نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری دانشگاه بوعلی سینا همدان

2 استاد دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی

3 استاد دانشگاه خوارزمی، دانشکده علوم، گروه علوم زیستی

4 استاد علوم باغبانی، گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، ایران

چکیده

آلودگی خاک‌ها با نانوذرات اکسید فلزی توسط فعالیت‌های مختلف بشر یک مسئله مهم محیط زیست در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است. مطالعه حاضر با هدف بررسی اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم (در چهار غلظت 250، 500، 1000 و 2000 میلی‌گرم بر لیتر) بر برخی پارامترهای رشد و بیوشیمایی گیاه لوبیا در شرایط گلخانه‌ای و در قالب طرح کاملاً تصادفی انجام شد. نتایج نشان داد که نانوذرات اکسید روی تقریباً در همه غلظت‌ها ارتفاع بخش هوایی را افزایش دادند، در حالی که نانوذرات دی اکسید سریم در بالاترین غلظت باعث کاهش ارتفاع بخش هوایی گیاه شدند. هر دو نانوذره باعث کاهش محتوای کلروفیل کل و آنتوسیانین در مقایسه با گروه شاهد شدند. تفاوت معنی‌داری در مقدار پروتئین کل در تیمارهای نانوذرات دی اکسید سریم و نانوذرات اکسید روی در مقایسه با کنترل مشاهده نشد. با این وجود، به نظر می‌رسد که یک نوار پروتئینی با وزن مولکولی 28 کیلودالتون در غلظت 500 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی در مقایسه با کنترل پدید آمده است. فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدان کاتالاز و پراکسیداز در تیمارهای نانوذرات دی اکسید سریم بیشتر از فعالیت آنها در تیمارهای اکسید روی بود. به طور کلی، نتایج نشان داد که پاسخ‌های گیاه به نانوذرات دی اکسید سریم با توجه به غلظت، دامنه تغییرات بیشتری دارد.

تازه های تحقیق

 

تأثیر نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر میزان انباشت عناصر روی و سریم، برخی پارامترهای رشد و بیوشیمیایی در گیاه لوبیا (Phaseolus vulgaris)

online first.jpgهاجر صالحی1، عبدالکریم چهرگانی راد1*، احمد مجد2،3 و منصور غلامی4

1 ایران، همدان، دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی

2 ایران،تهران،دانشگاه خوارزمی، دانشکده علوم، گروه علوم زیستی

3 ایران،تهران،دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده علوم زیستی

4 ایران، همدان، دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده کشاورزی، گروه باغبانی

تاریخ دریافت: 2/2/97                  تاریخ پذیرش: 12/4/97

 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of ZnO and CeO2 nanoparticles on the element accumulation, growth and biochemical parameters in Phaseolus vulgaris L.

نویسندگان [English]

  • Hajar Salehi 1
  • Abdolkarim Chehregani Rad 2
  • Ahmad Majd 3
  • Mansour Gholami 4

1 Laboratory of Plant Cell Biology, Dept. of Biology, Bu Ali Sina University, Hamedan, I.R.of Iran

2 Professor of Laboratory of Plant Cell Biology, Dept. of Biology, Bu Ali Sina University, Hamedan, I.R.of Iran

3 professor of Dept. of Biology, Faculty of Biology, Islamic Azad University, Tehran-North Branch, Tehran, I.R.of Iran

4 Bu-Ali Sina University, hamedan, I.R. of Iran

چکیده [English]

Contamination of soils with oxide metals nanoparticles, by various human activities, is an important environmental issue in both developing and developed countries. The aim of the present study was to investigate the effects of ZnO and CeO2 NPs (250, 500, 1000 and 2000 mg L-1) on some growth and biochemical parameters of bean plants growing under greenhouse conditions in a completely randomized design. The results indicated that ZnO NPs almost, at all concentrations, enhanced plant height, while CeO2 NPs at high concentration did not. Both NPs at all concentrations decreased chlorophyll and anthocyanin content in the experimental plants compared to control ones. There was no significant differences in total protein content in both treatments compared to control. However, a protein band with molecular weight of 28 KDa seems to be appeared in the group treated by 500 mg L-1 ZnO NPs. The activity of antioxidant enzymes in CeO2 NPs-treated plant was higher than those in ZnO NPs treatments. Altogether, the results showed that plant responses to CeO2 NPs were more subject to change upon to concentration than ZnO NPs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • metal oxide nanoparticles
  • photosynthetic pigment
  • protein
  • enzyme activity
  • bean plant

تأثیر نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر میزان انباشت عناصر روی و سریم، برخی پارامترهای رشد و بیوشیمیایی در گیاه لوبیا (Phaseolus vulgaris)

هاجر صالحی1، عبدالکریم چهرگانی راد1*، احمد مجد2،3 و منصور غلامی4

1 ایران، همدان، دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی

2 ایران،تهران،دانشگاه خوارزمی، دانشکده علوم، گروه علوم زیستی

3 ایران،تهران،دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده علوم زیستی

4 ایران، همدان، دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده کشاورزی، گروه باغبانی

تاریخ دریافت: 2/2/97                  تاریخ پذیرش: 12/4/97

چکیده

آلودگی خاک­ها با نانوذرات اکسید فلزی توسط فعالیت­های مختلف بشر یک مسئله مهم محیط زیست در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است. مطالعه حاضر با هدف بررسی اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم (در چهار غلظت 250، 500، 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر) بر برخی پارامترهای رشد و بیوشیمایی گیاه لوبیا در شرایط گلخانه­ای و در قالب طرح کاملاً تصادفی انجام شد. نتایج نشان داد که نانوذرات اکسید روی تقریباً در همه غلظت­ها ارتفاع بخش هوایی را افزایش دادند، در حالی که نانوذرات دی اکسید سریم در بالاترین غلظت باعث کاهش ارتفاع بخش هوایی گیاه شدند. هر دو نانوذره باعث کاهش محتوای کلروفیل کل و آنتوسیانین در مقایسه با گروه شاهد شدند. تفاوت معنی­داری در مقدار پروتئین کل در تیمارهای نانوذرات دی اکسید سریم و نانوذرات اکسید روی در مقایسه با کنترل مشاهده نشد. با این وجود، به نظر می­رسد که یک نوار پروتئینی با وزن مولکولی 28 کیلودالتون در غلظت 500 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی در مقایسه با کنترل پدید آمده است. فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدان کاتالاز و پراکسیداز در تیمارهای نانوذرات دی اکسید سریم بیشتر از فعالیت آنها در تیمارهای اکسید روی بود. به طور کلی، نتایج نشان داد که پاسخ­های گیاه به نانوذرات دی اکسید سریم با توجه به غلظت، دامنه تغییرات بیشتری دارد.

واژه های کلیدی: نانوذرات اکسید فلزی، رنگیزه­های فتوسنتزی، پروتئین، فعالیت آنزیمی، Phaseolus vulgaris

* نویسنده مسئول، تلفن: 08138271541 ،  پست الکترونیکی:  chehregani@basu.ac.ir

مقدمه

 

رشد سریع و افزاینده فناوری نانو، تولید و استفاده از نانومواد ساخته دست بشر (مهندسی شده) را در سراسر جهان گسترش داده است. نانوذرات مهندسی شده به عنوان ذرات دارای ابعاد ویژه 1 تا 100 نانومتر تعریف می­شوند که دارای خواص منحصر به فردی هستند که این ویژگی­ها در ذرات با همان ترکیب شیمایی در مقیاس غیرنانو مشاهده نمی­شود (24). نانوذرات اکسید فلزی به علت تنوع ساختار کریستالی و ماهیت پیوند فلز-اکسیژن (پیوندهای مختلف یونی تا کووالانت یا فلزی) به خوبی شناخته شده­اند. نانوذرات اکسید فلزی همچنین ویژگی­های الکترونیکی و مغناطیسی منحصر به فردی دارند و به طور گسترده در زمینه­های مختلف مانند محصولات تجاری، کاربردهای زیست محیطی، شیمی پایدار و کاتالیزها و پزشکی مورد استفاده قرار می­گیرند (14 و29).

نانوذرات اکسید روی بعد از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و دی اکسید سلیسیوم از پرکاربردترین نانوذرات اکسید فلزی با قابلیت­های فوتوکاتالیزی در صنایع مختلف به شمار می­روند. تولید سالانه نانوذرات دی اکسید روی بین 3000-2550 تن برآورد شده است (11). گزارشات نشان داده­اند که نانوذرات اکسید روی هماهنگ با افزایش غلظت، به شدت بر رشد گیاهان مانند ذرت، خیار، کدو، سویا و گندم تأثیر می­گذارند (5 و 37). به عنوان مثال نانوذرات اکسید روی رشد گیاه گندم را با افزایش تولید گونه­های فعال اکسیژن کاهش دادند (21). همچنین گزارشاتی مبنی بر اختلال ناشی از نانوذرات در وضعیت هوموستازی مواد آلی و معدنی و در دسترس بودن آب وجود دارد (21). پژوهشگران اخیراً  نشان دادند که نانوذرات اکسید روی در مقایسه با اکسید روی اثرات مخرب بیشتری بر روی گیاه نخود فرنگی به علت تولید بیشتر گونه­های فعال اکسیژن اعمال می­کنند (13). 

نانوذرات دی اکسید سریم عمدتاً به عنوان کاتالیست در کاربردهای متداولی مانند سوخت دیزل و در خروجی اگزوز خودرو یافت می­شود. تولید سالانه جهانی نانوذرات دی­اکسید سریم تا سال 2020 حدوداً 1255 تن در سال برای استفاده در سوخت­های دیزلی برآورد شده است (32)، که پیشنهادکننده­ی این است که مقدار قابل توجهی از این نانوذرات با پتانسیل اثر بر گیاهان وارد محیط می­شوند. گزاراشات ارائه شده توسط محققین نشان­دهنده­ی اثرات مثبت، منفی و خنثی نانوذرات دی اکسید سریم است که تحت تأثیر فاکتورهای مختلفی مانند نوع گونه گیاهی، اندازه و شکل نانوذرات، غلظت مورد استفاده، روش و مدت زمان اعمال نانوذرات است. جالب توجه است که تعداد محدودی از گزارش­ها نشان داده­اند که قرار گرفتن در معرض غلظت­های پایین نانوذرات دی اکسید سریم باعث افزایش زیست توده (Biomass) گیاه می­شوند، این حاکی از آن است که این نانوذره در غلظت­های ویژه می­تواند به عنوان کود نانو مورد استفاده قرار بگیرد. در یک مطالعه، بازده تولید دانه­های لوبیا قرمز در گیاهان در معرض غلظت­های مختلف نانوذرات دی­اکسید سریم (250-125 میلی­گرم بر کیلوگرم) افزایش یافت. با این وجود، همین پژوهشگران، کاهش متابولیت­های فازئولین و لکتین­ها (به ترتیب به عنوان پروتئین­های مرتبط با ذخایر غذایی و متابولیسم کربوهیدارت­ها) را در غلظت 500 میلی­گرم بر کیلوگرم گزارش کردند (6 و 25). از طرف دیگر گزارشاتی مبنی بر اثر متفاوت نانوذرات دی اکسید سریم و همتای غیرنانو آن (CeO2) در گیاه Brassica rapa وجود دارد. به طوری که غلظت­های 100-0 میلی­گرم بر لیتر دی اکسید سریم باعث افزایش 35-28 درصدی در زیست توده گیاه شدند، در حالی غلظت مشابه نانوذرات دی اکسید سریم تأثیری بر مقدار زیست توده نشان ندادند (22).

روند افزایش تولید نانوذرات و افزایش احتمال ورود آنها به اکوسیستم نیاز به ارزیابی اثرات احتمالی آنها بر محیط زیست، موجودات زنده و در نتیجه سلامتی انسان دارد. همچنین اینکه اثرات ناشی از نانوذرات آیا به علت خود ماهیت نانوذرات است و یا یون­های آزاد شده، به طور کامل ناشناخته باقی مانده است (5). در چند سال گذشته، گزارشاتی مبنی بر اثرات نامطلوب نانوذرات مهندسی شده در گیاهان منتشر شده است (31 و 37 ). گزارشات حاکی از انباشته شدن مقادیر بالایی از فلزات در بخش­های مختلف گیاهان قرار گرفته در معرض نانوذرات است که نه تنها بر پاسخ­های فیزیکو-شیمایی گیاه تأثیر می­گذارند بلکه همچنین می­توانند مسیر احتمالی تغییر و آلودگی زنجیره غذایی باشند (11).

گونه لوبیا (Phaseolus vulgaris L.) از مهمترین لگوم­ها برای مصرف مستقیم انسان در سراسر جهان است و غنی از منابع ارزشمند پروتئینی و ریزمغذی­های مورد نیاز است. همچنین گیاهان این تیره در بهبود پایداری محیط به علت نقش عمده آنها در تثبیت نیتروژن با همکاری باکتری­های ریزوبیوم حائز اهمیت هستند. بنابراین این گونه جزو یکی از گیاهان مهم برای بررسی فاکتورهایی از قبیل بازده، کیفیت محصول و همچنین مقاومت در برابر تنش­های زیستی و غیرزیستی در برابر چالش­های جدید است (7).

از منظر اکولوژیکی، درک چگونگی تعامل نانوذرات با محیط بویژه گیاهان به عنوان جزء اصلی اکوسیستم بسیار حائز اهمیت است. هدف این مطالعه، بررسی تأثیر نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر میزان انباشته شدن عنصر روی و سریم، پارامترهای رشد، و همچنین تغییرات در محتوای رنگیزه­ها، پروتئین کل و آنزیم­های آنتی اکسیدان در گیاه لوبیا رشد یافته در محیط خاک آمیخته شده با نانوذرات است.

مواد و روشها

مشخصات نانو ذرات: نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم از شرکت نانوسانی (مشهد، ایران) تهیه شدند. کریستال­های نانوذرات اکسید روی، کروی شکل، شیری رنگ، دارای اندازه 30-10 نانومتر با خلوص 99% و سطح مقطع 60-20 مترمکعب هستند. به طور مشابه، نانوذرات دی اکسید سریم کروی شکل، رنگ زرد روشن با اندازه اولیه 30-10 نانومتر، سطح مقطع 50-30 مترمکعب و با خلوص 97/99% هستند. ویژگی­های نانوذرات شامل تصاویر TEM، XRD و SEM در شکل1 ارائه شده­اند.  

 

شکل 1- مشخصات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم؛ A، B و C به ترتیب تصاویر مربوط به SEM، TEM و XRD نانوذرات اکسید روی و D، E و F مربوط به نانوذرات دی اکسید سریم هستند.

نحوه تیمار و رشد گیاه مورد  مطالعه:  به  منظور  ارزیابی

تاثیرات نانوذرات اکسید­روی و دی اکسید سریم بر روی گیاه مدل لوبیا (Phaseolus vulgaris L.) نانوذرات در قالب سوسپانسیون به محیط خاک مورد استفاده برای رشد گیاهان استفاده شدند. بذرهای استریل شده گیاه لوبیا (واریته لوبیا چیتی، با نام تجاری F-16) از شرکت بهینه­سازان سبز مهرگان (biotek seed، تهران، ایران) تهیه شد. بذرها از نظر ظاهری و آسیب دیدگی بررسی شدند و بذرهای یکنواخت انتخاب شد. به منظور استریل کردن، بذرها با الکل 70% به مدت 5 دقیقه شسته شدند و سپس به مدت 15 دقیق در هیپوکلریت سدیم 5% + 2 قطره تویین20 غوطه­ور شدند و در نهایت 3 بار با آب دوبار تقطیر شسته شدند و سپس به مدت 6 ساعت در آب دوبار تقطیر نگه­داری شدند (22).

بذرهای استریل شده به منظور جوانه­زنی و رشد به داخل گلدان (در ابعاد 20×15 سانتی­متر) هر کدام محتوی 5/1 کیلوگرم خاک باغبانی (20% رس، 6/10% سیلیت و 4/69% شن + کود حیوانی) انتقال داده شدند. گلدان­ها در گلخانه دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا در شرایط 14 ساعت دوره روشنایی، متوسط دمای شب/روز (2±30/ 2±16 سانتی­گراد) و 70% رطوبت نگه­داری شدند. آبیاری گلدان­ها هر دو روز یکبار انجام شد.

انتخاب غلظت­های نانوذرات براساس مطالعات مرجع­شناختی 250، 500، 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر تعیین شد. مقادیر انتخاب شده از نانوذرات پودری به آب مقطر اضافه شده و سپس به غلظت­های مورد نظر رسانده شدند. pH محلول سوسپانسیون­ها در 7-5/6 تنظیم شد. محلول­ها به مدت 30 دقیقه با استفاده از اولتراسونیک (Bandelin Sonorex، برلین، آلمان) هموژن شدند. سپس گلدان­ها به منظور انجام تیمارهای مورد نظر به چندین گروه تقسیم شدند. هر تیمار در 10 تکرار و در قالب طرح کاملاً تصادفی انجام شد.

گیاهان  در  مرحله   فنولوژیکی  5-3  برگ  حقیقی  برای

تیماردهی انتخاب شدند. حجم کل 200 میلی­لیتر از غلظت­های مختلف نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم به مدت 2 هفته هر دو روز یکبار و بعد از هر آبیاری به خاک حاوی گیاهان اضافه شد. همچنین برای گروه شاهد از آب مقطر استفاده شد.

جمع­آوری نمونه­های برگی برای این بخش دو هفته بعد از اتمام اعمال تیمار آغاز شد و برگ­های بالایی گیاه (برگ­های شماره دو از بالا) برای انجام آنالیزهای فیزیولوژیکی-بیوشیمایی برداشت شدند، سپس در ازت مایع منجمد و در دمای 70- درجه سانتی­گراد نگه­داری شدند.

آماده­سازی نمونه­ها جهت تعیین محتوای عناصر

محتوای عنصر روی (Zn): به منظور تعیین محتوای عنصر روی برگ­های گیاهان چندین بار با آب مقطر جهت حذف ذرات ناخواسته شستشو داده شدند. سپس نمونه­ها در دمای 70 درجه سانتی­گراد به مدت 72 ساعت خشک شدند. به منظور هضم نمونه­ها 1 گرم از پودر خشک شده با اسید نیتریک 85% و پراکسید هیدروژن (5:1) در دمای 60 درجه سانتی­گراد تا هضم کامل پودر گیاهی حرارت داده شدند. بعد از سرد شدن، محلول هضم شده را با کاغذ واتمن شماره 42 صاف کرده و با آب مقطر به حجم 50 میلی­لیتر رقیق شد. محتوای عناصر توسط دستگاه جذب اتمی (Varian Inc, Applied Science Company, USA) با استفاده از لامپ­های ویژه هرعنصر قرائت گردید (5).

محتوای عنصر سریم (Ce)

به منظور حذف نانوذرات سریم اضافی در سطح برگ­های گیاه، نمونه­ها در کلرید کلسیم 01/0 مولار به مدت 20 دقیقه غوطه ور شدند، چندین بار با آب مقطر آبکشی شدند و سپس در دمای 70 درجه سانتی­گراد به مدت 72 ساعت خشک شدند. مقدار 5/0 گرم از نمونه­های مورد نظر در یک مخزن تفلون با 6 میلی­لیتر اسیدنیتریک 65%، 2 میلی­لیتر پراکسید هیدروژن و 5/0 میلی­لیتر هیدروفلوریک اسید 48% با استفاده از میکرویو (ETHOS One; Milestone Inc., Sorisole, Bergamo, Italy) هضم شد. بعد از سرد شدن عصاره، نمونه­ها با آب مقطر به حجم 50 میلی­لیتر رسیدند و با استفاده از فیلترهای 45/0 میکرون رقیق شدند. سپس 1 میلی­لیتر از محلول با آب مقطر به حجم نهایی 10 میلی­لیتر رسانده شد. با استفاده از ICP-MS (Agilent 7900, USA) مقدار عنصر سریم قرائت شد (15).

اندازه­گیری شاخص­های رشد و نشت الکترولیت: در گیاهان تیمار شده، 15 روز بعد از اتمام تیمار، شاخص­هایی مانند ارتفاع گیاه، طول ریشه، سطح برگ، محتوای نسبی آب، نشت الکترولیت اندازه­گیری شدند. محتوای نسبی آب از معادله [(FW-DW)/(TW-DW)]×100 محاسبه گردید که در این معادله FW=وزن تر، DW= وزن خشک و TW= وزن نمونه بعد از تورژسانس است (3). اندازه گیری سطح برگی با استفاده از روش Pandey و Singh (24) انجام شد. به منظور اطلاعات بیشتر در مورد پایداری غشا، نشت الکترولیت با استفاده از برگ­های جوان انجام شد. بدین منظور برگ­های سالم کاملاً با آب مقطر شسته شدند و سپس داخل 20 میلی­لیتر آب مقطر به مدت 24 ساعت در دمای اتاق نگه­داری شدند. هدایت الکتریکی محلول (L1) توسط هدایت سنج اندازه­گیری شد. سپس نمونه­ها به مدت 1 ساعت در دمای 100 درجه سانتی­گراد حرارت داده شدند و دوباره هدایت الکتریکی (L2) آن اندازه­گیری شد. نشت الکترولیت با استفاده از معادله (L1/L2)×100 محاسبه شد (30).

سنجش رنگیزه­های کلروفیل و آنتوسیانین: استخراج کلروفیل از برگ­های گیاهان با استون 80 درصد انجام شد. بدین منظور 2 گرم از بافت گیاهی در 10 میلی­لیتر استون 80 درصد به خوبی ساییده شد و اینکار تا زمانی که همه کلروفیل استخراج شود و ته مانده بی­رنگ شود ادامه یافت، سپس عصاره حاصل به مدت 10 دقیقه با دور 4000 در دقیقه سانتریفوژ (SIGMA، آلمان) گردید. میزان جذب عصاره در طول موج­های 645 و 664 نانومتر با استفاده از اسپکتوفتومتر UV (Biowave، انگلیس) اندازه­گیری شد. محتوای کلروفیل­های a، b و کل (میلی­گرم بر گرم وزن تر) از معادلات زیر محاسبه شد (4).

Chl a=12.25×A664-2.55×A645

Chl b=20.31×A645-6.91×A664

Chl total=17.76×A645+7.37×A664

به منظور اندازه­گیری مقدار کل آنتوسیانین­ها از روش وانگر استفاده شد (30). مطابق با این روش، 1 گرم بافت گیاهی را در هاون چینی با 10 ملی­لیتر متانول اسیدی (متانول خالص+ هیدروکلریک اسید به نسبت حجمی 99 به 1) به طور کامل ساییده شد و عصاره حاصل در لوله­های آزمایش درپیچ­دار ریخته شد و به مدت 24 ساعت در تاریکی و دمای 25 درجه سانتی­گراد قرار گرفت. سپس به مدت 10 دقیقه با سرعت 4000 دور در دقیقه سانتریفوژ و جذب محلول رویی در طول 550 نانومتر خوانده شد. برای محاسبه غلظت، ضریب خاموشی (ε) 33000 سانتیمتر بر میلی­گرم در نظر گرفته شد. مقدار آنتوسیانین با استفاده از فرمول A= εbc محاسبه گردید. در این فرمول A= جذب، b= عرض کووت (1 سانتی­متر) و c= غلظت آنتوسیانین برحسب میلی­گرم بر گرم وزن تر برگ می­باشد.

سنجش آنزیم­های کاتالاز و پراکسیداز: به منظور سنجش آنزیم­های کاتالاز و پراکسیداز، یک گرم از بافت برگ تازه در 3 میلی­لیتر بافر استخراج (بافر فسفات پتاسیم 25 میلی­مولار و pH=4/7) در نیتروژن مایع ساییده شد. و عصاره به مدت 15 دقیقه در 10000 دور دقیقه سانتریفوژ گردید. محلول رویی برای سنجش آنزیم­ها استفاده شد.

برای سنجش آنزیم کاتالاز مخلوط واکنش شامل 980 میکرولیتر پراکسیدهیدروژن 10 میلی­مولار و 20 میکرولیتر عصاره آنزیمی بود. میزان تغییرات آنزیم در یک دقیقه در فاصله هر 15 ثانیه در طول موج 240 ثبت  گردید.  فعالیت

آنزیم براساس واحد بر میلی­گرم پروتئین بیان گردید (1).

به منظور سنجش فعالیت پراکسیداز، 3 میلی­لیتر پیروگالل در بافر فسفات، 1/0 میلی­لیتر بافر استخراج و 5/0 میلی­لیتر پراکسید هیدروژن به 1 میلی­لیتر عصاره اضافه شدند و تغییرات جذب در طول موج 420 نانومتر در 3 دقیقه به فواصل 20 ثانیه ثبت گردید. فعالیت آنزیم براساس واحد بر میلی­گرم پروتئین بیان گردید (18). 

مطالعه الگوی پروتئینی: پروتئین کل در عصاره آنزیمی براساس روش برادفورد تعیین گردید (7). به منظور بررسی الگوی پروتئینی برگ­های گیاهان در معرض نانوذرات از الکتروفورز SDS-PAGE استفاده شد. بدین منظور عصاره پروتئینی برگ­ها با استفاده از بافر فسفات سدیم (pH=7) در دمای 4 درجه سانتیگراد استخراج گردید. ژل پایه الکتروفورز 12 درصد پلی آکریل آمید-SDS تهیه شد. عصاره پروتئینی در بافر نمونه (بافر 125/0 مولار تریس-اسیدکلردریک، SDS 4 درصد، گلیسرول 20 درصد، بتامرکاپتواتانول 10 درصد و رنگ برموفنل 1/0 درصد) تهیه شد. رنگ­آمیزی ژل با استفاده از رنگ آبی کوماسی انجام گرفت. استانداردهای مارکر پروتئینی (سینا ژن، ایران) نیز همزمان با نمونه­ها استفاده شد (9).

آنالیزهای آماری: هر غلظت استفاده شده نانوذرات و شاهد در 10 تکرار در طرح کاملاً تصادفی انجام شد. داده­ها به صورت میانگین 3 تکرار (میانگین±انحراف معیار) گزارش شدند. تجزیه واریانس آنوای یک­طرفه (one-way ANOVA) و آزمون دانکن با استفاده از نرم­افزار SPSS (PASW, 22.0) برای همه پارمترهای اندازه­گیری شده اجرا شد.

نتایج

جذب، انباشته شدن و انتقال عناصر روی و سریم: نتایج حاصل از میزان جذب عناصر روی و سریم در برگ­های گیاهان تیمار شده با غلظت­های مختلف نانوذرات دی اکسید سریم (a) و اکسید روی (b) در شکل 2 ارائه شده است. چنانچه از نمودارها مشخص است تفاوت میزان عنصر سریم در غلظت­های 250 و 500 میلی­گرم بر لیتر در مقایسه با گروه شاهد معنی­دار نیست. در حالی که در غلظت­های بالاتر یعنی در 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر مقدار آن به طور معنی­داری افزایش یافت، به طوریکه در غلظت 1000 میلی­گرم بر لیتر، مقدار عنصر سریم نسبت به گروه شاهد افزایش 319 درصدی داشت. البته مقدار عنصر سریم در غلظت 2000 میلی­گرم بر لیتر (19/2 میلی­گرم بر کیلوگرم وزن خشک) نسبت به غلظت 1000 میلی­گرم بر لیتر (84/2 میلی­گرم بر کیلوگرم وزن خشک) کاهش یافت. مقدار عنصر روی در گیاهان در معرض نانوذرات اکسید روی روند متفاوتی با انباشته شدن عنصر سریم داشت. به طوری که در شکل 2 نشان داده شده است مقدار عنصر روی در غلظت­های 250 و و 500 میلی­گرم بر لیتر افزایش 21 و 3/5 درصدی نسبت به گروه شاهد نشان داد. در حالی که در غلظت­های 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر مقدار عنصر روی در بخش­های هوایی گیاه کاهش یافت.

شاخص­های رشد، محتوی نسبی آب و نشت الکترولیت:

نتایج مربوط به برخی پارامترهای رشد مانند ارتفاع بخش هوایی گیاه، طول ریشه و سطح برگ و همچنین محتوای نسبی آب و نشت الکترولیت در جدول 1 ارائه شده است. همان­طور که مشخص است، روند افزایشی در پارامترهای رشد از جمله طول ریشه، ارتفاع گیاه و سطح برگ در همه غلظت­های نانوذرات اکسید روی مشاهده می­شود. به طوری­که به نظر می­رسد غلظت­های 1000-500 میلی­گرم بر لیتر هر دو تیمار نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم، غلظت بهینه برای رشد گیاه هستند، زیرا در این غلظت­ها، گیاهان بیشترین افزایش در ارتفاع گیاه و طول ریشه گیاه داشتند. اما در غلظت 2000 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات دی اکسید سریم ارتفاع بخش هوایی گیاه نسبت به سایر غلظت­ها و گروه شاهد کاهش یافت. با توجه به نتایج ارائه شده در جدول 1 مشخص است که تغییرات سطح برگ گیاهان در هر دو تیمار نانوذرات (اکسید روی و دی اکسید سریم) معنی­دار نیست. افزایش محتوای نسبی آب در برگ­های گیاهان در معرض نانوذرات دی اکسید سریم در تمامی غلظت­ها مشاهده شد. در حالی که تفاوت معنی­داری در تیمارهای نانوذرات اکسید روی وجود نداشت. تفاوت در نشت الکترولیت برگ­های در معرض نانوذرات اکسید روی معنی­دار نبود. در حالی که روند تغییرات نشت الکترولیت در تیمارهای نانوذرات دی­اکسید سریم از غلظت پیروی نمی­کند. به طوری که میزان نشت الکترولیت در غلظت 250 میلی­گرم بر لیتر کاهش و در دیگر غلظت­ها افزایش یافت.

محتوای رنگیزه­های کلروفیل و آنتوسیانین: محتوای کلروفیل a، b و کلروفیل کل در همه غلظت­های هر دو تیمار نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم (به استثنای کلروفیل b که در تیمار نانوذرات دی اکسید سریم معنی­دار نبود) نسبت به گروه شاهد کاهش یافت. به طوریکه کاهش 58 درصدی در محتوای کلروفیل کل در غلظت 250 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی در مقایسه با شاهد مشاهده شد. با این وجود، مقدار کلروفیل کل بین غلظت­های 500، 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر تفاوت­ها معنی­دار نبود، این درحالی است که نسبت به شاهد کاهش نشان دادند. همچنین بیشترین کاهش در مقدار کلروفیل کل در تیمارهای دی اکسید سریم در غلظت 1000 ملی­گرم بر لیتر (%53 کاهش نسبت به گروه شاهد) مشاهده شد. همچنان که از نمودارهای شکل 3 مشخص است، تغییرات در مقادیر کلروفیل وابسته به غلظت نیست و روند منظمی از تغییرات مشاهده نمی­شود، بنابراین افزایش غلظت نانوذرات باعث افزایش و یا کاهش خطی کلروفیل نشد. همچنین تغییرات محتوای آنتوسیانین کل در غلظت­های هر دو تیمار نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم در مقایسه با شاهد روند کاهشی داشت. به طوری که کاهش 27 و 39 درصدی به ترتیب در غلظت 2000 میلی­گرم نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم مشاهده شد.

اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر پروتئین کل و فعالیت آنزیم­ها: تغییرات در مقدار پروتئین کل و آنزیم­های آنتی اکسیدان کاتالاز و پراکسیداز در گیاهان تیمار شده با غلظت­های مختلف نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم در شکل 4 نشان داده شده است. همچنین بررسی الگوی پروتئینی برگ­های تیمار شده توسط الکتروفوز با استفاده از ژل آکریل آمید در شکل 5 ارائه شده است. همان طور که در شکل مشخص شده است مقدار پروتئین کل در تیمارهای نانوذرات اکسید روی تفاوت معنی داری نسبت به گروه شاهد نداشتند. با این وجود در غلظت 1000 میلی­گرم بر لیتر یک افزایش جزئی 8 درصدی در مقدار پروتئین کل نسبت به گروه شاهد مشاهده شد، که این افزایش اندک در میزان پروتئین با مقایسه الگوی پروتئینی در شکل 5 در مقایسه با غلظت­ها و گروه شاهد قابل تشخیص است. در حالی که کاهش در محتوی پروتئین تیمارهای دی اکسید سریم تا 25 درصد در غلظت 1000 میلی­گرم بر لیتر در مقایسه با گروه شاهد مشاهده شد. البته تفاوت­ها از نظر آماری در بین غلظت­ها معنی دار نبود. با این وجود تغییر در غلظت پروتئین کل را همچنین می­توان در الگوی الکتروفورزی مشاهده کرد (شکل 5).

نتایج حاصل از اندازه­گیری آنزیم­های آنتی اکسیدان پراکسیداز و کاتالاز در شکل 4 (b و c) ارائه شده است. تغییرات آنزیم­های آنتی­اکسیدان در تیمارهای نانوذرات دی اکسید سریم در مقایسه با نانوذرات اکسید روی معنی­دارتر بود. نانوذرات اکسید روی مستقل از غلظت باعث کاهش و افزایش جزئی در فعالیت آنزیم پراکسیداز شدند. به طوریکه که در غلظت 250 میلی­گرم بر لیتر کاهش 15 درصدی فعالیت پراکسیداز نسبت به گروه شاهد مشاهده شد. اما در ادامه افزایش 12 درصدی فعالیت آنزیم پراکسیداز در غلظت 500 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی مشاهده شد. در حالی که روند منظمی­تری در تغییرات فعالیت آنزیم پراکسیداز در تیمارهای دی اکسید سریم مشاهده شد. به طوریکه با افزایش غلظت نانوذرات، فعالیت پراکسیداز تا 41 درصد در بالاترین غلظت یعنی 2000 میلی­گرم بر لیتر رسید. به طور مشابه، در مورد فعالیت آنزیم کاتالاز، تغییرات این آنزیم در گیاهان در معرض نانوذرات دی اکسید سریم در مقایسه با نانوذرات اکسید روی مشهودتر بود. همان طور که در شکل مشاهده می­شود میزان فعالیت آنزیم در غلظت­های 250، 500 و 1000 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی تفاوت معنی­داری با گروه شاهد ندارد، اما فعالیت آنزیم در غلظت 2000 میلی­گرم بر لیتر، در مقایسه با گروه شاهد 29 درصد افزایش یافت. در حالی که میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در برگ­های گیاهان در معرض بالاترین غلظت نانوذرات دی اکسید سریم در مقایسه با گروه شاهد 58 درصد افزایش یافت. 

نتایج الگوی الکتروفورز پروتئین­ها: از نظر الگوی پروتئینی و تعداد نوارهای پروتئینی تشکیل شده، تیمارهای دی اکسید سریم دارای الگوی مشابهی بودند به طوریکه که در شکل 5 مشخص است تعداد نوارهای پروتئینی یکسان است. به طور مشابه، الگوی پروتئینی گیاهان در معرض نانوذرات اکسید روی مشابه با گروه شاهد است. با این تفاوت که در غلظت 500 میلی­گرم بر لیتر یک نوار پروتئینی جدید با وزن مولکولی تقریباً 28 کیلو دالتون (شکل 5، مشخص شده با پیکان) ایجاد شده است که در گروه شاهد و سایر غلظت­ها مشاهده نمی­شود.

بحث و نتیجه گیری

بحث: دراین پژوهش، اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم را در غلظت­های مختلف به صورت اضافه کردن سوسپانسیون آنها در خاک بر رشد گیاه لوبیا و فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدان مورد بررسی قرار گرفت.

علی رغم وجود برخی گزارشات در مورد سمیت نانوذرات در گیاهان، مطالعات بسیار اندکی در مورد اثرات بهبود دهنده احتمالی نانوذرات بر رشد و پاسخ­های آنتی­اکسیدانی گیاهان انجام شده است (20).

نتایج نشان داد که تفاوت معنی­داری در غلظت Zn موجود در برگ­ها در تیمارهای نانوذرات اکسید روی به جز غلظت 250 میلی­گرم بر لیتر مشاهده نشد. به طوری که با افزایش بیشتر غلظت در معرض، میزان انباشته شدن این عنصر در برگ­ها کاهش پیدا کرد. این کاهش محتوای روی در بخش­های هوایی گیاه در غلظت­های بالا می­تواند به دلیل اتصال نانوذرات اکسید روی به یکدیگر و افزایش اندازه ذرات و همچنین تمایل نانوذرات به اتصال با سایر ذرات موجود در خاک باشد که در نهایت باعث کاهش در دسترس بودن نانوذرات توسط گیاه باشد (13). 

 

 

جدول 1- اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر شاخص­های رشد ارتفاع بخش هوایی، طول ریشه، سطح برگ، محتوای نسبی آب، نشت الکترولیت. داده­ها میانگین سه تکرار ± انحراف معیار (SE) هستند. آنالیزها براساس آنوای یک طرفه همراه با آزمون دانکن انجام شده­اند. حروف متفاوت نشان دهنده­ی وجود اختلاف معنی دار است (P≤0.05).

 

نشت الکترولیت (%)

محتوای نسبی آب (%)

سطح برگ (cm2)

طول ریشه (سانتیمتر)

ارتفاع بخش هوایی  (سانتیمتر)

تیمار                   پارامتر

 

 

 

 

 

تیمار نانوذرات اکسید روی

3.24±24.7 a

0.69±69.3 b

8.35±56.9 b

1.00±24.0 b

79/3±7/46 b

0

3.67±26.4 a

7.68±76.2 b

7.65±68.2 a

2.00±26.0 b

51/4±7/49 ab

250

4.53±28.8 a

3.41±71.9 b

4.98±59.4 ab

4.00±34.0 a

74/8±3/51 ab

500

2.06±30.4 a

1.11±70.6 b

4/64±12/7 ab

3.00±36.6 a

1.53±3/56 a

1000

2.88±29.0 a

2.06±71.1 b

7.17±54.9 b

2.00±25.0 b

1.53±50.7 ab

2000

 

 

 

 

 

تیمار نانوذرات دی­اکسید سریم

3.24±24.7 ab

0.69±69.3 b

8.35±56.9 a

1.00±24.0 c

3.79±46.7 b

0

6.82±17.0 b

3.89±72.5 ab

10.6±62.2 a

1.00±29.0 ab

1.00±47.0 b

250

4.93±25.8 a

7.19±75.0 ab

5.95±53.9 a

1.53±29.3 a

4.51±53.3 ab

500

3.20±32.9 a

5.01±79.5 a

7.07±58.4 a

1.00±29.0 ab

3.46±56.0 a

1000

0.30±29.6 a

2.00±74.3 ab

3.39±52.7 a

1.00±27.0 b

4.51±39.7 c

2000

 

b

 
 

a

 

شکل 2- میزان جذب و انباشته شدن عناصر سریم (a) و روی (b) در برگ­های گیاهان در معرض غلظت­های مختلف نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم. آنالیز براساس آنوای یک طرفه همراه با آزمون دانکن انجام شده است. حروف متفاوت نشان دهنده­ی تفاوت معنی­دار بین غلظت­ها است (p ≤ 0.05).

 

 

a

 

b

 

c

 

شکل 3- اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر محتوای کلروفیل a، b و c (a, b) و همچنین محتوای آنتوسانین کل (c) برگ. داده­ها میانگین 3 تکرار ± انحراف معیار. آنالیزها براساس آنوای یک طرفه همراه با آزمون دانکن انجام شده­اند. حروف متفاوت نشان دهنده­ی وجود اختلاف معنی دار است. (P≤0.05).

a

 

b

 

c

 

شکل 4- میزان پروتئین کل (a)، آنزیم پراکسیداز (b) و کاتالاز (c) در برگ­های گیاهان در معرض نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم. اعداد میانگین 3 تکرار ± انحراف معیار. حروف متفاوت نشان دهنده­ی وجود اختلاف معنی دار است (P≤0.05). 

 

وقتی نانوذرات با بسترهای محیطی بویژه، خاک میانکش می­دهند، رفتار فیزیکوشیمایی آنها تغییر می­کند، که می­تواند بر حلالیت نانوذرات و در نتیجه در دسترس بودن آنها برای گیاه تأثیر بگذارد (36). گزارشاتی از کاهش عنصر روی قابل دسترسی برای گیاهان و نگه­داری بیشتر این عنصر در محیط­های خاک وجود دارد (26)، که در نتیجه باعث کاهش مقدار جذب این عنصر توسط گیاهان می‍شود، مشابه آن چیزی که در این مطالعه مشاهده شد. همچنین افزایش غلظت نانوذرات و چسبیدن آنها به سطح ریشه، ممکن است باعث مسدود شدن منافذ و کانال­ها برای ورود نانوذرات و یون­ها شده باشد (5). از طرف دیگر، میزان عنصر سریم در برگ­های گیاهان در معرض غلظت­های 500-250 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات دی اکسید سریم در مقایسه با گروه شاهد معنی­دار نبود. در حالی که مقدار آن در غلظت­های بالا (2000-1000 میلی­گرم بر لیتر) به طور معنی­داری نسبت به شاهد و غلظت­های پایین افزایش نشان داد. از طرف دیگر، میزان تغییرات محتوی عنصر سریم در غلظت­های بالا در مقایسه با این تغییرات در عنصر روی قابل توجه بود، که این می­تواند بدلیل حلالیت بیشتر و پایینتر بودن درجه توده­ای شدن نانوذرات دی اکسید سریم نسبت به اکسید روی باشد.

 

 

شکل 5- الگوی SDS-PAGE عصاره پروتئینی برگ­های گیاهان تیمار شده با غلظت­های مختلف نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم. C، گروه شاهد؛ 1، 2، 3 و 4 به ترتیب غلظت­های 250، 500، 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی؛ 5، 6، 7 و 8 به ترتیب غلظت­های 250، 500، 1000 و 2000 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات دی اکسید سریم؛ M، مارکر پروتئینی

 

 

نتایج حاصل از مطالعه اثرات نانوذرات بر پارامترهای رشد مانند ارتفاع گیاه، طول ریشه و سطح برگ گیاه حاکی از آن است که هر دو نوع نانوذره مستقل از میزان انباشته شدن عناصر باعث افزایش و بهبود رشد طولی گیاه شده­اند. با این تفاوت که نانوذرات دی اکسید سریم در بالاترین غلظت باعث کاهش معنی­دار ارتفاع بخش هوایی و بالعکس باعث افزایش طول ریشه گیاه شده است، که پیشنهاد می­شود این نانوذرات در غلظت­های بالا در خاک موجب کاهش در دسترس بودن و جذب آب، مواد معدنی و در نتیجه کاهش رشد گیاه می­شوند. از طرفی دیگر افزایش اندک طول ریشه در گیاهان در معرض غلظت 2000 میلی­گرم بر لیتر دی اکسید سریم می­تواند نوعی استراتژی گیاه برای استفاده حداکثری از منابع معدنی و آب موجود در خاک باشد. مکانیسم احتمالی برای افزایش طول ریشه می­تواند افزایش تکثیر سلولی و یا طویل شدن سلول­های ریشه باشد (19).

محتوی کلروفیل یک شاخص معمول نشان­دهنده­ی کارآمدی فتوسنتزی گیاه است، که یکی از تعیین کننده­های رشد گیاه محسوب می­شود. عنصر روی یک ریزمغذی برای رشد گیاه و برای بیوسنتز کلروفیل مورد نیاز است، اما مقدار اضافی آن ممکن است با سنتز رنگیزه­های فتوسنتز تداخل ایجاد کند و در نتیجه بر روی فرایندهای فتوسنتزی اثر بگذارد (20). چنانچه در بخش نتایج مشاهده شد هر دو نوع نانوذره باعث کاهش در محتوای کلروفیل کل گیاهان شدند که این نتایج با مطالعات قبلی که اشاره به اثر منفی نانوذرات بر محتوای کلروفیل داشتند، همسو است (30). کاهش در محتوای کلروفیل با افزایش میزان عناصر روی و سریم در برگ­های گیاهان بیشتر مشهود بود. به طوریکه برگ­های گیاهان در معرض غلظت 250 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی و 1000 میلی­گرم بر لیتر دی اکسید سریم بیشترین کاهش در محتوای کلروفیل داشتند. افزایش در ارتفاع بخش هوایی گیاه و همچنین افزایش سطح برگ گیاهان در معرض نانوذرات می­تواند به دلیل تلاش گیاه برای افزایش بهره­وری هر چه بیشتر از نور برای انجام فتوسنتز مورد نیاز رشد باشد (9، 17). کاهش در رنگیزه­های فتوسنتزی و همچنین آنتوسیانین می­تواند به عنوان پاسخ ویژه به فلزات در نظر گرفته شود که منجر به مهار سنتز کلروفیل و سایر رنگیزه­ها احتمالاً به دلیل کمبود در جذب آهن و منیزیم می­شود. کاهش در محتوای کلروفیل با کاهش کمپلکس­های هسته مرکزی، کمپلکس­های جمع آوری نور در فتوسیستم I و II و همچنین کاهش در سنتز روبیسکو مرتبط است (33). احتمال دیگر برای کاهش رنگیزه­های فتوسنتزی، مهار آنزیم­های مسئول بیوسنتز کلروفیل مانند δ-آمینولولونیک اسید دهیدراتاز (δ-aminolevulinic acid dehydratase) و پروتوکلروفیلید ردکتاز (protochlorophyllide reductase)، افزایش تخریب تیلاکوئیدها و پراکسیداسیون لیپیدهای غشایی باشد (29). به طوری که در جدول 1 مشاهده می­شود نشت الکترولیت گیاهان در معرض غلظت بالای نانوذرات دی اکسید سریم (2000 میلی­گرم بر لیتر) افزایش و درنتیجه پایداری غشا کاهش یافته است.

کاملاً شناخته شده است که گونه­های فعال اکسیژن (ROS) داخل بافت گیاهی در پاسخ به تنش تولید می­شوند (5). شماری از مطالعات نشان داده­اند که نانوذرات فلزی باعث القای تنش اکسیداتیو و تغییر فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدان می­شوند (12، 35). در این مطالعه، اضافه کردن عناصر روی و سریم باعث تغییراتی در سطح پروتئین وافزایش فعالیت آنزیمی شد. محتوای پروتئین محلول یک شاخص مهم برای رشد گیاه است. مشخص شده است که عنصر روی بر میزان پروتئین در گیاهان تأثیر می­گذارد، با این وجود در این مطالعه افزایش محتوای پروتئین گیاهان در معرض نانو ذرات معنی­دار نبود. ایجاد نوار جدید در الگوی الکتروفورزی پروتئین در گیاهان احتمالاً ممکن است به علت تولید پروتئین­های مرتبط با پاسخ­های دفاعی، آنتی اکسیدانی و ذخیره­ای باشد، که گیاه را از اثرات مضر تنش محافظت می­کند. گزارشاتی از اثرات مثبت نانوذرات اکسید روی در کاهش سطح پراکسیدهیدروژن در گوجه فرنگی وجود دارد که ممکن است به خاطر افزایش در جذب مغذی­های کلیدی مانند نیتروژن باشد که نقش مهمی را در سنتز پروتئین، مسیرهای متابولیسمی و هوموستاز یون­ها دارد (2). علاوه بر این، نانوذرات اکسید روی باعث القای ژن­های AtKC1 و AtCHX17 در ریشه و بخش هوایی گیاه آرابیدوپسیس شد، که این ژن­ها مسئول حفظ هوموستاز مواد معدنی و یون­ها هستند (27). این نتایج نشان می­دهد که گیاهان تنش غیرزیستی را با افزایش سنتز برخی پروتئین­ها و تنظیم فرایندهای بیوشیمایی کلیدی در متابولیسم خنثی می­کنند. 

از طرفی معنی­دار نبودن سطح پروتئین برگ و همچنین مشابه بودن الگوی پروتئین گیاهان در معرض نانوذرات دی اکسید سریم نشان­دهنده­ی عدم وجود اثرات سمی نانوذرات بر سلول در سطح پروتئین است. اثرات نانوذرات دی اکسید سریم بر رشد گیاه وابسته به شرایط در معرض و همچنین گونه گیاهی دارد. غلظت­های پایین نانوذرات دی اکسید سریم (100-0 میلی­گرم بر لیتر) در خاک اثرات نامطلوبی بر رشد گیاهان براسیکا (Brassica rapa) نداشته است (22). با این حال، کاهش در رشد گیاهان تحت غلظت بالای نانوذرات دی اکسید سریم (2000 میلی­گرم بر لیتر) احتمالاً می­تواند به دلیل تغییر در تقسیم و طویل شدن سلولی، فتوسنتز، تنفس، جذب یون و تغییر پروتئین باشد (12)، که در نتایج حاضر، کاهش رنگیزه­های فتوسنتزی از جمله کلروفیل کل، آنتوسیانین و افزایش نشت الکترولیت که ممکن است موجب آسیب به غشا شده باشد، مشاهده شد. 

فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدان با توجه به نوع نانوذرات و غلظت آنها متغیر است. در مجموع، میزان تغییرات در فعالیت آنزیم­های کاتالاز و پراکسیداز و همچنین سایر پارامترهای رشد در گیاهان در معرض نانوذرات دی اکسید سریم بالاتر از نانوذرات اکسید روی بود. این نتیجه می­تواند به این دلیل باشد که روی در شکل نانو نقش مهمی در رشد و تکوین گیاهان دارد و همچنین برای فعالیت­های آنزیمی ضروری است. معمولاً برگ­ها به 20-15 میلی­گرم بر کیلوگرم روی برای رشد نیاز دارند که البته این مقدار با توجه به نوع گونه می­تواند متغیر باشد. با این حال گزارش شده است که مقادیر 200-100 میلی­گرم بر کیلوگرم عنصر روی برای برگ­های گیاهانی مثل لوبیا و گوجه فرنگی سمی می­باشد (23). با این حال هیچ کدام از تیمارهای نانوذرات اکسید روی به این حد از سمیت نرسیده بودند. بنابراین، تغییرات اندک در پارامترهای گیاهان در معرض نانوذرات اکسید روی و در نتیجه کاهش اثرات مضر می­تواند به دلیل مذکور باشد. گزارشات درباره اثرات نانوذرات اکسید روی و دی اکسید سریم بر فعالیت آنزیمی و سایر پارامترهای دیگر بسیار متغیر است. این تنوع و تغییرات پیشنهاد می­کند که این معیارها بخصوص اندازه­گیری­های مرتبط با آنزیم­ها وابسته به نوع گونه گیاهی، شرایط فیزیکوشیمایی خاک، نحوه اعمال نانوذرات و از همه مهمتر زمان در معرض قرار دادن است.

نتیجه­ گیری: نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که پاسخ­های در سطح سلولی گیاه با توجه به نوع نانوذرات علی رغم شباهت در برخی علائم ظاهری گیاه و پارامترهای رشد می­تواند متفاوت باشد. همچنین به نظر می­رسد که پاسخ­های قابل مشاهده در رشد گیاه با نوع نانو ذرات و غلظت مورد استفاده متغیر است، به طوریکه رشد گیاهان در معرض نانوذرات اکسید روی با افزایش غلظت افزایش یافت و اثرات بازدارنده مشاهده نگردید. در حالی که نانوذرات دی اکسید سریم در بالاترین غلظت، باعث مهار رشد بخش هوایی گردید. همچنین تغییر در شاخص­های بیوشیمایی نظیر فعالیت آنزیم­ها و میزان پروتئین بستگی به نوع نانوذرات داشت. علاوه بر این، بیان پروتئین ارتباط مستقیم با نوع نانوذره داشت، به طوریکه نانوذرات اکسید روی باعث پدید آمدن یک نوار پروتئینی جدید شدند، در حالی که در تیمارهای دی اکسید سریم مشاهده نشد. از طرفی دیگر مقدار پروتئین کل در تیمارهای اکسید روی در مقایسه با گروه شاهد تغییرات معنی­داری نداشت، با این حال علی­رغم معنی­دار نبودن، کاهش جزئی پروتئین در گیاهان در معرض نانوذرات دی اکسید سریم مشاهده شد. همچنین نتایج نشان دادند که نانوذرات در غلظت­های ویژه­ای می­توانند نقش محرک در رشد گیاهان داشته باشند. در مجموع نتایج حاکی از آن است که گیاه لوبیا حساسیت بیشتری به نانوذرات دی اکسید سریم با توجه به غلظت مورد استفاده نشان می­دهد.

سپاسگزاری

نویسندگان مقاله لازم می­دانند تا مراتب قدرانی و سپاس خود را از کلیه مسئولین و همکاران محترم در دانشکده علوم پایه دانشگاه بوعلی سینا به جهت مساعدت برای انجام این پژوهش اعلام دارند.

1-Aebi, H., 1974. Catalase.  Methods of Enzymatic Analysis (Second Edition). Elsevier, 2: 673-684.

2-Alharby, H F, Metwali, E M R, Fuller, M P, Aldhebiani, A Y. 2016. The alteration of mRNA expression of SOD and GPX genes, and proteins in tomato (Lycopersicon esculentum mill) under stress of NaCl and/or ZnO nanoparticles. Saudi Journal of Biological Sciences, 23(6): 773–781.

3-Arndt, S K, Irawan, A, Sanders, G J. 2015. Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves. Physiologia Plantarum, 155 (4): 355-368.

4-Arnon, D I, 1949. Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant physiology, 24(1):-1-15.

5-Bandyopadhyay, S, Plascencia-Villa, G, Mukherjee, A, Rico, C M, José-Yacamán, M, Peralta-Videa, J R, Gardea-Torresdey, J L. 2015. Comparative phytotoxicity of ZnO NPs, bulk ZnO, and ionic zinc onto the alfalfa plants symbiotically associated with Sinorhizobium meliloti in soil. Science of the Total Environment, 515–516: 60–69.

6-Barrios, A.C., Rico, C.M., Trujillo-Reyes, J., Medina-Velo, I.A., Peralta-Videa, J.R., Gardea-Torresdey, J.L., 2016. Effects of uncoated and citric acid coated cerium oxide nanoparticles, bulk cerium oxide, cerium acetate, and citric acid on tomato plants. Science of The Total Environment, 563:956-964.

7-Bitocchi, E, Rau, D, Rodriguez, M, Murgia, M, 2016. Crop improvement of Phaseolus spp. through interspecific and intraspecific hybridization. CRC Press, 63(4): 218-180.

8-Bradford, M M, 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistry, 72(1-2):248-54.

9-Chavarria, G, Pessoa dos Santos, H, Suita de Castro, L A, Marodin, G A B, Bergamaschi, H. 2012. Anatomy, chlorophyll content and photosynthetic potential in grapevine leaves under plastic cover. Revista Brasileira de Fruticultura, 34 (3): 661-668. 

10-Chehregani, A, Lari Yazdi, H, Hoseini, S, Majd, A. 2007. Toxic Effects of Diesel Exhaust Particles on the Ovules and Embryonic Sac Development in Phaseolus vulgaris L. Middle Eastern and Russian Journal of Plant Science and Biotechnology, 1(2): 54-56.

11-Dimkpa, C O, McLean, J E, Britt, D W, Anderson, A J, 2012 (a). Bioactivity and biomodification of Ag, ZnO, and CuO nanoparticles with relevance to plant performance in agriculture. Industrial Biotechnology, 8 (6): 344–357.

12-Dimkpa, C O, McLean, J E, Latta, D E, Manangon, E, Britt, D W, Johnson, W P, 2012 (b). CuO and ZnO nanoparticles: phytotoxicity, metal speciation, and induction of oxidative stress in sand-grown wheat. Journal of Nanoparticle Research, 14 (9): 1-15.

13-Franklin, N M, Rogers, N J, Apte, S C, Batley, G E, Gadd, G E, Casey, P S, 2007. Comparative toxicity of nanoparticulate ZnO, bulk ZnO, and ZnCl2 to a freshwater microalga (Pseudokirchneriella subcapitata): the importance of particle solubility. Environmental Science & Technology, 41 (24): 8484–8490.

14-Gawande, M B, Goswami, A, Felpin, F X, Asefa, T, Huang, X, Silva, R, 2016. Cu and Cu-based nanoparticles: synthesis and applications in catalysis. Chemical reviews, 116 (6):3722-3811.

15-Hong, ., Peralta-Videa, J R., Rico, C, Sahi, S, Viveros, M N, Bartonjo, J, Zhao, L, Gardea- Torresey, J L, 2014. Evidence of translocation and physiological impacts of foliar applied CeO2 nanoparticles on cucumber (Cucumis sativus) plants. Environmental Science & Technology, 48: 4376–4385.

16-Jain, R, Srivastava, S, Solomon, S, Shrivastava, A K, Chandra, A, 2010. Impact of excess zinc on growth parameters, cell division, nutrient accumulation, photosynthetic pigments and oxidative stress of sugarcane (Saccharum spp.). Acta Physiologiae Plantarum, 32: 979–986. 

17-Koch, K C, Chapman, K, Louis, J, Heng-Moss, T, Sarath, G. Plant Tolerance: A Unique Approach to Control Hemipteran Pests. Frontiers in Plant Science, 13 (7): 1-12.

18-Krishnaraj, C, Jagan, E, Ramachandran, R, Abirami, S, Mohan, N, Kalaichelvan, P, 2012. Effect of biologically synthesized silver nanoparticles on Bacopa monnieri (Linn.) Wettst. plant growth metabolism. Process biochemistry, 47(4):651-8.

19-Li, X, Yang, Y, Zhang, J, Jia, L, Li, Q, Zhang, T, Qiao, K, Ma, S. 2012. Zinc induced phytotoxicity mechanism involved in root growth of Triticum aestivum L. Ecotoxicology and Environmental Safety, 86: 196-203.

20-Li, X, Yang, Y, Jia, L, Chen, H, Wei, X, 2013. Zinc-induced oxidative damage, antioxidant enzyme response and proline metabolism in roots and leaves of wheat plants. Ecotoxicology and Environmental Safety, 89: 150–157.

21-Lin, D, Xing, B, 2007. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth. Environmental Pollution, 150: 243–250.  

22-Ma, X, Wang, Q, Rossi, L, Zhang, W. 2015. Cerium oxide nanoparticles and bulk cerium oxide leading to different physiological and biochemical responses in Brassica rapa. Environmental science & technology, 50(13):6793-802.

23-Macnicol, R D., Beckett, P H T, 1985. Critical tissue concentrations of potentially toxic elements. Plant Soil, 85: 107–129.

24-Manzo, S, Rocco, A, Carotenuto, R, Picione, F D L., Miglietta, M L, Rametta, G, Francia, G D, 2011. Investigation of ZnO nanoparticles' ecotoxicological effects towards different soil organisms. Environmental Science and Pollution Research, 18 (5): 756–763.

25-Majumdar, S, Almeida, I C, Arigi, E A, Choi, H, VerBerkmoes, N C, Trujillo-Reyes, J, 2015. Environmental effects of nanoceria on seed production of common bean (Phaseolus vulgaris): a proteomic analysis, Environmental science & technology. 49(22):13283-93.

26-Milani, N, McLaughlin, M J, Stacey, S P, Kirby, J K, Hettiarachchi, G M, Beak, D G, 2012. Dissolution kinetics of macronutrient fertilizers coatedwith manufactured zinc oxide nanoparticles. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60, 3991–3998.

27-Nair, P M G, Chung, I M, 2015. Changes in the growth, redox status and expression of oxidative stress related genes in chickpea (Cicer arietinum L.) in response to copper oxide nanoparticle exposure. Journal of Plant Growth Regulation, 34(2):350-61

28-Pandey, S, Singh, H, 2011. A simple, cost-effective method for leaf area estimation. Journal of Botany, 1-6.

29-Peng, G, Ellis, J E, Xu, G, Xu, X, Star, A, 2016. In Situ Grown TiO2 Nanospindles Facilitate the Formation of Holey Reduced Graphene Oxide by Photodegradation. ACS applied materials & interfaces, 8(11):7403-10.

30-Rico, C M, Morales, M I, McCreary, R, Castillo-Michel, H, Barrios, A C, Hong, J, Tafoya, A, Lee,W Y, Varela-Ramirez, A, Peralta-Videa, J R, Gardea-Torresdey, J L, 2013. Cerium oxide nanoparticles modify the antioxidative stress enzyme activities and macromolecule composition in Rice seedlings. Environmental science & technology, 47: 14110–14118.

31-Rico, C M, Lee, S C, Rubenecia, R, Mukherjee, A, Hong, J, Peralta-Videa, J R, Gardea- Torresdey, J L, 2014. Cerium oxide nanoparticles impact yield and modify nutritional parameters in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry, 62 (40): 9669–9675.

32-Rossi, L, Zhang, W, Ma, X, 2017. Cerium oxide nanoparticles alter the salt stress tolerance of Brassica napus L. by modifying the formation of root apoplastic barriers. Environmental Pollution, 229: 132-138. 

33-Subba, P, Mukhopadhyay, M, Mahato, S K, Bhutia, K D, Mondal, T K, Ghosh, S K, 2014. Zinc stress induces physiological, ultra-structural and biochemical changes in mandarin orange (Citrus reticulata Blanco) seedlings. Physiology and Molecular Biology of Plants, 20: 461– 473.

34-Wagner, G J, 1979. Content and vacuole/extravacuole distribution of neutral sugars, free amino acids, and anthocyanin in protoplasts. Plant physiology, 64(1):88-93.

35-Wang, F, Liu, X, Shi, Z, Tong, R, Adams, C A, Shi, X, 2016. Arbuscular mycorrhizae alleviate negative effects of zinc oxide nanoparticle and zinc accumulation in maize plant: a soilmicrocosm experiment. Chemosphere, 147, 88–97.

36-Watson, J L, Fang, T, Dimkpa, C O, Britt, D W, McLean, J E, Jacobson, A, Anderson, A J. 2015. The phytotoxicity of ZnO nanoparticles on wheat varies with soil properties. Biometals, 28: 101–112.

37-Zhao, L, Hernandez-Viezcas, J A, Peralta-Videa, J R, Bandyopadhyay, S, Peng, B, Munoz, B, Keller, A.A, Gardea-Torresdey, J L, 2013. ZnO nanoparticle fate in soil and zinc bioaccumulation in corn plants (Zea mays) influenced by alginate. Environmental Science: Processes & Impacts, 15: 260–266.