Document Type : Research Paper
Authors
1 Department of Biology, Faculty of Science, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Department of Biology, Faculty of Sciences, Ferdowsi University of Mashhad
3 Department of Biology, Faculty of Sciences, Ferdowsi University of Mashhad, Iran
Abstract
In the present study, effects of different concentrations (25, 50, 75, and 100 mg L-1) of zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) on the minerals absorption of rapeseed has been investigated in a completely randomized design with three replicates in the pots with perlite as a supporting material. After two months culturing, plants were harvested and then zinc content in leaf was determined using atomic absorption spectrometry. The content of phosphorus, magnesium, calcium, potassium, copper, iron, boron and molybdenum was measured using Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES). Results showed that Zn accumulation in leaves of treated plants was increased in a dose-dependent manner. Amounts of iron, copper, boron, and phosphorus were significantly decreased under ZnONPs treatment. In contrast, magnesium content of leaves was significantly increased under the treatment. However, the treatment did not have significant effect on the concentration of calcium, potassium and molybdenum. Due to the presence of Zn in the structure of ZnONPs and the probability of its release around the root, disruption of the absorption of mineral elements such as iron and copper may be due to the competition over metals adsorption carriers.
Keywords
Main Subjects
تغییرات جذب عناصر معدنی در گیاه کلزا تحت تیمار نانوذرات اکسید روی
سید موسی موسوی کوهی1*، مهرداد لاهوتی2 و علی گنجعلی2
1 ایران، بیرجند، دانشگاه بیرجند، دانشکده علوم، گروه زیستشناسی
2 ایران، مشهد، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده علوم، گروه زیستشناسی
تاریخ دریافت: 18/11/96 تاریخ پذیرش: 15/8/97
چکیده
در مطالعه حاضر، اثر غلظتهای مختلف (25، 50، 75 و 1-mg L 100) نانوذرات اکسید روی (ZnONPs) بر روی جذب عناصر معدنی گیاه کلزا در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار بهصورت کشت گلدانی در بستر پرلیت مورد بررسی قرارگرفت. پس از دو ماه کشت تحت تیمار، گیاهان برداشت شده و سپس مقدار عنصر روی در برگ با استفاده از دستگاه طیفسنجی جذب اتمی و مقدار عناصر فسفر، منیزیم، کلسیم، پتاسیم، مس، آهن، بُر و مولیبدن با استفاده از طیفسنجی نشری پلاسمای جفتشده القائی (ICP-OES) اندازهگیری شد. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت نانوذرات ZnONPs، انباشت Zn در برگ بهطور معنیداری افزایش یافت. مقادیر آهن، مس، بُر و فسفر برگ بهطور معنیداری با تیمار ZnONPs کاهش یافت. در مقابل، مقدار منیزیم برگ بهطور معنیداری تحت این تیمار افزایش نشان داد. با این حال، تیمار نانوذرات ZnONPs تأثیر معنیداری بر روی مقدار کلسیم، پتاسیم و مولیبدن برگ نداشت. بدلیل آزاد شدن روی از ZnONPs در اطراف ریشه، اختلال در جذب عناصر معدنی مانند آهن و مس ممکن است بهواسطه رقابت بر سر حاملهای جذب فلزات باشد.
واژههای کلیدی: Brassica napus، نانوذرات اکسید روی، عناصر معدنی
* نویسنده مسئول، تلفن: 09119984756 ، پست الکترونیکی: smmousavi@birjand.ac.ir
مقدمه
در دهه اخیر نانو مواد و نانوفناوری بهطور گسترده در جهان کاربرد داشتهاند. نانوذرات، ذراتی با مقیاس نانو هستند که اندازه آنها بین 1 و 100 نانومتر است. (25). عملکرد نانوذرات به ترکیب شیمیایی و اندازه یا شکل ذرات بستگی دارد. نانوذرات مهندسیشده در بسیاری از جنبههای مختلف اقتصادی مانند دارویی، آرایشی، حملونقل، انرژی، کشاورزی و غیره موردتوجه قرارگرفتهاند و بهطور فزایندهای در حال تولید هستند (9). نانوذرات اکسید فلزی مانند اکسید روی (ZnO) در بهبود فعالیت کاتالیزی فلزات اهمیت فناوری زیادی دارند (6). نانو ذرات اکسید فلزی همچنین بهواسطه قابلیت در ممانعت از نور فرابنفش و شفافیت مرئی خود، کاربردهای گستردهای در صنعت سلولهای خورشیدی دارند (18).
از آنجا که نانوذرات با محیط زیست در ارتباط بوده و گیاهان نیز جزء مهمی در همه اکوسیستمها میباشند، بنابراین نانوذرات بهطور اجتنابناپذیری با گیاهان برهمکنش خواهند کرد. این برهمکنشها ممکن است منجر به جذب و تجمع نانوذرات در گیاه شود و بهطور گستردهای توزیع آنها در محیط را تحت تأثیر قرار دهد. نانوذرات قادر به اتصال به ریشههای گیاهان و ایجاد سمیّت فیزیکی و شیمیایی هستند (20). تعیین سمیّت گیاهی نانوذرات فلزی و اکسیدهای آنها به دلیل آزاد شدن بالقوه یونهای فلزی از این نانوذرات و سمیّت و جذب بالقوه این یونهای فلزی پیچیده است. درمجموع، براساس مطالعات گوناگون بر روی نانوذرات و گونههای مختلف، گزارشهای متناقضی نشان داده شده است که اثرات مثبت یا منفی نانوذرات بر روی گیاهان نیز مانند هر ماده مؤثره دیگر به نوع نانوذره، غلظت نانوذره، مدت تیمار، روش تیمار، گیاه هدف و سایر عوامل بستگی دارد (22). بهعنوان مثال ﻧﺎﻧﻮﻟﻮﻟﻪﻫﺎی ﻛﺮﺑﻨﻲ ﺗﻚ ﺟﺪاره قادرند جوانهزنی و رشد ریشه را در دانه رستهای برنج افزایش دهند اما افزایش مدت تیمار موجب کاهش زیتوده گیاه میشود (27).
نانوذرات ZnO (ZnONPs) یکی از پرکاربردترین و پرمصرفترین نانوذرات هستند (31). در یک مطالعه بر روی غلظتهای محیطی نانوذرات مهندسی شده مختلف با نمونهگیری و مدلسازی در نقاط مختلف اروپا و ایالاتمتحده از بخشهای مختلف محیطی مانند خاک، آبهای سطحی، فاضلابها و هوا مشخص شد که ZnO و 2TiO بیشترین غلظت را در محیط دارند. این نتیجه، حجم تولید جهانی این نانوذرات را نشان میدهد (13). این نانوذرات به دلیل ویژگیهای نوری و الکتریکی در زمینههایی گوناگونی مانند پوشش سلولهای خورشیدی، حسگرهای گازی، جذب کنندههای تابش فرابنفش کاربرد دارند. از این نانوذرات همچنین میتوان بهعنوان آنتیبیوتیک استفاده نمود (15). ZnONPs در لوازم آرایشی، منسوجات، لوسیونهای پوست (28)، سرامیک، پردازش لاستیک و تصفیه فاضلاب (12) مورد استفاده قرار میگیرند. این نانوذرات در لیست نانوذرات پیشنهاد شده برای تحقیقات، که از طرف بخش محیط، بهداشت و ایمنی سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (OECD) ارائه میشود نیز وجود دارند (15).
کلزا بانام علمىBrassica napus L. گیاهی یکساله و علفی از تیره خردل (Brassicaceae) یا چلیپائیان (Cruciferea) است که در که در زبان انگلیسی به Rapeseed شهرت دارد (2). گیاه کلزا 50 تا 200 سانتیمتر رشد نموده و ازنظر زراعی به دو تیپ بهاره و پائیزه تقسیم مىشود (3). گیاه کلزا بهعنوان یکی از مهمترین گیاهان زراعی، سومین منبع روغنهای گیاهی پس از سویا و پالم است (8) و استفاده از آن در استخراج روغنهای بدون ضرر اهمیت ویژهای دارد. روغن کلزا برای تغذیه انسان و کنجاله آن بهعنوان منبع پروتئین برای تغذیه دام مناسب است. ترکیب شیوههای زیستفناوری و روشهای سنتی بهنژادی منجر به بهبود ترکیب روغن کلزا شده است (33). کلزا گیاهی است که توانایی انباشت فلزات سنگین را دارد (38). نظر به اینکه ZnONPs دارای فلز سنگین Zn میباشد، گیاه کلزا با قابلیتهای ذکر شده در جذب فلزات سنگین جهت مطالعه انتخاب گردید. از سوی دیگر، اثر نانوذرات بر روی جذب عناصر معدنی توسط گیاهان کمتر مورد توجه قرارگرفته است. از معدود پژوهشها در این زمینه بررسی اثر نانوذرات اکسید روی و اکسید سریوم بر روی تغذیه معدنی در گیاه سویا است (30). لذا، مطالعه حاضر به بررسی تغییرات جذب عناصر معدنی پس از تیمار گیاه کلزا با ZnONPs میپردازد.
مواد و روشها
تهیه و تأیید نانوذرات ZnO: پس از تهیه نانوذرات ZnO (ZnONPs) با اندازه کمتر از 50 نانومتر و خلوص 97 درصد از شرکت Sigma-Aldrich، جهت تأیید اندازه و تعیین شکل نانوذرات از میکروسکوپ الکترونی گذاره (TEM, Model 912AB, LEO,UK) استفاده شد.
کشت و تیمار گیاه: بهمنظور بررسی اثر غلظتهای مختلف ZnONPs بر روی جذب عناصر معدنی گیاه کلزا، آزمایشی در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار بهصورت کشت گلدانی در بستر پرلیت انجام شد. بذرهای گیاه کلزا رقم هایولا 401 از مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی خراسان رضوی (مشهد) تهیه شد. بذرها پس از 10 دقیقه ضدعفونی در محلول هیپوکلریت سدیم 10 درصد، پنج بار با آب دیونیزه شستشو شدند. بذرهای ضدعفونی شده به مدت دو ساعت در آب دیونیزه خیسانده شدند و سپس در گلدانهای پلاستیکی با حجم یک و نیم لیتر در بستر پرلیت کشت شدند. پیش از کشت، پرلیتها با آب مقطر شستشو داده شدند. گلدانها برحسب نوع تیمار در دو گروه دستهبندی شدند. در دسته اول (گلدانهای شاهد) پرلیتها تنها با محلول غذایی هوگلند 10 درصد تیمار شدند. در دسته دوم، پرلیتها با غلظتهای مختلفی (25، 50، 75 و 1-mg L 100) از سوسپانسیون ZnONPs تیمار شدند. غلظتهای تیماری بر مبنای بررسی گسترده منابع (11، 12، 15، 30، 31و 37) و همچنین مطالعه دیگری از پژوهشگران حاضر که در آن اثر دامنه گستردهای از غلظتهای ZnONPs در مرحله جوانهزنی مورد بررسی قرارگرفت (21)، انتخاب گردید. برای تهیه سوسپانسیون ZnONPs از محلول هوگلند 10 درصد (35) استفاده شد تا ضمن تیمار نانوذره، مواد غذایی لازم جهت رشد گیاه نیز فراهم گردد. سوسپانسیونها به مدت 45 دقیقه تحت امواج فراصوت قرارگرفتند (Branson Ultrasonic Bath – Model, 8510). اعمال تیمارها هر 10 روز تکرار شد. به این منظور، بستر کشت (پرلیت) ابتدا با آب مورد شستشو قرارگرفت و سپس بهطور مجدد با نانوذره تیمار شد. هدف از تجدید تیمار، تثبیت غلظت نانوذره به دلیل تغییرات ایجاد شده در اثر رشد گیاه بود. بسته به مرحله رشد گیاه، قدرت محلول غذایی هوگلند افزایش یافت بهطوری که در تیمار دوم قدرت محلول هوگلند به 25 درصد و در مراحل بعدی به 50 درصد افزایش یافت. براساس تجربیات قبل، محلول 50 درصد هوگلند برای رشد گیاه در تمام مراحل رویشی کافی بود. در فاصله بین تیمارها، بهطور منظم توزین گلدانها انجام شد و کاهش وزن موجود با افزودن محلول هوگلند جبران شد. گیاهان در اتاق رشد با دمای 1 ± 25 درجه سانتیگراد و دوره نوری 16ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی رشد نمودند. پس از دو ماه رشد رویشی، گیاهان برداشت شده و سنجشهای لازم بر روی آنها انجام شد.
سنجش میزان انباشت عناصر در ریشه و برگ: برای سنجش میزان انباشت عناصر در ریشه و برگ نخست نمونههای خشکشده ریشه و برگ با آسیاب برقی پودر شدند. مقدار 5/0گرم از پودر تهیه شده برگ با دقت توزین شده و بهصورت جداگانه به هرکدام 5 میلیلیتر اسید نیتریک (3HNO) غلیظ افزوده شد تا عمل هضم بافت در ارلنهایی که درب آنها مسدود شده بود به مدت یک شب ادامه یابد. پس از این مدت، ارلنها به مدت یک ساعت در آون تحت دمای 90 درجه سانتیگراد قرارگرفتند تا به شدت هضم بافتها افزوده شود. پس از سرد شدن نمونههای خارجشده از آون، جهت تسریع هضم بافتها، یک میلیلیتر محلول پراکسید هیدروژن (2O2H) 30 درصد به مخلوط واکنش افزوده شد. در ادامه جهت هضم کامل بافتها، ارلنها بر روی اجاق برقی قرار داده شدند و حرارتدهی تا خشک شدن تقریبی (اما نه کامل) مخلوط واکنش ادامه یافت. در انتها، ارلنها از روی اجاق برقی برداشته شده و پس از سرد شدن، با استفاده از آب دیونیزه حجم اندک محلول باقیمانده به 25 میلیلیتر رسانده شد تا در نهایت خاکستر ترگیاهی بهدست آید. جهت حصول یک محلول همگن، عمل صاف کردن محلول حاصل با استفاده از کاغذ صافی انجام شد. در طی مراحل انجام هضم، کربن و نیتروژن در اثر حرارت زیاد به ترتیب بهصورت گازهای دیاکسید کربن (2CO) و نیتریت (2NO) از محیط بافت خارج شده و عناصر معدنی باقی میمانند (24و 26). مقدار عنصر روی در محلول حاصل با استفاده از دستگاه طیفسنجی جذب اتمی (AAS, AA-670, Shimadzu, Japan) و عناصر فسفر، منیزیم، کلسیم، پتاسیم، مس، آهن، بُر و مولیبدن با استفاده از طیفسنجی نشری پلاسمای جفتشده القائی (ICP-OES, SPECTROARCOS, 76004555) اندازهگیری شد.
تحلیل آماری: تمامی آزمایشها در سه تکرار انجام شد. پس از انجام تجزیه واریانس (ANOVA) مقایسه میانگینها با آزمون چند دامنهای دانکن (05/0 > P) وبا استفاده از نرمافزار Mstat-C انجام شد. نمودارها با استفاده از نرمافزار Excel ترسیم شدند.
نتایج و بحث
تأیید اندازه و تعیین شکل ZnONPs: جهت تأیید اندازه ذرات که توسط شرکت سازنده کمتر از 50 نانومتر ذکر شده بود از ZnONPs تصاویر TEMگرفته شد. بررسیهای انجام شده با استفاده از TEM اندازه ذکر شده را تأیید نمود و نشان داد که ZnONPs دارای اشکال میلهای و مکعبی بودند (شکل 1).
شکل 1– تصویر TEM از ZnONPs
اثر ZnONPs بر روی جذب عناصر معدنی: روی: نتایج نشان داد که با افزایش غلظت ZnONPs، انباشت Zn در برگ گیاه کلزا بهطور معنیداری (05/0 >P) افزایش یافت (شکل 2الف). این افزایش وابسته به غلظت بود بهطوریکه متناسب با افزایش غلظت، مقدار انباشت Zn در برگ بیشتر شد. در برگهای گیاهـان تیمار شده با ZnONPs بیشترین انباشت Zn در تیمـار 1-mg L 100 مشاهده شد که 5/8 برابر برگهای گیاهان شاهد بود. در غلظتهای 75 و 1-mg L 50 نیز مقدار Zn 2/7 و 7/4 برابر شاهد بود. گرچه روی یک عنصر ضروری برای رشد گیاهان است اما غلظتهای مازاد آن میتواند منجر به سمیت و اختلالات عملکردی در گیاه شود (23).
عنصر روی یکی از فلزات سنگین است که برای رشد گیاه ضروری میباشد (1). برگها برای رشد بطور معمول به 15 تا 20 میلیگرمZn در کیلوگرم وزن خشک نیاز دارند (37). از سوی دیگر غلظت بحرانی سمیّت +2Zn در برگهای گیاهان زراعی از 100 تا بیش از mg Kg-1 300 وزن خشک میباشد (21). با اینحال، در پژوهش حاضر مقدار انباشتZn در برگ تا حدود mg Kg-12400 نیز افزایش نشان داد. انباشت مقادیر زیاد Zn در برگهای کلزا تیمارشده با غلظتهای زیاد +2Zn توسط سایر پژوهشگران نیز گزارش شده است. در مطالعهای بر روی کلزا، با افزایش غلظت Zn، غلظت Zn در برگها بهطور معنیداری افزایش یافت (36). غلظت Zn در برگهای گیاه نخود تحت تنش Zn نیز افزایش نشان داد (34). بهطور مشابهی افزایش Zn در برگهای Phragmites australis تیمار شده با غلظتهای سمّی +2Zn نیز مشاهده شد (16). در دانهرستهای جوانهزده Salsola tragu تحت تیمار غلظتهای 500، 1000، 2000 و 1L- mg 4000 تیمار NPs ZnO نیز مقدار Zn تا تیمار 1L- mg 2000 افزایشی وابسته به غلظت نشان داد (11).
آهن: ارزیابی مقدار آهن برگ با استفاده از ICP-OES نشان داد که هر چهار غلظت بکار رفته ZnONPs موجب کاهش معنیدار (05/0 >P ) غلظت آهن شدند (شکل 2ب). غلظتهای 75 و 1-mg L 100 ZnONPs موجب کاهش مقدار آهن برگ به ترتیب به مقدار 46 و 51 درصد شدند. غلظت بحرانی کمبود آهن در برگها در محدوده mg Kg-1 150-50 وزن خشک میباشد (21). در مطالعه حاضر، مقدار آهن در گیاهان تیمار شده با ZnONPs، کمتر از 60 میلیگرم بود. یکی از دلایل مهم سمیت مقدار زیاد Zn آن است که جایگزین سایر یونهای فلزی ازجمله آهن در جایگاههای اتصال آن میشود (30).
شکل 2- اثر تیمارهای مختلف ZnONPs بر روی انباشت عناصر روی (الف)، آهن (ب)، مس (ج)، بُر (د)، فسفر (ه)، منیزیم (و)، کلسیم (ز)، پتاسیم (ح) و مولیبدن (ط) در برگ گیاه کلزا. غلظت صفر، تیمار شاهد است. حروف متفاوت بر روی خطوط بار بیانگر معنیداری در سطح 05/0>P است. DW: وزن خشک
نیاز زیاد به آهن برای یکپارچگی ساختاری و عملکردی غشاءهای تیلاکوئیدی و همچنین نیازهای دیگر به آهن برای فردوکسین و زیستساخت کلروفیل بیانگر دلیل حساسیت زیاد کلروپلاستها بهطور معمول و تیلاکوئیدها بهطور ویژه به کمبود آهن است (21). این حساسیت زیاد ممکن است یکی از مهمترین دلایل کاهش رشد گیاهان تحت تیمار شدید Zn باشد. در سایر پژوهشها نیز گزارش شده است که غلظتهای مختلف +2Zn و ZnONPs در انباشت آهن در گیاه مداخله نموده و مقدار آن را در برگ بهطور معنیداری کاهش میدهند. مطالعه تأثیر غلظتهای 07/0 تا 12/1 میلیمولار Zn بر روی کلزا نشان داد که در برگها غلظتهای 28/0 تا 12/1 میلیمولار موجب کاهش مقدار آهن میشود (36). در مطالعهای دیگر بر روی سویا گزارش شده است که Zn در انتقال آهن از ریشه به اندامهای هوایی مداخله مینماید (5). گزارش شده است که ZnONPs در غلظتهای 50، 100 و 500 میلیگرم در کیلوگرم خاک موجب کاهش آهن در برگها میشود (30).
مس: نتایج آنالیز ICP-OES نشان داد که همه غلظتهای ZnONPs موجب کاهش معنیدار (05/0 >P ) غلظت مس در برگ شدند (شکل 2ج). غلظت 1-mg L 100 ZnONPs موجب کاهش مقدار مس در برگ به مقدار 65 درصد شد. سایر غلظتها (25، 50 و 75) نیز موجب کاهش حداقل 20 درصدی غلظت مس برگ شدند. مس عنصری کممصرف، اما ضروری برای همه گیاهان عالی است که ازنظر برخی ویژگیهای ردوکس و نیز تشکیل کمپلکسهای بسیار پایدار به آهن شباهت دارد (4). همانند آهن، مس نیز با پروتئینهای دخیل در واکنشهای ردوکس ارتباط دارد که درطی آن بهطور برگشتپذیری از +Cu به +2Cu اکسید میشود (34). غلظت بحرانی کمبود مس در بخشهای رویشی گیاه بهطور معمول در محدوده mg Kg-1 5-1 وزن خشک میباشد که این مقدار به گونه گیاهی، نوع اندام، مرحله نموی و فراهمی نیتروژن بستگی دارد (21). بااینوجود در مطالعه حاضر بهاستثناء گیاهان تیمار شده با غلظتهای 1-mg L 100 تیمار ZnONPs در سایر تیمارها مقدار مس بیش از 1-mg Kg 5 وزن خشک بود. در سایر پژوهشها نیز گزارش شده است که غلظتهای مختلف +2Zn و ZnONPs در انباشت مس در گیاه مداخله نموده و مقدار آن را در برگ بهطور معنیداری کاهش میدهند. در مطالعهای بر روی کلزا نشان داده شد که غلظتهای 07/0 تا 12/1 میلیمولار Zn موجب کاهش مقدار مس در ریشه و برگها شد (36). این نتیجه نیز نشاندهنده حساسیت زیاد مس به وجود غلظتهای مازاد Zn است. این حساسیت در نتایج پژوهشهای دیگر ازجمله بر روی چچم نیز قابل استنباط است (7). همچنین گزارش شده است که ZnONPs در غلظت 50، 100 و 500 میلیگرم در کیلوگرم خاک موجب کاهش محتوای مس در ریشه سویا میشود، هرچند مقدار آن در برگها و ساقه تغییر معنیداری نشان نمیدهد (30).
بُر: مطابق نتایج ICP-OES تحت هرچهار غلظت بکار رفته ZnONPs مقدار بُر در برگ کاهش معنیداری (05/0 >P ) یافت. بیشترین کاهش بُر تحت تیمار 1-mg L 100 به میزان 36 درصد بود (شکل 2 د). گونههای گیاهی در صورت رشد در شرایط یکسان، بهطور معمول ازنظر ظرفیت جذب بُر تفاوت دارند که نشاندهنده تفاوت نیازهای آنها به این عنصر ضروری میباشد (21). حد کفایت بُر در بافتهای گیاهی 1-mg Kg 10-100 است ولی آستانه کمبود آن 1-mg Kg 5-30 میباشد (17). در مطالعه حاضر اگرچه تیمارهای اعمالشده موجب کاهش معنیدار مقدار بُر گردید اما به نظر میرسد مقدار بُر در بافتها به کمتر از حد آستانه کمبود نرسیده است.
فسفر: نتایج ICP-OES نشان داد که همه غلظتهای ZnONPs موجب کاهش معنیدار (05/0 >P ) فسفر برگ شدند (شکل 2 ه). بیشترین کاهش فسفر نیز در گیاهان تیمار یافته با غلظتهای 1-mg L 100 ZnONPs به میزان حدود 44 درصد بود. علاوه بر آن، غلظتهای 25، 50 و1-mg L 75 نیز مقدار فسفر را به ترتیب به میزان 8/18، 8/22 و 7/24 درصد کاهش دادند. نیاز به فسفر برای رشد بهینه گیاه در مرحله رویشی در محدوده 5/0-3/ درصد وزن خشک گیاه میباشد (21). در سایر پژوهشهای انجام شده، مواردی در توافق یا تقابل با پژوهش حاضر وجود دارند. در مطالعه انجام شده بر روی کلزا غلظت فسفر در ریشه و برگهای گیاهان تیمار یافته با 28/0 تا 12/1 میلیمولار Zn بهطور معنیداری کاهش یافت (36). کاهش مقدار فسفر تحت تنش Zn در سایر گیاهان ازجمله Pisum sativum (29) وBrassica campestris (10) نیز گزارش گردیده است. مشخص شده است که کاربرد خارجی فسفر میتواند با تشکیل کمپلکسهای P–Zn کلروپلاستها را در برابر سمیّت Zn محافظت نماید. بنابراین، القاء کاهش فسفر از طریق Zn ممکن است سمیّت Zn را افزایش دهد (36). مطالعات انجامشده بر روی سویا گزارش شده است که ZnONPs در غلظتهای 50، 100 و 1-mg Kg 500 خاک تغییری در مقدار فسفر برگ، ریشه و ساقه ایجاد نمیکند (30).
منیزیم: آنالیزهای AAS و ICP-OES نشان داد که در برگهای گیاهان تیمار شده با ZnONPs مقدار منیزیم (شکل 2) افزایش یافته، که این افزایش در غلظت 1-mg L 50 و بیش از آن معنیدار (05/0 >P ) بود. افزایش منیزیم در برگهای گیاهان تیمار شده با غلظتهای زیاد ZnONPs ممکن است به دلیل عدم استفاده آنها در ساخت کلروفیل (ناشی از کاهش معنیدار آهن که در بخشهای فوق به آن اشاره شد) و بنابراین تجمع آنها در برگ باشد. نیاز به منیزیم برای رشد بهینه گیاه در مرحله رویشی در محدوده 35/0-15/0 درصد وزن خشک گیاه میباشد (21). در مطالعه حاضر، مقدار منیزیم 5/1 -1 درصد وزن خشک گیاه بود که نشاندهنده برآورده شدن نیاز کامل گیاه به منیزیم میباشد. برخلاف پژوهش حاضر، سایر پژوهشهای انجامیافته بیشتر بیانگر تأثیر منفی غلظتهای زیاد تیمار Zn برجذب Mg میباشند. مطالعهای که بر روی کلزا انجام شد، تیمار در غلظت 14/0 تا 12/1 میلیمولار Zn موجب کاهش Mg در ریشهها شد، اما در برگها تنها بالاترین غلظت Zn (12/1 میلیمولار) منجر به کاهش مقدار Mg گردید (36). در پژوهشهای دیگر نیز کاهش مقدار Mg تحت تیمار Zn مازاد گزارش شده است (7و 34). همچنینبرخلاف مطالعه حاضر گزارش شده است که ZnONPs در غلظت 1-mg Kg500 خاک موجب کاهش محتوای منیزیم در ریشهها شد، اما در غلظت 50 و 1-mg Kg 100 این تیمار تغییری در محتوای منیزیم ریشهها ایجاد نشد. از سویی دیگر در هیچیک از غلظتهای تیماری این پژوهش، تغییری در مقدار منیزیم برگ مشاهده نشد (30).
سایر عناصر: هیچیک از غلظتهای تیماری ZnONPs تأثیر معنیداری بر روی مقدار کلسیم (شکل 2 ز)، پتاسیم (شکل 2 ح) و مولیبدن (شکل 2 ط) برگ نداشتند. محتوای کلسیم گیاهان بین 1/0 درصد و بیش از 5 درصد وزن خشک متغیر است و به شرایط رشد، گونه و اندام گیاهی بستگی دارد (21). در مطالعه حاضر مقدار کلسیم برگ در تمام گیاهان تیمارشده در حدود 7/3 درصد بود و در هیچ تیماری در مقدار آن تغییر معنیداری ایجاد نشد. در حالی که انتظار میرفت به دلیل مشابه بودن ظرفیت یونی +2Zn و +2Ca، تغییراتی در مقدار کلسیم در برگ ایجاد گردد. مشابه نتایج مطالعه حاضر، گزارش شده است که تیمار ZnONPs در غلظتهای 50، 100 و 1-mg Kg 500 خاک تغییری در مقدار کلسیم برگ، ریشه و ساقه ایجاد نکرد (30).
همانند مطالعه حاضر برخی پژوهشهای دیگر نیز مؤید تأثیرپذیری اندک مقدار پتاسیم برگ در تنش Zn میباشند، هرچند این تأثیرپذیری در ریشه گزارش شده است. بهعنوان مثال گزارش شده است که از میان غلظتهای 50، 100 و 1-mg Kg 500 ZnONPs خاک، هیچیک قادر به ایجاد تغییر در مقدار پتاسیم برگ نبودند و تنها بیشترین غلظت (1-mg Kg 500) موجب کاهش معنیدار پتاسیم در ریشه شد (30).
صرفنظر از نیکل، نیاز طبیعی گیاهان به مولیبدن نسبت به نیاز آنها به سایر عناصر ضروری، کمترین مقدار ممکن است. بسته به گونه گیاهی و منبع نیتروژن، غلظت بحرانی کمبود مولیبدن مابین 1/0 و 1-mg Kg 1 وزن خشک برگ متغیر است (21). در مطالعه حاضر مقدار مولیبدن در برگها بسیار بیشتر از مقادیر ذکر شده بود. در سایر پژوهشها نیز گزارش شده است که غلظتهای مختلف ZnONPs انباشت مولیبدن در گیاه را تحت تأثیر قرار میدهند. بهعنوان مثال، غلظتهای 100 و 500 میلیگرم ZnONPs در کیلوگرم خاک به ترتیب موجب افزایش 134 درصد و 164 درصد مقدار مولیبدن در گرهکهای سویا شد، هرچند مقدار آن در ریشه، برگ و ساقه تغییری نکرد (30).
مقادیر اندک برخی از فلزات سنگین ازجمله آهن، روی، مس، منگنز، نیکل و مولیبدن برای متابولیسم گیاه ضروری است. برخی از این فلزات ازجمله آهن و مس برای اغلب واکنشهای ردوکس، که بهنوبه خود برای عملکرد صحیح سلول حیاتی میباشند، ضروری هستند. برخی دیگر ازجمله روی برای بسیاری از پروتئینها و آنزیمها نقش ساختاری و کاتالیزی دارند. با این وجود، غلظتهای زیاد این فلزات برای گیاه سمی است (14). مقدار زیاد فلزات ممکن است بهطور غیرمستقیم از طریق ممانعت در جذب عناصر مورد نیاز برای گیاه، مانع رشد شوند. این ممانعت ممکن است بهواسطه بازدارندگی رشد ریشه و تنفس یا بهواسطه رقابت بر سر حاملهای جذب فلزات انجام گیرد. کاهش در رشد ریشه از طریق غلظتهای سمّی فلزات میتواند جذب عناصر غذایی را محدود نماید که این محدودیت بهواسطه کاهش سطح قابلجذب ریشه رخ میدهد (21). مدتهاست که گزارش شده است مداخله Zn در متابولیسم آهن سبب زرد برگی میشود (32). کمبود آهن، ناشی از رقابت بین آهن و Zn و یا مداخله Zn در فرایندهای کلات شدن آهن در طی جذب توسط ریشه میباشد (17).
غلظت فلزات در سلولها میبایست تحت کنترل باشد که این عمل با مکانیسمهای گوناگون ازجمله فرایندهای انتقال غشایی میسر میشود (14). خانوادههای مختلفی از ناقلهای غشاء پلاسمایی در سلول گیاهی در جذب یونهای فلزی نقش دارند. ناقلهای فلزات شامل خانواده ناقلین مس، خانواده ZIP (ZRT-IRT-like protein)، خانواده NRAMP (natural resistance-associated macrophage protein)، ناقلین پروتئینی MATE (multidrug and toxic compound extrusion)، ناقلین HMA (heavy metal ATPase)، ناقلین الیگوپپتیدی، خانواده ناقلین ABC (ATP-binding cassette) و خانواده ناقلین تسهیلکننده انتشار کاتیون میباشند این ناقلها در انتقال انواع کاتیونهای فلزی نقش دارند و از اینرو برای یون فلزی مشخصی اختصاصی نیستند. بهعنوان مثال خانواده ZIP کاتیونهای دو ظرفیتی ازجمله روی، آهن، کادمیم و منگنز را از غشاهای سلولی منتقل میکنند (19). بنابراین افزایش یک یون فلزی تا حد مازاد ممکن است در جذب سایر یونهای مشابه آن که توسط یک ناقل مشترک منتقل میشوند، مداخله نماید. از اینرو، گمان میرود کاهش برخی عناصر ازجمله آهن و مس در بافتهای کلزا در مطالعه حاضر، بهواسطه آزادسازی یون روی از نانوذرات ZnONPs و افزایش آن در محیط ریشه و متعاقباً اثر ثانوی آن بر روی جذب عناصر نامبرده باشد. با این وجود انباشت روی در کلزا ممکن است با ناقلهای اختصاصی نیز ایجاد شده باشد. در آرابیدوپسیس دو پروتئین با نامهای AtMTP1 و AtMTP3 شناسایی شده است که به ترتیب در انباشت Zn در برگها و تسهیم آن در هنگام مواجهه با غلظتهای مازاد جذب شده آن توسط ریشه نقش دارند و به تحمل تنش Zn کمک میکنند. افزایش مقدار Zn در ریشه و برگهای کلزا نیز ممکن است با مکانیسمهای جذب و انتقال مشابهی انجام شود (36).
نتیجهگیری
نانوذرات فلزی مانند ZnONPs بسته به ویژگیهای فلز قادر به مداخله در جذب برخی از عناصر معدنی توسط گیاه هستند. با توجه به وجود Zn در ساختار ZnONPs و احتمال آزادسازی آن در اطراف ریشه، جذب برخی عناصر معدنی مانند آهن، مس، بُر و فسفر دچار اختلال میگردد که منجر به کاهش محتوای این عناصر در بافت گیاه میشود. این اختلال ممکن است بهواسطه بازدارندگی رشد ریشه و تنفس یا بهواسطه رقابت بر سر حاملهای جذب فلزات انجام گیرد. رقابت بین یونهای که، دارای ویژگیهای فیزیکوشیمیایی (ظرفیت و شعاع یونی) مشابه مانند روی، آهن و مس رخ میدهد.