کمبود منیزیم در گیاهان معضل جدی عصر حاضر

منیزیم (Mg) در سال 1925 به عنوان یک عنصر غذایی اساسی شناخته شد. این عنصر یکی از عناصر مهم در رشد اسكلتی بدن انسان می­باشد. به طوریکه 25 گرم منیزیم در استخوان یک فرد بالغ وجود دارد. براساس پژوهش ­های اخیر صورت گرفته، منیزیم نقش مهم و اساسی در بیماری پوکی استخوان یا Osteoporosis ایفا می­کند. همچنین براساس مطالعه­ ای جدید در دانشگاه بریستول مشخص شد که کمبود منیزیم می­تواند مانع پایداری و تثبیت ویتامین D و کلسیم در استخوان­ ها شود. علاوه بر این منیزیم برای تثبیت ساختار ماکرومولکول هایی مانند اسیدهای نوکلئیک، پروتئین­ ها، غشای سلولی و دیواره ای سلولی ضروری است. این عنصر در بسیاری از فعالیت­های آنزیمی مانند ای تی پی آز، کیناز و پلیمراز نقش اساسی داشته و سبب هومئوستازی (حفظ شرایط پایدار و ثابت) گونه­ های فعال اکسیژن (ROS) (مولکول‌های ناپایدار و بسیار واکنش پذیر که پروتئین­ها و… را اکسید می­کنند و سبب ایجاد استرس اکسیداتیو می­گردند) در سلول­ها می­گردد. منیزیم همچنین به عنوان تنظیم کننده تعادل کاتیونی-آنیونی در سلولها نیز شناخته شده­می­باشد.

منیزیم به طور ویژه ­ای برای گیاهان مهم است، بطوریکه که حدود 75 درصد از منیزیم برگ در سنتز پروتئین و 15-20 درصد از کل منیزیم در تولید رنگدانه­ های کلروفیلی نقش دارند. منیزیم همچنین به طور عمده به عنوان یک کوفاکتور (یک یون معدنی یا یک کوآنزیم که برای فعالیت آنزیمی مورد نیاز است) در یک سری از آنزیم­های دخیل در تثبیت کربن فتوسنتزی و متابولیسم عمل می­کند.

بر خلاف عناصر غذایی دیگر مانند آهن (Fe)، روی (Zn)، ید (I) و سلنیوم (Se)، منیزیم موجود در گیاهان در دهه­ های گذشته از طرف گیاه­شناسان و آگرونومیست­ ها نادیده گرفته شده است. به طوریکه در کمال تعجب، مردم در بسیاری از کشورهای توسعه یافته معمولاً دچار کمبود منیزیم هستند، در حالی که این کمبود در کشورهای در حال توسعه یا فقیر جدی نیست. به نظر می­رسد فرآوری مواد غذایی سبب از دست رفتن منیزیم و در نتیجه مشکلات مرتبط با جذب این عنصر غذایی شده است. به طور نمونه، تقریباً دو سوم از افراد بزرگسال مورد بررسی در ایالات متحده و انگلیس کمتر از حد متوسط نیاز روزانه منیزیم دریافت می­کنند.

کمبود منیزیم می­تواند منجر به هایپومگنیسیمیا (hypomagnesemia) شدید شود، که سبب بروز عوارضی چون مرگ ناگهانی قلبی، آریتمی، اختلال عملکرد عضلات و کمبود توجه می­شود. در مطالعه­ ای توسط Rosanoff علت افزایش و مرگ و میر ناشی از بیماری های قلبی در عصر حاضر ناشی از کمبود منیزیم در گذر از عصر سنتی به مدرنیته بیان شده است. براساس مطالعات صورت گرفته میانگین جذب منیزیم در مردان 323 میلی­گرم و در زنان 228 میلی­گرم در روز بود که این مقادیر زیر شاخص 420 میلی گرم در روز برای مردان و 320 میلی­گرم در روز برای زنان می­باشد. در همین حال براساس همین مطالعه، 10٪ از زنان مُسن (که بیشتر در معرض پوکی استخوان هستند) کمتر از 136 میلی­گرم در روز منیزیم دریافت می­کردند. بنابراین، محتوای منیزیم در محصولات غذایی و رژیم­های غذایی روزانه یک مشکل مهم در کیفیت مواد غذایی و تغذیه انسان به شمار می­رود.

کاهش غلظت منیزیم در غلات در طی چند دهه گذشته به طور رسمی گزارش شده است. یکی از دلایل احتمالی این امر می­تواند مربوط به کشت بیش از حد محصولات کشاورزی بعد از “انقلاب سبز”باشد، همان روندی که در مورد عناصر دیگر مانند آهن، روی، ید و ویتامین A نیز رخ داده است. به عنوان مثال، میزان منیزیم در گندم به طور متوسط 6/19درصد کاهش یافته است به طوریکه از 115-126 میلی گرم در 100 گرم وزن خشک قبل از سال 1968 به 91-101 میلی گرم در 100 گرم ماده خشک پس از سال 1968 رسیده است. چنین روند کاهشی در بسیاری دیگر از مطالعات نیز گزارش شده است. کاهش منیزیم، روی و آهن ممکن است در ارتباط با کود دهی طولانی مدت نامتعادل محصولات با نیتروژن، فسفر و پتاسیم (NPK) طی دهه­های گذشته نیز باشد. به عنوان نمونه، تتانی گراس (Grass tetany) یا تب شیر (Milk fever) یک بیماری مهم در دام­ها است که در نتیجه کاهش منیزیم در مراتع به دلیل کاربرد سنگین پتاسیم در خاک رخ می­دهد. یون پتاسیم (K⁺) به عنوان یک آنتاگونیست (ضد) برای جذب یون منیزیم (Mg⁺²) در گیاهان عمل می­کند.

تغییرات ناشی از کمبود منیزیم در گیاهان:

به طور کلی، کمبود منیزیم در گیاهان منجر به تولید ریشه­ های کوتاه­تر، شاخه­ های کوچک تر و لکه­ های نکروز در روی برگها می­گردد، که عمدتاً به دلیل فرآیندهای فیزیولوژیکی غیر طبیعی در اثر اختلال در متابولیسم کربن و کاهش کلروفیل رخ می­دهد. براساس مطالعات صورت گرفته کمبود منیزیم تاثیر بیشتری در ریشه نسبت به برگ ایجاد می­کند.

کمبود منیزیم سبب اختلال در هدایت ساکارز در آوند شده و منجر به تجمع کربن در برگ­ ها می­شود. تجمع بیش از حد کربن در برگها منجر به ایجاد یک بازخورد بازدارنده در میزان فتوسنتز و غلظت کلروفیل می­شود. اختلال در فرایند تثبیت دی­اکسیدکربن فتوسنتزی منجر به تجمع الکترونهای بلااستفاده در کلروپلاست شده و در نتیجه منجر به تولید گونه­های اکسیژن فعال (ROS) در سلول و در نتیجه آسیب اکسیداتیو به کلروفیل و چربیهای غشای کلروپلاست می­شود. بنابراین، علائم کمبود منیزیم مانند کلروز برگ، با شدت نور زیاد تشدید می شوند. به طور کلی، کلروز برگ در پاسخ به کمبود منیزیم، ابتدا در برگهای قدیمی مشاهده می­شود که علت آن جابجایی مجدد یون منیزیم از برگهای مسن به جوانتر می­باشد.

در کنار اختلال در متابولیسم کربن در اثر کمبود منیزیم در برگ ­ها، متابولیسم نیتروژن هم در این میان دچار اختلال می­شود. به عنوان مثال سطح پایین نیتروژن در برگ­ های گیاهی که تحت کمبود منیزیم قرار گرفته بود؛ مشاهده شد. همچنین اختلال در برخی از آنزیم­های مهم مرتبط با متابولیسم نیتروژن با القاء کمبود منیزیم در گیاه اسفناج مشاهده شد. با این حال هنوز مکانیسم­های مرتبط با کاهش نیتروژن در گیاه در پاسخ به کمبود منیزیم تا حدود زیادی ناشناخته می­باشد.

تاثیرکمبود طولانی مدت منیزیم در گیاه Arabidopsis thaliana، ردیف بالا (از چپ به راست) مراحل رشد در گیاه شاهد (بدون کمبود منیزیم) و ردیف پایینی مراحل رشد در گیاه دچار کمبود منیزیم می­باشد.

با توجه به آنچه گفته شد در حال حاضر کمبود منیزیم در گیاهان با توسعه صنعت و کشاورزی و افزایش جمعیت انسانی به یک مشکل فزاینده تبدیل شده است. با این حال، امروزه در مورد مکانیسم­های پاسخ به کمبود منیزیم شناخت کافی وجود ندارد. و برخی از مطالعات انجام شده اخیر نشان می­دهد که سیستم­ های پیچیده و حامل­ های ناشناخته در پاسخ به کمبود منیزیم در گیاه نقش ایفا می­کنند.

کاهش مقدار منیزیم در بذرها به طور چشمگیری پس از سال 1968 به موازات انقلاب سبز و کود­دهی شیمیایی سنگین در کشاورزی و در نتیجه کاهش جذب منیزیم در افراد نسبت به شاخصهای استاندارد، نشانگر این نکته است که کمبود منیزیم در گیاهان یک مشکل جدی در عصر حاضر می­باشد.

منابع:

Castiglioni, S., Cazzaniga, A., Albisetti, W., Maier, J.A.M., 2013. Magnesium and osteoporosis: Current state of knowledge and future research directions. Nutrients 5, 3022–3033. https://doi.org/10.3390/nu5083022

Guo, W., Nazim, H., Liang, Z., Yang, D., 2016. Magnesium deficiency in plants: An urgent problem. Crop Journal 4, 83–91. https://doi.org/10.1016/j.cj.2015.11.003

Hermans, C., Vuylsteke, M., Coppens, F., Cristescu, S.M., Harren, F.J.M., Inzé, D., Verbruggen, N., 2010. Systems analysis of the responses to long-term magnesium deficiency and restoration in Arabidopsis thaliana. New Phytologist 187, 132–144. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2010.03257.x

Kunutsor, S.K., Whitehouse, M.R., Blom, A.W., Laukkanen, J.A., 2017. Low serum magnesium levels are associated with increased risk of fractures: a long-term prospective cohort study. European Journal of Epidemiology 32, 593–603. https://doi.org/10.1007/s10654-017-0242-2