نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه زیست شناسی، واحد دامغان، دانشگاه آزاد اسلامی، دامغان، ایران
2 هیئت علمی گروه زیست شناسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال
3 واحد نیشابور، دانشگاه آزاد اسلامی
4 استاد/دانشگاه آزاد اسلامی نیشابور
چکیده
یکی از راهکارهای مورد استفاده جهت کاهش تاثیرات منفی ناشی از تنشهای مختلف در گیاهان کاربرد تنظیم کنندههای رشد از جمله اسید سالیسیلیک میباشد. این پژوهش به بررسی اثر متقابل سالیسیلیک اسید ( صفر، 5/0 و 1 میلی مولار) و کلرید کادمیوم (صفر، 100، 200 و 300 میکرومولار) بر صفات رشدی، رنگیزههای فتوسنتزی، فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان، محتوای نسبی آب، میزان پرولین و همچنین مقدار قند گلوکز در دانهرست گندم پرداخته است. نتایج نشان داد که تنش کادمیوم باعث کاهش معنیدار 30 تا 50 درصد در صفات رشدی گیاه در مقایسه با گیاهان شاهد گردید. بعلاوه محتوای نسبی آب 7% و میزان کلروفیلهای a و b حدود 2 برابر کاهش معنیدار یافت. تنش کادمیوم باعث افزایش سه برابری در فعالیت آنزیمهای کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز نسبت به شاهد گردید و میزان قند گلوکز با افزایش غلظت کادمیوم به 2 برابر مقدار اولیه رسید. اسپری سالیسیلیک اسید در هر دو غلظت اثرات مثبت قابل ملاحظه ای بر صفات رشدی دانهرستهای تحت تنش داشت و بین 20 تا 60 درصد این پارامترها را افزایش داد. همچنین محتوای نسبی آب این دانهرستها به بیش از 2 برابر رسید. سالیسیلیک اسید بر فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان افزود و میزان کلروفیل و گلوکز را بیش از 40 درصد افزایش داد. نتایج این تحقیق نشان داد که سالیسیلیک اسید در کاهش اثرات منفی تنش کادمیوم از طریق افزایش میزان کلروفیل، بهبود فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان و تغییر مقدار گلوکز درگندم تاثیر دارد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Effects of salicylic acid on growth improvement and changes of biochemical parameters of wheat seedlings in cadmium stress
نویسندگان [English]
1 Department of Biology, Damghan Branch, Islamic Azad University, Damghan, Iran
2 Department of Biology, North Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, I.R. of Iran
4 Department of Biology, Neyshabur Branch, Islamic Azad University, Neyshabur, Iran
چکیده [English]
One of the strategies used to reduce the negative effects of various stresses on plants is the application of growth regulators such as salicylic acid. This study investigated the interaction between salicylic acid (0, 0.5 and 1 mM) and cadmium chloride (0, 100, 200 and 300 µM) on growth traits, photosynthetic pigments, antioxidant enzymes activity, relative water content, proline and glucose content in wheat seedlings. The results showed that cadmium stress reduced growth treats of plants from 30 to 50 percent compared to control untreated plants, significantly. Moreover, relative water content decreased by 7% and the chlorophylls a and b levels were about 2 times lower. Cadmium stress caused a three-fold increase in the activity of catalase and superoxide dismutase enzymes and also glucose levels dropped by 2 times. Salicylic acid spray had significant positive effects on growth traits of cadmium-stressed seedlings and between 20% to 60% increased these parameters. The relative water content of these seedlings also increased 2 times. Salicylic acid has increased the activity of antioxidant enzymes and increased levels of chlorophyll and glucose by over 40% compared to control plants. The results of this study showed that salicylic acid is effective in reducing the negative effects of cadmium stress by increasing the amount of chlorophyll, improving the activity of antioxidant enzymes and changing the amount of glucose in Wheat.
کلیدواژهها [English]
اثر سالیسیلیک اسید بر بهبود رشد و تغییر پارامترهای بیوشیمیایی دانهرستهای گندمتحت تنش کادمیوم
آزیتا بهنام1، حسین عباسپور2*، اکبر صفی پور افشار3* و فاطمه سعید نعمت پور3
1 ایران،دامغان، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد دامغان، گروه زیست شناسی
2 ایران، تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، گروه زیست شناسی
3 ایران، نیشابور، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نیشابور، گروه زیست شناسی
تاریخ دریافت: 26/12/96 تاریخ پذیرش: 18/4/97
چکیده
یکی از راهکارهای مورد استفاده جهت کاهش تاثیرات منفی ناشی از تنشهای مختلف در گیاهان کاربرد تنظیم کنندههای رشد از جمله اسید سالیسیلیک میباشد. این پژوهش به بررسی اثر متقابل سالیسیلیک اسید ( صفر، 5/0 و 1 میلی مولار) و کلرید کادمیوم (صفر، 100، 200 و 300 میکرومولار) بر صفات رشدی، رنگیزههای فتوسنتزی، فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان، محتوای نسبی آب، میزان پرولین و همچنین مقدار قند گلوکز در دانهرست گندم پرداخته است. نتایج نشان داد که تنش کادمیوم باعث کاهش معنیدار 30 تا 50 درصد در صفات رشدی گیاه در مقایسه با گیاهان شاهد گردید. بعلاوه محتوای نسبی آب 7% و میزان کلروفیلهای a و b حدود 2 برابر کاهش معنیدار یافت. تنش کادمیوم باعث افزایش سه برابری در فعالیت آنزیمهای کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز نسبت به شاهد گردید و میزان قند گلوکز با افزایش غلظت کادمیوم به 2 برابر مقدار اولیه رسید. اسپری سالیسیلیک اسید در هر دو غلظت اثرات مثبت قابل ملاحظه ای بر صفات رشدی دانهرستهای تحت تنش داشت و بین 20 تا 60 درصد این پارامترها را افزایش داد. همچنین محتوای نسبی آب این دانهرستها به بیش از 2 برابر رسید. سالیسیلیک اسید بر فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان افزود و میزان کلروفیل و گلوکز را بیش از 40 درصد افزایش داد. نتایج این تحقیق نشان داد که سالیسیلیک اسید در کاهش اثرات منفی تنش کادمیوم از طریق افزایش میزان کلروفیل، بهبود فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان و تغییر مقدار گلوکز درگندم تاثیر دارد.
واژگان کلیدی: آنزیمهای آنتی اکسیدان، سالیسیلیک اسید، کادمیوم، گلوکز، گندم (Triticum aestivum L.)
* نویسنده مسئول، تلفن: 05142613905 ، پست الکترونیکی:asafshar@iau-neyshabur.ac.ir
مقدمه
کادمیوم یک عنصر سمی غیر ضروری است که به طور طبیعی در اکثر خاکها وجود داشته (26) و نیمه عمر طولانی دارد (53). این عنصر اغلب از طریق کودهای فسفره و منابع مختلف دیگر نظیر آفت کشها و حفاری معادن به خاکهای کشاورزی و زراعی افزوده شده و در گیاهان انباشته میشود (23). یکی از دلایل تجمع بالای این فلز در گیاهان انتقال و جابجایی سریع آن در بافتها و اندامها است. انباشتگی کادمیوم سبب تغییرات مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و ساختاری بسیاری نظیر عدم تعادل آب، مهار جوانه زنی، مهار فتوسنتز، کاهش رشد به ویژه رشد ریشه، اختلال در تغذیه معدنی و متابولیسم قند در گیاه شده و بنابراین به شدت بر روی تولید بیومس تاثیر گذاشته و در نهایت میتواند سبب مرگ گیاه شود (39). بعلاوه کادمیوم با ایجاد تنش اکسیداتیو و در نتیجه تولید رادیکالهای آزاد سبب توقف مسیرهای متابولیکی گیاه و تخریب ساختارهای سلولی میشود (2). بنابر تحقیقات متعدد یکی از راهکارهای کاهش آثار زیانبار فلزات سنگین در گیاه بکارگیری تنظیم کنندههای رشد قابل دسترس همچون اسید سالیسیلیک است (41 و 47).
طی سالهای اخیر پژوهشهای گستردهای بر نقش اسید سالیسیلیک به عنوان یک ملکول پیام رسان مهم در واکنش گیاه به تنشهای غیرزیستی انجام شده است. سالیسیلیک قابل حل در آب بوده و یک ترکیب آنتی اکسیدان و از جمله هورمونهای گیاهی است که نقش مهمی در پاسخ گیاه به تنشهای غیر زنده مانند خشکی، سرما، فلزات سنگین ، گرما و تنش اسمزی دارد (56). به نظر میرسد که SA در غلظتهای کم، همانند یک تنظیم کننده رشد، پاسخهای متابولیکی را تقویت کرده، بر پارامترهای فتوسنتزی و روابط آبی گیاه اثر میگذارد (7). خیساندن دانه گندم در محلول سالیسیلات در کاهش اثرات تنش شوری و خشکی بر نرخ رشد و تعرق موثر بوده و فتوسنتز را افزایش میدهد (25). کاربرد اسید سالیسیلیک، سبب بهبود محتوای آب نسبی در دانهرستهای ذرت، هم در شرایط شوری و هم در گیاهان بدون اعمال شوری شد. اسید سالیسیلیک ممکن است ظرفیت سازگاری در برابر تنش را با بالا بردن تنظیم کنندههای اسمزی فراهم کند. کاربرد اسید سالیسیلیک محتوای قندهای محلول را در گیاهان ریحان (21)، گوجه (32) و گندم (10) افزایش داد. همچنین این هورمون اثرات زیانآور کادمیوم را روی رشد گیاهان کتان کاهش داده است (15).
با توجه به گسترش زمینهای آلوده به فلزات سنگین و کشت ناگزیر غلات استراتژیکی همچون گندم در این زمینها و اینکه طبق تحقیقات گندم نسبت به سایر غلات رایج، کادمیوم بیشتری را انباشته میکند (54)، در این تحقیق، پاسخ دانهرستهای گندم به سالیسیلیک اسید در شرایط تنش کادمیوم مورد ارزیابی قرار گرفته است و پارامترهای رشدی، میزان فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان، مقدار آب نسبی گیاه، میزان پرولین و تغییرات مقدار قند سلول در گیاه اندازهگیری شده است.
مواد و روشها
این تحقیق به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی و در3 تکرار اجرا گردید. بدین منظور دانههای همگن گندم (Triticum aestivum L.) رقم سیوند از مرکز تحقیقات کشاورزی شهرستان نیشابور تهیه شد. ابتدا سطح دانهها با محلول هیپوکلریت سدیم 5% برای 10 دقیقه ضدعفونی شده و سپس سه بار با آب مقطر به طور کامل شسته شد. دانهها در گلدانهای حاوی شن شسته شده با ذرات متوسط کاشته شده و به گلخانه (دمای 23/18 درجه سانتیگراد؛ فتوپریود: 16ساعت نور، 8 ساعت تاریکی) منتقل شدند. تا مرحله جوانه زنی آبیاری با آب مقطر انجام شد. بعد از جوانهزنی، گلدانها با محلول غذایی هوگلند هر دو روز یکبار آبیاری شدند. زمانیکه گیاهان در مرحله دو یا سه برگی بودند، تیمار سالیسیلیک اسید شروع شد. سالیسیلیک اسید در غلظتهای صفر و 5/0 و 1 میلی مولار بر روی برگهای گیاهان اسپری شد. در تیمار شاهد نیز آب مقطر به جای هورمون بکار گرفته شد. به منظور بررسی اثر توام هورمون و تنش کادمیوم، همزمان با تیمار هورمون، دانهرستها با محلول غذایی هوگلند دارای غلظتهای متفاوت کلرید کادمیوم (صفر، 100، 200 و 300 میکرومولار کلرید کادمیوم) آبیاری شدند. نمونهها هر 48 ساعت با تیمار و در فواصل آن با آب مقطر آبیاری شدند. تمام گیاهان 14 روز پس از تیمار، برداشت شده و صفات رشدی آنها اندازه گیری شد. سپس نمونهها برای سنجشهای فیزیولوژیک در دمای 70- درجه سانتیگراد ذخیره شدند.
صفات رشدی: رشد گیاهان با اندازهگیری طول ریشه، ساقه و وزن خشک و تر آنها مطالعه شد. از هر تکرار سه نمونه برداشت شد و طول ریشه و ساقه با کمک خطکش میلی متری اندازهگیری شد. وزن تر به کمک ترازو با دقت هزارم گرم و وزن خشک بعد از قرار دادن ریشهها و ساقهها در آون با دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت به کمک ترازو با دقت هزارم گرم انجام شد.
سنجش میزان قندهای محلول اندام هوایی: برای سنجش قندهای محلول (گلوکز) برگ، از روش فنل سولفوریک اسید استفاده شد (52). به این صورت که روی 1/0 گرم از بافت خشک ساییده شده اندامهای هوایی، 10 میلی لیتر اتانول 70% اضافه شد و به منظور آزاد شدن قندهای محلول، لولهها به مدت یک هفته در یخچال نگهداری و هر روز هم زده شدند. پس از یک هفته از محلول رویی نمونهها 5/0 میلی لیتر برداشته و حجم آن را با آب مقطر به دو میلی لیتر رسانده شد. سپس یک میلی لیتر فنل 5% اضافه شد و خوب مخلوط گردید. به هر نمونه 5 میلی لیتر اسید سولفوریک غلیظ با فشار اضافه شد و محلول زرد رنگی بدست آمد که به مرور زمان بسته به میزان قند موجود در آنها شدت رنگ بیشتر شد. پس از سرد شدن با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر، جذب در طول موج 485 نانومتر خوانده شد و مقادیر قند نمونهها با استفاده از منحنی استاندارد گلوکز بر اساس میلی گرم بر گرم وزن خشک ارزیابی گردید.
سنجش محتوای کلروفیلهای a و b: اندازهگیری مقدار کلروفیلهای a و b با استفاده از روش Arnon (9) انجام گرفت. بدین منظور 5/0 گرم از برگهای گیاه در هاون چینی و با نیتروژن مایع ساییده شد و سپس 20 میلی لیتر استن 80% به نمونه اضافه شده و پس از همگن کردن صاف گردید. عصارهها با سرعت 6000 دور در دقیقه به مدت 10 دقیقه سانتریفیوژ شد. جذب عصاره جدا شده فوقانی به طور جداگانه در طول موجهای 663 و 645 نانومتر قرائت و مقدار کلروفیلهای a و b با استفاده از رابطههای زیر محاسبه شد.
a کلروفیل =[(19.3 × A663) – (0.86 × A645)] V/100W
bکلروفیل = [(19.3 × A645) – (3.6 × A663)] V/100W
V: حجم محلول فوقانی حاصل از سانتریفیوژ بر حسب میلی لیتر A: جذب نور در طول موجهای 663، 645 نانومتر، W: وزن تر بافت بر حسب گرم
محتوای نسبی آب (RWC): محتوای نسبی آب به روش Ritchie و همکاران (43) سنجیده شد. نمونه برداری از آخرین برگ نمو یافته تمامی تیمارها انجام و با ترازوی 0001/0 گرم وزن شد. نمونه برداری در هر کدام از زمانهای 6، 12 و 24 ساعت پس از تنش و همچنین در زمان برداشت نیز انجام گرفت و مراحل، طبق دستورالعمل صورت گرفت. سپس محتوای آب نسبی نمونهها با استفاده از فرمول زیر بدست آمد:
RWC=Fw- Dw/ Sw- Dw×100
Fw: وزن تر برگ بلافاصله بعد از نمونه برداری Dw: وزن خشک برگ بعد از قرار گرفتن در آون
Sw: وزن اشباع برگ بعد از قرار گرفتن در آب مقطر
سنجش پرولین: برای اندازهگیری پرولین در برگ، از روش Bates و همکاران (13) با اندکی تغییر استفاده شد. ابتدا 100 میلی گرم از بافت تازه برگی در 5 میلی لیتر اتانول 40% ساییده شد. یک میلی لیتر از عصاره به همراه یک میلی لیتر محلول ناین هیدرین در بنماری با دمای 100 درجه سانتی گراد به مدت یک ساعت قرار داده شد. بعد از سرد شدن به آنها 10 میلی لیتر تولوئن افزوده و لوله تکان داده شد. مایع رویی جدا شد و جذب آن در 520 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتر قرائت شد. از غلظتهای مختلف پرولین جهت رسم منحنی استاندارد استفاده شد.
سنجش فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان
سنجش فعالیت کاتالاز: فعالیت این آنزیم طبق روش Aebi و Lester (4) اندازهگیری شد. در این روش میزان تجزیه H2O2 بصورت کاهش در میزان جذب، در طول موج 240 نانومتر ظرف مدت 1 دقیقه، ملاک سنجش فعالیت آنزیم است. به 2 میلی لیتر عصاره گیاهی که 200 بار توسط بافرفسفات پتاسیم 50 میلی مولار رقیق شده، 1 میلی لیتر H2O2 10 میلی مولار اضافه شد و بلافاصله پس از یک دقیقه، جذب در 240 نانومتر خوانده شد. از قانون بیر- لامبرت (A= €bc) برای محاسبهء میزان فعالیت آنزیم استفاده گردید. فعالیت بر حسب میلیمول H2O2 اکسید شده در دقیقه در گرم وزن تر بافت سنجیده میشود.
سنجش فعالیت سوپر اکسید دیسموتاز: سنجش فعالیت آنزیم SOD به روش Beauchamp و Fridovich (14) انجام شد و فعالیت آن بر اساس مهار رقابتی احیای نیتروبلو تترازولیوم کلراید NBT) ) توسط رادیکالهای سوپر اکسید تعیین شد. مخلوط واکنش (2 میلی لیتر) برای سنجش شامل موارد زیر است: بافر فسفات 50 میلی مولار با 8/7 pH= همراه با EDTA 2 میلی مولار، متیونین 9/9 میلی مولار، NBT 55 میکرومولار و ریبوفلاوین 1 میلی مولار. ریبوفلاوین در آخرین مرحله و در تاریکی به ترکیب اضافه شد و بلافاصله به زیر نور فلورسنت منتقل گردید. بعد از 10 دقیقه جذب در 560 نانومتر قرائت شد.
تحلیل داده ها: آزمایش به صورت فاکتوریل و در قالب طرح کاملا تصادفی و با سه تکرار به انجام رسید. آنالیز آماری با استفاده از نرم افزارهای SAS (9.4) و Statistix8 انجام شد. تجزیهء واریانس با ضریب اطمینان 95% و مقایسه میانگینها با استفاده از آزمون LSD صورت گرفت. رسم نمودارها و منحنی های استاندارد توسط نرم افزار Excel انجام گرفت.
نتایج
صفات موفولوژیک: تیمار کادمیوم باعث کاهش بیشتر پارامترهای رشدی سنجش شده در این تحقیق گردید. اما اثر کادمیوم بر طول ساقه معنیدار نبود. غلظت 300 میکرومولار کادمیوم باعث کاهش 35 درصدی در طول ریشه دانه رستها شد. این کاهش در وزن خشک ساقه 22%، وزن تر ساقه 34%، وزن خشک ریشه 50% و وزن تر ریشه حدود 42% بود. در این شرایط تیمار سالیسیلیک اسید به ویژه در غلظت 1 میلی مولار باعث بهبود معنیداری در صفات رشدی شد. تیمار سالیسیلیک اسید باعث افزایش طول ریشه تا حدود 14% نسبت به گیاهان فاقد هورمون در شرایط تنش کادمیوم گردید. تیمار با 1 میلی مولار سالیسیلیک اسید باعث افزایش وزن تر ساقه در شرایط تنش کادمیوم تا حدود 38% در غلظت 100 میکرومولار کلرید کادمیوم و همچنین افزایش وزن تر ریشه تا حدود 47% در غلظت 300 میکرومولار کلرید کادمیوم گردید. ماکزیمم اثر سالیسیلیک اسید بر وزن خشک ساقه و ریشه نیز در غلظت 300 میکرومولار کلرید کادمیوم مشاهده شد که غلظت 1 میلی مولار سالیسیلیک اسید به ترتیب حدود 13% و 64% این پارامترها را افزایش داد (شکل 1).
اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر میزان پرولین: میزان پرولین در گیاهان تحت تنش کادمیوم نسبت به گیاهان شاهد افزایش یافت. بیشترین مقدار پرولین در غلظت 300 میکرومولار کلرید کادمیوم بود که این افزایش به 76% نسبت به شاهد رسید. اما کاربرد سالیسیلیک اسید باعث کاهش میزان پرولین در تمام تیمارها شد و در غلظت 1 میلی مولار سالیسیلیک اسید، گیاهان تیمار شده نسبت به سطح شاهد حدود 5/9% پرولین کمتری نشان دادند (شکل2).
اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر میزان گلوکز: با افزایش غلظت کلرید کادمیوم میزان گلوکز در دانهرستها افزایش یافت بهطوریکه در غلظت 300 میکرومولار کلرید کادمیوم به دو برابر سطح اولیه رسید. اسپری اسید سالیسیلیک بر گیاهان تحت تنش نیز سبب افزایش غلظت گلوکز شد. اما در تیمار 300 میکرومولار کلرید کادمیوم، کاربرد هر دو غلظت اسید سالیسیلیک موجب کاهش محدودی در میزان گلوکز شد (شکل3 ).
شکل1- اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کلرید کادمیوم بر پارامترهای رشدی دانهرستهای گندم. A: وزن خشک ساقه، B: وزن خشک ریشه، C: وزن تر ساقه، D: وزن تر ریشه، E: طول ریشه. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
شکل2- اثر متقابل سالیسیلیک اسید (و کادمیوم بر میزان پرولین دانهرستهای گندم. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
شکل3- اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر میزان گلوکز دانهرستهای گندم. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر محتوای نسبی آب: طبق نتایج، با افزایش تنش کادمیوم محتوای نسبی آب حدود 7% نسبت به شاهد کاهش یافت. کاربرد اسید سالیسیلیک در هر دو غلظت موجب کاهش بیشتری در محتوای نسبی آب در تیمارهای مورد مطالعه شد و تنها در غلظت 100 میکرومولار کادمیوم کاربرد 1 میلی مولار اسید سالیسیلیک منجر به افزایش حدود 2 درصد در محتوای نسبی آب گردید (شکل 4).
شکل4- اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر محتوای نسبی آب دانهرستهای گندم. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر میزان کلروفیلهای a و b: با افزایش تنش کادمیوم میزان کلروفیل b حدود 2 برابر و کلروفیل a 8/1 برابر کاهش یافت و بیشترین کاهش در تیمار 300 میکرو مولار کادمیوم مشاهده شد. کاربرد هر دو غلظت 5/0 و 1 میلی مولار اسید سالیسیلیک منجر به افزایش میزان کلروفیل a و b گردید و افزایش حدود 6/1 برابر نسبت به سطح شاهد را باعث شد و بیشترین افزایش در غلظت 200 میکرو مولار کلرید کادمیوم با تیمار 1 میلی مولار اسید سالیسیلیک مشاهده شد (شکل 5).
شکل5- اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر میزان کلروفیل دانهرستهای گندم. A: کلروفیلa، B: کلروفیل b. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان
کاتالاز (CAT): تنش کادمیوم به طور معنیداری بر فعالیت آنزیم کاتالاز افزود. بیشترین مقدار فعالیت آنزیم در غلظت 300 میکرومولار مشاهده شد که به حدود 5/3 برابر مقدار شاهد رسید. هر دو غلظت سالیسیلات نیز باعث افزایش فعالیت کاتالاز در گیاهان تیمار شده نسبت به گیاهان شاهد شد. بیشترین افزایش مقدار فعالیت آنزیم کاتالاز با کاربرد 5/0 میلی مولار سالیسیلات در 100 میکرو مولار کادمیوم به دست آمد که حدود 2 برابر سطح شاهد بود (شکل 6).
سوپر اکسید دیسموتاز(SOD): تنش کادمیوم فعالیت آنزیم سوپر اکسید دیسموتاز را افزایش داد و در 300 میکرو مولار به 8/2 برابر نسبت به سطح شاهد رسید. هر دو سطح هورمون سالیسیلات نیز اثر افزاینده بر فعالیت آنزیم در گیاهان تیمار شده نسبت به گیاهان شاهد داشت. بیشترین مقدار مربوط به کاربرد 1 میلی مولار سالیسیلات در کادمیوم 200 میکرو مولار بود که در این حالت 22% بر میزان فعالیت SOD افزوده شد (شکل 6).
شکل6- اثر متقابل سالیسیلیک اسید و کادمیوم بر فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدان دانهرستهای گندم. A: کاتالاز B: سوپر اکسید دیسموتاز. میانگین ها حاصل 3 تکرار و حروف غیر مشترک نشانه اختلاف معنی دار در سطح پنج درصد بر اساس آزمون دانکن است. بارها نشاندهنده خطای استاندارد میباشند.
بحث
کادمیوم پس از ورود به گیاه، در ریشهها انباشته شده و سبب اختلال در رشد میشود. کاهش رشد بهخاطر تنش کادمیوم، مستقیما به مهار طولی نوک ریشه و فعالیت میتوزی مرتبط میشود (22). در تحقیق حاضر تنش کادمیوم باعث کاهش طول ریشه شد، در حالی که بر طول ساقه تاثیر معنی داری نداشت، طبق گزارشات قبلی این نتایج قابل انتظار است زیرا کادمیوم ابتدا در ریشهها تجمع مییابد و ریشه ها مرکز اصلی تجمع آن هستند (18). طبق گزارشات Konate و همکاران (31) کادمیوم سبب کاهش طول ریشه بر روی گیاهچه گندم گردید. یون کادمیوم از تقسیم سلولی و رشد سلولهای حاصل از آن در ناحیه مریستمی ریشه جلوگیری میکند (31). همچنین کادمیوم تمایز زودرس و چوبی شدن دیواره سلولهای واقع در منطقه رشد طولی ریشه را تحریک نموده و از رشد آن ممانعت مینماید (54).
طبق نتایج پژوهش حاضر، کاربرد SA منجر به افزایش پارامترهای رشدی هم در شرایط تنش کادمیوم و هم در شرایط بدون تنش شد. اثر بهبود دهنده SA در گیاهان مختلفی تحت شرایط تنش غیرزیستی گزارش شده است که به نقش SA در جذب عناصر غذایی، توانایی فتوسنتز و رشد نسبت داده شده است (42). به طور مثال کاربرد SA اثرات زیانآور کادمیوم را روی رشد گیاهان کتان کاهش داده است (15). SA بوسیلهی سلولهای ریشه تولید میشود و نقش محوری در تنظیم فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف مثل رشد، نمو گیاه، جذب یون، فتوسنتز و جوانهزنی ایفا میکنند. در مقایسهای که روی دانهرست جو انجام گرفت، SA به عنوان برطرف کننده آسیبهای اکسیداتیو و موثر بر مکانیسمهای سم زدایی کادمیوم معرفی شد (37). همچنین اسید سالیسیلیک با اثر روی ABA و انباشتگی این هورمون در گیاه باعث سازگاری به تنشهای محیطی میشود (45).
نتایج نشان داد که با افزایش غلظت کادمیوم به تدریج مقدار پرولین افزایش یافت و به کارگیری اسید سالیسیلیک در هر دو غلظت 5/0 و 1 میلی مولار باعث کاهش میزان پرولین نسبت به تیمار شاهد شد. پرولین دارای یک نقش سازشی در تنظیم اسمزی و حفظ ساختارهای زیرسلولی در گیاهان تحت تنش، تثبیت کننده واکنشهای فتوسنتزی و سنتز ATP و فعال سازی آنزیمها میباشد (17). چهار دلیل برای افزایش تجمع پرولین در حین تنش پیشنهاد شده است که عبارتند از: تحریک سنتز آن از اسید گلوتامیک، کاهش انتقال آن از طریق آوند آبکش، جلوگیری از اکسیداسیون آن در طول تنش و تخریب و اختلال در فرآیند سنتز پروتئین (35). تیمار اسید سالیسیلیک باعث افزایش پرولین و تولید شیب اسمزی در گیاه میشود که سبب مقاومت در برابر کاهش آب برگ و افزایش سرعت رشد گیاه در شرایط استرس میشود (49). تجمع پرولین در گیاه موجب کاهش آسیب به غشا و پروتئینها میگردد. پرولین علاوه بر تنظیم اسمزی، در تنظیم pH سلول وتنظیم اکسیداسیون و احیا، منبع کربن و نیتروژن احیا شده نیز شرکت دارد. در آرابیدوپسیس افزایش غلظت پرولین و گلوتاتیون در اثر افزایش غلظت کادمیوم گزارش گردیده است (55) که با نتایج این تحقیق همراستا است.
در این مطالعه، محتوای نسبی آب تحت تنش کادمیوم کاهش و کاربرد اسید سالیسیلیک تنها در غلظت 100 میکرومولار کلرید کادمیوم موثر عمل نموده و منجر به بهبود محتوای نسبی آب نسبت به شاهد شد. اندازهگیری این پارامتر یکی از روشهای معمول برای تعیین وضعیت آبی گیاه است و از آنجایی که روزنهها تعادل بین جریان خروجی و ورودی برگ را تنظیم میکنند. تنش فلزات سنگین مانع از تقسیم سلولی و باعث کاهش فشار تورگور در سلولهای گیاهی میشود (30). کاهش در محتوای نسبی آب برگها در بررسی اثر کروم بر روی گیاه جو نیز گزارش شده است (27). در تیمار با فلزات سنگین جذب آب در گیاه کاهش مییابد که احتمالاً به دلیل تغییر در عملکرد آنزیمهای تجزیه کننده پروتئین میباشد که این مسئله در مورد کادمیوم به اثبات رسیده است (12). علاوه بر این کاهش رشد ریشهها منجر به کاهش جذب و انتقال آب به برگهای گیاه میشود (46). افزایش محتوای نسبی آب توسط اسید سالیسلیک و مشتقات آن میتواند به دلیل نقش اسید سالیسیلیک در افزایش توان سامانة دفاعی آنتی اکسیدانی، افزایش همبستگی و پایداری غشا و تعدیل و تنظیم اسمزی از راه افزایش مقدار پتاسیم به عنوان یون بسیار مهم در حفظ فشار آماس یاختهای باشد (33). کاربرد SA، سبب بهبود محتوای آب نسبی در دانههای ذرت، هم در شرایط شوری و هم در گیاهان بدون اعمال شوری شد. همچنین تأثیر مثبت آن در گندم (5) و جو (22) در تنش شوری گزارش شده است. در این تحقیق، تنها تاثیر مثبت آن در تیمار 100 میکرومولار کادمیوم مشاهده شد که به نظر میرسد در نتیجه اسپری سالیسیلیک اسید فشار آماس درون سلولی بیشتر شده و توسعه سلولی و رشد برگ بهبود پیدا کرده است.
نتایج بیانگر افزایش میزان گلوکز با افزایش تنش کادمیوم است. بعلاوه کاربرد 5/0 میلی مولار سالیسیلیک اسید در سطوح 100 و 200 میکرو مولار کادمیوم منجر به افزایش غلظت گلوکزگردید. گزارش شده است که قندها علائمهای مولکولی مهمی هستند که پاسخهای فیزیولوژیکی متنوعی را در ژنهای مؤثر در فتوسنتز و متابولیسم و پاسخهای دفاعی تحت تأثیر قرار میدهند(44). در گیاهک برنج (Oryza sativa) کادمیوم سبب افزایش قندهای احیاء کننده میشود و با کاهش انتقال آب به برگها و اختلال در سرعت تعرق برگ منجر به بروز تغییرات فراساختاری اندامکهای سلول و تغییر در رفتار آنزیمهای کلیدی چند مسیر متابولیسمی از جمله متابولیسم قند میشود. با کاهش انتقال آب به برگها و بدنبال تجمع کادمیوم در سلولها، محتوای قندهای احیا کننده در گیاه افزایش مییابد. این پدیده احتمالاً مکانیسم سازشی گیاه برای حفظ پتانسیل اسمزی در شرایط سمیت با کادمیوم است. علاوه بر آن آن تصور میشود با افزایش قندهای حل شونده گیاه بتواند ذخیره کربوهیدارتی خود را برای حفظ متابولیسم پایه سلول در شرایط تنش در حد مطلوب نگهدارد (52). تیمار با اسید سالیسیلیک نیز محتوای قندهای محلول را در گیاهان مرزنگوش (21)، گوجه (32)، گندم (9) و بامیه(11) افزایش داد که با نتایج تحقیق حاضر مطابقت دارد. در تیمار همزمان سرب و سالیسیلیک اسید این هورمون با تعدیل در مقدار رنگیزه های فتوسنتزی و حفظ ساختار و فعالیت روبیسکو باعث افزایش مقدار قندهای محلول و نامحلول شد (1). میزان قندهای قابل احیا در گل داوودی توسط تیمار با سالیسیلیک اسید تا سطح 10 میکرومولار افزایش یافت که علت در کاهش تنفس سلولی و بهبود شرایط فتوسنتزی عنوان شده است (3). اثر اسید سالیسیلیک بر متابولیسم ساکارز نشان داد که این هورمون از طریق افزایش فعالیت آنزیم اینورتاز در سلول، میزان گلوکز و فروکتوز را در شرایط تنش افزایش میدهد. آنزیم اینورتاز در ریشه نقش مهمی در کنترل و تنظیم تقسیم سلولی و همینطور طویل شدن سلولها و تمایز آنها بوسیله تولید هگزوزها (گلوکز و فروکتوز) ایفا میکند که نه تنها کربن و انرژی را برای رشد ریشه فراهم میکند بلکه حسگرهای قند را نیز تحریک می کند (8).
در این تحقیق، میزان کلروفیلهای a و b تحت تنش کادمیوم کاهش یافت و کلروفیل b کاهش بیشتری را نشان داد. در مطالعات بسیاری نیز گزارش شده است که تحت تأثیر کادمیوم مقدار کلروفیل کل در گیاه کاهش مییابد. کادمیوم به غشاهای تیلاکوئیدی کلروپلاست آسیب میزند و ظرفیت فتوسنتزی را به شدت کاهش داده و رشد گیاه را متوقف میسازد (28). کادمیوم با مهار فعالیت آنزیمهای چرخه کالوین از جمله روبیسکو و زنجیره انتقال الکترون و آسیب به سلولهای روزنهای، فتوسنتز و رشد را کاهش میدهد (48). غلظتهای بالای کادمیوم در بافت برگ به طور غیرمستقیم از طریق اختلال در فرایند متابولیک گیاه و پیری زودرس بر روی محتوای کلروفیل تأثیر میگذارد (51). طبق پژوهش حاضر کاربرد اسید سالیسیلیک در هر دو غلظت 5/0 و 1 میلی مولار منجر به افزایش میزان کلروفیل نسبت به شاهد شد. در زمان تنش، اسید سالیسیلیک از دستگاه فتوسنتزی از طریق افزایش توانایی آنتیاکسیدانی سلول و سنتز پروتئینهای جدید محافظت میکند. سالیسیلیک اسید جذب عناصری نظیر منیزیم را بهبود می بخشد و به این ترتیب میزان کلروفیل را ثابت نگه داشته و نرخ تثبیت دی اکسید کربن فتوسنتزی را بهبود میبخشد (40). این هورمون همچنین سمیت کادمیوم را از طریق توزیع بهتر پتاسیم که در بسته شدن روزنهها دخالت دارد، کاهش میدهد (20). سالیسیلیک اسید باعث حفاظت از فعالیتهای فتوشیمیایی غشای کلروپلاستی و واکنشهای کربوکسیلاسیون فتوسنتزی میگردد (42).
طبق نتایج پژوهش حاضر، با افزایش تنش کادمیوم میزان فعالیت آنزیمهای کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز برگ افزایش یافت. به نظر میرسد که با افزایش غلظت کادمیوم میزان تولید رادیکالهای آزاد اکسیژن شدت بیشتری پیدا کرده و گیاه برای مبارزه با آن القاء فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدانی خود را افزایش داده است. در این مطالعه تنش کادمیوم باعث افزایش فعالیت آنزیمهای SOD و کاتالاز شد که میتوان دلیل غیرمستقیمی بر افزایش فعالیت رادیکالهای آزاد تحت تنش کادمیوم در گندم باشد. میزان آسیب سلولهای تحت تنش فلزات سنگین به میزان تولید رادیکالهای آزاد و همچنین کارآیی مکانیسمهای سمزدایی در گیاهان بستگی دارد. افزایش مشابهی در فعالیت آنزیم SOD در پاسخ کادمیوم در توت سفید (50) و لوبیا (6) گزارش شده است. همچنین افزایش کادمیوم سبب القاء فعالیت سوپراکسید دیسموتاز در گیاه Achnatherum inebrians میشود (57). در این تحقیق کاربرد اسید سالیسیلیک منجر به افزایش فعالیت این دو آنزیم شد. بردباری به کادمیوم تحت تاثیر سالیسیلیک اسید به افزایش فعالیت سیستم دفاع آنتی اکسیدانی نسبت داده میشود. در تنش کادمیوم این هورمون منجر به تنظیف ROS و پایداری غشا شده و تعادل اکسیداسیون ـ احیا را از طریق تنظیم افزایشی پاسخهای آنتی اکسیدانی بهبود میبخشد (42). سالیسیلیک اسید خارجی فعالیت آنزیمهای سوپراکسید دیسموتاز، پراکسیداز و کاتالاز را در گیاهان ذرت (34)، برنج (24) و گندم (29) افزایش داده است. آنزیم سوپراکسید دیسموتاز اولین پروتئینی است که در پاسخ به تنش تولید می شود و یون سوپر اکسید را به اکسیژن و پراکسید هیدروژن تجزیه میکند. آنزیم بعدی کاتالاز است که با پراکسید هیدروژن واکنش میدهد. در بعضی تحقیقات سالیسیلیک اسید منجر به افزایش فعالیت کاتالاز میشود (5). ایزوزیمهای مختلفی از این آنزیم در گیاهان شناسایی شده است. بیان بیش از حد CAT3 در گیاه Brassica napus در شرایط تنش کادمیوم مشاهده شده است (38). اما گاهی فعالیت آنزیم کاتالاز تحت تاثیر سالسیسلیک اسید مهار میشود که علت آن میتواند مربوط به اثر سالیسیسلات بر کمپلکسهای حاوی آهن از طریق شلات کردن آهن باشد (36).
نتیجه گیری
نتایج نشان داد کادمیوم به ویژه در غلظت 300 میکرومولار باعث کاهش پارامترهای رشدی گیاه گردید و اسپری سالیسیلیک اسید در گیاهان تحت تنش کادمیوم اثرات بهبود دهندهای بر پارامترهای رشد گیاه داشت. به طور کلی از نتایج بدست آمده چنین استنباط میشود که کادمیوم بر فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف تاثیر گذار میباشد. گیاه به منظور سازگاری و تحمل بیشتر در برابر غلظتهای سمی این فلز سنگین (صفر، 100 ، 200 و300 میکرومولار) با افزایش میزان قندهای محلول و پرولین به منظور حفظ شرایط اسمزی سازش واکنش نشان میدهد. سالیسیلیک اسید به عنوان یک تنظیم کننده رشد گیاهی از طریق کاهش پرولین و افزایش کلروفیلهای a و b سمیت ناشی از کادمیوم را تخفیف میدهد. در این تحقیق با توجه به خاصیت القا کنندگی سالیسیلیک اسید نقش این ترکیب با تعدیل تنش کادمیوم توانسته است اثرات مخرب فلز سنگین کادمیوم را مهار کند.