารถอธิบายเหตุผลว่าออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ ได้อย่างไรหรือทำไมการสังเคราะห์โปรตีนและ RNA จึงจำเป็นต่อการยืดตัวของเซลล์ และการเปลี่ยน pH ทำให้คุณสมบัติของผนังเซลล์เปลี่ยนไปได้อย่างไร

                       คำตอบว่าออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ อย่างไรนั้น  ยังไม่ทราบแน่ชัด ยังต้องมีการทดลองอีกมากเพื่ออธิบาย การเจริญของเซลล์ต้องการ RNA และโปรตีนในช่วงที่เซลล์ยืดตัว เพราะในการยืดตัวของเซลล์นั้นผนังเซลล์ไม่ได้บางลงไป  แต่ยังคงหนาเท่าเดิมหรือหนาขึ้น  ดังนั้นจึงต้องมีการสร้างผนังเซลล์เพิ่มขึ้นด้วย  ในการสร้างผนังเซลล์นั้นต้องใช้เอนไซม์และ RNA    pH ต่ำมีผลต่อการเปลี่ยนคุณสมบัติของผนังเซลล์ในแง่ที่ว่า แขนที่เกาะกันของผนังเซลล์นั้นอาจจะถูกทำลายในสภาพที่ pH ต่ำ   หรืออาจจะเป็น pH  ที่เหมาะสมสำหรับเอนไซม์ ที่จะทำให้ผนังเซลล์เปลี่ยนไป

 

                        การตอบสนองของพืชต่อออกซิน

                        1. การตอบสนองในระดับเซลล์          ออกซินทำให้เกิดการขยายตัวของเซลล์ (Cell enlargement) เช่น ทำให้เกิดการขยายตัวของใบ ทำให้ผลเจริญเติบโต  เช่น กรณีของสตรอเบอรี่  ถ้าหากกำจัดแหล่งของออกซินซึ่งคือส่วนของเมล็ดที่อยู่ภายนอกของผล (ผลแห้งแบบ Achene) จะทำให้เนื้อเยื่อของผลบริเวณที่ไม่มีเมล็ดรอบนอกไม่เจริญเติบโต ออกซินทำให้เกิดการแบ่งเซลล์ได้ในบางกรณี  เช่น  กระตุ้นการแบ่งเซลล์ของแคมเบียมและกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ เช่น กระตุ้นให้เกิดท่อน้ำและท่ออาหาร กระตุ้นให้เกิดรากจากการปักชำพืช    เช่น การใช้ IBA ในการเร่งรากของกิ่งชำ แล้วยังกระตุ้นให้เกิดแคลลัส(Callus) ในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ  แต่การตอบสนองในระดับเซลล์ที่เกิดเสมอคือ การขยายตัวของเซลล์

                        2. การตอบสนองของอวัยวะหรือพืชทั้งต้น

                              2.1  เกี่ยวข้องกับการตอบสนองของพืชต่อแสง  (Phototropism) Geotropism ดังได้กล่าวมาแล้ว

                             2.2  การที่ตายอดข่มไม่ให้ตาข้างเจริญเติบโต         (Apical Dominance)

                           2.3  การติดผล เช่น กรณีของมะเขือเทศ    ออกซินในรูปของ 4 CPA จะเร่งให้เกิดผลแบบ Pathenocarpic และในเงาะถ้าใช้ NAA 4.5 เปอร์เซ็นต์  จะเร่งการเจริญของเกสรตัวผู้ทำให้สามารถผสมกับเกสรตัวเมียได้    ในดอกที่ได้รับ NAA เกสรตัวเมียจะไม่เจริญเพราะได้รับ NAA ที่มีความเข้มข้นสูงเกินไป แต่เกสรตัวผู้ยังเจริญได้ ทำให้การติดผลเกิดมากขึ้น

                          2.4 ป้องกันการร่วงของผลโดยออกซินจะยับยั้งไม่ให้เกิด Abcission layer ขึ้นมา     เช่น การใช้ 2,4-D ป้องกันผลส้มไม่ให้ร่วง หรือ NAA สามารถป้องกันการร่วงของผลมะม่วง

                           2.5  ป้องกันการร่วงของใบ

                           2.6 ในบางกรณีออกซินสามารถทำให้สัดส่วนของดอกตัวเมีย    และตัวผู้เปลี่ยนไปโดยออกซินจะกระตุ้นให้มีดอกตัวเมียมากขึ้น

 

---

 

จิบเบอเรลลิน (Gibberellins)

                        การค้นพบกลุ่มของฮอร์โมนพืชที่ปัจจุบันเรียกว่าจิบเบอเรลลินนั้น เกิดประมาณ     ปี 1920  เมื่อKurosawa นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น ศึกษาในต้นข้าวที่เป็นโรค Bakanae หรือโรคข้าวตัวผู้  ซึ่งเกิดจากเชื้อราGibberella fujikuroi  หรือ  Fusarium moniliforme  ซึ่งทำให้ต้นข้าวมีลักษณะสูงกว่าต้นข้าวปกติ ทำให้ล้มง่าย  จากการศึกษาพบว่า ถ้าเลี้ยงเชื้อราในอาหารเลี้ยงเชื้อเหลวแล้วกรองเอาเชื้อราออกไปเหลือแต่อาหารเลี้ยงเชื้อ เมื่อนำไปราดต้นข้าวจะทำให้ต้นข้าวเป็นโรคได้ จึงเป็นที่แน่ชัดว่า เชื้อราชนิดนี้สามารถสร้างสารบางชนิดขึ้นในต้นพืชหรือในอาหารเลี้ยงเชื้อ ซึ่งกระตุ้นให้ต้นข้าวเกิดการสูงผิดปกติได้     ในปี 1939 ได้มีผู้ตั้งชื่อสารนี้ว่าจิบเบอเรลลิน การค้นพบจิบเบอเรลลิน เกิดขึ้นในช่วงเดียวกับที่พบออกซิน การศึกษาส่วนใหญ่จึงเน้นไปทางออกซิน  ส่วนการศึกษาจิบเบอเรลลินในช่วงแรกจะเป็นไปในแง่ของโรคพืช     ในการศึกษาขั้นแรกค่อนข้างยากเพราะมักจะมีกรดฟิวซาริค (Fusaric Acid) ปะปนอยู่ซึ่งเป็นสารระงับการเจริญเติบโต ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างและส่วนประกอบทางเคมีของจิบเบอเรลลินนั้นได้รับการศึกษาในปี 1954       โดยนักเคมีชาวอังกฤษซึ่งสามารถแยกสารบริสุทธิ์จากอาหารเลี้ยงเชื้อราGibberella fujikuroi และเรียกสารนี้ว่ากรดจิบเบอเรลลิค (Gibberellic Acid)

                        การให้กรดจิบเบอเรลลิคกับพืชที่สมบูรณ์ทั้งต้น จะเร่งให้เกิดการยืดตัวเพิ่มขึ้นของลำต้นและใบอย่างผิดปกติ     การตอบสนองจะปรากฏเด่นชัดเมื่อให้กรดนี้กับพืชที่เตี้ยแคระโดยพันธุกรรม เพราะจะกระตุ้นให้พืชเหล่านี้เจริญสูงตามปกติ        กรดจิบเบอเรลลิคที่พบในอาหารเลี้ยงเชื้อรานั้นมีโครงสร้างทางเคมี และกิจกรรมทางชีววิทยาเหมือนกับกรดจิบเบอเรลลิคในพืชปกติทุก ๆ ชนิด (พืชปกติหมายถึงพืชที่ไม่เป็นโรค) มีสารประกอบประเภทนี้จำนวนมากที่แยกเป็นสารบริสุทธิ์ได้จากพืชชั้นสูง ในปัจจุบันมีจิบเบอเรลลินซึ่งเป็นชื่อเรียกทั่ว ๆ  ไปของสารประกอบประเภทนี้ ประมาณไม่น้อยกว่า 80 ชนิด  ชื่อเรียกสารประกอบชนิดนี้จะตั้งชื่อดังนี้   คือ Gibberellins A₁(GA₁),  A₂,  A₃ เป็นต้น  โดยที่กรดจิบเบอเรลลิค คือ GA₃

                        GA ทุกชนิดจะมีโครงสร้างพื้นฐานของโมเลกุลเป็น Gibberellane Carbon Skeleton ซึ่งจะเหมือนกับกรดจิบเบอเรลลิค จะแตกต่างกันตรงจำนวนและตำแหน่งของกลุ่มที่เข้าแทนที่ในวงแหวนและระดับของความอิ่มตัวของวงแหวนA     GA ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ     19-20 อะตอม        ซึ่งจะรวมกันเป็นวงแหวน 4 หรือ 5  วงและจะต้องมีกลุ่มคาร์บอกซิลอย่างน้อย 1 กลุ่ม โดยใช้ชื่อย่อว่า GA      ซึ่ง GA₃  เป็นชนิดที่พบมากและได้รับความสนใจศึกษามากกว่าชนิดอื่นๆ       GA เป็นฮอร์โมนที่พบในพืชชั้นสูงทุกชนิด นอกจากนั้นยังพบในเฟิร์น สาหร่าย และเชื้อราบางชนิด แต่ไม่พบในแบคทีเรีย

 

                        การสังเคราะห์จิบเบอเรลลิน

                        จิบเบอเรลลินเป็นฮอร์โมนพืชซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีเป็นไดเทอพีนส์ (diterpenes) ซึ่งเป็นสารประกอบที่เกิดตามธรรมชาติในพืช    ในกลุ่มของเทอพีนอยส์ (Terpenoids) การสังเคราะห์ GA จึงเกิดมาจากวิถีการสังเคราะห์สารเทอพีนอยส์   โดยที่มีบางส่วนยังไม่เข้าใจเด่นชัดนัก

                        การสังเคราะห์ GA       สารเริ่มต้นเป็นกรดเมวาโลนิค (Mevalonic Acid) เปลี่ยนไปตามวิถีจนเกิดเป็นกรดคอรีโนอิค (Kaurenoic  Acid) แล้วจึงเปลี่ยนไปเป็น GA ซึ่งวิถีในช่วงที่เปลี่ยนไปเป็น GA ชนิดต่าง ๆ  นี้ยังไม่ทราบแน่ชัดนัก      สารชนิดแรกที่มีวงแหวนของ Gibberellane คือ อัลดีไฮด์ของ GA₁₂

                        ในปัจจุบันมีสารชะงักการเจริญเติบโต เช่น  CCC  หรือ  Cycocel   AM0-1618 Phosfon-Dและ SADH หรือ Alar  ซึ่งใช้กันมากในการเกษตร   สารเหล่านี้บางชนิดสามารถระงับ กระบวนการสังเคราะห์จิบเบอเรลลินได้ เช่น AMO-1618 สามารถระงับการสังเคราะห์จิบเบอเรลลินในอาหารสำรอง (Endosperm) ของแตงกวาป่า  โดยระงับในช่วงการเปลี่ยน Geranylgeranyl pyrophosphate ไปเป็น  Kaurene  ในทำนองเดียวกัน CCC สามารถระงับกระบวนการนี้ได้ด้วย

                        จากการศึกษาโดยวิธี Diffusion Technique    แสดงให้เห็นว่าใบอ่อน       ผลอ่อนและต้นอ่อนเป็นส่วนที่สร้าง  GA ของพืช รากพืชอาจจะสามารถสร้าง GA  ได้บ้าง   แต่ GA    มีผลต่อการเจริญของรากน้อยมาก   และอาจจะระงับการสร้างรากแขนงพวก Adventitious  Root ด้วย ในปัจจุบันยังไม่มีการสังเคราะห์ GA       เนื่องจากกระบวนการสร้างซับซ้อนและต้องใช้เอนไซม์หลายชนิด GA ที่พบในปัจจุบันจึงเป็นสารธรรมชาติทั้งสิ้น

 

                        การสลายตัวของจิบเบอเรลลิน

                        ความรู้ทางด้านนี้ยังมีไม่มากนัก     แต่มีหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าจิบเบอเรลลินมีกิจกรรมทางสรีรวิทยาอยู่ได้เป็นระยะเวลานานในเนื้อเยื่อพืช  ซึ่งตรงกันข้ามกับออกซินที่สลายตัวเร็วในเนื้อเยื่อพืช  และในเนื้อเยื่อพืชที่มีจิบเบอเรลลินอยู่สูงจะไม่แสดงผลเสีย แต่ถ้าเนื้อเยื่อพืชมีปริมาณออกซินสูงเกินไป ออกซินจะทำลายเนื้อเยื่อพืชได้  ซึ่งอาจจะเกิดมาจากการที่ออกซินกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์เอทธิลีนในต้นพืช  อาจจะเป็นด้วยสาเหตุนี้ที่พืชต้องมีกระบวนการสลายออกซินเพื่อไม่ให้มีการสะสมออกซินในต้นพืชมากเกินไป     อย่างไรก็ตามจิบเบอเรลลินสามารถเปลี่ยนจากชนิดหนึ่งไปเป็นจิบเบอเรลลินอีกชนิดหนึ่งได้ในเนื้อเยื่อพืช ยิ่งไปกว่านั้นในเนื้อเยื่อพืชยังมีจิบเบอเรลลินในรูปของไกลโคไซด์(Glycosides)        ซึ่งอาจจะเป็นวิธีการทำให้จิบเบอเรลลินไม่สามารถแสดงคุณสมบัติออกมา    กรดจิบเบอเรลลิค  ซึ่งอยู่ในสภาพสารละลายถูกทำให้สลายตัวได้โดยใช้  Acid  Hydrolysis  ที่อุณหภูมิสูงและได้ผลิตภัณฑ์คือกรดจิบเบอเรลลีนิค  (Gibberellenic   Acid)   และกรดจิบเบอริค (Gibberic Acid)

 

                        การหาปริมาณจิบเบอเรลลิน

                        1. ใช้วิธีโครมาโตกราฟ   เช่น GC หรือ Gas  Chromatograph  และ Paper Chromatograph

                        2. ใช้วิธี Bioassay โดยการที่จิบเบอเรลลินสามารถทำให้พืชแคระ (ข้าวโพดและถั่ว) เจริญเป็นต้นปกติได้ หรือโดยการที่จิบเบอเรลลินสามารถป้องกันการเกิดการเสื่อมสลาย (Senescence)   หรือโดยหาปริมาณจิบเบอเรลลินจากการกระตุ้นให้เมล็ดข้าวบาร์เลย์สร้างเอนไซม์ แอลฟา อะมัยเลส ( a-amylase) ในอาหารสำรอง

 

                     ความสัมพันธ์ของโครงสร้างของโมเลกุลและกิจกรรมของจิบเบอเรลลิน

                        ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของโมเลกุล และกิจกรรมทางสรีรวิทยาของ          จิบเบอเรลลิน ยังมีการศึกษาน้อยกว่าออกซิน ตามที่กล่าวแล้วว่า ในปัจจุบันมีจิบเบอเรลลินมากกว่า 80 ชนิด       ซึ่งได้จากแหล่งในธรรมชาติ เช่นจากGibberella fujikuroi และจากพืชชั้นสูง โครงสร้างของ GA  ต่างชนิดกันจะคล้ายคลึงกันเพราะจะมีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนกันมีลักษณะที่แตกต่างกันที่จำนวนของกลุ่มคาร์บอกซิลและความอิ่มตัวของวงแหวน A ในปัจจุบันความรู้เหล่านี้ทำให้ทราบว่าโมเลกุลที่จะมีคุณสมบัติของจิบเบอเรลลินได้นั้นต้องมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับจิบเบอเรลลินที่เกิดในธรรมชาติ ในทางตรงกันข้ามสารไดเทอร์พีนอยด์ซึ่งเกิดตามธรรมชาติซึ่งเรียกว่าสะตีวีออล (Steviol) ซึ่งไม่มีโครงสร้างพื้นฐานจิบเบน  (Gibbane)     แต่มีคุณสมบัติในการกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชอย่างอ่อน ๆ  คล้ายคลึงกับจิบเบอเรลลิน      อย่างไรก็ตามอาจจะเป็นเพราะว่าการเปลี่ยนสะตีวีออล   โดยเอนไซม์ของพืชไปสู่รูปที่มีกิจกรรมมากกว่าที่จะมีกิจกรรมของฮอร์โมนด้วยตัวเอง

                        เป็นที่สังเกตว่า    จิบเบอเรลลินที่พบในปัจจุบันมีประสิทธิภาพในการกระตุ้นการเจริญเติบโตได้ไม่เท่ากัน และความจริงกิจกรรมของจิบเบอเรลลินซึ่งทดสอบกับพืชต่างชนิดกันหรือคนละพันธุ์กัน สามารถใช้แยกชนิดของจิบเบอเรลลินได้

 

                        การเคลื่อนย้ายของจิบเบอเรลลินในต้นพืช

                        จิบเบอเรลลินสามารถเคลื่อนย้ายหรือเคลื่อนที่ในพืชได้ทั้งทางเบสิพีตัล  และ       อะโครพีตัล และการเคลื่อนที่ไม่มีโพลาริตี้  การเคลื่อนย้ายเกิดขึ้นทั้งในส่วนของท่ออาหารและท่อน้ำ แต่การเคลื่อนที่ของจิบเบอเรลลินจากยอดอ่อนลงมาสู่ส่วนล่างของลำต้นนั้นไม่ได้เกิดในท่อน้ำ      ท่ออาหารเพราะส่วนของยอดอ่อนเป็นส่วนที่ดึงอาหารและธาตุอาหารให้เคลื่อนที่ขึ้นไปแบบ          อะโครพีตัล ดังนั้นจิบเบอเรลลินจึงไม่ได้เคลื่อนที่ทางท่ออาหาร  และยังไม่ทราบวิถีการเคลื่อนที่แน่ชัด

 

                        กลไกในการทำงานของจิบเบอเรลลิน

                        การศึกษาด้านกลไกในการทำงานของจิบเบอเรลลินเกิดจากการที่พบว่ามีระดับของกิจกรรมของเอนไซม์หลายชนิดมีผลกระทบจากปริมาณของจิบเบอเรลลิน เอนไซม์ซึ่งมีกิจกรรมเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับจิบเบอเรลลิน คือ เอนไซม์ แอลฟาและเบตา-อะมัยเลส (a และ b-amylase) โปรตีเอส  (Protease) และไรโบนิวคลีเอส  (Ribonuclease)      ซึ่งพบในเมล็ดข้าวบาร์เลย์ซึ่งกำลังงอก           นอกจากนั้นในพืชบางชนิดยังพบว่ากิจกรรมของไนเตรท  รีดักเตส (Nitrate  Reductase)  และ        ไรบูโลสฟอสเฟสคาร์บอกซิเลส (Ribulose Phosphate Carboxylase) มีกิจกรรมเพิ่มขึ้นด้วย ใน  ต้นอ้อยนั้น พบว่า ผลของจิบเบอเรลลินจะชะลอการสังเคราะห์อินเวอร์เทส (Invertase) และ          เพอรอกซิเดส(Peroxidase) ความสนใจในกลไกการทำงานของจิบเบอเรลลิน  จึงเน้นไปที่          การศึกษาว่าจิบเบอเรลลินควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ได้เพราะเป็นผลเนื่องมาจากเปลี่ยนแปลงการสังเคราะห์โปรตีนโดย RNA

                        การศึกษาตัวอย่างของระดับกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งถูกควบคุมโดยจิบเบอเรลลิน ทำกันมากในเอนไซม์ แอลฟา อะมัยเลส ในเมล็ดข้าวบาร์เลย์      ในเมล็ดข้าวบาร์เลย์ที่แห้งที่ยังไม่ดูดซับน้ำจะไม่มีเอนไซม์แอลฟา อะมัยเลสปรากฏอยู่   เอนไซม์นี้จะปรากฏขึ้นและปลดปล่อยออกมาจากชั้นของอะลีโรนของเมล็ด  เป็นการตอบสนองต่อจิบเบอเรลลินซึ่งสังเคราะห์จากต้นอ่อนที่กำลังงอก เนื้อเยื่อชั้นอะลีโรนซึ่งแยกจากเมล็ดที่ไม่งอกจะมีกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส น้อยมาก แต่ถ้านำเนื้อเยื่อนี้ไปแช่ในจิบเบอเรลลินจะทำให้เกิดการเพิ่มกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลสมากขึ้นโดยเกิดขึ้นหลังจากแช่ไว้นาน 8 ชั่วโมงแล้ว การกระตุ้นให้เกิดการสร้างแอลฟา อะมัยเลสนี้    จะชะงักไปเมื่อใช้สารระงับการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน  รวมอยู่ในสารละลายจิบเบอเรลลิน    ซึ่งจากการทดลองดังกล่าวแสดงว่าจิบเบอเรลลินควบคุมกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส ผ่านทางการสังเคราะห์ RNA สารชะงักการสังเคราะห์ RNA เช่น แอคติโนมัยซิน-ดี (Actinomycin-D) จะชะงักกระบวนการกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA 2-3 ชั่วโมง หลังจากเติมจิบเบอเรลลิน ในขณะที่สารชะงักการสังเคราะห์โปรตีน เช่น ไซโคลเฮคซิไมด์(Cycloheximide)          จะระงับการปรากฏของกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส หลังจากช่วง “lag” เริ่มต้น

                                    กลไกในการทำงานขั้นแรกของจิบเบอเรลลินนั้นจะเปลี่ยนระบบเยื่อหุ้มเซลล์แล้วจึงจะไปมีผลในการกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน นั่นคือในการกระตุ้นระยะสั้นจะเกี่ยวข้องกับระบบเยื่อหุ้มเซลล์ ในระยะยาวจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน กลไกที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนระบบของเยื่อหุ้ม คือ เพิ่มการสังเคราะห์เยื่อหุ้มทำให้เกิดเอนโดพลาสมิคเรตติคิวลัม มากขึ้น   และกระตุ้นการสร้างเวสซิเคิลซึ่งมีเอนไซม์อยู่ภายใน      นอกจากนั้นยังกระตุ้นให้มีการปลดปล่อย แอลฟา อะมัยเลส ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ออกมา

 

                        บทบาทของจิบเบอเรลลินที่มีต่อพืช

                        1. กระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชทั้งต้น        จิบเบอเรลลินมีคุณสมบัติพิเศษ  ซึ่งสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชทั้งต้นได้โดยทำให้เกิดการยืดตัวของเซลล์ ซึ่งผลนี้จะต่างจากออกซินซึ่งสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของชิ้นส่วนของพืชได้ พืชบางชนิดอาจจะไม่ตอบสนองต่อจิบเบอเรลลิน  อาจจะเป็นเพราะว่าในพืชชนิดนั้นมีปริมาณจิบเบอเรลลินเพียงพอแล้ว  จิบเบอเรลลินสามารถกระตุ้นการยืดยาวของช่อดอกไม้บางชนิดและทำให้ผลไม้มีรูปร่างยาวออกมา เช่น องุ่น และแอปเปิล

                        กะหล่ำปลีซึ่งเจริญในลักษณะต้นเตี้ยเป็นพุ่ม (Rosette) มีปล้องสั้นมาก เมื่อให้ GA₃ กับต้นกะหล่ำปลีดังกล่าวจะทำให้สูงขึ้นถึง 2 เมตรได้ ถั่วพุ่มที่ได้รับ GA จะกลายเป็นถั่วเลื้อยได้ พืชซึ่งมีต้นเตี้ยทางพันธุกรรม เช่น ข้าว ข้าวโพด ถั่ว แตงกวาและแตงโมสามารถแสดงลักษณะปกติได้เมื่อได้รับ  GA₃   ในข้าวโพดแคระนั้นพบว่าความผิดปกติเกิดจากยีนส์ควบคุม ซึ่งอาจจะเกี่ยวพันกับวิถีในการสังเคราะห์จิบเบอเรลลิน ส่วนข้าวโพดปกติหากได้รับจิบเบอเรลลินจะไม่สามารถสูงขึ้นได้อีก ดังนั้นในกรณีข้าวโพดการแคระเกิดจากมีปริมาณจิบเบอเรลลินในต้นน้อยเกินไป  แต่อาการแคระของพืชบางชนิด เช่น  Japanese Morning Glory พบว่ามีจิบเบอเรลลินมากพอแล้ว แต่เมื่อได้รับ  จิบเบอเรลลินเพิ่มก็จะสูงขึ้นได้ ในกรณีนี้อาจจะเป็นเพราะในต้นมีปริมาณของสารระงับการ      เจริญเติบโตอยู่สูง

                        2. กระตุ้นการงอกของเมล็ดที่พักตัวและตาที่พักตัว  ตาของพืชหลายชนิดที่เจริญอยู่ในเขตอบอุ่นจะพักตัวในฤดูหนาว เมล็ดของพืชหลายชนิดมีพฤติกรรมเช่นนี้ด้วย    ซึ่งการพักตัวจะลดลงจนหมดไป  เมื่อได้รับความเย็นเพียงพอ    การพักตัวของเมล็ดและตา อันเนื่องมาจากต้องการอุณหภูมิต่ำ   วันยาว   และต้องการแสงสีแดงจะหมดไปเมื่อได้รับจิบเบอเรลลิน

                       3. การแทงช่อดอก    การออกดอกของพืชเกี่ยวข้องกับปัจจัยหลายอย่าง  เช่น อายุ และสภาพแวดล้อม จิบเบอเรลลินสามารถแทนความต้องการวันยาวในพืชบางชนิดได้ และยังสามารถทดแทนความต้องการอุณหภูมิต่ำ(Vernalization)  ในพืชพวกกะหล่ำปลี และแครอท

                   4.จิบเบอเรลลิน   สามารถกระตุ้นการเคลื่อนที่ของอาหารในเซลล์สะสมอาหาร     หลังจากที่เมล็ดงอกแล้ว  เพราะรากและยอดที่ยังอ่อนตัวเริ่มใช้อาหาร เช่น  ไขมัน  แป้ง และโปรตีน จากเซลล์สะสมอาหาร  จิบเบอเรลลินจะกระตุ้นให้มีการย่อยสลายสารโมเลกุลใหญ่ให้เป็นโมเลกุลเล็ก เช่น ซูโครสและกรดอะมิโน ซึ่งเกี่ยวพันกับการสังเคราะห์เอนไซม์หลายชนิดดังกล่าวข้างต้น

                        5. กระตุ้นให้เกิดผลแบบ Parthenocarpic ในพืชบางชนิด เปลี่ยนรูปร่างของใบพืชบางชนิด เช่นEnglish Ivy และทำให้พืชพัฒนาการเพื่อทนความเย็นได้

                        6. พืชที่มีดอกตัวผู้       และตัวเมียแยกกันไม่ว่าจะต้นเดียวกัน   หรือแยกต้นก็ตาม จิบเบอเรลลินสามารถเปลี่ยนเพศของดอกได้  จิบเบอเรลลินมักเร่งให้เกิดดอกตัวผู้         ส่วนออกซิน  เอทธิลีน และไซโตไคนิน มักจะเร่งให้เกิดดอกตัวเมีย  ในแตงกวาดอกล่าง ๆ มักเป็นดอกตัวผู้ และดอกบนเป็นดอกตัวเมีย การให้สารอีธีฟอนจะเร่งให้เกิดดอกตัวเมียขึ้น

 

---

 

ไซโตไคนิน (Cytokinins)

                        การค้นพบฮอร์โมนในกลุ่มนี้เริ่มจากการศึกษาการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ    โดยในปี ค.ศ. 1920 Haberlandt ได้แสดงให้เห็นว่ามีสารชนิดหนึ่งเกิดอยู่ในเนื้อเยื่อพืชและกระตุ้นให้เนื้อเยื่อพาเรนไคมาในหัวมันฝรั่งกลับกลายเป็นเนื้อเยื่อเจริญได้  ซึ่งแสดงว่าสารชนิดนี้สามารถกระตุ้นให้มีการแบ่งเซลล์  ต่อมามีการพบว่าน้ำมะพร้าวและเนื้อเยื่อของหัวแครอทมีคุณสมบัติในการกระตุ้นการแบ่งเซลล์เช่นกัน

                        นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน เช่น Skoog และ Steward   ทำการทดลองในสหรัฐอเมริกา    โดยศึกษาความต้องการสิ่งที่ใช้ในการเจริญเติบโตของกลุ่มก้อนของเซลล์ (Callus) ซึ่งเป็นเซลล์ที่แบ่งตัวอย่างรวดเร็ว  แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพเกิดขึ้นของ pith  จากยาสูบและรากของแครอท  จากผลการทดลองนี้ทำให้รู้จักไซโตไคนินในระยะปี   ค.ศ. 1950    ซึ่งเป็นฮอร์โมนพืชที่จำเป็นต่อการแบ่งเซลล์และการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของเนื้อเยื่อ            ในปัจจุบันพบว่าไซโตไคนิน  ยังเกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพ (Senescence) และการควบคุมการเจริญของตาข้างโดยตายอด (Apical Dominance)

                        จากการศึกษาของ Skoog โดยเลี้ยงเนื้อเยื่อ pith ของยาสูบ พบว่าการที่เนื้อเยื่อจะเจริญต่อไปได้นั้นจะต้องมีอาหารและฮอร์โมน เช่น ออกซิน โดยถ้าให้ออกซินในอาหารจะมีการเจริญของเนื้อเยื่อนั้นน้อยมาก  เซลล์ขนาดใหญ่เกิดขึ้นโดยไม่แบ่งเซลล์     นอกจากนั้นจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ อย่างไรก็ตามหากเพิ่มพิวรีน เบส (Purine Base) ชนิดอะดีนีน(Adenine) ลงไปในอาหารรวมกับ IAA พบว่า  เนื้อเยื่อจะกลายเป็นกลุ่มเซลล์ (Callus) ถ้าใส่อะดีนีนอย่างเดียวรวมกับอาหาร    เนื้อเยื่อจะไม่สร้างกลุ่มเซลล์ขึ้นมา  ดังนั้นจึงมีปฏิสัมพันธ์ (Interaction) ระหว่าง อะดีนีน และ IAA  ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการแบ่งเซลล์ขึ้น        อะดีนีนเป็นพิวรีนเบส        ซึ่งมีสูตรเป็น   6-อะมิโนพิวรีน (6-aminopurine) และปรากฏอยู่ในสภาพธรรมชาติโดยเป็นส่วนประกอบของกรด นิวคลีอิค

                        ในปี 1955 Miller              ได้แยกสารอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายคลึงแต่มีประสิทธิภาพดีกว่าอะดีนีน  ซึ่งได้จากการสลายตัวของ DNA ของสเปิร์มจากปลาแฮร์ริง   สารชนิดนี้ คือ 6-(furfuryl-amino) purineซึ่งมีสูตรโครงสร้างคล้ายอะดีนีน  เนื่องจากสารชนิดนี้สามารถกระตุ้นให้เกิดการแบ่งเซลล์โดยร่วมกับออกซิน จึงได้รับชื่อว่าไคเนติน(Kinetin)

                       ไคเนติน เป็นสารที่ไม่พบตามธรรมชาติในต้นพืช แต่เป็นสารสังเคราะห์  ต่อมาได้มีการค้นพบไซโตไคนินสังเคราะห์อีกหลายชนิด      สารสังเคราะห์ที่มีกิจกรรมของไซโตไคนินสูงที่สุดคือ เบนซิลอะดีนีน (Benzyladenine หรือ BA) และเตตระไฮโดรไพรานีลเบนซิลอะดีนีน (tetrahydropyranylbenzyladenine หรือ PBA)

 

                        ไซโตไคนินที่พบในพืช

                       แม้ว่าไคเนติน BA และ PBA  เป็นสารที่ไม่พบในต้นพืช    แต่สารซึ่งพบในอวัยวะของพืชหลายชนิด เช่น ในน้ำมะพร้าว ในผลอ่อนของข้าวโพด ให้ผลทางสรีรวิทยาและสัณฐานวิทยาที่คล้ายคลึงกับสาร BA และ PBA สารที่เกิดตามธรรมชาติและสารสังเคราะห์หลายชนิด ซึ่งมี       คุณสมบัติเหมือนไคเนตินนั้น เรียกโดยทั่วๆ ไปว่า ไซโตไคนิน ซึ่งเป็นสารที่เมื่อมีผลร่วมกับออกซินแล้วจะเร่งให้เกิดการแบ่งเซลล์ในพืช

                       มีหลักฐานเด่นชัดชี้ว่าไซโตไคนินที่เกิดในธรรมชาติเป็นสารประกอบพิวรีน         ในปี 1964  Letham    ได้แยกไซโตไคนินชนิดหนึ่งจากเมล็ดข้าวโพดหวาน และพบว่า เป็นสาร          6-(4-hydroxy-3-methyl but-2-enyl) aminopurine  ซึ่ง Letham ได้ตั้งชื่อว่า ซีเอติน (Zeatin)

                       นับตั้งแต่มีการแยกไซโตไคนินชนิดแรกคือซีเอตินแล้ว    ก็มีการค้นพบไซโตไคนิน อีกหลายชนิดซึ่งทุกชนิดเป็นอนุพันธ์ของอะดีนีน คือ เป็น 6-substituted amino purines ซีเอตินเป็นไซโตไคนินธรรมชาติซึ่งมีประสิทธิภาพสูงที่สุด

                       

การสังเคราะห์ไซโตไคนิน

                       การสังเคราะห์ไซโตไคนินในต้นพืชเกิดโดยการ substitution ของ side chain  บนคาร์บอนอะตอมที่ 6 ของอะดีนีน ซึ่ง side chain  ของไซโตไคนินในสภาพธรรมชาติ ประกอบด้วยคาร์บอน 5 อะตอม   จึงเป็นการชี้ให้เห็นว่าเกิดมาจากวิถีการสังเคราะห์ ไอโซพรีนอยด์  (Isoprenoid) ต่อมาพบว่า กลุ่มของไซโตไคนิน  เกิดขึ้นบน t-RNAได้ และเมื่อใช้เมวาโลเนต (Mavalonate หรือ MVA)     ที่มีสารกัมมันตรังสี จะสามารถไปรวมกับกลุ่ม   อะดีนีนของ t-RNA เกิดเป็นไดเมทธิลอัลลิล (Dimethylallyl side chain) เกาะด้านข้าง  ในเชื้อรา Rhizopus นั้นDimethylallyl adenine สามารถเปลี่ยนไปเป็น Zeatin ได้ จึงคาดกันว่า Zeatin อาจจะเกิดจากการออกซิไดซ์ Dimethylallyl adenine

                       การเกิดกลุ่มของไซโตไคนินใน t-RNA นี้ หมายความว่า ไซโตไคนิน  อาจจะเกิดขึ้นมาจากการสลายตัวของ  t-RNA   ซึ่งความเป็นจริงก็พบเหตุการณ์ดังกล่าวบ้าง  อย่างไรก็ตามยังมีข้อสงสัยอีกมากที่เกี่ยวข้องกับการเกิดไซโตไคนินจาก t-RNA  อาจจะมีวิถีเฉพาะที่ก่อให้เกิดการสังเคราะห์ไซโตไคนิน  ดังแสดงในรูปที่ 12.4  ซึ่งเป็นวิถีที่แยกอย่างเด็ดขาดจากการเกิดไซโตไคนินโดยการสลายตัวของt-RNA

                       พบไซโตไคนินมากในผลอ่อนและเมล็ด   ในใบอ่อนและปลายรากซึ่งไซโตไคนิน อาจจะสังเคราะห์ที่บริเวณดังกล่าวหรืออาจจะเคลื่อนย้ายมาจากส่วนอื่น ๆ   ในรากนั้นมีหลักฐานที่ชี้ให้เห็นว่าไซโตไคนินสังเคราะห์ที่บริเวณนี้ได้เพราะเมื่อมีการตัดรากหรือลำต้น พบว่าของเหลวที่ไหลออกมาจากท่อน้ำจะปรากฏไซโตไคนินจากส่วนล่างขึ้นมา   ติดต่อกันถึง 4 วัน  ซึ่งอาจจะเป็นไปได้ว่าไซโตไคนินสังเคราะห์ที่รากแล้วส่งไปยังส่วนอื่น ๆ  โดยทางท่อน้ำ  หลักฐานที่แสดงว่าสังเคราะห์ที่ส่วนอื่นยังไม่พบและการเคลื่อนย้ายของไซโตไคนินจากส่วนอ่อน เช่น ใบ เมล็ด ผล ยังเกิดไม่ดีและไม่มาก

 

 

การสลายตัวของไซโตไคนิน

                        ไซโตไคนินสามารถถูกทำลายโดยการออกซิเดชั่น ทำให้ side chain หลุดจากกลุ่มอะดีนีน   ติดตามด้วยการทำงานของเอนไซม์  แซนทีนออกซิเดส   (Xanthine Oxidase) ซึ่งสามารถออกซิไดซ์  พิวรีนเกิดเป็นกรดยูริค(Uric Acid) และกลายเป็นยูเรียไปในที่สุด อย่างไรก็ตามในใบพืชไซโตไคนินอาจจะถูกเปลี่ยนไปเป็นกลูโคไซด์     โดยน้ำตาลกลูโคสจะไปเกาะกับตำแหน่งที่  7  ของอะดีนีนเกิดเป็น 7-กลูโคซีลไซโตไคนิน (7-glucosylcyto- kinins)  หน้าที่ของไซโตไคนิน  กลูโคไซด์ ยังไม่ทราบแน่ชัดนัก อาจจะเป็น “detoxification” ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมทางเมตาบอลิสม์หรืออาจจะเป็นรูปที่ไซโตไคนินอาจจะถูกปลดปล่อยออกมาในบางสภาวะได้    จากการศึกษาโดยใช้ Radioactive BA พบว่าสามารถสลายตัวกลายเป็นกรดยูริคแล้วอาจจะรวมกับ RNA ได้

 

                        การเคลื่อนที่ของไซโตไคนิน

                        ยังไม่มีหลักฐานว่าเคลื่อนที่อย่างไรแน่        จากการทดลองพบว่าระบบรากเป็นส่วนสำคัญในการส่งไซโตไคนินไปยังใบ และป้องกันการเสื่อมสลายของใบก่อนระยะอันสมควร เป็นหลักฐานที่สำคัญที่ชี้ให้เห็นว่า ไซโตไคนินมีการเคลื่อนที่ขึ้นสู่ยอด    ยิ่งไปกว่านั้นยังพบไซโตไคนินในท่อน้ำ  ซึ่งมาจากระบบรากด้วย  ในทางตรงกันข้ามไซโตไคนินซึ่งพบที่ผลซึ่งกำลังเจริญเติบโตไม่เคลื่อนที่ไปส่วนอื่นเลย   ในทำนองเดียวกันจากการศึกษากับการให้ไซโตไคนินจากภายนอก เช่นให้ไคเนติน พบว่าจะไม่เคลื่อนย้ายเป็นเวลานาน  แม้ว่าสารอื่น ๆ จะเคลื่อนย้ายออกจากจุดนี้ก็ตาม  มีหลักฐานจำนวนมากชี้ให้เห็นว่าไซโตไคนินอาจจะเคลื่อนย้ายในรูปที่รวมกับสารอื่น ๆ เช่น น้ำตาล(Ribosides หรือ glucosides)  ซึ่งไซโตไคนินในรูปที่รวมกับน้ำตาลนั้นพบเสมอในท่อน้ำท่ออาหาร

                        ในการให้ไฃโตไคนินกับตาข้างเพื่อกำจัด Apical dominance นั้น พบว่าไซโตไคนินจะไม่เคลื่อนที่เลยเป็นระยะเวลานานมาก ในการทดลองกับ BA พบว่า BA สามารถเคลื่อนที่ผ่านก้านใบและมีลักษณะแบบ Polar เหมือนกับออกซิน ในทุกการศึกษาพบว่า       ไซโตไคนินในใบจะไม่เคลื่อนที่รวมทั้งในผลอ่อนด้วย    ส่วนผลของรากในการควบคุมการเจริญเติบโตของส่วนเหนือดินอาจจะอธิบายได้ถึงไซโตไคนินที่เคลื่อนที่ในท่อน้ำ ซึ่งพบเสมอในการทดลองว่าไซโตไคนินสามารถเคลื่อนที่จากส่วนรากไปสู่ยอด          แต่การเคลื่อนที่แบบ Polar ยังไม่เป็นที่ยืนยันการเคลื่อนที่ของไซโตไคนินในพืชยังมีความขัดแย้งกันอยู่บ้าง

 

                        การหาปริมาณของไซโตไคนิน

                        1. ใช้ Tobacco callus test   โดยให้ไซโตไคนินกระตุ้นการเจริญของ tobacco pith cell โดยการชั่งน้ำหนักเนื้อเยื่อพืชที่เพิ่มขึ้น  แต่เป็นวิธีที่ใช้เวลานาน

                      2. Leaf senescence test ไซโตไคนินทำให้คลอโรฟิลล์ไม่สลายตัวในแผ่นใบที่ลอยอยู่ในสารละลายไซโตไคนินในที่มืด แล้วหาจำนวนของคลอโรฟิลล์ที่เหลืออยู่           หลังจากลอยไว้ 3-4 วัน วิธีนี้ให้ผลไม่ดีเท่าวิธีแรก

                        กลไกการทำงานของไซโตไคนิน

                       ไซโตไคนินมีบทบาทสำคัญคือควบคุมการแบ่งเซลล์   และไซโตไคนินที่เกิดในสภาพธรรมชาตินั้นเป็นอนุพันธ์ของอะดีนีนทั้งสิ้น ดังนั้นงานวิจัยเกี่ยวกับกลไกการทำงานจึงมีแนวโน้มในความสัมพันธ์กับกรดนิวคลีอิค     กลไกการทำงานของไซโตไคนินยังไม่เด่นชัดเหมือนกับออกซิน และจิบเบอเรลลิน แต่ไซโตไคนินมีผลให้เกิดการสังเคราะห์ RNA  และโปรตีนมากขึ้นในเซลล์พืช  ผลการทดลองบางรายงานกล่าวว่า หลังจากให้ไซโตไคนินกับเซลล์พืชแล้วจะเพิ่มปริมาณของ m-RNA,       t-RNA และ r-RNA

                        การศึกษากลไกการทำงานของไซโตไคนิน ในช่วงทศวรรษ 1960 ได้เน้นไปในแง่ที่ว่าไซโตไคนินอาจจะส่งผลของฮอร์โมนผ่าน t-RNA บางชนิด เนื่องจากมีการค้นพบว่ามีกลุ่มไซโตไคนินปรากฏอยู่ร่วมกับ t-RNA หลายชนิด ทั้ง t-RNA ของซีรีน(Serine) และไธโรซีน (Thyrosine) มี        อะดีนีนเบสซึ่งมี side chain และมีคุณสมบัติเป็นไซโตไคนินซึ่งมีประสิทธิภาพสูง       ยิ่งไปกว่านั้นในกรณี อะดีนีนซึ่งมีคุณสมบัติของไซโตไคนินจะอยู่ถัดจากแอนติโคดอน (Anticodon) ของ t-RNA  จึงเป็นที่เชื่อกันว่าการปรากฏของไซโตไคนินบน t-RNA อาจจะจำเป็นต่อการเกาะกันของโคดอน (Codon) และแอนติโคดอนระหว่างm-RNA และ t-RNA  บนไรโบโซม   ซึ่งสมมุติฐานที่ว่าไซโตไคนินควบคุมกระบวนการ Translation ผ่านทาง t-RNA จึงได้รับความเชื่อกันมากในขณะนั้น

                        อย่างไรก็ตามสมมุติฐานนี้ ในเวลาต่อมาได้รับการวิจารณ์อย่างรุนแรง  เช่นในการสังเคราะห์ t-RNA ตามปกตินั้น อาจจะเกิดการเปลี่ยนรูปของเบส หลังจากที่มีโพลีนิวคลีโอไทด์ (Polynucleotide) แล้ว       ซึ่งหมายความว่า side chain  บนตำแหน่งที่ 6 ของอะดีนีนนั้นเกิดขึ้นหลังจากที่อะดีนีนได้อยู่บน t-RNA เรียบร้อยแล้ว ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่ไคเนตินและซีเอตินหรือไซโตไคนินอื่นๆ จะเข้าร่วมกับ t-RNA   ในรูปที่เป็นโมเลกุลที่สมบูรณ์ หลักฐานอีกข้อที่ไม่สนับสนุนสมมุติฐานนี้คือ การพบว่า t-RNA ของเมล็ดข้าวโพดซึ่งมีซีส-ซีเอติน (Cis-Zeatin) ในขณะที่ไซโตไคนินที่เกิดในธรรมชาติในเมล็ดเดียวกันเป็นทรานส์-ซีเอติน(trans-Zeatin)         ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะเชื่อว่าไซโตไคนินเป็นสารเริ่มต้นของการสังเคราะห์ t-RNA แม้ว่างานทดลองจะยังสับสนและขัดแย้งกัน      แต่โดยทั่วไปการรวมของไซโตไคนินเข้าไปใน t-RNA  นั้นเกิดในอัตราที่ต่ำมากจนไม่น่าเชื่อสมมุติฐานดังกล่าว

                        งานวิจัยได้เปลี่ยนแนวและสนับสนุนว่าไซโตไคนินอาจจะทำงานโดยควบคุม        กิจกรรมของเอนไซม์โดยตรงมากกว่าที่จะเกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ ไซโตไคนินมีอิทธิพลต่อเอนไซม์หลายชนิด เช่น ไคเนส (Kinases) ที่ใช้ในกระบวนการหายใจ นอกจากนั้นกิจกรรมของเอนไซม์ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงก็เพิ่มขึ้น

 

 

                        ผลของไซโตไคนิน

                        1. กระตุ้นให้เกิดการแบ่งเซลล์และการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพใน   tissue culture   โดยต้องใช้ร่วมกับ Auxin      ในการเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชนั้นหากให้ฮอร์โมน     ไซโตไคนินมากกว่าออกซิน จะทำให้เนื้อเยื่อนั้นเจริญเป็น ตา ใบ และลำต้น แต่ถ้าหากสัดส่วนของออกซินมากขึ้นกว่าไซโตไคนินจะทำให้เนื้อเยื่อนั้นสร้างรากขึ้นมา  การ differentiate  ของตาในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อจาก Callus จากส่วนของลำต้นนั้น auxin จะระงับ และไซโตไคนินนั้นจะกระตุ้นการเกิด และต้องมีความสมดุลระหว่างไซโตไคนินและออกซินชิ้นเนื้อเยื่อจึงจะสร้างตาได้

                        2. ชะลอกระบวนการเสื่อมสลาย  เช่น กรณีของใบที่เจริญเต็มที่แล้วถูกตัดออกจากต้น  คลอโรฟิลล์ RNA  และโปรตีนจะเริ่มสลายตัวเร็วกว่าใบที่ติดอยู่กับต้น   แม้จะมีการให้อาหารกับใบเหล่านี้ก็ตาม   ถ้าหากเก็บใบเหล่านี้ไว้ในที่มืดการเสื่อมสลายยิ่งเกิดเร็วขึ้น  อย่างไรก็ตามหากใบเหล่านี้เกิดรากขึ้นที่โคนใบหรือก้านใบ จะทำให้การเสื่อมสลายเกิดช้าลง  เพราะไซโตไคนินผ่านขึ้นมาจากรากทางท่อน้ำ อย่างไรก็ตามการให้ไซโตไคนินกับใบพืชเหล่านี้จะชะลอการเสื่อมสลายได้เหมือนกับรากเช่นกัน   นอกจากนั้นไซโตไคนินยังทำให้มีการเคลื่อนย้ายอาหารจากส่วนอื่นมายังส่วนที่ได้รับไซโตไคนินได้ เช่น กรณีของใบอ่อนซึ่งมีไซโตไคนินมากกว่าใบแก่จะสามารถดึงอาหารจากใบแก่ได้

                        ในกรณีเชื้อราที่ทำให้เกิดโรคราสนิม  ซึ่งทำให้เกิดการตายของเนื้อเยื่อแล้วบริเวณเนื้อเยื่อที่ตายจะเกิดสีเขียวล้อมรอบขึ้นมาซึ่งบริเวณสีเขียวนี้มีแป้งสะสมมากแม้กระทั่งส่วนอื่นๆ  ของใบตายไปแล้ว       ส่วนสีเขียวอาจจะยังคงอยู่ ลักษณะนี้เรียกว่า GreenIsland  ซึ่งบริเวณนี้จะมี   ไซโตไคนินสูง   คาดว่าเชื้อราสร้างขึ้นมาเพื่อดึงอาหารมาจากส่วนอื่น

                        3. ทำให้ตาข้างแตกออกมาหรือกำจัดลักษณะ Apical Dominanceได้      การเพิ่ม     ไซโตไคนินให้กับตาข้างจะทำให้แตกออกมาเป็นใบได้  ทั้งนี้เพราะตาข้างจะดึงอาหารมาจากส่วนอื่นทำให้ตาข้างเจริญได้ เชื้อจุลินทรีย์บางชนิดสามารถสร้างไซโตไคนินกระตุ้นให้พืชเกิดการแตกตาจำนวนมากมีลักษณะผิดปกติ เช่น โรค Fascination   นอกจากนั้นยังเร่งการแตกหน่อของพืช เช่น บอน และโกสน

                       4. ทำให้ใบเลี้ยงคลี่ขยายตัว    กรณีเมล็ดของพืชใบเลี้ยงคู่งอกในความมืด ใบเลี้ยงจะเหลืองและเล็ก   เมื่อได้รับแสงจึงจะขยายตัวขึ้นมา   ซึ่งเป็นการควบคุมของไฟโตโครม  แต่ถ้าหากให้ไซโตโคนินโดยการตัดใบเลี้ยงมาแช่ในไซโตไคนิน ใบเลี้ยงจะคลี่ขยายได้เช่นกัน  ลักษณะดังกล่าวพบกับ  แรดิช  ผักสลัด  และแตงกวา   ออกซินและจิบเบอเรลลินจะไม่ให้ผลดังกล่าว

                      5. ทำให้เกิดการสร้างคลอโรพลาสต์มากขึ้น     ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพอย่างหนึ่ง เช่น เมื่อCallus ได้รับแสงและไซโตไคนิน      Callus  จะกลายเป็นสีเขียว เพราะพลาสติคเปลี่ยนเป็นคลอโรพลาสต์ได้  โดยการเกิดกรานาจะถูกกระตุ้นโดยไซโตไคนิน

                      6. ทำให้พืชทั้งต้นเจริญเติบโต

                      7. กระตุ้นการงอกของเมล็ดพืชบางชนิด

 

 

---

 

กรดแอบซิสิค (Abscisic Acid) หรือ ABA

                        ในการศึกษาถึงการร่วงของใบ การพักตัวของตาและเมล็ดในช่วงปี ค.ศ. 1950-1960 นั้น    ชี้ให้เห็นว่าเป็นไปได้ว่ามีสารระงับการเจริญปรากฏอยู่ในต้นพืช โครงสร้างของสารเคมี ดังกล่าวถูกค้นพบในปี 1965   ในผล และใบของฝ้าย              สารเคมีดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า กรดแอบซิสิค หรือ ABA และพบว่าเป็นสารจำพวกเซสควิเทอร์พีนอยด์

                                    โมเลกุลของ  ABA ประกอบด้วย asymmetric carbon atom   จึงสามารถแสดงลักษณะของ  optical isomerism ได้  อย่างไรก็ตามในสภาพธรรมชาติ ABA จะเกิดเพียงชนิด (+)enantiomorph เท่านั้น ABA ยังแสดงลักษณะ geometric isomerism ได้ด้วย side chain จะเป็น trans รอบๆ คาร์บอนตำแหน่งที่ 5  เสมอ แต่โมเลกุลสามารถเป็นได้ทั้ง cis- หรือ trans รอบๆ คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 ABA ส่วนใหญ่ที่พบในพืชจะเป็น  (+)-2-cis ABA แม้ว่าจะพบ (+)-2-trans ABA  บ้างแต่น้อยมาก ดังนั้นรูป (+)-2-cis ของABA จึงมักหมายถึง ABA ทั่ว ๆ ไป

                        ABA ถูกแยกออกจากพืชหลายชนิดทั้งแองจิโอสเปิร์มส์ จิมโนสเปิร์มส์       เฟินและมอส(Angiosperms, Gymnosperms, Ferns และ Mosses)

         

การสังเคราะห์ ABA

                        ABA  เป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 15  อะตอมและเป็นเซสควิเทอร์พีนอยด์ ดังนั้นวิถีการสังเคราะห์จึงใช้วิถีของการสังเคราะห์สารเทอร์พีนอยด์   โดยสังเคราะห์จากกรดเมวาโลนิคเปลี่ยนไปจนเป็นฟาร์นีซีล ไพโรฟอสเฟต (FarnesylPyrophosphate) อย่างไรก็ตามคาร์โรทีนอยส์ที่มีคาร์บอน 40 อะตอม เช่น ไวโอลาแซนธิน (Violaxanthin)สามารถถูกออกซิไดซ์ โดยใช้แสงเกิดเป็นสารที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับ ABA  และกลายเป็น  ABA ในที่สุด แต่ในกระบวนการดังกล่าวต้องการแสงมาก แต่การเพิ่ม ABA  บางกรณี เช่น ABA ซึ่งเกิดขึ้นในพืชที่ไม่ได้รับแสง (etiolated plant) เมื่อพืชเหล่านี้ขาดน้ำแม้ในสภาพความมืด  ABA จะเพิ่มปริมาณมากขึ้น ดังนั้นจึงไม่น่าเป็นไปได้ว่า ABA  เกิดจากคาร์โรทีนอยส์    ดังนั้นการเกิด ABA จึงเกิดจากวิถีที่สังเคราะห์สารเทอร์พีนอยด์ จากกรดเมวาโลนิค ผ่านฟาร์นีซีล ไพโรฟอสเฟตโดยอาจจะมี ABA  เกิดจากคาร์โรทีนอยด์ได้บ้าง  เล็กน้อยในเนื้อเยื่อบางชนิด

                        ABA สังเคราะห์ในใบแก่และผลแก่  และจะถูกกระตุ้นให้สังเคราะห์เมื่อขาดน้ำ โดยการสังเคราะห์เกิดในคลอโรพลาสต์   ดังนั้น ใบ   ลำต้น และผลไม้สีเขียวจึงสังเคราะห์ ABA ได้    นอกจากนั้นแหล่งอาหารสำรองและรากของข้าวสาลีก็สามารถสังเคราะห์ABA ได้  เมื่อเกิดการสังเคราะห์ ABA แล้ว ABA จะเคลื่อนย้ายจากใบไปสู่ส่วนอื่นๆ เช่น ยอดและไประงับการเจริญที่บริเวณนั้น อาจจะกระตุ้นให้เกิดการพักตัวของตาในเมล็ดอาจจะมีการสังเคราะห์ ABA ได้บ้าง หรืออาจจะเป็น ABA ซึ่งส่งจากใบ  แต่ในเมล็ดมักจะมีปริมาณของ ABA อยู่มาก

                        เพราะว่าระดับ  ABA ภายในต้นพืชมีปริมาณขึ้น ๆ ลง ๆ    ตามอัตราการเจริญ      พลังงานที่ทำงานได้ของน้ำในต้นพืช และฤดูกาล   ดังนั้นแสดงว่าในต้นพืชต้องมีการทำลาย ABA ด้วย แต่กลไกการทำลายยังไม่ทราบแน่ชัดนัก แต่พบว่าถ้าหากให้¹⁴C-ABA  แก่พืช  ABA  ดังกล่าวจะเปลี่ยนไปเป็นกลูโคสเอสเตอร์ของ  ABA  อย่างรวดเร็ว  (Glucose Ester) ซึ่งค่อนข้างจะเสถียรในต้นพืชและยังมีกิจกรรมคล้ายคลึงกับ ABA           ส่วนการสลายตัวของ ABA นั้น  เกิดขึ้นโดยเกิดไฮดรอกซีเลชั่นและออกซิเดชั่นของกลุ่มเมทธิลที่เกาะอยู่กับวงแหวน 

                        ลักษณะภายใต้ความเครียดของพืช เช่น ขาดน้ำ ขาดอาหาร น้ำท่วม จะกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์ ABA เพิ่มขึ้น ดังนั้น ABA อาจจะเพิ่มความต้านทานต่อความเครียดให้พืชได้

 

                        การหาปริมาณ ABA

                        1. Bioassay  โดยทดสอบการยับยั้งการยืดตัวของโคลีออพไทล์ของพืชใบเลี้ยงเดี่ยว หรือใช้ใบของCommelina ลอยใน ABA ในบรรยากาศที่ไม่มี CO₂ จะทำให้ปากใบปิด

                        2. ใช้ Gas chromatograph นับว่าใช้ได้ผลดีกว่าฮอร์โมนชนิดอื่นเพราะมีคุณสมบัติ ในการจับอีเลคตรอนได้ดีและดูดกลืนแสงอุลตราไวโอเล็ตได้

        

                        ความสัมพันธ์ของโครงสร้างและกิจกรรมของ ABA

                        ทั้ง ABA ที่เกิดตามธรรมชาติ (+) type dextrorotary  และสังเคราะห์ (-)  เป็นoptical  enantiomers  กัน  มีประสิทธิภาพต่อพืชเท่ากันแต่   2-cis geometric isomerเท่านั้นที่มีคุณสมบัติของฮอร์โมน     จากการสกัด ABA ในพืชนั้น พบว่ามี  2-trans isomer อยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น  และอาจจะเป็นไปได้ว่าเปลี่ยนแปลงมาจาก 2-cis ในระหว่างกระบวนการสกัด ส่วนลักษณะของโครงสร้างอื่น ๆ  ที่จำเป็นต่อคุณสมบัติของ ABA นั้น ยังไม่ทราบแน่ชัดนัก นอกจากว่าวงแหวนต้องมี double bond

 

                        การสลายตัวของ ABA

                        1. เมื่อ ABA  เปลี่ยนจากรูปของ cis ไปเป็น trans isomer  ก็จะหมดคุณสมบัติในการทำให้พืชตอบสนองทางสรีรวิทยา

                        2. ถูกออกซิไดซ์กลายเป็น Phaseic acid

                        3. เกิดเป็นรูปที่รวมกับสารอื่น เช่น เกิด Glucose ester

                        4. เกิดเป็นสารประกอบกลุ่ม Methyl ester  ซึ่งอาจจะยังมีผลต่อการตอบสนองของพืชบ้าง แต่น้อยลง และไม่กระตุ้นให้เกิดการปิดของปากใบ

 

                        การเคลื่อนที่ของ ABA

                        การให้ ABA  แก่ใบแก่หรือรากจะก่อให้เกิดการหยุดการเจริญเติบโตกับส่วนอื่น ๆ ของพืชได้ จึงแสดงให้เห็นว่า ABAเคลื่อนที่ได้  และจากการศึกษาพบว่าเคลื่อนที่ได้ในทุกทิศทางโดยไม่มีโพลารีตี้ แต่ในราก ABA อาจจะเคลื่อนที่ในลักษณะเบสิพีตัล และโดยทั่ว ๆ ไป ABA อาจจะเคลื่อนที่ไปในท่อน้ำและท่ออาหาร พบ ABA มากที่ใบแก่    ผลแก่ และพืชที่ขาดน้ำ

 

                        กลไกในการทำงานของ ABA

                        ABA มีกลไกการทำงานคล้ายคลึงกับฮอร์โมนพืชชนิดอื่นๆ  คือจะเปลี่ยนระดับและกิจกรรมของเอนไซม์ในรูปเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค     ABA สามารถชะงักการปรากฏของแอลฟาอะมัยเลสในเซลล์อะลีโรนของข้าวบาร์เลย์ได้

                        ในทำนองเดียวกันกลไกของการทำงานของ ABA  คล้ายคลึงกับฮอร์โมนชนิดอื่นๆ คือ เกี่ยวข้องกับการควบคุมเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค และการสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งการควบคุมอาจจะเกิดได้หลายวิธี เช่น ABA กระตุ้นกิจกรรมของเอนไซม์ไรโบนิวคลีเอส(Ribonuclease) หรือ RNase ซึ่งจะทำลาย RNA   ทำให้อัตราการสังเคราะห์โปรตีนลดลง แต่อย่างไรก็ตามมีข้อขัดแย้งว่า ABAสามารถลดการสังเคราะห์ RNA ลงได้ภายใน 3  ชั่วโมง   หลังจากที่พืชได้รับ ABA แต่จริงๆ  แล้วกิจกรรมของ RNase   จะเพิ่มขึ้น หลังจากนั้น 8 ชั่วโมง ซึ่งชี้ให้เห็นว่าผลของ ABA ในชั้นต้นไม่ใช่การสังเคราะห์ RNase แต่ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าคืออะไร

                        ในทางตรงกันข้ามกับสภาวะที่ ABA ก่อให้เกิดการลดปริมาณ RNA  รวมของเซลล์ มีการพบว่าในเนื้อเยื่ออะลีโรนของข้าวบาร์เลย์นั้นพบว่า การสังเคราะห์แอลฟาอะมัยเลสถูกหยุดชะงัก โดย ABA ไม่มีผลต่อ RNA รวม  หรือการสังเคราะห์โปรตีนรวมเลย ผลของ ABAที่มีต่อแอลฟา อะมัยเลส อาจจะไม่ผ่านมาทางการสังเคราะห์  m-RNA  ซึ่งแปลรหัสเพื่อสร้างแอลฟาอะมัยเลสด้วย  คาดว่า ABA จะมีผลต่อregulator  RNA  ที่ใช้ในกระบวนการ Translation ของแอลฟา อะมัยเลส

                        ถึงแม้ว่าจะทราบกันดีว่า ABA มีผลต่อการสังเคราะห์โปรตีน อย่างไรก็ตามมีผลของ ABA หลายกรณีที่เกิดขึ้นเร็วเกินกว่าที่จะอธิบายโดยกระบวนการนี้  เช่น การปิดของปากใบ ซึ่งเกิดภายในไม่กี่นาทีที่ได้รับ ABA นอกจากนั้นการยืดตัวของโคลีออพไทล์ที่ได้รับออกซิน จะหยุดชะงักภายใน 2-3 นาที เมื่อได้รับ ABA จึงสรุปได้ว่า ABA  มีผลต่อพืชโดยไม่ผ่านเมตาบอลิสม์ของ RNA ได้

                            

                        ความสัมพันธ์ของ ABA กับการขาดน้ำ

                        ปริมาณของ ABA ในต้นพืชจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับค่า Water potential ของพืช ปริมาณABA ในต้น Ambrosia artemisifolia จะเพิ่มขึ้นทันทีเมื่อใบพืชชนิดนี้มี Water potential เป็น -10บาร์ ส่วนในข้าวโพดจะอยู่ที่ -12 บาร์  ส่วนในถั่วปริมาณ ABA จะสูงขึ้นเมื่อ Water potential เท่ากับ -7 บาร์

                        การขาดน้ำทำให้เยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์มี Permeability เพิ่มขึ้น  ส่งผลให้เกิดการ  รั่วไหลของ ABAจากคลอโรพลาสต์ซึ่งเป็นบริเวณที่สะสม ABA ของใบปกติ  การลดปริมาณของ ABA ในคลอโรพลาสต์จะกระตุ้นให้มีการสังเคราะห์ ABA เพิ่มขึ้น            เมื่อพืชได้รับน้ำเยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์จะไม่ยอมให้  ABA รั่วไหลออกมา                ทำให้เกิดการหยุดสังเคราะห์ ABA ในคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็น Feedback mechanism

                        ABA กระตุ้นให้เกิดการปิดของปากใบได้เพราะ ABA  จะระงับการผ่านของ K⁺  เข้าสู่ Guard cell และกระตุ้นให้ Matate รั่วไหลออกจาก Guard cell  และนอกจากนั้น ABA ยังระงับการแลกเปลี่ยนประจุ H⁺ และ K⁺ ของGuard cell  ทำให้ปริมาณของ K⁺ และ Malate ใน Guard cell มีน้อย ทำให้ค่า Water  potential สูงขึ้น น้ำจึงไหลออกจาก Guard cell ทำให้ปากใบปิดได้

 

                        ผลของ ABA ต่อพืช

                        1. ลดการคายน้ำโดยกระตุ้นให้ปากใบปิด      ซึ่งพืชตอบสนองได้ภายใน 1-15 นาที  หลังจากได้รับ ABAในพืชที่ขาดน้ำจะมีปริมาณ ABA เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นการลดการคายน้ำของพืช

                        2. กระตุ้นให้เกิดการพักตัวของตา    ซึ่งจะเกิดกับพืชเขตอบอุ่น  พบว่าเมื่อให้ ABA กับตาที่กำลังเจริญเติบโต จะทำให้ตาชะงักการเจริญเติบโตและเข้าสู่การพักตัวตามปกติ การให้ GA จะลดผลของ ABA ที่ทำให้ตาพักตัวได้

                        3. การร่วงของใบและดอก เช่น ในฝ้าย ผลแก่ที่ร่วงเองจะมี ABA สูงมาก

                        4. เร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของใบ

---

 

                        เอทธิลีน (Ethylene)

                        เป็นฮอร์โมนพืชซึ่งควบคุมการเจริญเติบโตในหลายแง่                เช่น     การพัฒนา              การเสื่อมสลาย  ขึ้นอยู่กับเวลาและสถานที่ ซึ่งเกิดเอทธิลีนขึ้นมา  ผลของเอทธิลีนมีทั้งในแง่ที่เป็นประโยชน์หรือเป็นโทษต่อพืช   เอทธิลีนเป็นฮอร์โมนที่มีสภาพเป็นก๊าซซึ่งรู้จักกันมานานแล้ว จากการบ่มผลไม้  ในปี 1934 ได้มีการพิสูจน์ให้เห็นว่าเอทธิลีนเป็นก๊าซที่สังเคราะห์ขึ้นโดยพืช และสามารถเร่งกระบวนการสุกได้ ต่อมาพบว่าการก่อกองไฟใกล้ ๆ  สวนมะม่วงและสับปะรดจะกระตุ้นให้ออกดอกได้  ซึ่งสารที่ทำให้เกิดการออกดอก คือ  เอทธิลีนนั่นเอง เอทธิลีนเป็นฮอร์โมนพืชที่สำคัญในด้านหลังเก็บเกี่ยวด้วย

                        ต่อมาพบว่า  ดอก  เมล็ด  ใบ  และรากพืชสามารถสังเคราะห์เอทธิลีนได้ เช่น  ใน  เซเลอรี่ พันธุ์ซึ่งต้นขาวเอง(Self blanching) พบว่า  เซเลอรี่สามารถสร้างเอทธิลีนมากำจัดสีเขียวที่ก้านได้    นอกจากนั้นในปี 1935 ยังพบว่า การให้ออกซินกับพืชอาจจะกระตุ้นให้พืชสร้างเอทธิลีนได้ ซึ่งเป็นคำอธิบายได้ชัดเจนสำหรับกรณีที่เมื่อให้ออกซินกับพืชแล้วพืช      ตอบสนองเหมือนกับได้รับเอทธิลีน   ออกซินกับเอทธิลีนนั้นเมื่อให้กับพืชมักจะให้ผลส่งเสริมกัน ส่วนของพืชที่พบเอทธิลีนมากคือ ใบแก่ ผลไม้สุก  และเนื้อเยื่อที่อยู่ภายใต้สภาพความเครียด (Stress)

 

                        การสังเคราะห์เอทธิลีน

                        สารเริ่มต้นที่พืชใช้ในการสังเคราะห์เอทธิลีนคือเมทไธโอนีน (Methionine) ซึ่งเป็นกรดอะมิโนชนิดหนึ่ง พืชชั้นสูงทั้งหมดและเชื้อราบางชนิดสามารถสังเคราะห์เอทธิลีนได้ ในต้นอ่อนนั้นยอดอ่อนเป็นส่วนสำคัญที่สังเคราะห์เอทธิลีน    ทั้งนี้เพราะมีออกซินอยู่ในปริมาณสูงและเพราะออกซินสามารถกระตุ้นให้เนื้อเยื่อสังเคราะห์เอทธิลีนได้ รากสามารถสังเคราะห์เอทธิลีนได้บ้าง แต่ในปริมาณไม่มากนักแต่หากให้ออกซินกับรากจะทำให้รากสังเคราะห์เอทธิลีนได้มากขึ้น ใบแก่และกำลังจะตายจะสร้างเอทธิลีนได้มาก ส่วนดอกก็สร้างเอทธิลีนได้และเอทธิลีนจะมีผลทำให้ดอกไม้บางชนิดไม่บาน  หรือเหี่ยวและกลีบร่วง ผลไม้สุกสามารถสังเคราะห์เอทธิลีนได้มากกว่าผลไม้ที่ไม่สุก                                     การสังเคราะห์เอทธิลีนเกิดโดยที่เมทไธโอนีนจะเปลี่ยนไปเป็น  SAM (S-Adenosylmethionine)   แล้วเปลี่ยนต่อไปเป็น ACC   (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid)  แล้วจึงเปลี่ยนเป็นเอทธิลีน  โดยที่คาร์บอนอะตอมที่ 3 และ 4  ของเมทไธโอนีนจะกลายเป็นคาร์บอนของเอทธิลีน  ในการสังเคราะห์นี้จะให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย การสังเคราะห์ เอทธิลีนจะหยุดชะงักเมื่อบรรยากาศขาด O₂         นอกจากนั้นยังมีสารระงับการสังเคราะห์เอทธิลีนชนิดอื่นๆ อีก เช่น AVG (Aminoethoxy vinyl glycine)

                        เอทธิลีนสามารถถูกทำลายให้เป็นเอทธิลีนออกไซด์  (Ethylene  oxide) ใน Viciafaba แต่กลไกในการทำลายนั้นยังไม่ทราบแน่ชัดนัก

 

                        การหาปริมาณของเอทธิลีน

                        1. Bioassay   ใช้การตอบสนองของต้นถั่วลันเตาที่งอกในที่มืด  ต่อความเข้มข้นของเอทธิลีนในอัตราความเข้มข้นที่ต่าง ๆ กัน   ต้นกล้าของถั่วที่งอกในที่มืดจะแสดงอาการตอบสนองต่อเอทธิลีนโดยเนื้อเยื่อใต้ยอดบวม  ยอดจะสูญเสียสภาพการตอบสนองต่อแรงดึงดูดของโลก  ซึ่งถ้าหากได้รับเอทธิลีนสูงก็จะแสดงอาการมาก  แต่ลักษณะอาการดังกล่าวอาจจะเกิดจากการตอบสนองต่ออะเซทีลีนและโปรปีลีนได้ด้วย

                        2. การใช้คุณสมบัติทางฟิสิกส์ของเอทธิลีน ซึ่งอาจจะวัดโดย Gas Chromatograph

                        3. การใช้วิธีทางเคมี โดยวัดจำนวนโบรมีนที่ถูกใช้

 

การเคลื่อนที่ของเอทธิลีนในต้นพืช

                        ถึงแม้ว่าเอทธิลีนจะมีสภาพเป็นก๊าซ      มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่สุดในจำนวนฮอร์โมนพืชทั้งหลาย  จึงอาจจะคาดว่าเอทธิลีนสามารถผ่านเนื้อเยื่อโดยกระบวนการซึมผ่าน (Physical diffusion)  แต่ในความเป็นจริงพบว่าเอทธิลีนไม่สามารถซึมผ่านเนื้อเยื่อ ใน Vicia faba นั้น  พบว่าการเคลื่อนที่ของเอทธิลีนจะไม่เกิดขึ้นทั้งขึ้นสู่ยอดหรือลงจากยอด    ในการให้เอทธิลีนกับใบพืชนั้นพบว่าเอทธิลีนจะเคลื่อนที่ไปสู่ต้นน้อยมาก อาจจะมีบางส่วนเคลื่อนที่ไปสู่ก้านใบได้ ดังนั้นจึงพอสรุปได้ว่าเอทธิลีนจะไม่เคลื่อนที่ในส่วนต่าง ๆ ของพืชในปริมาณที่มากพอที่จะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาได้ ทั้ง ๆ ที่เอทธิลีนไม่มีการเคลื่อนที่ในพืช   แต่พบว่าระดับของเอทธิลีนในส่วนหนึ่งของพืชจะส่งผลให้เกิดการสังเคราะห์เอทธิลีนในส่วนอื่น ๆ ด้วย เช่น  ถ้ามีปริมาณของเอทธิลีนมากในส่วนของรากจะเกิดการกระตุ้นให้มีการเพิ่มระดับของเอทธิลีนที่ยอดด้วย ซึ่งกลไกการกระตุ้นนี้ยังไม่เข้าใจเด่นชัดนัก เอทธิลีนอาจจะเคลื่อนที่ผ่านพืชในรูปของ ACC

 

                        คุณสมบัติของเอทธิลีนจะขึ้นอยู่กับลักษณะต่อไปนี้

                        1. มีแขนแบบ  double  bond  และไม่อิ่มตัว   ซึ่งจะมีคุณสมบัติมากกว่า single หรือtriple bond

                        2. คุณสมบัติจะลดลงเมื่อโมเลกุลยาวขึ้น

                        3. แขนแบบ double bond จะต้องอยู่ติดกับคาร์บอนอะตอมสุดท้าย

                        4. คาร์บอนอะตอมสุดท้ายต้องไม่มีประจุบวก

 

กลไกการทำงานของเอทธิลีน

                        จากการศึกษาพบว่า เอทธิลีนจะก่อให้เกิดผลต่อการเจริญเติบโตของพืช โดยการรวมกับ receptorsite ซึ่งมีโลหะรวมอยู่ในโมเลกุลด้วย และคาดว่าโลหะดังกล่าวคือทองแดงและ analogues ของเอทธิลีนจะสามารถแข่งขันเข้ารวมกับ receptor site และก่อให้เกิดผลคล้ายคลึงกับผลของเอทธิลีน บริเวณที่เอทธิลีนรวมกับ receptor  site นั้น คาดว่าอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์หลังจากที่รวมกับ receptor แล้วจะทำให้ receptor สามารถกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองขึ้น ซึ่งจะนำไปสู่การตอบสนองขั้นต่อไป

                        การที่เนื้อเยื่อพืชได้รับเอทธิลีนจะมีการเปลี่ยนแปลงทั้งด้านปริมาณและคุณภาพของเอนไซม์  ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าเอทธิลีนจะควบคุม RNA ให้สังเคราะห์โปรตีน มีเอนไซม์หลายชนิดมีกิจกรรมเพิ่มขึ้นหลังจากที่ได้รับเอทธิลีนแล้ว เช่น เซลลูเลส(Cellulase)      เพอร์ออกซิเดส (Peroxidase) ฟีนีลอะลานีน แอมโมเนีย  ไลเอส (Phenylalanine ammonia lyase) และฟอสฟาเตส (Phosphatase)     ตัวอย่างของการกระตุ้นให้เกิดเซลลูเลสที่เด่นชัดที่สุดคือการเกิดรอยแยกขึ้นที่ก้านใบกับลำต้น  หรือกิ่งในระหว่างการร่วงของใบซึ่งเกิดจากการได้รับเอทธิลีน และการเพิ่มขึ้นของเซลลูเลสเกิดจากการกระตุ้นของเอทธิลีน     แต่อย่างไรก็ตามการกระตุ้นการเกิดการร่วงของใบโดยเอทธิลีนนั้นรวดเร็วมากเกินกว่ากลไกของการสังเคราะห์โปรตีน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าเอทธิลีนกระตุ้นให้เซลลูเลสที่ปรากฏอยู่ในเซลล์แล้ว  ปลดปล่อยออกมายังผนังเซลล์ทำให้เกิดการแยกของเซลล์และใบร่วง

                        ผลของเอทธิลีนที่เกิดอย่างรวดเร็วนั้น จะไม่สามารถหยุดยั้งด้วย  สารระงับการสร้าง RNA หรือโปรตีน เช่น แอคติโนมัยซิน ดี และไซโคเฮกซิไมด์

                        การที่เอทธิลีนละลายได้ดีมากในไขมัน  จึงคาดว่า receptor site  ก็อยู่ร่วมกับเยื่อหุ้มเซลล์  ซึ่งลักษณะดังกล่าวจึงทำให้เอทธิลีนมีผลต่อการยอมให้สารเข้าออกจากเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย แต่กลไกเหล่านี้ยังสลับซับซ้อนและไม่ทราบเด่นชัดนัก ดังนั้นกลไกการทำงานของเอทธิลีนในระยะสั้นอาจจะเกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์  ส่วนในระยะยาวจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีน

 

                        ผลของเอทธิลีนต่อพืช

                        1. กระตุ้นให้ผลไม้สุก ดังนั้นอาจจะเรียกเอทธิลีนว่า  Ripening hormone และใช้ในการบ่มผลไม้ในทางการค้า

                        2. กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ เช่น กระตุ้นให้เกิด Abcission zone ขึ้น ทำให้ใบและกลีบดอกร่วงได้ กระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพของราก และลำต้น รวมทั้งกระตุ้นการออกดอกของพืช เช่น สับปะรด กระตุ้นให้เกิดAdventitious root

                        3. กระตุ้นให้พืชออกจากการพักตัว เช่น กรณีของมันฝรั่ง

                        4. กระตุ้นให้เกิดดอกตัวเมียมากขึ้นในพืช Dioecious

                        ฮอร์โมนที่กล่าวมาแล้วทั้งหมดนี้   ในปัจจุบันได้นำมาใช้ในทางการเกษตรกันอย่างแพร่หลาย    ส่วนสารควบคุมการเจริญเติบโตที่นำมาใช้ประโยชน์ในปัจจุบันก็มีหลายชนิด เช่น Paclobutrazol ซึ่งใช้ควบคุมความสูงของพืช ป้องกันการหักล้มของธัญพืชลดความสูงของไม้ประดับ และยังกระตุ้นให้มะม่วงออกผลนอกฤดู ส่วน Chlormequat สามารถใช้ป้องกันการหักล้มของธัญพืช  Maleic hydrazide   ซึ่งใช้ระงับการงอกของหัวมันฝรั่งและหอมหัวใหญ่    Ethephon ใช้ในการเร่งการไหลของน้ำยางของยางพาราเป็นต้น