تأثیر کمبود روی بر رشد، رنگیزه‌ها و فتوسنتز گیاه کلم قرمز (Brassica oleracea L. var. capitata f. rubra) تحت شدت‌های مختلف نور

نویسندگان

1 دانشیار زیست‌شناسی گیاهی، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

اثر کمبود روی بر رشد، مقدار رنگیزه‌ها و فتوسنتز گیاه کلم قرمز (Brassica oleracea L. var. capitata f. rubra) در سه شرایط نوری متفاوت، شامل 100، 200 و 400 µmolm-2s-1 در محیط هیدروپونیک با غلظت کافی (725 پیکومول روی آزاد) و پایین (30 پیکومول روی آزاد) مطالعه شد. تولید ماده خشک اندام هوایی و ریشه در شرایط کمبود روی به ترتیب تا 95 % و 63 % کاهش، ولی تحت تأثیر افزایش شدت روشنایی افزایش یافت. کمبود روی باعث کاهش رشد اندام هوایی تا 80 % در شرایط نور ضعیف (100 µmolm-2s-1) شد، ولی این کاهش در گیاهان رشد‌یافته در شدت بالاتر نور (400 µmolm-2s-1) تنها 24 درصد بود. در شرایط کمبود روی، اندام هوایی سهم کمتری از روی در مقایسه با ریشه دریافت نمود. کلروفیل و کاروتنوئید‌های برگ تحت کمبود روی کاهش یافت، لیکن آنتوسیانین‌ها و ترکیبات فنلی افزایش معنی‌داری نشان دادند. کمبود روی موجب آسیب مراکز واکنشی نگردید، ولی موجب کاهش خاموش‌شدگی فتوشیمیایی و غیر فتوشیمیایی شد که نشان‌دهنده کاهش مصرف الکترون‌ها در واکنش‌های تاریکی فتوسنتز و نیز کاهش تبدیل انرژی آنها به گرما بود. مقاومت روزنه‌ای در گیاهان دچار کمبود روی افزایش یافت که موجب کاهش جذب دی اکسید کربن و تعرق گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of low Zn supply on growth, leaf pigments and photosynthesis in red cabbage (Brassica oleracea L. var. capitata f. rubra) plants grown under different light conditions

نویسندگان [English]

  • Bahereh Pasbani 1
  • Roghieh Hajiboland 1
  • Halimeh Amirazad 2
1 Department of Plant Science, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Plant Science, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

The effect Zn deficiency on growth, leaf pigments and photosynthesis was studied in red cabbage (Brassica oleracea L. var. capitata f. rubra) plants under three different light conditions including 100, 200 and 400 µmol m-2 s-1 in hydroponic medium either with adequate (725 pM free Zn activity) or low (30 pM free Zn activity) Zn supply. Dry matter production of shoot and root was reduced by low Zn supply up to 95% and 63% respectively, but increased with increasing light intensity. Low Zn supply caused reduction of shoot growth up to 80% under low light intensity (100 µmol m-2 s-1), while this reduction was only 24% for plants grown under higher (400 µmol m-2 s-1) light conditions. Significantly lower Zn was allocated to shoot than roots in Zn deficient compared with Zn sufficient plants. Leaf chlorophyll and carotenoids content decreased in Zn deficient plants but anthocyanins and phenolics accumulated under these conditions. Zn deficiency did not cause any damage to PSII reaction centers but caused inhibition of both photochemical and non-photochemical quenching demonstrating reduction of electron use in dark reactions and lower heat dissipation in low Zn plants. Stomatal resistance was elevated in Zn deficient leaves that led to reduction of CO2 assimilation rate and transpiration.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Red cabbage
  • Zn deficiency
  • Photosynthesis
  • Leaf pigments
  • Light intensity
  • Phenolics

 

عنصر روی دارای عملکردهای فیزیولوژیکـی متعددی در گیاهان عالـی است. علاوه بر اینکه در سنتز پروتئین‌ها و ممانعت از تجزیه آنها نقش دارد، در ساختار آنزیم‌هایی، مانند سوپر اکسید دیسموتاز، کربنیک آنهیدراز، RNA پلیمراز و الکل دهیدروژناز شرکت می‌کند (1995 Marschner,). سوپر اکسید دیسموتاز‌ها متالو‌پروتئین‌هایی هستند که رادیکال‌های سوپراکسید (O2-) را به مولکول‌های اکسیژن و پراکسید هیدروژن کاتالیز می‌کنند. فراوان‌ترین ایزوزیم‌ سوپراکسید دیسموتاز در گیاهان عالی، نوع واجد روی و مس (Cu/Zn SOD) است که در آن روی نقش ساختاری و مس نقش کاتالیتیک دارد. کربنیک آنهیدراز گیاهان واجد شش اتم روی در هر مولکول است و در سیتوپلاسم و کلروپلاست یافت می‌شود. کربنیک آنهیدراز واکنش آبدار شدن گاز کربنیک را کاتالیز می‌کند، لذا باعث تسهیل فراهمی CO2 در مکان تثبیت می‌شود. در گیاهان دچار کمبود روی فعـالیت این دو آنزیم بسیار کمتر از معمول است که نتیجه آن انباشتگی رادیکال‌های سوپراکسید و نیز کاهش تثبیت CO2 است. البته، نقش عنصر روی در سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانتی نه تنها به افزایش حذف این رادیکال‌ها از طریق شرکت در ساختمان آنزیم سوپراکسید دیسموتاز مربوط است، بلکه به کنترل تشکیل رادیکال‌های آزاد نیز بر می‌گردد (2000 Cakmak,).

بخش اعظم عنصر روی، در ساختار شبکه‌ای کانی‌ها حضور دارد و بنابراین، برای تأمین نیـازهای گیاهان غیر قابل دستـرس است. روی قابل دسترس خاک به شکل یونی یا کمپلکس است که ممکن است در محل تبادل مواد آلی و رس‌ها یافت شود و یا ممکن است به شکل Zn2+، Zn(OH)+ یا ZnCl2 جذب سطحی خاک شده باشد (1995 Marschner,). کمـبود روی در خاک‌های قلیـایی حاوی مواد آلـی و کربنات کلـسیم بالا و نیز در خاک‌های شنی مشــاهده می‌شود. همچنین، مقادیر بالای فسفر خاک نیز ممکن است تحریک‌کننده کمبود روی باشد (1995 Marschner,). کمبود روی را در گیاهان زراعی می‌توان با استفاده از محلول پاشی برگی سولفات روی و یا کاربرد خاکی کود جبران کرد.

آشکارترین نشانه ظاهری کمبود روی در دولپه‌ای‌ها، کوتاه ماندن رشد طولی به علت کاهش فاصله میانگره‌ها و کاهش بسیار زیاد در اندازه برگ است. در غلات در شرایط کمبود روی نوارهای زرد رنگ در راستای رگبرگ اصلی و لکه‌های قرمز رنگ به علت انباشتگی آنتوسیانین در برگ‌ها دیده می‌شود (1995 Marschner,).

هر چند علایم کمبود روی در بسیاری از گونه‌های مهم زراعی و باغی به خوبی شناخته شده و توصیف گردیده است، ساز و کارهای درگیر در ایجاد این علایم که برای شناخت بیشتر نقش این عنصر در فیزیولوژی و متابولیسم گیاهان ضروری است، همچنان نیاز به بررسی دارد. با توجه به اینکه کمبود عناصر می‌تواند پاسخ گیاهان را به شرایط محیطی مختلف تغییر دهد، لذا یکی از رویکردهای مطالعه ساز و کارهای تأثیر عناصر بر رشد گیاهان، بررسی تأثیر شرایط تنش‌زای محیطی در شرایط کمبود عناصر است. بدون تردید، گونه‌های گیاهی مختلف نه تنها در شدت حساسیت به کمبود عناصر متفاوتند، بلکه دلایل فیزیولوژیک این تأثیرات نیز می‌تواند از گونه‌ای به گونه دیگر متفاوت باشد (1995 Marschner,).

کلم‌ها از مهمترین سبزیجات در رژیم غذایی انسان هستند و امروزه مصرف واریته‌های مختلف این گیاه توسعه روز افزونی پیدا کرده است. کلم‌ها غنی از ویتامین‌های A، C، B1، B2 و نیز اسید فولیک هستند. انواع کلم دارای عناصری مانند گوگرد، فسفر و کلسیم بوده، وجود بتاکاروتن و گلوتامین در ایجاد خاصیت ضد سرطانی آنها نقش دارد. همچنین مواد آنتی‌اکسیدانت، از جمله ترکیبات فنلی از گروه آنتوسیانین‌ها از ترکیبات مهم ضد سرطانی کلم هستند. وجود فنل‌های متعدد در کلم از تشکیل کارسینوژن‌ها جلوگیری می‌کند و باعث افزایش فعالیت آنزیم‌هایی می‌شود که در سم‌زدایی نقش دارند (2001 Kaur and Kapoor,).

هدف پژوهش حاضر، مطالعه پاسخ‌های گیاه کلم قرمز رشد یافته در شرایط متفاوت نوری به کمبود روی است. مطالعات محدودی در مورد تأثیر کمبود روی در گیاه کلم انجام شده است. گزارش‌هایی در مورد تأثیر کمبود روی بر سنتز فنل در گیاهان وجود ندارد، با این حال، انباشتگی آنتوسیانین‌ها در برگ‌های برنج دچار کمبود روی گزارش شده است (Hajiboland et al., 2003). از سوی دیگر، سنتز آنتوسیانین‌ها که در گیاه کلم قرمز بیش از دیگر انواع کلم‌ها و در قسمت‌های خوراکی آن یافت می‌شود، تحت کنترل نور است (Asada, 1999). نور مهمترین عامل در ایجاد رادیکال‌های آزاد اکسیژن در برگ‌هاست و با توجه به اینکه در شرایط کمبود روی، تولید رادیکال‌های آزاد افزایش و سم‌زدایی آنها کاهش می‌یابد، بررسی تأثیر شدت‌های مختلف نور، بر ظهور علایم کمبود و پاسخ رشدی گیاهان می‌تواند اهمیت قابل ملاحظه‌ای داشته باشد.

در این پژوهش، علاوه بر تولید ماده خشک و جذب روی، برخی مؤلفه‌های فیزیولوژیک که می‌توانند در تعیین پاسخ رشدی گیاهان به کمبود روی و شدت‌های متفاوت نور دخیل باشند، از جمله واکنش‌های فتوشیمیایی در برگ (فلوئورسانس کلروفیل) و تبادل گاز بررسی شده است. همچنین انباشتگی رنگیزه‌هایی که در فتوسنتز اهمیت داشته و نیز به عنوان مؤلفه‌های تعیین‌کننده ارزش غذایی این گیاه تلقی می‌شوند، مورد مطالعه قرار گرفته است.

 

مواد و روش‌ها

کشت گیاهان و اعمال تیمار‌ها

بذر گیاه کلم پیچ قرمز (Brassica oleracea L. var. capitata f. rubra) که از نوع وارداتی بود، از بازار تهیه گردید و مورد استفاده قرار گرفت. بذور به مدت 5 تا 7 دقیقه، با استفاده از هیپوکلریت سدیم تجاری 5% ضدعفونی شده، سپس به دفعات با آب مقطر شستشو داده شدند. بذرها ضدعفونی شده بر روی کاغذ صافی مرطوب و در تاریکی جهت جوانه‌زنی قرار گرفتند. بذرها هر روز با سولفات کلسیم 05/0 میلی‌مول محلول‌پاشی شدند. مدت زمان لازم جهت جوانه‌زنی 9 روز بود.

پس از ظهور برگ اولیه، دانه‌رست‌های جوان به مدت 24 ساعت به روشنایی انتقال یافته، پس از سبز شدن برگ‌ها، به محیط هیدروپونیک منتقل شدند. دانه‌رست‌های 10 روزه به مدت هر کدام پنج روز در محلول غذایی 25 و 50 درصد هوگلند (Johnson et al., 1957) فاقد روی پیـش تیمار شدند و سپس به محیط تیمار انتـقال داده شدند. برای به حداقل رساندن ناخالصی روی در محیط‌کشت، از محیـط‌کشت همبندکننده-بافـر واجد 100 میکرومول همبند کننده HEDTA (ان-2-هیدروکسی اتیل اتیلن دی آمین تری آستات) و2 میلی‌مول بافر MES (2-ان-مورفولینو اتان سولفونیک اسید) استفاده شد (Parker et al., 1995).

تیـمارها شامل شاهـد (25 میکرومول سولفات روی با 725 پیکومول فعالیت روی آزاد) و کمبـود روی (5/2 میکرومول سولفات روی با 30 پیکومول فعالیت روی آزاد) بود. فعالیـت روی آزاد با استفاده از نرم‌افزار GEOCHEM-PC محاسبه گردید. تیمار شدت نور (100، 200 و 400 میکرو مول بر متر مربع بر ثانیه) همزمان با تیمار عنصری اعمال شد.

گیاهان در اتاق رشد با شرایط دمایی 23-20 درجه سانتی‌گراد، رطوبت نسبی 80-70 درصد و در دوره روشنایی/تاریکی 17/7 ساعته نگهداری شدند. محلول غذایی هر هفته یک بار تعویض و pH آن روزانه، بر روی 6 تنظیم شد. شصت روز پس از کاشت (40 روز پس از تیمار)، گیاهان برداشت شدند. نمونه‌های اندام هوایی و ریشه در دمای 70 درجه سانتی‌گراد به مدت 48 ساعت خشک شدند، سپس وزن خشک آنها تعیین گردید.

جهت اندازه‌گیـری عنصر روی، نمونه‌ها در کوره الکتریکـی در دمای 500 درجه سانتی‌گراد به مدت 12 ساعت خاکستر شدند. پس از انحلال در اسید کلـریدریک و رساندن نمونه‌ها به حجم با استفاده از آب دو بار تقطیر، مقدار روی در نمونه‌ها توسط دستگاه جذب اتمی (Shimatzu, AA6300, Japan) سنجش شد و بر حسب µg g-1DW گزارش گردید.

گروه دیگری از گیاهان برای سنجش فلوئورسانس کلروفیل و تبادل گاز مورد استفاده قرار گرفته، سپس برای سنجش رنگیزه‌ها برداشت شدند. برای اندازه‌گیری فلوئورسانس کلروفیل و پارامترهای تبادل گاز از سومین برگ جوان استفاده شد.

 

سنجش پارامتر‌های فلوئورسانس کلروفیل

برای تعیین فلوئورسانس کلروفیل، از دستگاه فلوئورسانس‌سنج (OPTI-SCIENCES, ADC, UK) استفاده گردید. پارامتر‌های فلوئورسانس کلروفیل در برگ‌های سازش‌یافته با تاریکی شامل F0 (فلوئورسانس پایه) و Fm(فلوئورسانس بیشینه) و پارامتر‌های فوق در برگ‌های سازش‌یافته با روشنایی شامل Ft (شدت فلوئورسانس پایه) و Fms (شدت فلوئورسانس بیشینه) اندازه‌گیری شد. سپس محاسبات لازم برای به دست آوردن سایر پارامترها، از جمله کارآیی بیشینه فتوشیمیایی فتوسیستمII  (Fv/Fm)٬ ظرفیت انگیختگی فتوسیستم II (F′v/F′m)٬ خاموش‌شدگی فتوشیمیایی (qP) و غیر فتوشیمیایی (qNP)٬ عملکرد کوآنتومی فتوسیستم II (PSIIФ) و میزان انتقال الکترون (ETR) انجام گردید (2004 Oxborough,).

 

 

سنجش پارامتر‌های تبادل گاز

برای اندازه‌گیری پارامترهای مختلف تبادل گاز فتوسنتزی از دستگاه (LCA4, ADC, UK) استفاده شد. پارامترهای اندازه‌گیری شده شامل شدت فتوسنتز (A) بر حسب mol m-2s-1µ، تعرق (E) برحسب mol m-2s-1، مقاومت روزنه‌ای (rs) برحسب m2s-1mol-1 سنجش گردید.

 

سنجش رنگیزه‌ها و مقدار فنل کل

برای سنجش مقدار رنگیزه‌ها، نمونه‌های گیاهی با آب دوبار تقطیر شستشو و بر روی کاغذ صافی خشک شدند. بعد از اندازه‌گیری وزن تر (تقریباً 200 میلی‌گرم)، نمونه‌ها در داخل ورقه آلومینیومی در ازت مایع قرار گرفتند. استخراج عصاره از بافت مورد نظر با استفاده از حلال یا بافر استخراج مربوطه بر روی یخ و با‌هاون چینی سرد انجام شد.

غلظت کلروفیـل و کاروتنوئید‌ها به وسیله اسپکتروفتومتر، بعد از 24 ساعت استخـراج در استون 100 درصد تعییـن شد. جذب در 662، 645 و 470 نانومتر اندازه‌گیـری و غلظت کلروفیل b, a و کل و کاروتنوئید‌ها طبق فرمول‌های مربوطه محاسبه شد (1985 Lichtenthaler and Wellburn,).

برای سنجش آنتوسیانین و فنل‌ها، عصاره حاصل از استخراج در حلال متانول/اسید کلریدریک 2:98 (v/v) به مدت 20 دقیقه در  g1000 سانتریفوژ گردید. 5/0 میلـی‌لیتر از محلـول روشناور با 5/49 میلـی‌لیتر از بافـر یک میلی‌مول  MES با pH‌های 1 و 5/4 در بالن ژوژه‌های 50 میلـی‌لیتری ریخته شد و پس از 30 دقیقه جذب در nm510 اندازه‌گیری شد. مقدار آنتوسیانیـن بر اساسFW mg cyanidin-3-glucoside g-1 گزارش شد. سنجش فنل کل در محلول روشناور با استفاده از معرف فولـین شیکالتو (Folin-Ciocalteu) در nm760 انجام شد. برای تهیه محلول‌های استاندارد از غلظت‌های مشخص اسید گالیک (0 تا 12 میکرومول) استفاده شد. نتایج برحسبmg gallic acid g-1FWارایه گردید (Plessi et al., 2007).

 

طرح آزمایشی و تجزیه داده‌ها

آزمایش در طرح بلوک‌های کامل تصادفی و با دو عامل شامل دو سطح روی و سه سطح از شدت نور اجرا شد. تجزیه و تحلیل آماری با کمک نرم‌افزار سیگما استات (نسخه 02/3) و با استفاده از تست توکی در سطح 5 درصد انجام گردید.

 

نتایج

وزن خشک اندام هوایی و ریشه تحت‌تأثیر افزایش شدت نور، افزایش یافت. رشد در حضور غلظت‌های ناکافی روی در محیط، موجب کاهش معنی‌داری در تولید ماده خشک هم در اندام هوایی و هم ریشه گردید. این کاهش در شدت‌های نور پایین بیش از شدت‌های بالاتر نور بود. بنابراین، رشد در شدت‌های پایین نور حساسیت به کمبود روی را افزایش داد (شکل 1).

 

 

 

 

شکل 1- وزن خشک اندام هوایی و ریشه (g plant-1) گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شرایط سه شدت نور متفاوت (mol m-2 s-1µ 100، 200 و400) به مدت یک ماه رشد کرده‌اند. تفاوت ما بین داده‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده‌اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05).

 

مطابق انتظار، مقدار روی در هر دو اندام هوایی و ریشه با کاهش عرضه این عنصر در محیط به شدت کاهش یافت که این کاهش در اندام هوایی بیشتر (95 درصد) از ریشه (63 درصد) بود. نمونه‌های تجزیه شده مربوط به گیاهان رشد یافته در شدت متوسط نور اعمال شده (200 میکرومول بر متر مربع در ثانیه) بوده است، ولی با توجه به اینکه مقدار روی در نمونه‌های مربوط به گیاهان تحت تیمار‌های 100 و 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه تعیین نگردید، اثر نور در تغییرات جذب روی مشخص نشد (شکل 2).

با افزایش شدت نور، مقدار کلروفیل a، b و کلروفیل کل برگ‌ها افزایش یافت. مقدار آنتوسیانین‌ها و کاروتنوئید‌ها نیز با افزایش شدت نور افزایش یافت. کمبود روی باعث کاهش معنی‌دار مقدار کلروفیل a، b و کلروفیل کل برگ‌ها گردید. این کاهش همچنین در مورد آنتوسیانین‌ها و کاروتنوئید‌ها مشاهده گردید، با این حال در برخی تیمار‌های نوری کاهش فوق تحت تأثیر کمبود روی معنی‌دار نبود (جدول 1).

 


 

شکل 2- مقدار جذب روی (µg plant -1) در گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شدت نور mol m-2 s-1µ 200 به مدت یک ماه رشد کرده اند. تفاوت ما بین داده‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده‌اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05).

جدول 1- تغییرات مقدار رنگیزه‌های برگ شامل کلروفیل (mg g-1 FW)، آنتوسیانین‌‌ها (mg cyanidin-3-glucoside g-1 FW) و کاروتنوئید‌‌ها (mg g-1 FW) در گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شرایط سه شدت نور متفاوت (mol m-2 s-1µ 100 200 و400) به مدت یک ماه رشد کرده‌اند. تفاوت ما بین داده‌‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05).

 

کاروتنوئید‌ها

آنتوسیانین‌ها

کلروفیل کل

کلروفیل  b

کلروفیل a

تیمار عنصر

تیمار نور

c01/0 ± 31/0

d 01/0 ± 05/0

ds01/0 ± 79/1

c00/0 ± 62/0

c00/0 ± 87/0

Zn+

100

d02/0 ± 22/0

c01/0 ± 08/0

e02/0 ± 17/1

d01/0 ± 42/0

d00/0 ± 56/0

–Zn

b02/0 ± 47/0

b01/0 ± 18/0

b03/0 ± 70/2

b01/0 ± 02/1

b01/0 ± 5/1

Zn+

200

b04/0 ± 43/0

b01 /0 ± 17/0

c00/0 ± 53/2

b06/0 ± 98/0

b13/0 ± 5/1

–Zn

a05/0 ± 73/0

b01/0 ± 19/0

a10/0 ± 29/3

a04/0 ± 35/1

a01/0 ± 1/2

Zn+

400

a01/0 ± 69/0

a00/0 ± 30/0

b03 /0 ± 70/2

a02/0 ± 30/1

b03/0 ± 6/1

–Zn

 

 

شدت فلوئورسانس پایه (F0) و بیشینه (Fm) برگ‌های سازش یافته با تاریکی با افزایش شدت نور کاهش یافت که البته در بسیاری از موارد این کاهش معنی‌دار نبود. کمبود روی نیز باعث کاهش این دو پارامتر گردید که البته، تنها در برخی تیمار‌های نوری معنی‌دار بود. کارآیی بیشینه فتوسیستم II (Fv/Fm) تغییرات معنی‌داری نه در پاسخ به شدت‌های مختلف نور و نه عرضه متفاوت روی از خود نشان نداد. ظرفیت انگیختگی فتوسیستم II (F′v/F′m) هرچند با افزایش شدت نور تنها افزایش نامحسوسی یافت، لیکن در برگ‌های دچار کمبود روی افزایش معنی‌دار در آن مشاهده گردید. خاموش‌شدگی فتوشیمیایی (qP) و غیر فتوشیمیایی (qNP) در شدت‌های بالاتر نور کاهش یافت که تنها در برخی تیمار‌های نوری معنی‌دار بود. کمبود روی نیز به کاهش هر دو پارامتر منجر گردید که در بسیاری از مواقع معنی‌دار بود. عملکرد کوآنتومی فتوسیستم II (PSIIФ) تحت تأثیر افزایش شدت نور کاهش غیر معنی‌داری نشان داد، ولی اثر کاهش دهنده کمبود عنصر روی بر این پارامتر در خور توجه و از نظر آماری معنی‌دار بود. میزان انتقال الکترون (ETR) مشابه ظرفیت انگیختگی فتوسیستم II تحت تأثیر افزایش نور کاهش نشان داد، ولی کمبود روی در شدت‌های 200 و 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه عامل افزایش معنی‌دار میزان انتقال الکترون گردید (جدول 2).

 


 

جدول 2- مقدار پارامترهای مختلف فلوئورسانس کلروفیل شامل F0 (فلوئورسانس پایه)٬Fm(فلوئورسانس بیشینه)٬ کارآئی بیشینه فتوشیمیائی فتوسیستمII  (Fv/Fm)٬ظرفیت انگیختگی فتوسیستم II (F′v/F′m)٬ خاموش شدگی فتوشیمیائی (qP) و غیر فتوشیمیائی (qNP)٬ عملکرد کوآنتومی فتوسیستم II (PSIIФ) و میزان انتقال الکترون (ETR) در گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شرایط سه شدت نور متفاوت (mol m-2 s-1µ 100 200 و400) به مدت یک ماه رشد کرده‌اند. تفاوت ما بین داده‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده‌اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05).

F′v/F′m

Fv/Fm

Fm

F0

تیمار عنصر

تیمار نور

 b08/0 ± 550/0

 a01/0 ± 792/0

 a353 ± 3560

 a262 ± 756

Zn+

100

 a01/0 ± 717/0

 a09/0 ± 723/0

 b365± 2834

 a105 ± 742

–Zn

b04/0 ± 641/0

a04/0 ± 808/0

 a 314± 3433

 ab78 ± 653

Zn+

200

 a02/0 ± 720/0

a00/0 ± 749/0

 ab48 ± 3179

 ab27 ± 560

–Zn

 b08/0 ± 655/0

 a02/0 ± 810/0

 ab285 ± 3355

 ab30 ± 547

Zn+

400

 a02/0 ± 799/0

 a01/0 ± 803/0

 c264 ± 2334

 b37 ± 406

–Zn

ETR

PSIIФ

qNP

qP

 

 

 a3/1 ± 131

 a008/0 ± 780/0

 a004/0 ± 389/0

 a16/0 ± 94/0

Zn+

100

 a8/0 ± 126

 a005/0 ± 752/0

 b012/0 ± 140/0

 b08/0 ± 62/0

–Zn

 b6/1 ± 110

 b010/0 ± 655/0

 b019/0 ± 343/0

 b06/0 ± 67/0

Zn+

200

 a6/1 ± 129

 a010/0 ± 766/0

 c014/0 ± 076/0

 b11/0 ± 61/0

–Zn

 b21 ± 90

 b128/0 ± 537/0

 b021/0 ± 317/0

 b06/0 ± 52/0

Zn+

400

 a4/7 ± 124

 a044/0 ± 740/0

 c008/0 ± 101/0

 b07/0 ± 57/0

–Zn

 

 

 

شدت تثبیت خالص CO2 به شدت تحت تأثیر تیمار‌های نوری اعمال شده واقع گردید و مطابق انتظار با افزایش شدت نور مقدار پارامتر A افزایش معنی‌داری یافت. تعرق (E) نیز تحت تأثیر افزایش شدت نور افزایش یافت. کمبود روی عامل کاهش فتوسنتز و نیز تعرق گردید که در مورد شدت فتوسنتز عمدتاً و در مورد تعرق در برخی تیمار‌های نوری معنی‌دار بود. تغییرات در شدت فتوسنتز و تعرق با تغییرات مقاومت روزنه‌ای همخوانی داشت، به طوری که افزایش شدت نور با کاهش مقاومت روزنه‌ای و کمبود روی با افزایش آن که معنی‌دار نیز بود، همراه بوده است (جدول 3).

 


 

جدول 3- پارامتر‌های تبادل گاز اندازه‌گیری شده شامل فتوسنتز (mol m-2s-1µ) A ، تعرق (mol m-2s-1) E و مقاومت روزنه‌ای (m2s-1mol-1) rs در گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شرایط سه شدت نور متفاوت (mol m-2 s-1µ 100 200 و400) به مدت یک ماه رشد کرده‌اند. تفاوت ما بین داده‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده‌اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05).

rs

E

A

تیمارعنصر

تیمارنور

 b40/0 ± 07/6

 c41/0 ± 14/1

 d78/0 ± 13/2

Zn+

100

 a01/0 ± 40/9

 c60/0 ± 06/1

 d50/0 ± 05/1

–Zn

 b23/1 ± 09/6

 b85/0 ± 10/3

 b93/0 ± 32/6

Zn+

200

 a46/0 ± 08/8

 c28/0 ± 56/1

 c83/0 ± 70/4

–Zn

 d78/0 ± 05/2

 a59/0 ± 64/4

 a27/0 ± 24/11

Zn+

400

 c75/0 ± 90/3

 b81/0 ± 08/3

 b95/0 ± 20/7

–Zn

 

 

 

مقدار فنل‌های آزاد در هر دو اندام هوایی و ریشه با افزایش شدت نور و نیز در شرایط کمبود روی افزایش یافت. مقدار مطلق این ترکیبات در اندام هوایی بیش از ریشه بود، به طوری که مقدار فنل‌های آزاد برگ به 5 میلیگرم (معادل گالیک اسید) در گرم وزن تر رسید، در حالی که این مقدار در مورد ریشه‌ها حداکثر 3 بود. این موضوع می‌تواند به دلیل انباشتگی آنتوسیانین‌ها در برگ‌های گیاه کلم قرمز باشد که در ریشه مقدار آن ناچیز است و در روش تجزیه فنل‌ها وارد محلول استخراج می‌شود و همراه با سایر فنل‌ها با معرف مربوطه واکنش می‌دهد (شکل 3).

 

 

 

 

شکل 3- ترکیبات فنلی آزاد اندام هوایی و ریشه (mg gallic acid g-1 FW) گیاه کلم قرمز که در سطوح کفایت روی (Zn+) و کمبود روی (–Zn) تحت شرایط سه شدت نور متفاوت (mol m-2 s-1µ 100، 200 و400) به مدت یک ماه رشد کرده‌اند. تفاوت ما بین داده‌های مربوط به یک ستون که با حروف یکسانی مشخص شده‌اند، معنی‌دار نبوده است (P<0.05)


 

 

بحث

افزایش ماده خشک گیاهان با افزایش شدت نور نشان‌دهندة ناکافی بودن شدت‌های نور کمتر از 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه برای رشد گیاه کلم قرمز بوده است. البته، افزایش بیشتر در شدت‌های نور بالاتر از 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه نیز محتمل است که در این آزمایش اعمال نگردید. کاهش رشد ناشی از شدت‌های پایین نور عمدتاً مربوط به کاهش سنتز قند‌ها که در مقدار پایین تثبیت CO2 نیز منعکس گردید، بوده که به نوبه خود مربوط به افزایش مقاومت روزنه‌ها بوده است.

کاهش وزن خشک در اثر کمبود روی در شدت‌های پایین نور بیشتر بود. برای مثال، کاهش وزن خشک اندام هوایی در شدت 100 و 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه به ترتیب 80% و 24% بود. این مقادیر در ریشه به ترتیب 78% و 42% بوده است. می‌توان نتیجه گرفت که کاهش رشد گیاه تحت تأثیرکمبود روی در شدت‌های بالای نور بارزتر بوده است. گزارش‌ها نشان داده است که رشد در شدت‌های بالای نور که در حد تنش‌زا برای گیاهان بوده است، حساسیت به کمبود روی را افزایش می‌دهد که به نقش روی در آنزیم‌های خاموش‌کننده رادیکال‌های آزاد اکسیژن و حفاظت غشا‌ها از آسیب اکسیداتیو نسبت داده شده است (Marschner and Cakmak, 1989). با این حال این تفسیر نمی‌تواند در مورد نتایج پژوهش حاضر کاربرد داشته باشد. احتمالاً در شدت‌های زیر بهینه از نور، سرعت پایین رشد؛ مثلاً به عنوان نتیجه کاهش فتوسنتز عامل افزایش حساسیت به تنش‌های ثانوی، از جمله کمبود روی گردیده؛ لذا عمدتاً اثری غیر مستقیم بوده است.

کاهش مقدار روی در اندام هوایی (95%) بیش از آن در ریشه (63%) بود که نشان می‌دهد در شرایط کمبود، اندام هوایی سهم کمتری از روی در مقایسه با ریشه دریافت می‌کند؛ به طوری که نسبت روی اندام هوایی/ریشه از 14/6 در شرایط شاهد به 95/0 در کمبود روی کاهش یافت. کاهش انتقال روی به اندام هوایی و اختصاص بخش بیشتری از آن به ریشه در شرایط کمبود می‌تواند به عنوان ساز و کاری برای جلوگیری از کاهش رشد ریشه که عمل تأمین آب و عناصر غذایی را بر عهده دارد، محسوب گردد. البته گونه‌های مختلف از این نظر متفاوتند. به عنوان مثال در گیاه گندم مشابه کلم در این آزمایش، در شرایط کمبود سهم بیشتری از روی به ریشه‌ها اختصاص می‌یابد و همین عامل افزایش حساسیت بیشتر برگ‌ها به کمبود در مقایسه با ریشه است (Cakmak et al., 1996). در برنج برعکس، ریشه‌ها بخش اعظم روی جذب شده را به اندام هوایی انتقال داده و لذا کاهش رشد ریشه شدیدتر و بسیار سریع تر از علایم کمبود در برگ‌ها ظاهر می‌شود (Hajiboland et al., 2003).

کاهش مقدار کلروفیل برگ و کاروتنوئید‌ها در شدت‌های پایین نور، شاهد دیگری دال بر ناکافی بودن شدت‌های نور پایین تر از 400 میکرومول بر متر مربع در ثانیه برای گیاهان بود، زیرا شدت‌های فرابهینه عموماً باعث تخریب کلروپلاست‌ها و کاهش مقدار کلروفیل می‌گردد (Asada, 1999). کاهش مقدار کلروفیل و کاروتنوئید‌ها تحت تأثیر کمبود روی، می‌تواند بر اثر رادیکال‌های آزاد اکسیژن باشد که در غیاب روی به دلیل سم‌زدایی ناکافی، اثر تخریبی روی غشاهای فتوسنتزی دارند (Cakmak, 2000). مقدار آنتوسیانین‌های برگ که عمدتاً در واکوئل‌ها انباشته شده و همراه با غشا‌ها نیستند، برعکس در شرایط کمبود روی افزایش یافت. این ترکیبات می‌توانند نقش حفاظتی در برابر رادیکال‌های آزاد برعهده داشته باشند و نوعی پاسخ سازشی در شرایط کمبود روی تلقی می‌شوند.

افزایش مقدار فنل‌های اندام هوایی در پاسخ به افزایش نور، احتمالاً به دلیل نقش نور در بیوسنتز فنل‌ها (Anderson and Jordheim, 2005) بوده و ممکن است نقشی در سازگار کردن گیاهان با شدت‌های نوری بالا داشته باشند. نقش ترکیبات فنلی در محافظت از رادیکال‌های آزاد در سلول‌های جانوری اثبات شده و شواهدی برای ایفای نقش مشابه در گیاهان ارائه شده است (Anderson and Jordheim, 2005). البته، فنل‌های آزاد ممکن است متعاقباً تحت تأثیر آنزیم پلی فنل اکسیداز به کوئینون‌ها تبدیل شوند که خود از تولیدکننده‌های رادیکال‌های آزاد محسوب می‌شوند (Anderson and Jordheim, 2005). در این بررسی فعالیت این آنزیم تعیین نشده است و لذا نقش احتمالی فنل‌‌ها در تولید رادیکال‌های آزاد مشخص نیست. البته در روش سنجش به کار رفته، آنتوسیانین‌‌ها نیز به عنوان گروهی از ترکیبات فنلی در مقدار عددی به دست آمده برای فنل‌‌ها لحاظ می‌شوند، لذا تغییرات این دو گروه ترکیب، تحت شدت‌های نور متفاوت و کمبود روی نیز موازی بوده است.

کاهش فلوئورسانس بیشینه (Fm) تحت شرایط کمبود روی نشان‌دهنده کاهش نسبت فتوسیستم‌‌های فعال است (Ouzounidou et al., 2003). با این حال، کارآیی بیشینه فتوسیستم II (Fv/Fm) تغییر معنی‌داری در کمبود روی نشان نداد که حاکی از عدم آسیب جدی به فتوسیستم II در شرایط کمبود روی است. کاهش خاموش‌شدگی فتوشیمیایی (qP) در کمبود روی نشان می‌دهد که بخش کمتری از الکترون‌های خارج شده از فتوسیستم II در برگ‌های دچار کمبود روی در مقایسه با شاهد به سنتز‌‌های مربوطه اختصاص می‌یابد. با این حال، افزایش ظرفیت انگیختگی فتوسیستم II (F′v/F′m)، عملکرد کوآنتومی فتوسیستم II (PSIIФ) و میزان انتقال الکترون (ETR) به ازای هر فتوسیستم II تحت تأثیر کمبود روی نشان داد که در برگ‌های دچار کمبود روی برای جبران کمبود الکترون‌های انتقال یافته برای واکنش‌های شیمیایی، کارآیی خروج الکترون‌ها به ازای هر فتوسیستم افزایش می‌یابد. کاهش خاموش‌شدگی فتوشیمیایی (qP) با کاهش خاموش‌شدگی غیر فتوشیمیایی (qNP) همراه بود که نشان می‌دهد نه تنها انتقال الکترون برای سنتز‌‌ها، بلکه به سمت مولکول‌های خاموش کننده رادیکال‌های آزاد مانند کاروتنوئید‌ها که نقش حفاظتی فتوسیستم‌‌ها را بر عهده دارند نیز کاهش می‌یابد. کاهش مقدار کاروتنوئید‌‌های برگ گیا‌هان دچار کمبود روی به موازات کاهش qNP این فرض را تأیید می‌کند.

با توجه به عدم کاهش معنی‌دار کارآیی بیشینه فتوسیستم II، کاهش فتوسنتز در اثر کمبود روی عمدتاً به کاهش هدایت روزنه‌‌ها مربوط بود که سبب کاهش جذب دی اکسید کربن می‌شود. دلیل بستن روزنه‌‌ها در شرایط کمبود روی به نقش این عنصر در ساختمان آنزیم کربنیک آنهیدراز و نیز نقش آن در حفظ تمامیت غشا‌‌ها که برای جذب و نگهداری پتاسیم در سلول‌های روزنه به عنوان اسموتیکوم لازم است، نسبت داده شده است (Sharma et al. 1995)

کاهش تعرق به دنبال افزایش مقاومت روزنه‌ای نیز از عوارض دیگر کمبود روی بود. با این حال به نظر نمی‌رسد کاهش تعرق نقشی در ایجاد سازگاری با کمبود روی داشته باشد، زیرا گیا‌هان آزمایشی در شرایط هیدروپونیک رشد داده شده بودند. در آزمایشی که در شرایط متفاوت آبیاری و در بستر جامد انجام گرفت، نیز مشاهده گردید که افزایش در خور توجه در کارآیی بهره‌وری آب (نسبت فتوسنتز به تعرق) در گیا‌هان دچار کمبود روی، نه تنها اثر تنش کمبود روی را تخفیف نمی‌دهد، بلکه گیاهان دچار کمبود روی و تحت تنش خشکی، رشد بسیار کمتری در مقایسه با همان گیاهان در شرایط آبیاری کافی دارند که نشان می‌دهد تأمین آب عامل محدود کننده برای گیاهان دچار کمبود روی نیست (امیرآزاد، 1388).

 

 

امیر آزاد، ح. (1388) بررسی فیزیولوژیک و بیوشیمیایی اثرات کمبود روی در گیاه کلم قرمز (var. capitata f. rubra Brassica oleracea L.). پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز

Anderson, Ø. M. and Jordheim, M. (2005) The anthocyanins. In: Flavonoids: Chemistry, Biochemistry and Applications. D., Markham, K. R. (Eds.), pp. 471-553. CRC Press.

Asada, K. (1999) The water-water cycle in chloroplasts: scavenging of active oxygen and dissipation of excess photons. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 50: 601-639.

Cakmak I., Sari, N., Marschner, H., Kalayci, M., Yilmaz, A., Eker S., Gülüt, K. Y. (1996) Dry matter production and distribution of zinc in bread and durum wheat genotypes differing in zinc efficiency. Plant and Soil 180: 173-181.

Cakmak, I. (2000) Possible role of zinc in protecting plant cells from damage by reactive oxygen species. New Phytologist 146: 185-205.

Hajiboland, R., Yang, X. E. Römheld, V. (2003) Effects of bicarbonate and high pH on growth of Zn-efficient and Zn-inefficient genotypes of rice, wheat and rye.Plant Soil250: 349–357.

Johnson, C. M., Stout, P. R., Broyer T. C., Carlton, A. B. (1957) Comparative chloride requirements of different plant species. Plant Soil 8: 337-353.

Kaur, C., Kapoor, H. C. (2001) Antioxidants in fruits and vegetables-the millenium’s health: International Journal of Food Science & Technology 36: 703-725.

Lichtenthaler H. K., Wellburn, A. R. (1985) Determination of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf in different solvents. Biochemical Society Transactions 11: 591-592.

Marschner, H. Cakmak, I. (1989) High light intensity enhances chlorosis and necrosis in leaves of zinc-potassium- and magnesium-deficient bean (Phaseolus vulgaris) plants. Plant Physiology 134: 308-315.

Marschner, H. (1995) Mineral Nutrition of Higher Plants (2nd Ed.). Academic Press Inc., London, UK.

Ouzounidou, G., Ilias, I., Kabataidid, M., Chatzimichail, A. (2003) Comparative study of nutrient deficiencies on growth and photochemistry of tobacco. Journal of Plant Nutrition 26: 1605-1616.

Oxborough, K (2004) Imaging of chlorophyll α fluorescence: theoretical and practical aspects of an emerging technique for the monitoring of photosynthetic performance. Journal of Experimental Botany. 55: 1195-1205.

Parker D. R., Norvell, W. A., Chaney, R. L. (1995) GEOCHEM-PC: A chemical speciation program for IBM and compatible computers. In: Soil Chemical Equilibrium and Reaction Models. Loeppert, R.H., Schwab, A. P., Goldberg, S. (Eds.), pp. 253-269. SSSA Spec. Pub. No. XX. Soil Science Society of America, Madison, WI.

Plessi, M., Bertelli, D., Albasini, A. (2007) Distribution of metals and phenolic compounds as a criterion to evaluate variety of berries and related jams. Food Chemistry. 100: 419-427.

Sharma P. N., Tripathi, A., Bisht, S. S. (1995) Zinc requirement for stomatal opening in cauliflower. Plant Physiology. 107: 751-756.