مجله پژوهشهای گیاهی (مجله زیست شناسی ایران)(علمی)
اندوزش و تحمل آلودگی کادمیومی و تأثیر تیمار سیلیسیم بر برخی شاخص‌های فیزیولوژیک در گیاه خرفه ((Portulaca oleracea
نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد دانشگاه زابل، دانشکدة کشاورزی، گروه علوم باغبانی
2 عضو هیات علمی دانشکده کشاورزی دانشگاه زابل
چکیده
کادمیم (Cd) یکی از فلزات سنگین است که افزایش غلظت آن در محیط ریشه سبب بروز اختلالات متابولیسمی در گیاه می‌شود. به منظور مطالعه تاثیر فراهمی سیلیسیم بر تجمع کادمیوم و تاثیرات مورفولوژیک و فیزیولوژیکی آن بر خرفه، آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در محل گلخانه تحقیقاتی دانشگاه زابل انجام شد. فاکتورهای آزمایش شامل غلظت‌های مختلف کادمیوم (صفر، 20، 40 و 60 میلی گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک)، و دو سطح سیلیسیم، (عدم کاربرد سیلیسیم و کاربرد سلیکات سدیم (mg/ kg soil 20/1) Na2SiO3) بود. نتایج نشان داد، ارتفاع ساقه اصلی، تعداد شاخه جانبی، وزن‌تر و خشک در برگ و ریشه و میزان رنگدانه‌های فتوسنتزی، در غلظت 20 میلی گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک تفاوت معنی‌داری در سطح (05/0≥ P) با شاهد نداشت، در حالیکه همگام با افزایش غلظت کادمیوم، کاهش معنا داری نسبت به شاهد در صفات یاد شده مشاهده شد. مقدار کاروتنوئید و پرولین با افزایش غلظت کادمیوم در غلظت بالاتر از 20 میلی گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری در سطح(05/0≥ P) یافت. کاربرد سیلیسیم باعث افزایش ارتفاع ساقه اصلی، تعداد شاخه جانبی، وزن تر و خشک در برگ و ریشه و میزان رنگدانه‌های فتوسنتزی (05/0≥ P) شد. بنابراین تیمار سیلیسیم می‌تواند اثر مثبتی در افزایش مقاومت و بهبود شاخص‌های فیزیولوژیکی در برابر عنصر سنگین کادمیوم در گیاه خرفه ایفا کند و در غلظت‌های بالای کادمیوم، می‌توان سیلیسیم را به عنوان عنصر مفید در افزایش عملکرد و افزایش مقاومت این گیاه به تنش محیطی استفاده نمود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Accumulation potential and tolerance to Cadmium pollution and the effect of Silicon on some physiological indices of Portulaca oleracea
نویسندگان [English]
- elham alahbakhsh 1
- Alireza Sirousmehr 2
- Omolbanin Ebrahimi 1
- Narjes Shahraki 1
1 Zabol University
2 Zabol University
چکیده [English]
Cadmium (Cd) is a heavy metal and the extra concentration of Cd around the root create metabolic problems in the plant. To study the effect of silicon on the availability of Cd accumulation in roots and shoots of morphological and physiological effects on the Portulaca oleracea, a factorial experiment in a completely randomized design with three replications was conducted in the research greenhouse, University of Zabol. The experimental factors consisted of different concentrations of cadmium (0, 20, 40 and 60 mg Cd kg soil) and two levels of silica (without silicon and with Sodium Sellick (1/20 mg/kg soil), respectively. The results showed that the plant height, number of lateral shoots, leaves and root dry weight and the amount of photosynthetic pigments, at concentrations of 20 Cd had no significant with control (p≤%5), but with increasing the concentration of Cd, was observed in the above mentioned factors. Amount of carotenoeid and proline increased by increasing Cd content up to 20 mg.kg-1 over the control. Applying silicon significant positive effect on the main stem height, number of lateral shoots, leaves and root dry weight and levels of photosynthetic pigments (p≤%5). In the plant exposed to silicon the amount of biomass was significantly increased compared to control %5 at level. The amount of biomass declined with increasing the concentration of Cd. However, it is understood that a positive effect on the treatment silicon can increase strength and improve the indices of heavy metal cadmium.
کلیدواژه‌ها [English]
- Cadmium
- Silicon
- Portulaca oleracea
- Proline
اندوزشوتحملآلودگیکادمیومیو تأثیر تیمار سیلیسیم بر برخی شاخص‌های فیزیولوژیک در گیاه خرفه((Portulaca oleracea
الهام اله‌بخش1* ،علیرضا سیروس مهر2، ام‌البنین ابراهیمی1 و نرجس شهرکی1
1 زابل، دانشگاه زابل، دانشکدة کشاورزی، گروهعلوم باغبانی
2 زابل، دانشگاه زابل، دانشکدة کشاورزی، گروه زراعت و اصلاح نباتات
تاریخ دریافت: 18/5/94 تاریخ پذیرش: 28/10/95
چکیده
کادمیوم (Cd) یکی از فلزات سنگین است که افزایش غلظت آن در محیط ریشه سبب بروز اختلالات متابولیسمی در گیاه می‌شود. به‌منظور مطالعه تأثیر فراهمی سیلیسیم بر تجمع کادمیوم و تأثیرات مورفوفیزیولوژیک آن بر گیاه خرفه، آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار انجام شد. فاکتورهای آزمایش شامل غلظت‌های مختلف کادمیوم (صفر، 20، 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک) و دو سطح سیلیسیم (عدم کاربرد سیلیسیم و کاربرد 937/0 میلی‌گرم سیلیسیم (به صورت سلیکات سدیم) در هر کیلوگرم خاک) بود. نتایج نشان داد، ارتفاع ساقه اصلی،تعداد شاخه جانبی، وزن تر و خشک در برگ و ریشه و میزان رنگدانه‌های فتوسنتزی در غلظت20 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک تفاوت معنی‌داری در سطح (05/0≥ P) با شاهد نداشت، در حالیکه همگام با افزایش غلظت کادمیوم، کاهش معناداری نسبت به شاهد در صفات یادشده مشاهده شد. مقدار کاروتنوئید و پرولین با افزایش غلظت کادمیوم نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری در سطح (05/0≥ P) یافت. کاربرد سیلیسیم باعث افزایش ارتفاع ساقه اصلی، تعداد شاخه جانبی، وزن تر و خشک در برگ و ریشه و میزان رنگدانه‌های فتوسنتزی در سطح (05/0≥ P) شد. بنابراین نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که تیمار سیلیسیم می‌تواند اثر مثبتی در افزایش مقاومت و بهبود شاخص‌های فیزیولوژیکی در برابر عنصر سنگین کادمیوم در گیاه خرفه ایفا کند و در غلظت‌های بالای کادمیوم، می‌توان سیلیسیم را به‌عنوان عنصر مفید در افزایش عملکرد و همچنین افزایش مقاومت این گیاه به تنش محیطی استفاده نمود.
واژه‌های کلیدی: کادمیوم، سیلیسیم، خرفه، پرولین
*نویسنده مسئول، تلفن: 054331232045، پست الکترونیکی: Elhamallahbakhsh@gmail.com
مقدمه
کادمیوم (Cd) عنصری غیرضروری و سمی برای گیاهان و یکی از فلزات سنگین دو ظرفیتی است که در طبیعت بیشتر در سنگ‌های معدنی همراه با روی (Zn) یافت می‌شود (7). خطر فلزات سنگین برای سلامتی انسان و دام به دلیل دوام طولانی آنها در محیط‌زیست تشدید می‌شود (21). در میان فلزات سنگین، کادمیوم به علت سهولت جذب آن توسط گیاه، دارای اهمیت ویژه‌ای است (45) و اثر سمیت آن برای گیاهان تا 20 برابر سایر فلزات سنگین می‌باشد. از این‌رو به علت سمیت بالا و حلالیت زیاد عنصر کادمیوم در آب، به‌عنوان یک آلاینده قوی محسوب می‌شود (37) و دارای اهمیت زیادی از دیدگاه محیط‌زیست است (42). سازمان بهداشت جهانی در سال 2004 در مورد افزایش غلظت کادمیوم در محیط‌زیست ابراز نگرانی کرده و غلظت مجاز کادمیوم در خاک را بین 1 تا 4 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک بیان نمود (11). کادمیوم از طریق فعالیت‌های مختلف بشر وارد خاک می‌شود و راه‌های ورود آن به محیط از طریق ضایعات صنعتی ناشی از فرایندهای تولید پلاستیک، معدن‌کاری، تولید مواد رنگی، تولید آلیاژها و باتری‌هاست (6). عناصر سنگین مانند کادمیوم، طیف وسیعی از مسمومیت را که شامل تخدیر اعصاب، مسمومیت کبدی، مسمومیت کلیه، ایجاد جنین ناقص و جهش ژنی در انسان است، سبب می‌شود (23). براى پالایش مناطق آلوده به فلزات سنگین و دیگر آلاینده‌ها، روش‌هاى مختلف فیزیکى، شیمیایى و بیولوژیکى پیشنهاد شده است که عمدتاً پرهزینه و غیر اقتصادى می‌باشند. یکی از روش‌های سمیت‌زدایی و کاهش مواد سمی، ازجمله فلزات سنگین در محیط‌های آلوده، استفاده از گیاهان انباشته‌گر است که به این فرایند گیاه پالایی می‌گویند (39). گیاه پالایی (Phytoremediation)، تکنولوژی پاکسازی خاک‌ها و سیستم‌های آبی از فلزات سنگین و آلاینده‌هاست (32). این روش به کمک برخی گونه‌های گیاهی که توانایی جذب و انباشتگی فلزات سنگین را در بافت‌های خود دارند و می‌توانند آن را در غلظتی 10 تا 100 برابر آنچه که گیاهان زراعی تحمل می‌کنند در خود تجمع دهد، انجام می‌شود (24). از فواید گیاه پالایی به این روش، حفظ ساختمان و حاصلخیزی خاک بعد از برداشت فلزات سنگین و جایگزینی مناسب برای روش‌های انرژی خواه و پرهزینة مهندسی است (39). گیاه‌پالایی، یک تکنیک با صرفة اقتصادی، زیست محیطی و علمی است که برای کشورهای در حال توسعه بسیار مناسب بوده و روشی ارزشمند محسوب می‌شود، اما متأسفانه بر خلاف این پتانسیل، هنوز در برخی از کشورها مانند ایران به‌عنوان یک فناوری، استفاده تجاری ندارد (4). تأثیر و کارایی گیاهان انباشت کننده فلزات سنگین به مقدار زیادی بستگی به خصوصیات گیاهان ازجمله سرعت رشد، بیوماس زیاد، دامنه تحمل و تجمع عناصر سنگین در خاک دارد (8). افزایش وزن زیست تودة تولیدى در خاکهای آلوده به عناصر سنگین، با اعمال تیمارهاى مناسب، نقش مهم در افزایش کارایى گیاه پالایى دارد (15). یک گیاه ایده‌آل براى فرایند گیاه پالایی باید داراى زیست توده بالا، توان جذب زیاد، تکثیر آسان و رشد سریع بوده و همچنین نسبت به شرایط نامساعد محیطى مقاوم باشد (32).
علاوه بر تفاوت‌های ژنتیکی، عوامل محیطی مختلف ازجمله برهم‌کنش عناصر سنگین با عناصر غذایی ضروری گیاه می‌تواند بر میزان جذب فلزات سنگین توسط گیاهان مؤثر باشد (41). در محلول خاک سیلیسیم به صورت سیلیس حل شده، مونوسیلیسیک اسید (H4SiO4) وجود دارد و با همین فرم توسط گیاهان جذب می‌شود و دومین ترکیب عنصر معدنی در خاک پس از اکسیژن (47 درصد) بوده و تقریبا 28 درصد پوستة زمین را اشغال کرده است (23). اگرچه سیلیسیم به عنوان عنصر ضروری برای رشد بیشتر گیاهان معرفی نشده است، اما اثرهای سودمندی در رشد و نمو گیاهان در تنش‌های محیطی نشان داده است (29). یکی از سودمندی‌های کاربرد سیلیسیم، افزایش تحمل برخی گونه‌های گیاهی در برابر سمیت فلزات سنگین می‌باشد (40). سیلیکون در آندودرم رسوب کرده و سبب کاهش انتقال کادمیوم از راه آپوپلاست یا فضای آزاد بین سلولی می‌شود (43) و به‌عنوان عنصر کاهش دهندة اثر سمی برخی عناصر سنگین و نیز انواع تنش‌های محیطی از قبیل شوری، خشکی و سرمازدگی شناخته شده است. اثر مثبت دیگر سیلیسیم افزایش کارایى دریافت نور است که با تجمع در دیواره‌هاى سلولى آوندهاى چوبى گیاهان، مقاومت گیاه به خوابیدگى را افزایش می‌دهد و به‌دنبال آن تحریک و تشدید فتوسنتز، سبب تولید بیشتر محصول می‌شود (46). این عنصر با تحریک سیستم آنتی اکسیداتیو در گیاه، تشکیل کمپلکس با فلزات سنگین و انتقال فلزات سنگین به اندامک‌هایی مانند واکوئل سلول‌های گیاهی باعث کاهش اثرات تنش و سمیت فلزات سنگین در گیاهان می‌شود (35). با کمبود عنصر سیلیسیم در خاک، مقدار کلروفیل a در گیاه کم می‌شود و در ادامه رشد گیاه و میزان فتوسنتز کاهش می‌یابد. بیشتر محققان این کاهش فتوسنتز را به دلیل نقش سیلیسیم در زنجیر سنتز کلروفیل می‌دانند (3).
خرفه (Portulaca oleracea) گیاهی یکساله، گرمادوست و چهار کربنه از خانواده Portulacaceae دارای ساقه علفی، خوابیده و گوشتی است (25). خرفه گیاهی است که به‌سهولت در خاکهای اسیدی و شور رشد می‌کند و به همین دلیل ازجمله گیاهان هالوفیت است (32). اگرچه این گیاه به‌عنوان علف هرز شناخته می‌شود، اما استفاده از این گیاه به‌عنوان یک گیاه خوراکی و دارویی سابقه طولانی دارد (4). این گیاه یک منبع عالی از اسیدهای چرب امگا3 (اسید لینولنیک) و امگا6 (اسید لینولئیک)، ویتامین های A، C و E، بتاکاروتن و آنتی‌اکسیدان‌های آلفا توکوفرول، اسید اسکوربیک و گلوتاتیون است (26).
با توجه به اینکه خرفه بیشتر به‌عنوان علف هرز مطرح است و توانایی رشد و حفظ بقاء در شرایط نامساعد محیطی را دارد، در این آزمایش اثر مقادیر مختلف کادمیوم بر شاخص‌های فیزیولوژیک خرفه به‌عنوان یک گیاه پیش‌اندوز و تأثیر سیلیسیم در افزایش مقاومت این گیاه در برابر تنش عنصر سنگین کادمیوم و به‌عنوان عنصر کاهش دهندة اثرات سمی آن مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روشها
آزمایش در گلخانة تحقیقاتی دانشگاه زابل به‌منظور بررسی اندوزش و تحمل آلودگی کادمیومی و تأثیر تیمار سیلیسیم بر ویژگی‌های فیزیولوژیکگیاه خرفهانجام شد. آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح پایه کاملاً تصادفی با سه تکرار اجرا شد. تیمارهای آزمایش شامل چهار سطح کادمیوم در غلظت‌های صفر، 20، 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک، از منبع نیترات کادمیوم Cd(NO3)2و دو سطح سیلیسیم، عدم کاربرد سیلیسیم و کاربرد 937/0 میلی‌گرم سیلیسیم به صورت سلیکات سدیم (Na2SiO3) در هر کیلوگرم خاک انجام گردید. قبل از مخلوط کردن عنصر سنگین، به‌منظور تعیین ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و بافت خاک، نمونه‌ای از آن تهیه و مورد آنالیز قرار گرفت که نتایج آن در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول 1- خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بافت خاک مورد آزمایش
|
بافت |
شن |
سیلت |
رس |
پتاسیم |
فسفر |
ازت کل |
هدایت الکتریکی |
pH |
|
لومی |
(درصد) |
(درصد) |
(درصد) |
mg/kg |
mg/kg |
(درصد) |
ds/m |
|
|
رسی |
17 |
45 |
38 |
119 |
7/13 |
18/0 |
3/1 |
5/7 |
ابتدا مقدار برابر نمک نیترات کادمیوم، به یک کیلوگرم از خاک افزوده شد و به‌طور کامل با آن مخلوط شد تا پیش ماده‌ای همگن به‌دست آید. این پیش ماده آلوده، سپس با جرم 20، 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک ایجاد شد (2). به‌منظور اینکه تا حد امکان واکنش‌های بین آلودگی و خاک تکوین یابد و شرایط آلودگی به شرایط طبیعی نزدیک‌تر شود. خاک آلوده به مدت 2 ماه در معرض تناوب‌های تر و خشک شدن قرار گرفت (2). بذرهای خرفه بومی خمینی شهر اصفهان تهیه شده از شرکت پاکان بذر اصفهان، در داخل پتری‌دیش تا مرحله جوانه‌زنی پیش رفتند. سپس در فاصله‌های منظم در گلدان سه کیلوگرمی شامل خاک آلوده به کادمیوم در شرایط گلخانه کشت و با آب معمولی آبیاری شدند. در مرحلة 4 برگی تنک انجام شد و در هر گلدان 6 بوته باقی ماند و بعد از این مرحله به علت مساعد بودن شرایط محیطی، گلدان‌ها به فضای باز منتقل شدند. سیلیکون نیز یک هفته پس از مرحله چهار برگی گیاه به صورت سیلیکات سدیم (Na2SiO3) به خاک گلدان‌های تحت تیمار کاربرد 937/0 میلی‌گرم سیلیسیم در هر کیلوگرم خاک اضافه شد.
تعیین وزن تر و خشک نمونه‌ها: پس از گذشت 2 ماه از زمان کاشت، نمونه‌ها به طور تصادفی از هر واحد آزمایشی برداشت شد و پس از جدا کردن اندام هوایی از ریشه گیاه، محاسبه گرم وزن تر برگ و ریشه انجام شد. سپس برای به‌دست آوردن وزن خشک، نمونه‌ها را درون پاکت کاغذی قرار داده و در دمای 70 درجه سانتی‌گراد در آون به مدت 48 ساعت خشک شدند. همچنین ارتفاع و تعداد شاخه‌های جانبی در گیاه نیز اندازه‌گیری شد.
تعیین میزان رنگیزه‌های فتوسنتزی: برای تعیین مقادیر کلروفیلa ، b و کاروتنوئید، مقدار 5/0 گرم از بافت سبز برگ‌های جوان به همراه 10 میلی لیتر استون 80 درصد ساییده شد. سپس نمونه‌ها به مدت 10 دقیقه با سرعت 6000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شدند و پس از آن به طور جداگانه مقدار کلروفیلa در طیف جذبی 663، کلروفیل bدر 645 و طیف جذبی کاروتنوئید در طول موج 470 نانومتر با دستگاه اسپکتروفتومتر UV- Visibleمدل Cary- 50 قرائت شد. برای تنظیم دستگاه، استون 80 درصد مورد استفاده قرار گرفت. غلظت رنگیزه‌ها با استفاده از فرمول‌های زیر و برحسب میلی‌گرم بر گرم وزن تر نمونه محاسبه شد (5).
Chlorophyll a = (19.3× A663 – 0.886× A645) V/ 100W mg.g-1 FW (1)
Chlorophyll b = (19.3 × A645 – 3.6 × A663) V/ 100W mg.g-1 FW (2)
Carotenoides = 100 ( A470) – 3.27 (mg chl. A) – 104 (mg chl. b)/ 227 mg.g-1 FW (3)
در رابطه‌های فوق A طول موج قرائت شده توسط دستگاه، V حجم محلول صاف شده (محلول فوقانی حاصل از سانتریفیوژ) و W وزن تر نمونه برحسب گرم است.
تعیین محتوای نسبی آب برگ (RWC): به‌منظور تعیین میزان نسبی آب برگ، نمونه‌گیری از جوان‌ترین برگ‌های کامل شده انجام شد. برای تعیین وزن تورژسانس، ابتدا از برگ جدا شده از بوته، دیسک‌هایی تهیه شد. پس از تعیین وزن تر (FW) برگ‌ها به مدت 5 ساعت در داخل آب مقطر غوطه‌ور شده و پس از خارج کردن و گرفتن آب سطحی با استفاده از دستمال کاغذی وزن شدند (SW). در مرحله بعدی آزمایش، دیسک‌های اشباع شده به مدت 72 ساعت در دمای 70 درجه سانتی‌گراد قرار گرفتند. در پایان این زمان، دیسک‌ها دوباره وزن شدند وDW) ) به‌دست آمد (47).
میزان نسبی آب برگ با استفاده از رابطه زیر محاسبه شد:
(4) RWC = (FW-DW)/(SW-DW)
FW وزن تر برگ، DW وزن خشک برگ و TW وزن برگ اشباع شده است.
استخراجوسنجشپرولین: برای تهیه معرف 25/1 گرم نین هیدرین در 30 میلی‌لیتر استیک اسید گلاسیال، به همراه 20 میلی لیتر اسید فسفریک 6 مولار مخلوط و در حرارت ملایم به هم زده تا کاملاً حل شد. این محلول در دمای 4 درجه سانتی‌گراد به مدت24 ساعت پایدار می‌باشد. برای سنجش محتوای پرولین 5/0 گرم بافت تر گیاه را برداشته و در 10 میلی لیتر اسید سولفوسالیسیلیک 3% در هاون چینی ساییده، تا کاملاً یکنواخت شد. عصاره حاصل با کاغذ واتمن شماره 2 صاف و بعد 2 میلی لیتر از عصاره صاف شده با 2 میلی لیتر محلول معرف نین هیدرین و 2 میلی‌لیتر استیک اسید گلاسیال مخلوط شده و به‌مدت یک ساعت در حمام آب گرم 100 درجه سانتی‌گراد قرار گرفت. پس از آن با قرار دادن لوله‌های آزمایش در حمام یخ واکنش مذکور پایان یافت. سپس 4 میلی‌لیتر تولوئن به محتویات هر لوله اضافه شد و به‌مدت 30 ثانیه لوله‌های فالکون را تکان می‌دهیم؛ تولوئن کاملا پرولین را در خود حل می‌کند و اشباع از پرولین نمی‌شود، بنابراین نیاز به سانتریفیوژ نیست. مرحله رویی که شامل تولوئن و پرولین بود از مرحله آبی جدا می‌شود. سپس جذب آن به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 520 نانومتر اندازه‌گیری و غلظت پرولین برحسب میلی‌گرم بر گرم بافت تازه، با استفاده از منحنی استاندارد تعیین شد (9).
داده‌های حاصل با استفاده از نرم افزار SAS نسخه 1/9، تجزیه واریانس و مقایسه میانگین نیز بر اساس آزمون حداقل اختلاف معنی‌دار (LSD) در سطح احتمال 5 درصد انجام شد. نمودارها با نرم افزار Excel ترسیم شد.
نتایج
وزن تر گیاه (برگ و ریشه): نتایج تجزیه داده‌های حاصل از آزمایش نشان داد که اثر تیمارهای کادمیوم، سیلیسیم و اثر متقابل آنها، بر وزن تر برگ و ریشه بسیار معنی‌دار (01/0≥ P) شد. اثر سمیت کادمیوم و افزایش غلظت آن در محیط ریشه سبب کاهش وزن تر ریشه شد. علاوه بر این با افزایش میزان کادمیوم، وزن تر برگ نیز کاهش یافت که از این میان کاهش وزن در ریشه محسوس‌تر بود. طبق نتایج مقایسه میانگین اثرات متقابل (شکلهای2و1) کمترین میزان وزن تر برگ و ریشه، در غلظت 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک و عدم کاربرد سیلیسیم مشاهده شد. تیمار سیلیسیم سبب کاهش خسارت ناشی از غلظت‌های مختلف کادمیوم شد و مقاومت گیاه را در برابر عنصر سنگین کادمیوم افزایش داد.
وزن خشک گیاه (برگ و ریشه): بین تیمار شاهد (غلظت صفر کادمیوم) و افزایش میزان کادمیوم تا 20 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک، اختلاف معنی‌داری در وزن خشک مشاهده نشد. اما در سطوح 40 و60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک در مقایسه با شاهد کاهش معنی‌دار مشاهده شد و از میزان زیست تودة گیاه در شرایط آلودگی کادمیومی کاسته شد. اثر تیمار سیلیسیم نیز بر وزن خشک برگ و ریشه در سطح احتمال 5 درصد معنی‌دار شد. اما اثر متقابل تیمار سیلیسیم و کادمیوم بر وزن خشک برگ و ریشه معنی‌دار نشد.
ارتفاع بوته و تعداد شاخة جانبی: نتایج حاصل از تحلیل
آماری داده‌ها نشان می‌دهد که اثر کادمیوم بر ارتفاع بوته و تعداد شاخة جانبی در سطح 1 درصد معنی‌دار بود. افزایش غلظت کادمیوم علاوه بر اختلال در رشد و ارتفاع گیاه، سبب کاهش تعداد شاخه‌های جانبی در غلظت‌های 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک شد. اثر تیمار سیلیسیم بر ارتفاع بوته و تعداد شاخة جانبی نیز به‌ترتیب در سطح احتمال 1 و 5 درصد معنی‌دار بود و مصرف سیلیسیم باعث بهبود شرایط رشد گیاه در شرایط آلودگی کادمیومی شد. اثر متقابل تیمار سیلیسیم و کادمیوم بر ارتفاع بوته و تعداد شاخة جانبی معنی‌دار نشد.
رنگیزه‌های فتوسنتزی: آنالیز داده‌های مربوط به محتوای کلروفیل a و b نشان داد که اثر تیمار کادمیوم بر هر دو صفت در سطح 1 درصد معنی‌دار بود. مقدار کلروفیل a و b در گیاهان شاهد (عدم استفاده از سیلیسیم) و همچنین در گیاهان تیمار شده با سیلیسیم در اثر سمیت کادمیوم کاهش یافت (شکل 3). اما تیمار سیلیسیم سبب کاهش خسارت ناشی از سمیت کادمیوم شد. اثر سیلیسیم بر میزان کلروفیلa در سطح احتمال 1 درصد و کلروفیل b در سطح احتمال 5 درصد در غلظت‌های مختلف کادمیوم معنی‌دار شد. کادمیوم باعث افزایش میزان کاروتنوئید در گیاه شد. افزایش کادمیوم تا غلظت 20 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک بر میزان کاروتنوئید تفاوت معنی‌داری با شاهد نداشت، اما در غلظت‌های 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک معنی‌دار بود و به‌موازات افزایش غلظت کادمیوم مقدار کاروتنوئید در برگ افزایش یافت. اثر متقابل کادمیوم و سیلیسیم بر مقدار کلروفیل a و کاروتنوئید نیز معنی‌دار (05/0≥ P) بود. بیشترین مقدار کلروفیل a از تیمار شاهد (غلظت صفر میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک) و کاربرد 937/0 میلی‌گرم سیلیسیم در هر کیلوگرم خاک به‌دست آمد (شکل3). کاربرد سیلیسیم سبب افزایش توانایی گیاه در حفظ میزان کلروفیل a و کاهش میزان کاروتنوئید در برگ شد (شکل4).
شکل1- وزن‌تر برگ تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است.
شکل2- وزن‌تر ریشه تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است
شکل3- غلظت برگی کلروفیل a تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است.
شکل4- غلظت برگی کاروتنوئید تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است.
پرولین: آنالیز داده‌های مربوط به مقدار پرولین در برگ نشان داد که اثر کادمیوم و تیمار سیلیسیم بسیار معنی‌دار (01/0≥ P) بود. مقایسة نتایج حاصل از مقایسه میانگین‌ها نشان داد که بین شاهد و سطوح کاربرد کادمیوم اختلاف معنی‌داری مشاهده شد، به‌طوری‌که مقدار پرولین، در سطح 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک و عدم کاربرد سیلیسیم به 5 برابر شاهد رسید (شکل5). اثر متقابل سیلیسیم و کادمیوم بر مقدار پرولین برگ نیز در سطح احتمال 5 درصد معنی‌دار شد.
محتوای نسبی آب برگ: نتایج اثر تنش کادمیوم و تیمار سیلیسیم بر محتوای نسبی آب برگ بسیار معنی‌دار (01/0≥ P) بود. بررسی اثر متقابل غلظت‌های مختلف کادمیوم و تیمار سیلیسیم (شکل 6) نشان داد، سیلیسیم مانع از کاهش شدید محتوای نسبی آب برگ در مقایسه با تیمارهای عدم کاربرد سیلیسیم به‌ویژه در غلظت‌های کم کادمیوم شد.
بحث
علائم سمیت کادمیوم در خرفه به صورت کاهش عملکرد و زرد شدن و ریزش برگ‌ها در غلظت‌های 40 و 60 میلی‌گرم کادمیوم بر کیلوگرم خاک مشاهده شد و با نتایج آزمایش رشید شمالی و همکاران (1391) مطابقت داشت (2). بررسی صفات مورد مطالعه نشان داد که در گیاهان تیمار شده با سیلیسیم، با افزایش غلظت کادمیوم در محیط ریشه، میزان کاهش عملکرد، در گیاهان تیمار شده با سیلیسیم نسبت به عدم کاربرد آن، بردباری بیشتری به عنصر سنگین کادمیوم نشان داد.
کادمیوم با اختلال در متابولیسم نیتروژن و سنتز پروتئین و به‌دنبال آن کاهش فتوسنتز در گیاهان، منجر به کاهش رشد گیاه می‌شود (11). در اثر افزایش فراهمی کادمیوم در محیط رشد خرفه، کاهش وزن‌تر در برگ و ریشه مشاهده شد. شریفا و ابو مرفح (2015) نشان دادند که کادمیوم با اختلال در متابولیسم نیتروژن از طریق مهار فعالیت آنزیم‌هایی مانند گلوتامین سینتاز، گلوتامات سینتاز و نیترات ردوکتاز و فرایند احیاء نیترات سبب کاهش تولید پروتئین شده و رشد گیاه را متوقف می‌کند (43) و به‌دنبال آن از تقسیم سلول‌های منطقه مریستمی کاسته شده و از رشد سلول‌های منطقه رشد جلوگیری می‌کند (33). همچنین ایجاد شرایط اکسایشی سبب بر هم زدن ساختمان میکروتوبول در سلول‌های مریستمی ریشه می‌شود (39) و از تعداد ریشه‌های مویین گیاه کاسته می‌شود (23). ریشه گیاهان دارای چندین مکانیسم برای حفظ بقاء در محیط آلوده به عناصر سنگین است. در برخی از گیاهان یون‌ها توسط دیواره‌های سلولی ریشه جذب و درون ساختارهای سلولی مانند واکوئل‌ها اسیر و برای انتقال به ساقه، غیر قابل دسترس می‌شوند. علاوه بر این، مکانیسم‌های تخصصی دیگری نیز برای محدود کردن انتقال فلز وجود دارد. به عنوان مثال بسیاری از فلزات سنگین با تغییر در فعالیت پروتئین‌های کانال انتقال آب و با بستن روزنه‌های برگ، جریان آب را در گیاه متوقف می‌سازند (43).
شکل 5- غلظت برگی پرولین تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است.
شکل 6- محتوای نسبی آب برگ تحت اثر متقابل تیمارهای سیلیکون و کادمیوم
حروف یکسان بیانگر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 5 درصد است.
بنابراین مقدار جذب کادمیوم، درون ریشه‌ها زیاد می‌باشد اما امکان انتقال آن به ساقه محدود می‌شود (27). از سوی دیگر تمایز زودرس و چوبی شدن دیوارة سلول‌های واقع در منطقة رشد طولی سلول، می‌تواند از دلایل دیگر کاهش رشد ریشه در شرایط تنش کادمیوم باشد که این اثر همراه با تغییر رنگ ریشه نیز خواهد بود (18). در نتیجه بیوماس یا توده زنده گیاه نیز کاهش می‌یابد. علاوه بر این در این آزمایش، تیمار سیلیسیم سبب افزایش وزن‌تر برگ و ریشه شد. گویا و همکاران (2001) و ساموئلز و همکاران (1993) نشان دادند که افزایش رشد و عملکرد گیاه در حضور سیلیسیم، به دلیل رسوب آن در پهنای برگ، افزایش استحکام برگ‌ها و نیز افزایش غلظت کلروفیل در واحد سطح برگ است و از این طریق موجب بهبود توانایی مکانیکی ساقه و برگ‌ها در جذب نور و افزایش ظرفیت فتوسنتزی گیاه می‌شود (21 و 40). به طور کلی، با کاهش جذب و انتقال کادمیوم به برگ‌ها و به‌دنبال تجمع سیلیسیم در دیوارة سلول‌ها، میزان قندهای محلول در گیاه افزایش یافته و به گیاه کمک می‌کند تا بتواند ذخیرة کربوهیدراتی خود را برای حفظ متابولیسم پایه، در شرایط تنش در حد مطلوب نگه دارد و از این طریق گیاه بتواند با حفظ شرایط اسمزی حداکثر توان خود را برای حفظ مقادیر آبی و ادامة رشد گیاه انجام دهد (38).
وزن خشک برگ و ریشه نیز تحت تأثیر تنش کادمیوم کاهش یافت، اما تیمار سیلیسیم باعث بهبود شرایط رشد و افزایش مقاومت گیاه شد. طبق آزمایش یانگ و همکاران (2013)، در فرایند گیاه پالایی مکان‌های آلوده به فلزات سنگین، شناسایی گونه‌های گیاهی با تولید زیست تودة بالا که بتوانند آلاینده‌ها را در خود تحمل کنند، دارای اهمیت بسیاری است، زیرا افزایش زیست توده، توانایی حذف فلز از خاک را به وسیلة گیاه افزایش می‌دهد و همچنین موجب افزایش کارایی گیاه در اندوزش عناصر سنگین می‌شود (48).
کادمیوم بر تقسیم و رشد سلول‌های گیاهان اثر می‌گذارد و همچنین آلودگی خاک به عنصر کادمیوم موجب کاهش هدایت هیدرولیکی ریشه گیاهان، کاهش انبساط سلولی و کاهش جذب آب توسط گیاهان شده و به‌دنبال آن کاهش تولید مواد فتوسنتزی، سبب کاهش ارتفاع بوته و تعداد شاخه‌های‌جانبی در گیاه می‌شود (30). فتوسنتز به کادمیوم حساس بوده و کادمیوم کلروفیل و آنزیم‌های دخیل در تثبیت 2CO را تحت تأثیر قرار می‌دهد (1). چن و همکاران (2007)، دلایل اثرات سودمند مصرف سیلیسیم در بهبود رشد و ایجاد مقاومت گیاه به کادمیوم را به‌ترتیب جلوگیری از جذب، توقف انتقال از طریق مسیر آپوپلاست و انتقال کادمیوم به واکوئل توسط عنصر سیلیسیم بیان کردند (13).
نتایج این تحقیق نشان داد که با افزایش یون کادمیوم از مقدار رنگیزه‌های گیاه به طور معنی‌داری کاسته شد. یانگ و همکاران (2013) نشان دادند که کاهش مقدار کلروفیل برگ، در اثر سمیت کادمیوم، ناشی از واکنش این عنصر با گروه سولفیدریل موجود در ساختار آنزیم‌ها و پروتئین‌ها است که موجب اختلال در فرایند فتوسنتز می‌شود. از سوی دیگر به علت کاهش جذب برخی عناصر مانند آهن، مقدار کلروفیل در سلول کاهش یافته و از فعالیت آنزیم احیاکنندة آهن ممانعت می‌شود (48). بنابراین به نظر می‌رسد در شرایط تنش، کاهش کلروفیل بواسطه افزایش فعالیت آنزیم کلروفیلاز و در نتیجه تجزیة کلروفیل است (22). مرس و همکاران (2010) گزارش کردند که کاهش کلروفیل در شرایط آلودگی محیط رشد به عناصر سنگین مانند کادمیوم به صورت مستقیم به علت مهار سنتز آنزیم‌های سازندة آن و از سوی دیگر کاهش جذب عناصر ضروری مانند نیتروژن در خاکهای آلوده به فلزات سنگین است (33). تجزیة کلروفیل در این شرایط امری بدیهی است و بدنبال تخریب رنگیزه سبز (کلروفیل)، گیاه رنگی به نظر می‌رسد که دلیل آن افزایش و قابل رؤیت شدن رنگیزه‌های محافظ مانند کاروتنوئیدها (کاروتن، گزانتوفیل و لیکوپن) و آنتوسیانین‌ها است (37). کاربرد سیلیسیم برای تولید غلظت‌های بالای آنزیم ریبولوز بیوفسفات کربوکسیلاز در برگ لازم است. این آنزیم سوخت و ساز دی اکسیدکربن را تنظیم کرده، در نتیجه کارایی تثبیت دی اکسیدکربن توسط گیاهان را افزایش می‌دهد و در نهایت منجر به بهبود فتوسنتز در گیاه می‌شود (44).
در این آزمایش نیز مشابه تحقیقی که توسط لیامس و همکاران (2000) انجام گردید مشاهده شد که همگام با افزایش کادمیوم میزان پرولین در گیاه افزایش یافت (30). در برگ‌های بالغ تحت شرایط تنش سمیت کادمیوم، تجزیة پروتئین‌ها باعث کاهش غلظت پروتئین در برگ و در نتیجه افزایش اسیدهای آمینة آزاد ازجمله پرولین می‌شود (44). چهار دلیل برای افزایش تجمع پرولین در زمان تنش پیشنهاد شده است که عبارتند از: الف) تحریک سنتز آن از اسید گلوتامیک، ب) کاهش انتقال آن از طریق آوند آبکش، ج) جلوگیری از اکسیداسیون در سلول در طول تنش و د) تخریب و اختلال در فرایند سنتز پروتئین (10). با توجه به افزایش غلظت پرولین در برگ تحت تنش، میزان پرولین برگ بیش از آنکه معیاری از مقاومت به تنش گیاه باشد، معیاری از شدت تنش است. اثر سیلیسیم در کاهش آسیب غشاء و نشتی املاح از سلول، می‌تواند به طور غیر مستقیم سبب افزایش پرولین در سلول و حفظ بقاء آن شود (41). بنابراین می‌توان گفت که تجمع پرولین در شرایط تنش، بیشتر به تداوم بقاء و رشد گیاه تا پایان دورة حیات گیاه کمک می‌کند (38).
هر فرایند گیاهى به طور مستقیم یا غیر مستقیم تحت تأثیر محتواى آب گیاه بوده و می‌توان آب را یک عامل اساسى در تنظیم رشد گیاه محسوب نمود. بنابراین در اغلب پژوهش‌ها در ارتباط با پاسخ گیاهان به تنش‌هاى محیطى، توجه ویژه‌اى به روابط آبى از سطح سلولى تا کل گیاه می‌شود. همانطور که در این آزمایش نیز مشاهده شد، میزان رطوبت نسبی برگ(RWC) در اثر تنش کادمیوم کاهش یافت. شریفا و ابومرفح (2015) گزارش کردند که دلیل افزایش (RWC) در اثر اعمال سیلیسیم، کاهش شدت نفوذپذیری غشاء به علت رسوب سیلیکا (SiO2 nH2O) در آپوپلاست دیواره سلولی است که باعث استحکام بافت گیاه می‌شود (43). نتایج حاصل از مطالعه مورنو و همکاران (1999) نشان داده است که میزان پراکسیداسیون چربی‌ها در سلول، در حضور یون کادمیوم افزایش می‌یابد که موجب افزایش نفوذپذیری غشاء سلول می‌شود و این وضعیت باعث برهم خوردن تعادل آبی و تغذیه‌ای سلول شده که این یکی از مهمترین دلایل کاهش عملکرد، وزن و محتوای نسبی آب برگ در گیاه می‌باشد (34).
نتیجه‌گیری
نتایج این آزمایش نشان داد که کاهش وزن تر و خشک برگ و ریشه در اثر تنش کادمیوم، می‌تواند در اثر اختلال در فرایند فتوسنتز و متابولیسم نیتروژن باشد. همچنین در اثر کاهش رنگیزه‌های فتوسنتزی تولید بیوماس و رشد در گیاه مورد مطالعه کاهش یافته است. با توجه به اینکه خرفه یک علف هرز بوده و از سرعت تکثیر و رشد بالا برخوردار است، لذا کاربرد آن به‌عنوان یک گیاه بیش اندوز در گیاه پالایى بدون اشکال و مقرون به صرفه بوده و از سوی دیگر بقایای گیاهى آن پس از برداشت، در فناورى گیاه پالایى می‌توانند خاکستر و دفن شوند یا در صورت امکان فلزات جذب شده توسط گیاه، از خاکستر آن جداسازى گردند. همچنین با توجه به افزایش معنی‌دار شاخص‌های فیزیولوژیک در تیمارهای کاربرد سیلیسیم می‌توان به علت اثر مثبت آن در افزایش بردباری و بیوماس خرفه، در شرایط آلودگی کادمیوم و به‌دنبال آن افزایش توانایی گیاه در جذب عنصر سنگین کادمیوم، به‌عنوان راهکاری مناسب در افزایش کارایی این روش پاکسازی در خاکهای آلوده و نیز یک عنصر مفید در افزایش عملکرد و مقاومت به تنش‌های محیطی استفاده کرد.
(علمی)', './data/plant/coversheet/cover_fa.jpg'))
دوره 31، شماره 2
شهریور 1397صفحه 235-247
- تاریخ دریافت: 18 مرداد 1394
- تاریخ بازنگری: 24 مهر 1395
- تاریخ پذیرش: 28 دی 1395