Modulating effect of Silicon nanoparticles on Cytotoxic effect of Pb in Allium cepa L.

Document Type : Research Paper

Authors
Bahareh Khosfetrat 1
Asiyeh Hosseinkhani 2
1 Department of Biology, Faculty of science, Bu-Alisina University
2 Dept of Biology, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University
10.22034/jpr.2024.2419
Abstract
Due to urbanization and industrialization, heavy metals have become a common environmental pollutant in most regions of the world. Chromosome studies are one of the important tools for estimating the possible harmful effects of the metals on the genome of living organisms. The present study was conducted in order to analyze the genotoxic effects of lead metal (Pb) on terminal meristematic cells of onion (Allium cepa L.). Onion seeds were prepared and treated with salicylic acid (SA) and silicon nanoparticle (Si) before metal stress treatment, then they were exposed to different concentrations of lead. After applying the treatment, some growth factors and characteristics were compared in the control and Pb-treated groups. The results showed that lead stress cause to a decrease in the growth of roots, a decrease in the mitotic index (MI) and an increase in chromosomal aberrations. A positive correlation was observed between mitotic index and root length, and a negative correlation was observed between chromosomal aberrations and mitotic index with root length. Among the abnormalities, C-mitosis (enlarged chromosomes), chromosomal bridge and chromosome adhesion were the most common ones that observed. In addition, it was also observed that seed priming with salicylic acid and silicon nanoparticle improved the root length and MI in plants exposed to Pb. Also, the reduction of chromosomal abnormalities was observed compared to the group under the Pb. Comparing the performance of silicon nanoparticle with salicylic acid, it can be concluded that the anti-stress effects of the nanoparticles are more effective than salicylic acid.

Keywords

Subjects

اثر نانو ذره سیلیکون در تعدیل­کنندگی اثرات سیتوتوکسیک سرب در Allium cepa L.

فریبا محسن زاده*، بهاره خوش فطرت، آسیه حسینخانی هزاوه

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

تاریخ دریافت: 22/03/1401          تاریخ پذیرش: 08/07/1403

چکیده

به دلیل شهرنشینی و صنعتی شدن، فلزات سنگین به یک آلاینده زیست محیطی رایج در اغلب مناطق جهان تبدیل شده اند. مطالعات کروموزومی، یکی از ابزارهای مهم برای برآورد اثرات مضر احتمالی این فلزات بر ژنوم موجودات زنده می­باشد. پژوهش حاضر به منظور تجزیه و تحلیل اثرات ژنوتوکسیک فلز سرب (Pb) بر مریستم انتهایی ریشچه­های پیاز (Allium cepa L.) انجام شد. بذر­های پیاز تهیه و قبل از اعمال تیمار تنش فلزی، با سالیسیلیک اسید (SA) و نانوذره سیلیکون (Si) تیمار شدند؛ سپس در معرض تیمار با غلظت­های مختلف سرب قرار گرفتند. پس از اعمال تیمار، برخی از شاخص های رشد و ویژگی­های کاریوتیپی در گروه­های شاهد و تحت تیمار مورد مقایسه قرار گرفت.  نتایج نشان داد که تنش سرب منجر به کاهش رشد ریشچه­ها، کاهش شاخص میتوزی (MI) و افزایش انحرافات کروموزومی می­شود. بین شاخص میتوزی و طول ریشچه، همبستگی مثبت و بین انحرافات کروموزومی با شاخص میتوزی و طول ریشچه، همبستگی منفی مشاهده شد. در میان این ناهنجاری ها، C-mitosis (کروموزم­های بزرگ شده)، پل کروموزومی و چسبندگی کروموزوم، شایع ترین انحرافات مورد مشاهده بودند. علاوه بر این، مشاهده شد که پرایمینگ بذر با اسیدسالیسیلیک و نانوذره سیلیکون، طول ریشچه و MI را در گیاهان تحت تیمار با سرب بهبود ‌بخشید. همچنین کاهش ناهنجاری‌های کروموزومی در مقایسه با گروه تحت تنش فلز با سرب، به تنهایی مشاهده گردید. در مقایسه عملکرد نانوذره سلیکون با سالیسیلیک اسید، می توان نتیجه گرفت که اثرات ضد تنشی نانوذره از سالیسیلیک اسید  بیشتر است.

واژه های کلیدی: انحرافات کروموزومی، سرب، شاخص میتوزی، نانوذره سیلیکون

* نویسنده مسئول،  تلفن:08134373588 ،  پست الکترونیکی: f.mohsenzadeh@basu.ac.ir

مقدمه

 

در سال­های اخیر، آلودگی خاک، آب و هوا  با فلزات سنگین، به دلیل شهرنشینی و رشد سریع صنعتی شدن، به یک موضوع جهانی تبدیل شده است (45). غلظت بالای این فلزات در خاک­های کشاورزی، خواص بیولوژیکی خاک را تغییر می­دهد (6).گیاهان، یون­های ضروری و غیر ضروری را از خاک جمع می­کنند (11)؛ بنابراین ممکن است فلزات سنگین در بافت­های مختلف گیاهی انباشت شوند (6). گیاهان اهمیت زیادی در چرخه غذایی دارند و مسیر اصلی انتقال عناصر سمی از خاک به جانوران و انسان هستند (9). آلودگی خاک، آب و هوا باعث تجمع فلزات سنگین در شبکه غذایی می­شود که خطری برای هر موجود زنده­ای است. بنابراین تجزیه و تحلیل مسائل زیست محیطی در سیستم­های گیاهی الزامی است (43). تجمع فلزات سنگین می­تواند بر بسیاری از مکانیسم­های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی در گیاهان اثر بگذارد و مواد ژنتیکی را در طول چرخه سلولی تغییر دهد (19). سرب (Pb)، یک فلز سنگین بدون عملکرد بیولوژیکی شناخته شده­است که به دلیل توزیع گسترده و خطر آن برای محیط زیست، توجه زیادی را به خود جلب کرده­است. آلودگی خاک با سرب  باعث کاهش فعالیت میکروارگانیسم‌های خاک و زوال حاصلخیزی خاک می­شود (33). سرب در فرآیندهای فیزیوژیک گیاهان هیچ نقشی ندارد اما به علت شباهت ساختاری با عناصر ضروری امکان جذب این عنصر برای گیاه وجود دارد. یکی از پیامدهای اصلی تنش غیرزیستی و زیستی در گیاهان، افزایش تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) است (39). ROS منجر به اکسیداسیون پروتئین­ها، لیپیدهای غشاء و آسیب به DNA می­شود (3).  سرب از طریق زنجیره غذایی در بدن انسان انباشته شده (30) و سبب آسیب به سیستم عصبی، کبد، کلیه و تاخیر در رشد می­شود. همچنین خطر ابتلا به چندین سرطان به ویژه سرطان مننژیوم، مغز و کلیه را افزایش می­دهد (29).

مطالعه بر روی ریشه­ گیاهان برای ارزیابی اثرات سمی فلزات مهم است؛ زیرا ابتدا ریشه­ها در معرض این مواد سمی در خاک قرار می­گیرند (43). کاهش شاخص میتوزی و افزایش انحرافات کروموزومی می­تواند به عنوان پارامترهایی برای محاسبه سمیت ژنتیکی در گیاهان استفاده شود (36). مریستم ریشه گیاهان عالی اغلب برای ارزیابی آسیب کروموزوم در اثر فلزات سنگین در سلول­های میتوزی استفاده می­شود (18). تجزیه و تحلیل سیتولوژیک  گیاه Lycopersicum esculentum   و Capsicum annum تحت تنش فلزات سنگین Cr ،Cd ،Fe ،Pb  و Ni نشان داد که شاخص میتوزی به تدریج با قرار گرفتن در معرض فلز کاهش می­یابد و انواع مختلفی از ناهنجاری­های کروموزومی شامل پل‌های کروموزومی، عقب ماندگی، چسبندگی، سلول‌های دو هسته‌ای، ضایعات هسته‌ای، سلول‌های غول‌پیکر و میتوز نامتعادل ایجاد می­شود. (42).

 یکی از راه­های مقابله با تنش سرب، استفاده از ترکیبات اصلاح­کننده با کارایی بالا و مقرون به صرفه است (34). سالیسیلیک اسید یکی از تنظیم­کننده­های رشد است که در القای واکنش گیاهان به بسیاری از تنش­های غیرزنده مانند فلزات سنگین نقش مهمی دارد (41). سالیسیلیک اسید با جلوگیری از تجمع رادیکال­های آزاد توانایی کاهش استرس فلزات را دارد (40).  اثر مثبت تیمار  سالیسیلیک اسید بر جوانه زنی بذر و رشد گیاهچه، در طی تنش سرب و جیوه در برنج گزارش شده­است (35). مطالعات نشان داده­است که کاربرد اسید سالیسیلیک و بیوچار بطور قابل ملاحظه­ای اثرات تنش سرب بر ویژگی­های رشدی ریحان (Ocimum basilicum L.) را کاهش می­دهد (16). تمام غلظت‌های مورد استفاده سالیسیلیک اسید، باعث افزایش شاخص میتوزی در مریستم ریشه گیاه Nigella sativa  تحت تنش CdCl2 شد (13). گزارش شده است که کاربرد  سالیسیلیک اسید  اثرات سمی سرب را در گیاه دارویی مریم گلی (Salvia officinalis L)کاهش داده­است (50).

سیلیکون (Si) یک عنصر مفید برای اکثر گونه‌های گیاهی است که برای کاهش تنش‌های زیستی و غیرزیستی، از جمله تنش فلزات سنگین شناخته شده است (8). استفاده از کود سیلیکون روشی مقرون ‌به ‌صرفه‌ و کاربردی‌ برای جلوگیری از اثرات نامطلوب فلزات سنگین است (28). مطالعات نشان داده­است که کاربرد OSiF باعث کاهش تجمع کادمیوم و سرب در گندم و افزایش رشد دانه شده­است (23).  Wei و همکاران (52) گزارش کردند که سیلیکون باعث کاهش محتوای کادمیوم و سرب در برگ‌ها و دانه‌های برنج می­شود.

پیاز (Allium cepa) به دلیل داشتن کروموزوم‌های با تعداد کم و نسبتاً بزرگ که به راحتی با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده هستند و به دلیل حساسیت به آلاینده،ها، در این پژوهش برای مطالعات کروموزومی انتخاب شده­است. سلول های مریستم راسی ریشه A. cepa توسط برنامه بین المللی سنجش زیستی گیاهی (IPPB) برای پایش یا آزمایش آلاینده های محیطی پذیرفته شده است (48). با توجه به توسعه آلودگی با فلزات سنگین به ویژه سرب در سال­های اخیر، پژوهش حاضر به منظور ارزیابی و درک بیشتر اثرات سیتوتوکسیک این فلز طراحی شده است.

 

مواد و روشها

مواد گیاهی و تیمار­ها: بذر‌های گیاه پیاز زرد (Allium cepa) از شرکت پاکان بذر خریداری شد. بذر‌های سالم و یکنواخت انتخاب گردید. به منظور استریل کردن، بذر‌ها به مدت 2 تا 3 دقیقه در محلول هیپوکلرید سدیم 2% قرار گرفتند؛ سپس  2 تا 3 بار با آب مقطر سترون شده به مدت 1 تا 2 دقیقه شستشو داده­شدند. بعد از مرحله‌ی سترون سازی، بذرها در پلیت­های آزمایشگاهی کشت داده شدند و تیمار استات سرب در غلظت­های 25، 50 و 100 میلی­گرم بر لیتر در سه تکرار (هر تکرار حاوی 20 بذر) به مدت 48 ساعت انجام گرفت. تیمار به صورت محلول آبی انجام گرفت. به این منظور محلولهای با غلظت­های فوق تهیه و بذرها در محلول­ها خیسانده شدند تا جوانه زنی انجام شود.

مطالعات ریختی: پس از رویش بذرها طول ریشچه­ها در گروههای مختلف تیماری اندازه گیری و مورد مقایسه قرار گرفت.

مطالعات میکروسکوپی: زمانی که طول هر ریشچه به ۵/۱ الی 2 سانتی­متر رسید،  یک سانتی متر راسی با تیغ قطع شد و در محلول کارنوی به مدت 24 ساعت تثبیت و تا زمان استفاده در الکل 70 درصد در دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شدند؛ سپس نوک ریشه­ها در اسید کلریدریک یک نرمال (HCl) در دمای60 درجه­ سانتیگراد به مدت  15 تا 18 دقیقه هیدرولیز شدند. ریشه­ها پس از هیدرولیز از اسید کلریدریک خارج شده و با آب مقطر شستشو داده شدند. به منظور رنگ­آمیزی، ریشه­­ها به مدت 30 دقیقه در محلول استوکارمن 1%  قرار داده شد و برای رنگ­پذیری بهتر بافت­ها، ظرف (شیشه ساعت) حاوی استوکارمن و نمونه به صورت غیر مستقیم حرارت داده شد. پس از رنگ­آمیزی، نوک ریشه با تیغ جدا و بر روی لام قرار داده شد و بافت مریستمی آن Squash گردید. مراحل و انحرافات میتوزی به کمک فتومیکروسکوپ ZEISS مدل Axiostar Plus (Germany) مجهز به دوربین Canon مدل  G11 (Japan) مشاهده و عکسبرداری شد.

اثر هر غلظت تیماری استات سرب به تنهایی و در حضور تعدیل کننده اسید سالیسیلیک و  نانوذره سیلیکون در طرح  آماری فاکتوریل کاملا تصادفی بررسی شد. برای تجزیه و تحلیل داده­های حاصل، از آزمون تجزیه داده­های یک طرفه (ANOVA test) با استفاده از نرم­افزار SPSS استفاده شد. مقایسه میانگین ها با آزمون t-Test انجام و نمودارها با نرم افزار Excell رسم گردید.

نتایج

نتایج ریختی: تحت تیمار سه غلظت مختلف استات سرب، بین طول ریشچه­های پیاز تفاوت معنی داری در سطح احتمال ۵٪ وجود داشت. به طوریکه در غلظت 25 میلی­گرم در لیتر طول ریشچه­ها کمترین کاهش طول و در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر بیشترین کاهش طول را نسبت به شاهد نشان دادند. زمانیکه­ قبل از جوانه­زنی، بذرها با اسیدسالیسیلیک و نانوذره سیلیکون تیمار شدند، طول ریشچه­ها نسبت به شاهد افزایش پیدا کرد البته اثر نانوذره سیلیکون بیشتر از اسیدسالیسیلیک بود و بذر­های تیمار شده با آن طول ریشچه بیشتری نسبت به بذر­های تیمار شده با اسیدسالیسلیک داشتند. با قرار گرفتن بذر­های تیمار شده با اسید سالیسیلیک و نانوذره سیلیکون تحت تیمار غلظت­های مختلف سرب،  مشاهده شد که طول ریشچه­ها نسبت به تنش مستقیم سرب بهبود یافت. نتایج نشان داد اثر تعدیل­کنندگی نانوذره سیلیکون بیشتر از اسید سالیسیلیک بود به طوریکه طول ریشچه­های بذر­ها تیمار شده با نانوذره سیلیکون در غلظت 100 میلی­گرم سرب نسبت به شاهد تنها 25/۰ سانتی­متر کاهش یافت (شکل 1).

شاخص میتوزی: در نتایج به­دست آمده، مشاهده شد که شاخص میتوزی (MI) با افزایش غلظت فلز سرب، کاهش می­یابد (P≤0.05) .

 

­

شکل 1- نمودار مقایسه میانگین طول ریشه پیاز (Allium cepa) تحت تیمار غلظت‌های مختلف استات سرب (Pb) به تنهایی و در حضور اسید سالسلیک (SA) و نانو ذره سیلیکون (Si). (P≤0.05). هر ستون معرف میانگین ± انحراف معیار ۱۰-۲۰ داده است.

 

 

بیشترین کاهش MI  در غلظت 100 میلی­گرم سرب بود که نسبت به شاهد چهار برابر کمتر بود.  بذر­هایی  که قبل از جوانه­زنی با  اسید­سالیسیلک و نانوذره سیلیکون تیمار شده­بودند، بیشترین MI  را نشان دادند (شکل 2). نتایج ما همچنین نشان داد تیمار بذر­ها با نانوذره سیلیکون و اسید­سالیسیلک اثرات سمی سرب را بهبود بخشید؛ به­طوریکه در بذر­هایی که قبل از جوانه زنی تیمار شده­بودند و سپس تحت تنش فلز سرب قرار گرفتند، MI  بالاتری نسبت به بذر­های تیمار نشده داشتند (شکل 2).

 

 

 

شکل 2- میانگین شاخص میتوزی ریشچه پیاز (Allium cepa) در غلظت‌های مختلف استات سرب (Pb) به تنهایی و در حضور اسید سالسلیک (SA) و نانوذره سیلیکون (Si). (P≤0.05) . هر ستون معرف میانگین ± انحراف معیار ۱۰-۲۰ داده است.

 

 

انحرافات کروموزومی: در طول جوانه‌زنی و رشد، سلول‌ها با ورود به پروفاز، متافاز، آنافاز و تلوفاز در نهایت به دو سلول دختر تقسیم می‌شوند؛ با این حال، این چرخه سلولی طبیعی با قرار گرفتن در معرض تنش‌های غیرزیستی مختلف مانند فلزات سنگین مختل می‌شود و ممکن است منجر به انحراف کروموزومی شود. نتایج نشان داد تیمار سرب موجب القای اختلال در روند نرمال تقسیم سلولی می­شود. بیشترین انحرافات در گروه تیماری 100 میلی­گرم در لیتر استات سرب (۲/۵۸ %) مشاهده شد (شکل3)؛  اما زمانی که بذر­ها قبل از اعمال تنش، با نانوذره سیلیکون و اسید­سالیسیلیک تحت تیمار قرار گرفتند، انحرافات کل ناشی از اثرات تنشی استات سرب کاهش پیدا کرد و اثر کاهشی نانوذره سیلیکون  بیشتر از اسید­سالیسیلیک بود و انحرافات کل به 8/۴۴ % کاهش یافت (شکل3). تجزیه و تحلیل سیتولوژیک نشان داد که تنش فلزی استات سرب باعث انواع مختلفی از ناهنجاری‌ها مانند پل‌های کروموزومی (Bridges)، چسبندگی (Stickiness)، آنافاز‌های تاخیری و کروموزوم‌های عقب افتاده (Laggards) و سلول‌های غول‌پیکر (C-mitosis) می‌شود (جدول 1). جدول 1 نشان می­دهد که یک همبستگی معنی دار بین طول گیاهچه و MI  وجود دارد، در حالی که یک همبستگی منفی بین طول گیاهچه و انحرافات وجود دارد و این تاثیر تنش استات سرب بر ویژگیهای سیتوژنتیکی در پیاز را نشان می­دهد. تعداد ناهنجاری­های کروموزومی با افزایش غلظت  فلز استات سرب افزایش یافت.

 

 

 

شکل 3- میانگین کل انحرافات در پیاز (Allium cepa) در تیمار غلظت‌های مختلف استات سرب (Pb) به تنهایی و در حضور اسید سالسلیک (SA) و نانوذره سیلیکون (Si). (P≤0.05) . هر ستون معرف میانگین ± انحراف معیار ۱۰-۲۰ داده است.

 

جدول 1- میانگین طول ریشچه، شاخص میتوزی و ناهنجاری­های کروموزومی روی سلول­های مریستمی  ریشه پیاز (Allium cepa) در غلظت‌های مختلف استات سرب به تنهایی و در حضور سالسلیک اسید و نانو ذره سیلیکون. (P≤0.05) . هر داده معرف میانگین ± انحراف معیار ۱۰-۲۰ داده است.

تیمارها

 

Prophase 

Metaphase

Ana-telophase

میانگین طول ریشچه

 

MI±S.E.

Sticky

C-meta

Sticky

Lagging

Bridge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

Control

8.39±2.98

0.00

0.24

0.00

0.00

0.16

1.52±0.104

Pb (25)

4.02±0.68

0.12

0.12

0.19

0.06

0.06

1.00±0.100

Pb (50)

2.44±0.56

0.12

0.12

0.18

0.06

0.07

0.80±0.050

Pb (100)

2.07±0.55

0.14

0.15

0.22

0.08

0.30

0.40±0.050

SA

13.05±1.83

0.14

0.12

0.08

0.08

0.08

2.47±0.208

1.40±0.100

SA+Pb (25)

5.87±1.42

0.10

0.08

0.08

0.47

0.23

SA+Pb (50)

3.20±0.29

0.10

0.08

0.16

0.32

.016

1.07±0.115

SA+Pb (100)

2.88±0.44

0.14

0.16

0.00

0.00

0.00

0.93±0.153

Si

14.72±3.38

0.27

0.09

0.09

0.18

0.18

3.03±0.208

Si+Pb (25)

6.56±1.88

0.19

0.00

0.10

0.10

0.10

2.00±0.300

 

Si+Pb (50)

5.52±2.97

0.29

0.010

0.00

0.10

0.10

2.00±0.100

 

Si+Pb (100)

4.00±0.1

0.31

0.010

0.00

0.21

0.10

1.23±0.153

 

 

 

برخی از مشاهدات سیتولوژیکی مختلف در شکل 4 و 5 نشان داده شده است. شکل 4 مراحل طبیعی تقسیم میتوزی را نشان می­دهد. شکل 5 انواع مختلفی از انحرافات کروموزومی مشاهده شده در سلول­های نوک ریشه پیاز پس از قرار گرفتن در معرض غلظت­های مختلف استات سرب را نشان می­دهد. برخی از اختلالات مشاهده شده عبارتند از:  C-mitosis ، پل کروموزومی، چسبیدگی کروموزوم­ها به هم، آنافاز نامتقارن از نظر توزیع کروموزوم­ها.

 

 

 

 

شکل 4- مراحل مختلف تقسیم میتوز در سلول‌های مریستم نوک ریشه پیاز (cepa  Allium).  a) مرحله پروفاز تقسیم میتوز b) مرحله متافاز تقسیم میتوز c) مرحله آنافاز تقسیم میتوز d) مرحله تلوفاز تقسیم میتوز. X400

شکل 5- تقسیمات  غیر طبیعی در سلول‌های مریستم نوک ریشه تیمار شده با غلظت­های مختلف استات سرب. a) C-mitosis (کروموزم­های بزرگ شده). b) choromosome. C) پل کروموزومی. d) چسبندگی کروموزوم. e) سلول­های غیرعادی با کروموزوم­های همانندسازی کرده که وارد تقسیم نشده است.  f) آنافاز نا متقارن و کروموزوم­های سرگردان. X400

 

 

 

 

بحث

سمیت فلزات سنگین در گیاهان، باعث توقف رشد و تغییر در فعالیت بسیاری از آنزیم­های کلیدی مسیرهای متابولیکی مختلف می­شود (4). کاهش رشد گیاه در طول تنش به دلیل پتانسیل کم آب، اختلال در جذب عناصر غذایی و تنش اکسیداتیو است؛ علاوه بر این، فلزات سنگین می­توانند سازمان میکروتوبول­ها را در سلول های مریستمی مختل کنند (15). بر اساس نتایج، غلظت­های مختلف سرب به طور قابل توجهی طول ریشچه­های پیاز را کاهش داد. به طور مشابه Sudhakar  و همکاران نشان دادند که تنش تیمار با فلزات با ایجاد اختلالات فیزیولوژیکی باعث کاهش طول ریشه و ساقه، در نتیجه باعث کاهش عملکرد گیاه می­شوند (49). همچنین  John  و همکاران مشاهده کردند که غلظت­های مختلف کادمیوم و سرب در گیاه Brassica juncea  تأثیر بیشتری بر رشد ریشه در مقایسه با اندام هوایی دارند و منجر به کاهش بیشتر در طول و وزن تر آن می­شوند (24). بر اساس نتایج ، نانوذره سیلیکون و سالیسیلیک اسید اثرات سوء تنش استات سرب بر طول ریشچه­ها را بهبود بخشیدند. مطالعات قبلی نشان داده است که SA اگزوژن می­تواند تحمل آلودگی با سرب یا کادمیوم را در طیف وسیعی از گونه­های گیاهی افزایش دهد (21). نتایج مطالعه Kohli  و همکاران نشان داد که تیمار نهال­ها با اپی براسینوئید و سالیسیلیک اسید به طور قابل توجهی محتوای سرب در ریشه و اندام هوایی را کاهش داد (26). در سال­های اخیر، اثرات مفید نانوذره سیلیکون (Si) بر رشد و نمو بسیاری از گونه­های گیاهی مشخص شده­است (7). نانوذرات به دلیل اندازه کوچک و سطح فعال بالای خود به راحتی می­توانند وارد سلول­های گیاهی شده و تحمل به تنش­های محیطی را بهبود بخشند (1). در مطالعه حاضر  اثر بهبودی نانوذره سیلیکون بر طول ریشچه در هر دو شرایط بدون تنش و تحت تنش سرب، بیشتر از اسید سالسیلیک بود. نتایج این پژوهش با گزارش­های  Bharwana  و همکاران همسو بود؛ که نشان دادند Si به طور قابل توجهی اثرات ناشی از سرب را بر روی رشد و پارامترهای فتوسنتزی در گیاه پنبه بهبود بخشید (7). به طور مشابه، بسیاری از محققان اثرات مفید سیلیکون را در بسیاری از محصولات مانند پنبه، برنج و نیشکر گزارش کردند (14). گزارش شده است که سیلیکون می­تواند بیان ژن­های دخیل در تجمع فلزات در بافت­های گیاهی را تنظیم کند (10)؛ همچنین تحمل فلزات سمی را از طریق کاهش جذب و جابجایی آن­ها افزایش دهد (22). مکانیسم‌های ممکن برای مهار انتقال فلز در گیاهان توسط سیلیکون از دو طریق می­باشد. (1): سیلیکون باعث رسوب لیگنین در دیواره‌های سلولی می­شود و یون‌های فلزی را به دیواره سلولی متصل و انتقال آن­ها را از ریشه به اندام‌های هوایی کاهش می‌دهد (32). گزارش شده است که افزایش تحمل تنش منگنز در Cucumis sativus توسط سیلیکون نتیجه اتصال قوی­تر منگنز به دیواره سلولی و کاهش محتوای منگنز در سیمپلاست است (53).  (2): سیلیکون با یون­های فلزی سمی تشکیل کمپلکس می­دهد (46). Liu و همکاران گزارش کردندکه سیلیکون می­تواند سمیت آلومینیوم (Al) را در سورگوم از طریق تشکیل کمپلکس پیچیده با Al از نفوذ آن به قشر ریشه جلوگیری کند (30). در مطالعه حاضر، مهار جذب و کاهش اثرات سمی سرب (Pb) توسط نانوذره سیلیکون در گیاه پیاز نیز مشاهده شد. بنابراین، می­توان فرض کرد که نانوذره سیلیکون همچنین ممکن است توانایی کمپلکس شدن با سرب یا رسوب سرب در دیواره های سلولی را داشته باشد؛ بنابراین سمیت سرب را در گیاه پیاز کاهش می­دهد؛ در نتیجه، سیلیکون برای رشد و نمو بسیاری از گونه های گیاهی در معرض انواع مختلف تنش های غیرزیستی و زیستی بسیار مهم و مفید است.

نتایج نشان داد که شاخص میتوزی (MI) در ریشچه­های تحت تنش سرب کاهش یافته است و این کاهش وابسته به غلظت فلز سرب بود. کاهش MI  نشان می­دهد که که سرب می­تواند از رفتن سلول­ها به تقسیم سلولی جلوگیری کند. مشاهدات مشابهی در مورد فلزات سنگین گزارش شده است. Aidid and Okamoto (2) گزارش کردند که فلزات سنگین مختلف از ازدیاد سلول‌های گیاهی از طریق مهار میتوز جلوگیری می­کنند و در نتیجه، رشد گیاه کاهش می­یابد. مطالعات نشان داده­است که شاخص میتوزی در گوجه فرنگی و فلفل قرمز در اثر تنش فلزات سنگین کاهش می­یابد (39). همچنین Hani و همکاران بیان کردند که کاهش معنی داری در MI در نتیجه تنش فلزی (Cd، Ni، Hg، Pb و Cu) به صورت وابسته به غلظت مشاهده شد (20). که نتایج این گزارشات با نتایج مطالعه حاضر همسو بود.

نتایج همچنین نشان داد که تیمار بذرها با نانوذره سیلیکون و اسید­سالیسیلک قبل از تنش فلزی شاخص میتوزی را بهبود می­بخشد؛ ولی اثر نانوذره سیلیکون بیشتر از اسید سالیسیک بود به­طوریکه بالاترین MI  به ترتیب در گروه تیمار شده با نانوذره سیلیکون و سپس در اسید­سالیسیلک ثبت شد. نتایج El-Ghamery and Mousa  نشان داد که تمام غلظت‌های اسید­سالیسیلک باعث افزایش MI  در گیاهان Nigella sativa  تحت تنش کادمیوم شد (13). همچنین نشان داده شده است که SA اثرات مضر کادمیوم را در گیاهان ذرت، سویا و نخود کاهش می­دهد (27، 40 و 12). اسید­سالیسیلک احتمالاً با کوتاه کردن فازهای G2 و پروفاز یا تسهیل تشکیل دوک، شاخص میتوزی را افزایش می­دهد (25).

تاکنون مطالعه­ای بروی کاهش اثرات سمی سرب و بهبود شاخص میتوزی در اثر نانوذره سیلیکون گزارش نشده است.

در زمان رشد، سلول‌ها با تقسیم میتوز به دو سلول دختر تقسیم می‌شوند. با این حال، این چرخه سلولی طبیعی با قرار گرفتن در معرض تنش‌های غیرزیستی مختلف مانند فلزات سنگین مختل می‌شود و ممکن است منجر به انحراف کروموزومی شود. نتایج نشان داد تنش سرب تقسیم سلولی را مختل می­کند و باعث انواع مختلفی از ناهنجاری‌ها مانند پل‌های کروموزومی (Bridges)، چسبندگی (Stickiness)، آنافاز‌های تاخیری، کروموزوم‌های عقب افتاده (Laggards) و سلول‌های غول‌پیکر (C-mitosis) می‌شود. گزارش شده است که سرب سنتز DNA را در فاز G2 چرخه سلولی مختل می‌کند؛ بنابراین سلول‌ها را برای ورود به میتوز محدود می‌­کند (15). مطالعه سیتولوژیک در گیاه Stachys inflata نشان داد که میزان ناهنجاری­های میوزی در گیاهان رشد یافته در مناطق آلوده بیشتر از نمونه­های شاهد بود و فلزات سنگین مانند سرب و روی به عنوان یک عامل جهش زای قوی در گیاهان عمل می­کنند (19).    سی میتوز معمولاً با اختلال در عملکرد دوک (44)، کروموزوم­های عقب مانده با اختلال در دوک یا سانترومر (17) و پل­های کروموزومی به دلیل شکست در جداسازی کروموزومی، جابجایی نابرابر یا وارونگی کروماتیدها ایجاد می­شوند (47). در این پژوهش، زمانی که بذر­ها قبل از اعمال تنش با نانوذره سیلیکون و اسید­سالیسیلیک تحت تیمار قرار گرفتند انحرافات ناشی از تنش استات سرب کاهش پیدا کرد و اثر کاهشی نانوذره سیلیکون  بیشتر از اسید­سالیسیلیک بود. این نتایج مطابق با گزارش‌های قبلی است که گزارش کردند تیمار با اسیدسالیسیلیک درصد سلول­های دارای ناهنجاری کروموزومی در گیاه Nigella sativa L تحت تنش کلریدکادمیوم را کاهش می­دهد (13). همچنین پاسخ حفاظتی اسیدسالیسیلیک از DNA  در برابر عوامل آسیب‌رسان در نتایج  Bautz و Freese (5) و Patra و همکاران (38) بیان شده­است. گزارشی در زمینه کاهش ناهنجاری­های کروموزومی در گیاهان تحت تنش فلزی در اثر نانوذره سیلیکون گزارش نشده است.

نتیجه­گیری کلی

در مطالعه حاضر، تنش تیمار با سرب باعث ایجاد تغییرات مورفولوژیک و سیتولوژیکی در گیاهان حتی در غلظت‌های پایین شد؛ به طوریکه تنش سرب باعث کاهش طول ریشچه­ها، شاخص میتوزی و ایجاد ناهنجاری­های کروموزومی در سلول­های راس ریشه پیاز شد. وجود ناهنجاری­ها نشان دهنده ایجاد تداخل در رشد طبیعی گیاهان در معرض فلزات سنگین (سرب) است. گیاهانی که دارای چنین ناهنجاری­هایی هستند ممکن است ساختار ژنتیکی تغییر یافته را نه تنها به نسل بعد خود بلکه مواد مضری را به انسان نیز در هنگام مصرف به عنوان غذا منتقل کنند و در نتیجه باعث ایجاد عوارض بیشتر شوند. تیمار SA و  Si در ریشچه­های در معرض سرب منجر به افزایش طول­ریشچه­ها، افزایش شاخص میتوزی و کاهش انحرافات کروموزومی شد و بر اساس نتایج مشاهده شد که اثر نانوذره سیلیکون در کاهش اثرات فلز سنگین سرب موثرتر می­باشد. بنابراین در مطالعه حاضر استفاده از نانوذره سیلیکون را در خاک­های آلوده به فلز به منظور افزایش سلامت و عملکرد محصول پیشنهاد می­کند.

تقدیر و تشکر

پژوهش حاضر با استفاده از امکانات آزمایشگاهی و حمایت مالی دانشگاه بوعلی سینا انجام شده است.

1-Afshari, M., Pazok, A., Sadeghipour, O. (2021). Foliar-applied silicon and its nanoparticles stimulate physio-chemical changes to improve growth, yield and active constituents of coriander (Coriandrum Sativum L.) essential oil under different irrigation regimes. Silicon 13:4177–4188.
2- Aidid, S. B. and Okamoto, H. )1992(. Effect of lead, cadmium and zinc on the electric membrane potential at the xylem/symplast interface and cell elongation of Impatiens balsamina. Environ. Exp. Bot. 32: 439–448.
3- Ames, B. N., Shigenaga, M. K., & Hagen, T. M. (1993). Oxidants, antioxidants, and the degenerative diseases of aging. Proceedings of the National Academy of Sciences, 90(17), 7915-7922.
4- Arduini, I., Godbold, D.L., Onnis, A. (1996). Cadmium and copper uptake and distribution in Mediterranean tree seedlings. Physiol. Plant 97, 111-117.
5- Bautz, E. and Freese, E. (1960) Proc. U.S. Nat. Acad. Sci. 46, 1585.
6- Beyersmann, D., & Hartwig, A. (2008). Carcinogenic metal compounds: recent insight into molecular and cellular mechanisms. Archives of toxicology, 82, 493-512.
7- Bharwana, S. A., Ali, S., Farooq, M. A., Iqbal, N., Abbas, F., & Ahmad, M. S. A. (2013). Alleviation of lead toxicity by silicon is related to elevated photosynthesis, antioxidant enzymes suppressed lead uptake and oxidative stress in cotton. J. Bioremed. Biodeg, 4 (4), 10-4172.
8- Bhat, J. A., Shivaraj, S. M., Singh, P., Navadagi, D. B., Tripathi, D. K., Dash, P. K., ... & Deshmukh, R. (2019). Role of silicon in mitigation of heavy metal stresses in crop plants. Plants, 8(3), 71.
9- Chen, Q., Zhang, X., Liu, Y., Wei, J., Shen, W., Shen, Z., & Cui, J. (2017). Hemin-mediated alleviation of zinc, lead and chromium toxicity is associated with elevated photosynthesis, antioxidative capacity; suppressed metal uptake and oxidative stress in rice seedlings. Plant Growth Regulation, 81, 253-264.
10- Cui, J., Liu, T., Li, F., Yi, J., Liu, C., Yu, H. (2017). Silica nanoparticles alleviate cadmium toxicity in rice cells: mechanisms and size effects. Environ Pollut 228:363–369.
11- Djingova, R., & Kuleff, I. (2000). Instrumental techniques for trace analysis. In Trace metals in the Environment (Vol. 4, pp. 137-185). Elsevier.
12- Drazic, G. and Mihailovic, N. (2005). Modification of cadmium toxicity in soybean seedlings by salicylic acid. Plant Sci., 168, 511-517.
13- El-Ghamery, A., & Mousa, M. (2018). Salicylic acid triggers adaptation cadmium cytogenetic toxicity in roots of Nigella sativa L. Egyptian Journal of Botany, 58(2), 297-310.
14- Epstein, E. (1994). The anomaly of silicon in plant biology. Proc Natl Acad Sci USA, 91, 11-17.
15- Eun, S. O., Shik Youn, H., & Lee, Y. (2000). Lead disturbs microtubule organization in the root meristem of Zea mays. Physiologia plantarum, 110(3), 357-365.
16- Feyzi, K., Amirinejad, A. A., & Ghobadi, M. (2021). The effects of biochar and salicylic acid on reducing Pb-induced stress in basil crop (Ocimum basilicum L.). Iranian Journal of Soil and Water Research, 52(2), 539-547.
17- Fiskesjo, G. (1997). Allium test for screening chemicals; evaluation of cytological parameters. Plants for environmental studies, 11, 307-333.
18- Hajmoradi, F., & Kakaei, M. (2021). Genotoxic effects of heavy metals on mitotic chromosomes of Trigonella foenum-graecum L. Journal of Genetic Resources, 7(2), 265-271.
19- Hajmoradi, F., & Taleb Beydokhti, A. (2019). Effect of heavy metals on meiosis cell division in Stachys inflata Benth. Caspian Journal of Environmental Sciences, 17(4), 363-373.
20- Hani, U., Mansoor, S., Hassan, M., & Farheen, J. (2020). Genotoxicity of heavy metals on mung bean (Vigna radiata) seedlings and its alleviation by priming with their lower concentrations. Cytologia, 85(3), 239-244.
21- Horvath, E., Szalai, G., & Janda, T. (2007). Induction of abiotic stress tolerance by salicylic acid signaling. Journal of Plant Growth Regulation, 26, 290-300.
22- Hossain, M. T., Mori, R., Soga, K., Wakabayashi, K., Kamisaka, S., Fujii, S., ... & Hoson, T. (2002). Growth promotion and an increase in cell wall extensibility by silicon in rice and some other Poaceae seedlings. Journal of Plant Research, 115, 0023-0027.
23- Huang, H., Rizwan, M., Li, M., Song, F., Zhou, S., He, X., ... & Tu, S. (2019). Comparative efficacy of organic and inorganic silicon fertilizers on antioxidant response, Cd/Pb accumulation and health risk assessment in wheat (Triticum aestivum L.). Environmental Pollution, 255, 113146.
24- John, R., Ahmad, P., Gadgil, K., & Sharma, S. (2009). Heavy metal toxicity: Effect on plant growth, biochemical parameters and metal accumulation by Brassica juncea L. International Journal of Plant Production, 3(3), 65-76.
25- Jun-yu, H. E., Yan-fang, R. E. N., Cheng, Z. H. U., & De-an, J. I. A. N. G. (2008). Effects of cadmium stress on seed germination, seedling growth, and amylase activities in rice. Chinese Journal of Rice Science, 22(4), 399.
26- Kohli, S. K., Handa, N., Sharma, A., Gautam, V., Arora, S., Bhardwaj, R., ... & Ahmad, P. (2018). Combined effect of 24-epibrassinolide and salicylic acid mitigates lead (Pb) toxicity by modulating various metabolites in Brassica juncea L. seedlings. Protoplasma, 255, 11-24.
27- Krantev, A., Yordanova, R., Janda, T., Szalai, G. and Popova, L. (2008). Treatment with salicylic acid decreases the effect of cadmium on photosynthesis in maize plants. J. Plant Physiol. 165, 920-931.
28- Li, X. (2019). Technical solutions for the safe utilization of heavy metal‐contaminated farmland in China: A critical review. Land Degradation & Development, 30(15), 1773-1784.
29- Liao, L. M., Friesen, M. C., Xiang, Y. B., Cai, H., Koh, D. H., Ji, B. T., ... & Purdue, M. P. (2016). Occupational lead exposure and associations with selected cancers: the shanghai Men’s and Women’s health study cohorts. Environmental health perspectives, 124(1), 97-103.
30- Liu, J., Li, K., Xu, J., Zhang, Z., Ma, T., Lu, X., ... & Zhu, Q. (2003). Lead toxicity, uptake, and translocation in different rice cultivars. Plant Science, 165(4), 793-802.
31- Llugany, M., Martin, S. R., Barceló, J., & Poschenrieder, C. (2013). Endogenous jasmonic and salicylic acids levels in the Cd-hyperaccumulator Noccaea (Thlaspi) praecox exposed to fungal infection and/or mechanical stress. Plant cell reports, 32, 1243-1249.
32- Ma, J. F., Miyake, Y., & Takahashi, E. (2001). Silicon as a beneficial element for crop plants. Studies in plant Science, 8, 17-39.
33- Majer, B. J., Tscherko, D., Paschke, A., Wennrich, R., Kundi, M., Kandeler, E., & Knasmüller, S. (2002). Effects of heavy metal contamination of soils on micronucleus induction in Tradescantia and on microbial enzyme activities: a comparative investigation. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 515(1-2), 111-124.
34- Metwally, A., Finkemeier, I., Georgi, M., & Dietz, K. J. (2003). Salicylic acid alleviates the cadmium toxicity in barley seedlings. Plant physiology, 132(1), 272-281.
35- Mishra, A., & Choudhuri, M. A. (1997). Ameliorating effects of salicylic acid on lead and mercury-induced inhibition of germination and early seedling growth of two rice cultivars. Seed Science and Technology (Switzerland), 25(2).
36- Muneer, S., Qadri, T. N., & Siddiqi, T. O. (2011). Cytogenetic and biochemical investigations to study the response of Vigna radiata to cadmium stress. African Journal of Plant Science, 5(3), 183-192.
37- Nefic, H., Musanovic, J., Metovic, A., Kurteshi, K. (2013). Chromosomal and nuclear alterations in root tip cells of Allium cepa L. induced by alprazolam. Med. Arch. 67, 388.
38- Patra, J., Sahoo, M.K. and Panda, B.B. (2005) Salicylic acid triggers genotoxic adaptation to methyl mercuric chloride and ethyl methane sulfonate but, not to malice hydrazide in root meristem cells of Allium cepa L. Mutat Res., 581, 173-180.
39- Polle, A., Pfirrmann, T., Chakrabarti, S., & Rennenberg, H. (1993). The effects of enhanced ozone and enhanced carbon dioxide concentrations on biomass, pigments and antioxidative enzymes in spruce needles (Picea abies L.). Plant, Cell & Environment, 16(3), 311-316.
40- Popova, L. P., Maslenkova, L. T., Yordanova, R. Y., Ivanova, A. P., Krantev, A. P., Szalai, G., & Janda, T. (2009). Exogenous treatment with salicylic acid attenuates cadmium toxicity in pea seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 47(3), 224-231.
41- Rady, M. M., & Mohamed, G. F. (2015). Modulation of salt stress effects on the growth, physio-chemical attributes and yields of Phaseolus vulgaris L. plants by the combined application of salicylic acid and Moringa oleifera leaf extract. Scientia Horticulturae, 193, 105-113.
42- Sabeen, M., Mahmood, Q., Bhatti, Z. A., Irshad, M., Bilal, M., Hayat, M. T., ... & Shahid, N. (2020). Allium cepa assay based comparative study of selected vegetables and the chromosomal aberrations due to heavy metal accumulation. Saudi journal of biological sciences, 27(5), 1368-1374.
43- Samuel, O. B., Osuala, F. I., & Odeigah, P. G. (2010). Cytogenotoxicity evaluation of two industrial effluents using Allium cepa assay. African Journal of Environmental Science and Technology, 4(1), 21-27.
44- Shahin, S. A., & El-Amoodi, K. H. (1991). Induction of numerical chromosomal aberrations during DNA synthesis using the fungicides nimrod and rubigan-4 in root tips of Vicia faba L. Mutation Research/Genetic Toxicology, 261(3), 169-176.
45- Sharma, P., Bihari, V., Agarwal, S. K., Verma, V., Kesavachandran, C. N., Pangtey, B. S., ... & Goel, S. K. (2012). Groundwater contaminated with hexavalent chromium [Cr (VI)]: a health survey and clinical examination of community inhabitants (Kanpur, India). PloS one, 7(10), e47877.
46- Shi, G., Cai, Q., Liu, C., & Wu, L. (2010). Silicon alleviates cadmium toxicity in peanut plants in relation to cadmium distribution and stimulation of antioxidative enzymes. Plant Growth Regulation, 61, 45-52.
47- Siddiqui, S. (2012). Lead induced genotoxicity in Vigna mungo var. HD-94. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 11(2), 107-112.
48- Stoyanov, I. Y., Vasileva, P. L., Popova, T. P., & Slavova, B. N. (2018). The Effects of Lead and Cadmium on Cell Division and Chromosomal Structure in Allium cepa Test System In Vivo. Ecologia Balkanica, 10(2).
49- Sudhakar, C., Syamalabai, L., & Veeranjaneyulu, K. (1992). Lead tolerance of certain legume species grown on lead ore tailings. Agriculture, ecosystems & environment, 41(3-4), 253-261.
50- Teiymouri, A., Amirinejad, A. A., & Ghobadi, M. (2021). The effects of biochar and salicylic acid on alleviation of Pb stress in salvia (Salvia afficinalis L.). Journal of Soil and Plant Interactions-Isfahan University of Technology, 12(1), 95-108.
51- Upreti, K.K., Sharma, M. (2016). Role of Plant Growth Regulators in Abiotic Stress Tolerance. In: Rao, N., Shivashankara, K., Laxman, R. (eds) Abiotic Stress Physiology of Horticultural Crops. Springer, New Delhi. 
52- Wei, X., Liu, Y., Zhan, Q., Zhang, P., Zhao, D., Xu, B., ... & Matichenkov, V. (2018). Effect of Si soil amendments on As, Cd, and Pb bioavailability in contaminated paddy soils. Paddy and water environment, 16, 173-181.
53- Wierzbicka, M., & Obidzińska, J. (1998). The effect of lead on seed imbibition and germination in different plant species. Plant science, 137(2), 155-171.
Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology)
Volume 37, Issue 3
Autumn 2024
Pages 245-258

  • Receive Date 11 June 2024
  • Revise Date 08 July 2024
  • Accept Date 29 September 2024