نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکترا دانشگاه اصفهان
2 عضو هیات علمی گروه زیست شناسی دانشگاه اصفهان
3 عضو هیات علمی دانشگاه رازی کرمانشاه
چکیده
آنتیموان از عناصر غیرضروری برای جانداران میباشد که دارای اثرات سمی متفاوتی در گیاهان است. با این حال برخی گیاهان میتوانند با غلبه بر اثرات سمی آنتیموان، آن را جذب و در بافتهای خود انباشته کنند. یکی از این گیاهان Tanacetum polycephalum میباشد. در این تحقیق این گیاه از خاکهای آلوده به آنتیموان مغانلو زنجان جمعآوری گردید که بالاترین مقدار آنتیموان در بخشهوایی این گیاه برابر با 8/127 میلیگرم بر کیلوگرم بود. نتایج حاصل از کشت این گیاه در شرایط پرلیت نشانداد که با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی وزن خشک ریشه و ساقه کاهش یافت و این کاهش در ریشه شدیدتر بود. مقدار آنتیموان در ریشه و بخشهوایی نیز با افزایش غلظت این عنصر در محیط کشت افزایش یافت. در تیمار 100 میلیگرم در لیتر مقدار عنصر در بخشهوایی رابر با 7/1697 میلیگرم بر کیلوگرم بود، در این حال مقدار آنتیموان انباشتهشده در ریشه بیشتر بود. همچنین با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی مقدار کلروفیل a و b کاهش یافت. در تیمارهای بالاتر از 5 میلیگرم در لیتر نسبت کلروفیل a به b افزایش یافت. همچنین مقدار کاروتنوئیدها و فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز نیز با افزایش غلظت آنتیموان در این گیاه افزایش یافت. در مجموع با توجه به نتایج حاصل میتوان گفت گیاه Tanacetum polycephalum دارای مقاومت و قابلیت جذب نسبتا بالایی برای آنتیموان میباشد و میتواند این عنصر را در بخشهای هوایی خود انباشتهکند؛ بنابراین میتواند برای پاکسازی مناطق آلوده به آنتیموان استفاده شود.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigation of uptake, accumulation and tolerance of antimony in Tanacetum polycephalum
نویسندگان [English]
1 Phd student in Isfahan University
چکیده [English]
Antimony is a non-essential element for organisms. It has different toxic effects on organisms, especially on plants. However, some plants are able to counteract the toxic effects of antimony, uptake and accumulate it in their tissues. Tanacetum polycephalum is one of these plants. In this study, we collected plant samples from antimony polluted soils of Moghanlo mining area in Zanjan province, then analyzed samples in laboratory. The results showed that the highest amount of antimony in collected plants were 127.8 mg/KgDW in aerial parts. Also results of our experiment showed that increasing antimony concentration in the nutrient solution, decreased root and shoot dry weight and the decrease was more obvious in roots. Antimony accumulation in roots and shoots increased with increasing antimony concentration in treatments. In antimony concentration of 100 mg/L, antimony content in shoots was 1697.7 mg/KgDW. The amount of accumulated antimony in the roots was more than aerial parts. Also, with increasing antimony concentration in nutrient solution, the content of chlorophyll a and b were decreased. When antimony concentration in nutrient solution was up to 5 mg/L, the ratio of chlorophyll a/b was increased. The amount of carotenoids and catalase and ascorbat peroxidase activities also increased with increasing of antimony concentration in nutrient solution. In conclusion, Tanacetum polycephalum has a relatively high tolerance to antimony. It is able to uptake and accumulate antimony in its aerial parts; therefore this plant can be used to remediation of antimony contaminated soils.
کلیدواژهها [English]
بررسی جذب، انباشتگی و مقاومت به آنتیموان در گیاه Tanacetum polycephalum
ناصر جمالی حاجیانی1، سید مجید قادریان1* و ناصر کریمی2
1 اصفهان، دانشگاه اصفهان، دانشکده علوم، گروه زیستشناسی
2 کرمانشاه، دانشگاه رازی، دانشکده علوم، گروه زیستشناسی
تاریخ دریافت: 5/4/93 تاریخ پذیرش: 3/9/94
چکیده
آنتیموان از عناصر غیرضروری برای جانداران میباشد که دارای اثرات سمی متفاوتی در گیاهان است. با این حال برخی گیاهان میتوانند با غلبه بر اثرات سمی آنتیموان، آن را جذب و در بافتهای خود انباشته کنند. یکی از این گیاهان Tanacetum polycephalum میباشد. در این تحقیق، این گیاه از خاکهای آلوده به آنتیموان مغانلو زنجان جمعآوری گردید که بالاترین مقدار آنتیموان در بخش هوایی این گیاه برابر با 8/127 میلیگرم بر کیلوگرم بود. نتایج حاصل از کشت این گیاه در شرایط پرلیت نشانداد که با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی وزن خشک ریشه و ساقه کاهش یافت و این کاهش در ریشه شدیدتر بود. مقدار آنتیموان در ریشه و بخش هوایی نیز با افزایش غلظت این عنصر در محیط کشت افزایش یافت. در تیمار 100 میلیگرم در لیتر مقدار عنصر در بخش هوایی برابر با 7/1697 میلیگرم بر کیلوگرم بود، در حالی که مقدار آنتیموان انباشتهشده در ریشه بیشتر بود. همچنین با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی مقدار کلروفیل a و b کاهش یافت. در تیمارهای بالاتر از 5 میلیگرم در لیتر نسبت کلروفیل a به b افزایش یافت. همچنین مقدار کاروتنوئیدها و فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز نیز با افزایش غلظت آنتیموان در این گیاه افزایش یافت. در مجموع با توجه به نتایج حاصل میتوان گفت گیاه Tanacetum polycephalum دارای مقاومت و قابلیت جذب نسبتا بالایی برای آنتیموان میباشد و میتواند این عنصر را در بخشهای هوایی خود انباشتهکند؛ بنابراین میتواند برای پاکسازی مناطق آلوده به آنتیموان استفاده شود.
واژههای کلیدی: آنتیموان، Tanacetum polycephalum، جذب، انباشت
* نویسنده مسئول، تلفن: 03137932464 ، پست الکترونیکی: ghaderian@sci.ui.ac.ir
مقدمه
آنتیموان شبه فلزی با عدد اتمی 51 است که مهمترین کاربردهای این عنصر در ساختن مواد نیمه رسانا، دیودها و آشکارسازهای مادون قرمز، مواد اطفاء حریق، فشنگهای منور، آلیاژها، باطریهای انبارهای، داروهای ضد لیشمانیا و در صنایع پلاستیکسازی و سرامیکسازی است (40، 28). مقدار این شبه فلز در پوسته زمین در اغلب نقاط بین 5/0 تا 8 میلیگرم بر کیلوگرم وزن خشک خاک متغیر است؛ اما در مناطق متعددی از جهان به دلیل فعالیتهای معدنی، این عنصر در مقادیری بالاتر از حد طبیعی در خاک یافت میشود (36).
آنتیموان یک عنصر غیرضروری برای گیاهان و جانوران است که عملکرد بیولوژیکی شناختهشدهای ندارد. این عنصر برای انسان و جانوران حالت سمی دارد و در انسان باعث سرطانزایی، ناراحتیهای مزمن تنفسی، برونشیت مزمن، افزایش فشار خون، دردهای شکمی، اسهال و استفراغ، زخم معده، بیماریهای پوستی، سقط جنین و اختلال در عادت ماهیانه در زنان میگردد (36). اثرات سمی آنتیموان در گیاهان کمتر مورد مطالعه قرار گرفتهاست؛ ولی مطالعات نشان دادهاست که فرم معدنی آن نسبت به فرم آلی این عنصر سمیت بیشتری دارد (39). بطور کلی این عنصر باعث کاهش جوانهزنی، کاهش تعداد و طول ریشه، کاهش رشد بخشهای هوایی، ممانعت از سنتز کلروفیل، اثر بر فتوسیستم II و کاهش میزان فتوسنتز میگردد (41، 39). به نظر میرسد که دلیل اصلی سمیت آنتیموان واکنش با گروههای عملکردی تیول پروتئینها باشد و همچنین ممکن است جایگزین فسفر در واکنشهای بیولوژیکی شود (40).
آنتیموان در مقادیر بالاتر از 10 میلیگرم بر کیلوگرم وزن خشک گیاه باعث بروز اثرات سمیت میگردد (20). با این حال، در بسیاری از خــــاکهای آلوده به آنتیموان، جمعیتها و گونههــای گیاهی مقاوم دیده میشود که میتوانند به خوبی در خاکهای آلوده به آنتیموان رشد کنند. گروهی از این گیاهان با جذب و انباشت این عنصر در بافتهای خود، با مکانیسم های خاصی اثر سمیت آن را خنثی میکنند (31). برخی از این گونههای گیاهی میتوانند به عنوان بیشانباشتگر آنتیموان (با جذب و تجمع بیش از mg/Kg1000) محسوب شوند.
نظر به اینکه کشف و تحقیقات مربوط به گیاهان بیشانباشتگر آنتیموان به تازگی انجام شده است، یافتههای کمی درباره مکانیسمهای سازش گیاهان به غلظتهای بالای این عنصر و توانایی انباشت آن در بخشهای مختلف این گیاهان وجود دارد. با توجه به این شرایط، یافتن گیاهان انباشتگر آنتیموان با توانایی تکثیر سریع و سازشپذیری با شرایط محیطی یکی از مسائل موردتوجه محققان است. از اینرو، شناسایی گیاهان رشدیافته در مناطق آلوده به آنتیموان و بررسی پتانسیل این گیاهان در جذب این عنصر توسط ریشه و انتقال آن به بخشهای هوایی از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین شناسایی چنین گیاهانی، زمینهای برای بررسی مکانیسمهای فیزیولوژیکی جذب و مقاومت به این عنصر در شرایط محیطی و آزمایشگاهی فراهم میکند که میتواند در تبیین مسائل ناشناخته در این مورد مهم باشد. خاک های منطقه معدنی مغانلو در استان زنجان حاوی مقادیر بالایی آنتیموان میباشد. یکی از گیاهانی که میتواند در خاکهای آلوده به آنتیموان این منطقه معدنی بهخوبی رشد کند و این عنصر را در مقادیر نسبتا بالایی در بافتهای خود انباشته کند، گیاه Tanacetum polycephalum متعلق به خانواده Asteraceae میباشد. در این تحقیق مقاومت این گیاه به تنش غلظتهای مختلف آنتیموان در محیط کشت پرلیت بر اساس اندازهگیری وزن خشک گیاه، میزان کلروفیل و کاروتنوئید و میزان فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز مورد بررسی قرار گرفت. همچنین میزان جذب و انباشت آنتیموان در بخش هوایی و ریشه این گیاه، رشد کرده در شرایط طبیعی و کشت آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها
معرفی منطقه، جمعآوری نمونههای گیاهی، خاک و بذر گیاه: منطقه معدنی مغانلو در استان زنجان و در 43 کیلومتری جنوبغربی بخش ماهنشان در کنار روستای مغانلو واقع شده است. ذخیره آنتیموان این منطقه معدنی بطور تخمینی 26000 تن با عیار متوسط 32 درصد برآورد شدهاست. این منطقه علاوه بر آنتیموان از نظر فلدسپات نیز غنی میباشد (1).
تعداد 14 نمونه گیاهی شامل بخش هوایی و ریشه در مرحله گلدهی و خاک اطراف ریشه در عمق حدود 15 سانتیمتری به منظور آنالیز مقدار آنتیموان در گیاه و خاک، در خرداد و تیر ماه 1390 و بذرهای گیاه
T. polycephalum در تابستان 1390 از نقاط مختلف منطقه معدنی مغانلو جمعآوری شد .
کشت گیاه و تیمار: گلدانهای پلاستیکی به قطر 9 سانتیمتر حاوی مخلوطی از پرلیت متوسط و درشت آماده شد. سپس بذرها با محلول هیپوکلریت سدیم با 5 درصد کلر فعال برای 10 دقیقه ضدعفونی شد. در هر گلدان تعداد 15 بذر کاشته شد و 3 تکرار برای هر غلظت در نظر گرفته شد و گلدانها در طرح آماری کاملا تصادفی در اتاقک کشت با دمای متناوب 18 / 25 درجه (شب/روز) و تناوب نوری (16 ساعت نور / 8 ساعت تاریکی) با نور مصنوعی قرار دادهشدند. بعد از جوانهزنی، گیاهچههای حاصل برای مدت 30 روز با محلول غذایی تغییریافته هوگلند با pH حدود 6 غذادهی شدند. بعد از یک ماه رشد، گیاهان حاصل برای مدت 35 روز با غلظتهای 0، 2، 5، 10، 50 و 100 میلیگرم در لیتر آنتیموان در محلول غذایی 40 درصد هوگلند (برای هر گلدان 200 میلیلیتر) تغییریافته که با استفاده از نمک آنتیموان پتاسیم تارتارات ( K2Sb2(C4H2O6)2) تهیه شد، تیمار شدند. برای جلوگیری از تغییر غلظت تیمارها، هر 5 روز یکبار تیمارها جایگزین میشد.
تعیین وزن خشک و میزان انباشت فلز در بخشهای هوایی و ریشه گیاه و تعیین میزان فلز خاک: پس از پایان تیماردهی، گیاهان برداشتشده با آب دو بار تقطیر شستشو شدند. سپس نمونههای گیاهی درون آون در دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت خشک شد. وزن خشک بخشهای هوایی و ریشه برای هر نمونه اندازهگیری شد. به منظور اندازهگیری آنتیموان در نمونه های گیاهی، 1/0 گرم از هر نمونه توزین و به هر نمونه مقدار 3 میلیلیتر نیتریک اسید و 3 میلیلیتر پراکسید هیدروژن اضافه گردید و به مدت 24 ساعت در دمای معمولی قرار داده شد. نمونه ها سپس با آب مقطر به حجم 50 میلیلیتر رسید و صاف گردید. پس از آن 2 میلیلیتر از محلول حاصل با 4 میلیلیتر یدید پتاسیم 10 درصد و 4 میلیلیتر آسکوربیکاسید 5 درصد رقیق شد و میزان آنتیموان در بافت گیاهی توسط دستگاه طیفسنج جذب اتمی (Shimadzu AA 6300) متصل به دستگاه HVG سنجش گردید (5). در مورد مقدار آنتیموان کل در نمونههای خاک، 5/0 گرم از نمونههای غربال شده توزین و به هریک 4 میلیلیتر کلریدریک اسید و 4 میلیلیتر نیتریک اسید اضافه شد. برای تعیین مقدار آنتیموان قابل تبادل (در دسترس گیاه) مقدار 10 میلی لیتر نیترات آمونیوم 1 مولار به 10 گرم خاک غربال شده اضافه گردید و بعد از گذشت 2 ساعت صاف گردید. در سایر موارد، آماده سازی و آنالیز مشابه نمونه های گیاهی انجام شد (5). برای اندازه گیری مواد آلی خاک از روش Storer استفاده شد (38). ظرفیت تبادل کاتیونی نیز با روش Bower اندازه گیری شد (8). برای اندازه گیری pH، به 40 میلی لیتر آب مقطر 10 گرم خاک اضافه گردید و به مدت 30 دقیقه بر روی شیکر قرار داده شد، سپس pH محلول اندازه گیری شد (5).
اندازهگیری میزان رنگیزههای فتوسنتزی: 1/0 گرم وزن تر از برگ را با استون 80 درصد روی یخ سائیده و درون بالن ژوژه 10 میلیلیتری صاف کرده و با استون 80 درصد به حجم رسانده شد. جذب نمونه ها با دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موجهای 645، 662 و 470 نانومتر خوانده شد. سپس مقدار رنگیزهها بر اساس فرمولهای زیر محاسبه گردید (24):
Ca:کلروفیلa،Cb: کلروفیل b ، Cx+c: مقدار کل کاروتنوئیدها
Ca = 11.75 A662 - 2.350 A645 Cb = 18.61 A645 - 3.960 A662 Cx+c = 1000 A470 - 2.270 Ca - 81.4 Cb/227
اندازهگیری فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز: پس از گذشت 20 روز از تیمار نمونهها، مقدار 1/0 گرم از وزن تر بخش هوایی توزین شد و درون هاون قرار داده شد و 5/1 میلیلیتر از بافر فسفات حاوی پلیوینیلپیرولیدین به آن اضافه شد. عصارهگیری و نگهداری محلول یکنواختشده بافتها در دمای پایین و بر روی یخ انجام شد. بافتهای عصارهگیریشده در دور 10000 و دمای 4 درجه سانتیگراد و به مدت 10 دقیقه سانتریفوژ شدند. پس از آن محلول واکنش آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز تهیه و در طول موج 240 نانومتر برای آنزیم کاتالاز و 290 نانومتر برای آنزیم آسکورباتپراکسیداز بوسیله اسپکتروفتومتر قرائت گردید (22، 9، 2).
آنالیز آماری دادهها: اعمال تیمارها در آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با 3 تکرار انجام شد و تجزیه و تحلیل آماری دادههای حاصل با استفاده از نرمافزارهای Excel 2010 و 15 SPSS انجام گردید. آنالیز واریانس یک راهه بر روی دادههای حاصل از تیمارهای مختلف بر وزن خشک و میزان عنصر انباشتهشده در بخش هواِیی و ریشه گیاه و میزان کلروفیل a و b و کاروتنوئیدها انجام شد. همچنین به منظور تعیین معنیدار بودن یا نبودن تفاوت میانگینها در تیمارهای مختلف (05/0P<) از آزمون Tukey HSD استفاده شد.
نتایج
آنالیز خاک و نمونههای گیاهی جمعآوری شده: کمترین و بیشترین مقدار آنتیموان کل در بین نمونههای خاک بین 506 تا 3118 میلیگرم بر کیلوگرم وزن خشک اندازه گیری شد. سایر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نمونههای خاک جمعآوری شده از منطقه معدنی مغانلو در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول 1- خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نمونههای خاک منطقه معدنی مغانلو
مقدار آنتیموان در گیاهان (mg/kg) |
ظرفیت تبادل کاتیونی (Cmol+ /kg) |
میزان مواد آلی (g/Kg) |
pH |
مقدار آنتیموان در دسترس گیاه (mg/Kg DW) |
مقدار کل آنتیموان (mg/Kg DW) |
||||||||||||
میانگین |
محدوده |
میانگین |
محدوده |
میانگین |
محدوده |
میانگین |
محدوده |
میانگین |
محدوده |
میانگین |
محدوده |
||||||
6/69 |
8/127-9/22 |
1/7 |
2/13-4/4 |
7/17 |
25/30-25/5 |
8/6 |
6/7-2/6 |
31/2 |
48/5-44/0 |
1536 |
3118-506 |
||||||
بیشترین مقدار آنتیموان انباشتهشده در بخش هوایی نمونه های گیاهی جمع آوری شده از منطقه معدنی مغانلو برابر با 8/127 و کمترین مقدار برابر با 9/22 اندازهگیری شد. نتایج حاصل از آنالیز نمونههای گیاهی و خاک اطراف ریشه آنها نشان داد که بین مقدار آنتیموان انباشتهشده در بخش هوایی گیاه و مقدار آنتیموان کل خاک از نظر آماری همبستگی مثبت و معنی داری وجود دارد (05/0r2=0.76, P<) (شکل 1).
اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر وزن خشک ریشه و بخش هوایی: با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی وزن خشک بخش هوایی و ریشه کاهش معنیداری یافت که از این نظر تمام تیمارهای اعمالشده دارای اختلاف معنیداری با شاهد بودند (05/0P<) (شکل 2). اختلاف بین تیمار 2 و 5 میلیگرم در لیتر آنتیموان از لحاظ آماری معنیدار نبود ولی این اختلاف بین سایر تیمارها معنیدار بود.
شکل 1- غلظت آنتیموان در خاک و بخش هوایی نمونههای جمعآوری شده گیاه Tanacetum polycephalum
میانگین وزن خشک بخش هوایی در گروه شاهد برابر با 7/47 میلیگرم و در غلظت 100 میلیگرم در لیتر برابر با 3/18 میلیگرم اندازهگیری شد که کاهش 3/62 درصدی را نشان میدهد. در غلظت 5 میلیگرم در لیتر آنتیموان، وزن خشک بخش هوایی به میزان 4/15 درصد کاهش پیدا کرد (شکل 2). وزن خشک ریشه در گیاه T. polycephalum نیز با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی کاهش معنیداری یافت که از این نظر تمام تیمارهای اعمالشده بجز غلظت 2 میلیگرم در لیتر آنتیموان دارای اختلاف معنیداری با شاهد بودند (05/0P<) (شکل2). میانگین وزن خشک ریشه در گروه شاهد برابر با 3/5 میلیگرم و در غلظت 100 میلیگرم در لیتر برابر با 4/2 میلیگرم اندازهگیری شد که کاهش 85 درصدی را نشان میدهد. البته در غلظت 5 میلیگرم در لیتر آنتیموان، وزن خشک ریشه به میزان 1/15 درصد کاهش یافت (شکل 2).
شکل 2- اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر وزن خشک بخش هوایی (A) و ریشه (B) گیاه Tanacetum polycephalum در شرایط کشت پرلیت (میانگین ±SD) . حروف متفاوت بیانگر معنیدار بودن اختلاف از نظر آماری است.
میزان انباشتگی آنتیموان در بخش هوایی و ریشه گیاه در پاسخ به تیمارهای مختلف آنتیموان: با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان عنصر انباشتهشده در بخش هوایی گیاه T. polycephalum افزایش یافت و ازایننظر بین تمام تیمارها اختلاف معنیداری مشاهده شد (05/0P<) (شکل 3). نتایج حاصل وجود یک همبستگی مثبت معنیدار را بین مقدار آنتیموان در محلول غذایی و میزان آنتیموان انباشتهشده در بخش هوایی گیاه نشان میدهد (05/0P< ، 9/0(r2=. در ریشه نیز با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان عنصر انباشتهشده افزایش یافت و از این نظر بین تمام تیمارها اختلاف معنیداری مشاهده شد (05/0P<). مقایسه میزان عنصر انباشتهشده در ریشه و بخش هوایی گیاه T. polycephalum نشان میدهد که تجمع آنتیموان در تمام تیمارهای دادهشده، در ریشه بیشتر از ساقه میباشد. در کمترین غلظت بهکاررفته میانگین آنتیموان انباشتهشده در ریشه برابر با 6/124 و در بخش هوایی برابر با 63/69 میلیگرم آنتیموان بر کیلوگرم وزن خشک گیاه است (شکل 3).
شکل 3- مقایسه میزان عنصر انباشتهشده تحت تأثیر غلظتهای مختلف آنتیموان در ریشه و بخش هوایی گیاه Tanacetum polycephalum در شرایط کشت پرلیت (میانگین ±SD). حروف متفاوت بیانگر معنیدار بودن اختلاف از نظر آماری است.
اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر مقدار کلروفیل a، کلروفیل b و کاروتنوئیدها: با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان کلروفیل a در گیاه کاهش معنیداری یافت که از این نظر تمام تیمارهای اعمالشده بهجز غلظت 2 میلیگرم در لیتر، دارای اختلاف معنیداری با شاهد بودند (05/0P<). اختلاف بین تیمار 2، 5 و 10 میلیگرم در لیتر آنتیموان در کاهش میزان کلروفیل a از لحاظ آماری معنیدار نبود. ولی اختلاف بین سایر تیمارها معنیدار بود. میانگین مقدار کلروفیل a در گروه شاهد برابر با 8/15 میلیگرم بر کیلوگرم وزن تر گیاه و در بالاترین غلظت بهکاررفته (100 میلیگرم در لیتر) برابر با 7/4 میلیگرم اندازهگیری شد که کاهش 70 درصدی را نشان میداد (شکل4).
شکل 4- اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر مقدار رنگیزههای فتوسنتزی در گیاه Tanacetum polycephalum در شرایط کشت پرلیت (میانگین ±SD) حروف متفاوت بیانگر معنیدار بودن اختلاف از نظر آماری است.
همچنین با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان کلروفیل b نیز در گیاه کاهش معنیداری یافت که از این نظر تمام تیمارهای اعمالشده بهجز غلظتهای 2 و 5 میلیگرم در لیتر، دارای اختلاف معنیداری با شاهد بودند (05/0P<). میانگین مقدار کلروفیل b در بالاترین غلظت بهکاررفته کاهش 5/75 درصدی را نسبت به شاهد نشان میداد (شکل 5). نتایج اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر مقدار کاروتنوئیدها در گیاه T. polycephalum بر خلاف کلروفیل a و b بود. بهطوریکه افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی باعث افزایش معنیداری در مقدار کاروتنوئیدها در گیاه T. polycephalum شد و از این نظر اختلاف معنیداری بین تمام تیمارها و شاهد مشاهده شد (05/0P<). از طرف دیگر اختلاف بین تمام تیمارها نیز معنیدار بود. میانگین مقدار کل کاروتنوئیدها در گروه شاهد برابر با 8/1 میلیگرم بر کیلوگرم وزن تر گیاه و در غلظت 100 میلیگرم در لیتر برابر با 12 میلیگرم بر کیلوگرم وزن تر گیاه اندازهگیری شد که افزایش 6/6 برابری را نشان میداد (شکل 4). مقایسه درصد کاهش کلروفیل a و کلروفیل b تحت اثر تیمارهای آنتیموان نشان میدهد که در غلظتهای کم آنتیموان درصد کاهش کلروفیل a بالاتر از کلروفیل b است. برای مثال در تیمار 5 میلیگرم در لیتر آنتیموان مقدار کلروفیل a به میزان 4/20 درصد کاهش یافته است؛ در حالیکه کاهش مقدار کلروفیل b در این تیمار برابر با 6/4 درصد است. اما در غلظتهای بالا کاهش مقدار کلروفیل b شدیدتر از کلروفیل a است (شکل4).
اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر میزان فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز: با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی فعالیت هر دو آنزیم کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز در بخش هوایی افزایش یافت و همه تیمارها برای هر دو آنزیم اختلاف معنیداری را با شاهد نشان میدهند (05/0P<). در این آزمایش میزان فعالیت برای آنزیم کاتالاز بسیار بیشتر از آنزیم آسکورباتپراکسیداز است؛ ولی افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی در غلظتهای پایین فعالیت آنزیم آسکورباتپراکسیداز را به میزان بیشتری تحریک میکند. البته بین فعالیت آسکورباتپراکسیداز در غلظتهای 50 و 100 میلیگرم در لیتر تفاوت معنیداری وجود ندارد، در حالیکه میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در این غلظتها به طور معنیداری نسبت به سایر تیمارها افزایش مییابد (05/0P<) (شکل 5).
شکل 5- اثر غلظتهای مختلف آنتیموان بر میزان فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز در بخش هوایی گیاه Tanacetum polycephalum در شرایط کشت پرلیت (میانگین ±SD). حروف متفاوت بیانگر معنیدار بودن اختلاف از نظر آماری است.
بحث
آنتیموان از عناصری است که عملکرد بیولوژیکی شناختهشدهای در گیاهان ندارد و مقادیر بالاتر از 10 میلیگرم آنتیموان در کیلوگرم وزن خشک برای گیاهان سمی است (20). در این تحقیق، مقاومت، جذب و انباشتگی آنتیموان در گیاه T. polycephalum در شرایط رشد طبیعی در خاکهای آلوده به آنتیموان و در شرایط آزمایشگاهی و تحت تیمار آنتیموان مورد بررسی قرار گرفت.
مقدار آنتیموان در خاکهای منطقه معدنی مغانلو بین 506 تا 3118 میلیگرم در کیلوگرم متغیر است، در حالیکه غلظت استاندارد آنتیموان در خاک برابر با 5/3 میلیگرم در کیلوگرم و مقدار قابل تحمل برای گیاهان 5 میلیگرم در کیلوگرم خاک میباشد (11). با این حال، گیاه T. polycephalum میتواند به خوبی در خاکهای غنی از آنتیموان در منطقه مغانلو رشد کند و مقدار قابل توجهی از آن را در بافتهای خود تجمع دهد (8/127 میلیگرم در کیلوگرم وزن خشک). این مقدار در مقایسه با سایر گیاهان عالی در مطالعات انجام شده توسط دیگر محققان قابل توجه میباشد. مقدار آنتیموان در گیاهان روئیده شده در یک منطقه معدنی آلوده به آنتیموان در پرتغال در محدوده چند میکروگرم در کیلوگرم تا کمتر از 10 میلیگرم در کیلوگرم اندازهگیری شد (29). Casado و همکاران در سال 2007 مقدار آنتیموان را در گیاهان رشدیافته در منطقه معدنی Losacio اسپانیا در محدوده 02/0 تا 76/5 میلیگرم در کیلوگرم گزارش کردند؛ بیشترین مقدار مربوط به گیاه Thymus mastichina بود. مقدار آنتیموان خاک در این منطقه در محدوده 60 تا 230 میلیگرم بر کیلوگرم اندازه گیری شد (10). Qi و همکاران در سال 2011 مطالعه ای بر روی گیاهان منطقه معدنی Xikuangshan در کشور چین با میانگین آنتیموان خاک برابر با 5949 میلیگرم بر کیلوگرم انجام دادند و حداکثر تجمع آنتیموان را در این منطقه در گیاه Hippochcaete ramosissima به میزان 2/98 میلیگرم بر کیلوگرم گزارش کردند (30).
مطالعه آزمایشگاهی در مورد گیاه T. polycephalum با سیستم کشت پرلیت انجام گردید که نوعی سیستم مشابه هیدروپونیک است؛ زیرا در این شرایط تمام عنصر در دسترس گیاه قرار میگیرد. این روش برای شناسایی سریع گونههای مقاوم به فلز و بررسی توانایی گیاه برای انباشتن عنصر در بخش هوایی مناسب میباشد. تحقیقات نشان دادهاست که گیاهان بیشانباشتگر در خاک رفتاری مشابه محیط هیدروپونیک دارند (26).
میزان رشد ریشه یک گیاه به عنوان یکی از شاخصهای مهم مقاومت گیاه نسبت به غلظتهای مختلف یک فلز میباشد. از آنجا که ریشه به طور ویژهای به حضور فلزات سمی حساس میباشد و اولین اندامی است که در معرض سمیت قرار میگیرد، از رشد ریشه به عنوان یکی از مهمترین معیارهای اثرات سمیت فلزات بر گیاهان استفاده شدهاست (32، 27). مقایسه کاهش وزن خشک ریشه و بخش هوایی نشان داد که در غلظتهای 50 و 100 میلیگرم در لیتر، وزن خشک در ریشه نسبت به بخش هوایی کاهش بیشتری دارد. یکی از دلایل این است که ریشه در اغلب موارد به میزان بیشتری عنصر سمی را در خود انباشته میکند (32) که در این تحقیق نیز این حالت مشاهده شد. البته انباشتهشدن فلز با جلوگیری از تقسیم و بزرگ شدن سلولها از طویل شدن ریشه ممانعت میکند (18).
در تحقیقی نشان داده شده است که غلظت 50 میلیگرم در لیتر آنتیموان باعث کاهش 83 درصدی وزن خشک در گیاه گندم میشود (37). همچنین نشان دادهشده که تیمار 15 میلیگرم در لیتر آنتیموان به مدت دو هفته باعث کاهش وزن خشک در گیاه Pteris cretica به میزان 9/51 میگردد (17). Tschan و همکاران در سال 2010 نشان داد که غلظت 3 میلیگرم در لیتر آنتیموان به مدت یک هفته باعث کاهش وزن خشک بخش هوایی در گیاه Helianthus annuus به میزان 32 درصد، در گیاه Lolium perenne به میزان 25 درصد و در گیاه Zea mays به میزان 21 درصد میگردد (39). علاوه براین، تیمار 5 میلیگرم در لیتر به مدت دو هفته باعث کاهش 35 درصدی وزن خشک در گیاه برنج (Oryza sativa) شده است (16). بنابراین میتوان نتیجه گرفت از این نظر گیاه T. polycephalum مقاومت بالایی نسبت به آنتیموان دارد.
کاهش رشد ناشی از سمیت آنتیموان، به دلیل کاهش فتوسنتز و جلوگیری از تولید کلروفیل (27)، کاهش دادن جذب عناصر ضروری مانند کلسیم، روی، آهن و منیزیم (17) اتصال به پروتئینها و دیگر ترکیبات گیاهی و غیرفعال کردن آنها (40) و ممانعت از سنتز متابولیتها ازجمله پروتئینهای محلول و نشاسته (24) است.
با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان عنصر انباشتهشده در بخش هوایی گیاه T. Polycephalum افزایش یافت. در تحقیقی نشان دادهشده که تیمار 18 میلیگرم در لیتر آنتیموان باعث انباشتهشدن 41 میلیگرم بر کیلوگرم آنتیموان در بخش هوایی گیاه ذرت و تیمار 30 میلیگرم در لیتر باعث انباشتهشدن 77 میلیگرم آنتیموان بر کیلوگرم در بخش هوایی گیاه آفتابگردان میشود (40). در آزمایشی دیگر تیمار 75 میلیگرم در لیتر آنتیموان باعث انباشتهشدن 2/33 و 3/12 میلیگرم بر کیلوگرم آنتیموان به ترتیب در بخشهای هوایی گیاهان چاودار و گندم شدهاست (38). Muller و همکاران در سال 2013 در تحقیقی نشان دادند که تیمار 5 میلیگرم در لیتر آنتیموان باعث انباشتهشدن 230 میلیگرم بر کیلوگرم در بخشهای هوایی گیاه Pteris vittata میگردد. این گیاه بیشانباشتگر آرسنیک (شبه فلز مشابه آنتیموان) است (32). بنابراین از مقایسه نتایج این تحقیق با سایر تحقیقات مشابه میتوان گفت که گیاه T. polycephalum دارای توان بالایی برای جذب و تجمع آنتیموان در بخشهای هوایی خود میباشد. مقدار آنتیموان انباشتهشده در ریشه گیاه
T. polycephalum در تمام تیمارها بالاتر از بخش هوایی بود. مطالعات نشان دادهاست که انتقال آنتیموان از بخشهای زیرزمینی به بخشهای هوایی به سختی انجام میشود. برای مثال در گیاه Typha latifolia در شرایطی که مقدار آنتیموان در ریشه برابر با 1300 میلیگرم بر کیلوگرم بود، مقدار این عنصر در بخش هوایی گیاه فقط 15 میلیگرم بر کیلوگرم است (19). در گیاهان Scirpus sylvaticus و Phragmites australis نیز وضعیت مشابهی گزارش شدهاست (19). از سوی دیگر وجود رابطه خطی بین غلظت آنتیموان در محلو ل غذایی و میزان آنتیموان انباشتشده در گیاه می تواند تأیید کننده این موضوع باشد که ورود و جذب آنتیموان از مسیرهای غیرانتخابی آپوپلاستی و به صورت غیر فعال نیز انجام میشود (6).
با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی میزان کلروفیل a و کلروفیل b در گیاه کاهش معنیداری یافت. در غلظتهای پایین درصد کاهش کلروفیل a بیشتر از کلروفیل b بود. اما در غلظتهای بالا درصد کاهش کلروفیل b بالاتر بود. این پدیده میتواند به این دلیل باشد که در شرایط تنش ملایم مقاومت کلروفیل b در مقابل تخریب بیشتر از کلروفیل aاست (23) و تجزیه کلروفیل a در اغلب شرایط تنشزا سریعتر از کلروفیل b انجام میشود (13). از سوی دیگر تغییر در نسبت کلروفیل a به کلروفیل b یک پارامتر مهم است که همواره بهمنظور بررسی تأثیر عوامل مختلف محیطی بر گیاهان در نظر گرفته میشود (14). در این تحقیق غلظتهای 2 و 5 میلیگرم بر لیتر آنتیموان تغییر معنیداری را در نسبت کلروفیل a به کلروفیل b در مقایسه با شاهد ایجاد نکردند. اما غلظتهای بالاتر باعث بالارفتن نسبت کلروفیل a به کلروفیل b در گیاه T. Polycephalum شدند. آزمایشهای گوناگونی کاهش مقدار کل کلروفیل را در تیمارهای بالای آنتیموان تأیید میکنند. این پدیده در مورد گیاه Zea mays (27)، گیاه Triticum aestivum (40) و گیاه Fontinalis antipyretica (12) مشاهده شدهاست. Shakya و همکارانش (2008) نشان دادند که فلزات سنگین مس، روی و سرب باعث کاهش مقدار کلروفیل a، کلروفیل b و نسبت کلروفیل a به b در گیاهان Thuidium delicatulum و Thuidium sparsifolium میشوند (35). آزمایشهای متعدد دیگری نیز بر روی گیاهان گلرنگ، Cyperus difformis، Chenopodium ambrosiodes، Digitaria sanguinolis و Lemna polyrrhiza تأیید می کنند که فلزات سنگین باعث کاهش مقدار کلروفیل a و b و کاهش نسبت کلروفیل a به b میگردند (14، 4). یکی از دلایل کاهش مقدار کلروفیل میتواند مربوط به اثر آنتیموان در کاهش جذب منیزیم باشد (19)، همچنین فلزات سنگین موجب تجزیه کلروفیل میشوند (13). بر اساس نتایج این تحقیق مشاهده شد که در غلظتهای بالای آنتیموان، نسبت کلروفیل a به b در گیاه
T. polycephalum افزایش یافت که نشاندهنده مقاومت بالای این گیاه نسبت به آنتیموان است. برخلاف کلروفیل، افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی باعث افزایش مقدار کاروتنوئیدها در گیاه T. polycephalum شد. این نتیجه به دلیل نقش حفاظتکنندگی و فعالیت آنتیاکسیدانی کاروتنوئیدهاست. البته افزایش سنتز کاروتنوئیدها طی تنش فلزات سنگین برای غیرفعال کردن رادیکالهای آزاد تولیدشده در سلول است (33).
یکی دیگر از عواملی که فعالیت آنتیاکسیدانی را در گیاهان در شرایط تنش فلزات سنگین بر عهده دارد، سیستم آنزیمی است. کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز از مهمترین آنزیمهای آنتیاکسیدان برای مقابله با اثرات تخریبی فلزات سنگین هستند (41، 34، 7، 3، 2). در این مطالعه نیز افزایش فعالیت هر دو آنزیم مشاهده شد، ولی میزان فعالیت آنزیم کاتالاز بسیار بالاتر از آسکورباتپراکسیداز بود که نشاندهنده اهمیت بیشتر این آنزیم در گیاه
T. polycephalum برای مقابله با اثرات سمی آنتیموان است. در گیاه ذرت نیز افزایش فعالیت آنزیم کاتالاز همزمان با افزایش غلظت آنتیموان در خاک مشاهدهشدهاست، در حالیکه فعالیت پراکسیداز و سوپراکسیددیسموتاز افزایشی را نشان ندادند (27). آزمایشی دیگر نشان دادهاست که فعالیت هر دو آنزیم کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز در گیاهان Cyrtomium fortune و Cyclosorus dentatus با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی افزایش یافته است، ولی در گیاه Microlepia hancei، با افزایش غلظت آنتیموان در محلول غذایی، فعالیت آنزیم کاتالاز افزایش و فعالیت آنزیم آسکورباتپراکسیداز کاهش یافتهاست (15).
در مجموع با توجه به نتایج حاصل از این تحقیق در مورد اثر آنتیموان در گیاه T. polycephalum و مقایسه آن با مطالعات انجام شده بر روی سایر گونههای گیاهی میتوان نتیجهگیری کرد که گیاه T. polycephalum دارای مقاومت و قابلیت جذب و انباشتگی نسبتا بالا برای آنتیموان میباشد. با توجه به اینکه مقدار آنتیموان در دسترس گیاه در اغلب مناطق معدنی در محدوده پایینتری نسبت به تیمارهای اعمالشده در این آزمایش قرار دارد؛ بنابر این گیاه T. polycephalum میتواند به عنوان گیاهی مناسب برای کاستن آلودگی آنتیموان در این مناطق مورد تحقیقات بیشتر قرار گیرد.
سپاسگزاری
این پژوهش تحت حمایت مالی و امکانات معاونت پژوهشی دانشگاه اصفهان انجام شده است؛ بنابراین از مسئولان محترم معاونت پژوهشی و قطب تنشهای گیاهی دانشگاه اصفهان برای همکاری در انجام این تحقیق بسیار سپاسگزاریم.