Authors
Department of Biology, Faculty of Sciences, University of Golestan, Gorgan, Iran
Abstract
Keywords
آهن یکی از عناصر ضروری برای همه گیاهان عالی است که مقدار آن در خاکها به طور متوسط 8/3 درصد تخمین زده می‌شود .(Lindsay, 1979) آهن در همه موجودات زنده به عنوان کوفاکتوری مهم در مسیرهای متابولیکی زیستی نقشی تعیین‌کننده دارد (Audebert, 2006). این عنصر، در ترکیب ساختمانی مولکول‌های دارای هِم مانند: پورفیرین، سیتوکروم و مولکول‌های فاقد هِم مانند: فرّودوکسین و پروتئین‌های آهن-گوگرد وجود دارد که در واکنش‌های اکسیداسیون و احیا تنفسی و فتوسنتز نقش دارند. همچنین، آهن در سیستم‌های آنزیمی، سیتوکروم اکسیداز، کاتالاز، پراکسیداز، اکونیتاز، غیراشباع کردن اسیدهای چرب، سنتز کلروفیل و ... شرکت می‌کند. نقش اصلی آهن زمانی خودش را بهتر نشان می‌دهد که کمبود آن باعث زردی برگ‌های جوان می‌شود. کمبود آهن در مرکبات و غلات مشکل عمده تغذیه گیاه در خاک‌های آهکی محسوب می‌شود (Perez-Sanz et al., 2002). علایم کمبود آهن ابتدا در جوان‌ترین برگ‌ها به صورت زردی بین رگبرگی و سرانجام در پهنک برگ به رنگ زرد و حتی سفید بروز می‌کند (Marschner, 1995). این نشانه‌ها معمولاً می‌توانند در مراحل مختلف رشد مانند جوانه‌زنی، رشد رویشی و مرحله زایشی در برنج بروز کنند (Sahrawat, 2004; Becker and Asch, 2005). کمبود آهن با کاهش کلروفیل و آسیب به واکنش‌های اکسیداسیون و احیا به فتوسنتز آسیب می‌زند. علاوه بر این، یکی از مکانیسم‌های اصلی کاهش رشد در کمبود آهن تولید گونههای فعال اکسیژن (ROS) است که شامل رادیکال‌های سوپراکسید (O2-)، پراکسید هیدروژن (H2O2) و هیدروکسیل (OH-) است (Laspina et al.,2005). افزایش میزان پراکسید هیدروژن و رادیکال‌های آزاد اکسیژن در کمبود پتاسیم در گیاه سویا (Miao et al., 2010) گزارش شده است. رادیکال‌های آزاد می‌توانند کلروفیل را اکسید و در انتقال الکترون فتوسنتزی اختلال ایجاد کنند. گیاهان برای پالایش ROS دارای مکانیسم آنزیمی شامل کاتالاز، پراکسیداز، آسکوربات پراکسیداز، سوپراکسیددیسموتاز و گلوتاتیون ردوکتاز و غیرآنزیمی شامل گلوتاتیون، آسکوربات و کاروتنوئیدها هستند .(Tiryakioglu et al., 2006) کمبود عناصر با ایجاد تنش اکسیداتیو پراکسیداسیون لیپید در گیاه را افزایش می‌دهد (Tewari et al., 2007; Miao et al., 2010). محققان متعددی تخفیف تنش اکسیداتیو ایجاد شده در اثر عوامل تنش‌زای مختلف با تغذیه سیلیکون را گزارش کرده‌اند.
سیلیکون به عنوان دومین عنصر ساختمانی پس از اکسیژن در پوسته زمین و خاک است (Richmond and Sussman, 2003) که در گیاهان به عنوان عنصری غیرمتحرک بوده، ضروری تلقی نمیشود ولی بسیاری از گیاهان عالی از جمله برنج برای رشدونمو طبیعی خود به سیلیکون نیاز دارند (Richmond and Sussman, 2003؛ Ma, 2004؛ Currie and Perry, 2007). میزان سیلیکون در خاک کمتر از 1 تا 45 درصد وزن خشک خاک است، با این وجود، تنها 1/0-6/0 میلی‌مولار آن به صورت محلول است (Sommer et al., 2006)، که به شکل سیلیسیک اسید Si(OH)4 (یا شکل یونیزه شده Si(OH)3O- در اسیدیته بیشتر از 9) توسط گیاهان قابل جذب است. میزان آن در گیاهان از 1/0 تا 10 درصد از وزن خشک گیاه را شامل می‌شود که تقریباً برابر با عناصر پُرمصرف است (Hodson et al., 2005). تأثیر مفید سیلیکون در گیاهان بیشتر به افزایش مقاومت گیاهان در برابر تنش‌های زیستی و غیرزیستی مربوط است (Ma and Yamaji, 2006; Liang et al., 2007). سیلیکون از طریق ایجاد کمپلکس و مهار انتقال فلزات سنگین از ریشه به بخش هوایی، بخشبندی یونهای فلزی در درون گیاه و تحریک سیستم آنتی‌اکسیدان در گیاهان، سمّیت برخی از فلزات سنگین را در گیاهان کاهش می‌دهد (Neumann and Zur Nieden, 2001
Shi et al., 2005a, 2005b)؛ Gong et al., 2005. اثر تخفیفی سیلیکون در گیاهان در برابر تنش‌های غیرزیستی اغلب با تغییر فعالیت آنزیم‌های اکسیداتیو همراه است، هرچند مکانیسم‌های درگیر در این عمل چندان شناخته شده نیست (Liang et al., 2007; Miao et al., 2010). سیلیکون با تغییر در فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان نقش مهمی در افزایش تحمل شوری (Zhu et al., 2004; Al-Aghabary et al., 2005)، خشکی (Gong et al., 2005)، سمّیت منگنز (Shi et al., 2005b)، سمّیت بور (Gunes et al., 2007) و سمّیت کادمیوم(Vaculik et al., 2009; Shi et al., 2010) ایفا می‌کند، تاکنون پژوهش چندانی در ارتباط با نقش تغذیه سیلیکون در کمبود عناصر ضروری از جمله آهن صورت نگرفته است و تنها نقش مفید این عنصر در کمبود پتاسیم در گیاه سویا گزارش شده است (Miao et al., 2010).
برنج (Oryza sativa L.) از مهم‌ترین محصولات زراعی در جهان است که غذای اصلی 40 درصد جمعیت دنیا را تشکیل می‌دهد. این محصول دو سوم کالری مورد نیاز برای حدود دو میلیارد نفر را در آسیا تأمین می‌کند و منبع اصلی پروتئین برای این جمعیت است. با توجه به اینکه برنج گیاه انباشته کننده سیلیکون محسوب می‌شود، به عنوان گیاه مدل در جذب و انتقال و تغذیه سیلیکون استفاده می‌شود (Mitani and Ma, 2005). با توجه به اهمّیت روز افزون برنج به عنوان ماده غذایی ارزشمند در جیره غذایی انسان، تحقیق در مورد کمبود آهن که در مزارع برنج باعث کاهش عملکرد محصول می‌شود، اهمّیت زیادی دارد. تغذیه سیلیکون ممکن است در کاهش آسیب‌های کمبود آهن در گیاه برنج مؤثر باشد. بنابراین، در این پژوهش گیاه برنج در شرایط کمبود آهن در فقدان و حضور سیلیکون کاشته، عواملی مانند میزان کلروفیل، کاروتنوئیدها، پراکسیداسیون لیپید، پراکسید هیدروژن و فعالیت برخی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان ارزیابی شد تا درک بهتری از راه‌های آسیب و مسیرهای احتمالی افزایش تحمل به کمبود آهن با تغذیه سیلیکون فراهم شود.
مواد و روش‌ها
کشت گیاهان
بذرهای گیاه برنج رقم طارم (O. sativa L.) از مرکز تحقیقات برنج آمل تهیه و با استفاده از الکل و هیپوکلریت سدیم ضدعفونی شد. بذرها برای جوانه‌زنی در داخل حوله کاغذی مرطوب در اتاقک کشت قرار گرفتند. پس از گذشت 4 روز بذرها جوانه زده، به گلدان‌های حاوی شن غربال و کاملاً شسته شده منتقل شدند. هر 4 گلدان در یک تشتک قرار داده و با 8 لیتر محلول غذایی غرقاب شدند. سطح و کف گلدان‌ها با فواصل 2 سانتی‌متری سوراخ شد تا تبادل محلول غذایی بین تشت و گلدان تسهیل شود. محلول مورد استفاده برای کشت، یوشیدا (Yoshida et al., 1976) بود که بر اساس تیمارهای آهن و سیلیکون تعدیل شد. طرح آزمایش بلوک‌های کامل تصادفی و در قالب فاکتوریل بود. عامل آهن در سه سطح صفر، 2 و 10 (شاهد) میلی‌گرم در لیتر به صورت Fe-EDTA و عامل سیلیکون در دو سطح صفر و 5/1 میلی‌مولار به صورت Na2SiO3 به گیاه داده شد. تیماردهی از هفته دوم کشت شروع شد. اسیدیته محلول غذایی تشتک‌ها به صورت روزانه بین 5/5 تا 6 تنظیم شد و در پایان هر هفته، محلول درون تشتک‌ها تعویض شد. در طول دوره آزمایش بیشینه و کمینه دمای روز و شب به ترتیب 32 و 19 درجه سانتیگراد و میانگین رطوبت نسبی 74 درصد بود. گیاهان پس از سه هفته تیماردهی برای بررسی رشد و تجزیه بیوشیمیایی برداشت شدند.
عناصر سیلیکون و آهن
غلظت آهن با دستگاه جذب اتمی مدل Shimadzu AA 7000 پس از استخراج بافت‌های گیاهی با نیتریک اسید و پرکلریک اسیدتعیین شد. استخراج یون سیلیسیوم با روش Elliot و Synder (1991) و اندازه‌گیری با روش رنگ‌سنجی Narayanaswamy و Prakash (2009) انجام شد.
اندازه‌گیری پراکسیداسیون لیپید، پراکسید هیدروژن،کلروفیل و کاروتنوئید
اندازه‌گیری مقدار مالوندیآلدهید (MDA) به عنوان شاخص پراکسیداسیون لیپید باروش Heath و Packer (1968) انجام شد. عصاره گیاهان توسط 2 میلی‌لیتر تری کلرواستیک اسید 1/0 درصد استخراج شد. برای اندازه‌گیری از معرف تیوباربیتوریک اسید/تری کلرو استیک اسید (TBA/TCA) شامل TBA 25/0 درصد در TCA 10 درصد در دمای 95 درجه سانتیگراد استفاده شد. جذب محلول به دست آمده به روش فتومتریک و در سه طول موج 440، 532 و 600 نانومتر ثبت شد. عمل استخراج پراکسید هیدروژن بر طبق روش Chen و همکاران (2000) توسط بافر فسفات 50 میلی‌مولار با اسیدیته 5/6 حاوی هیدروکسیلآمین 1 میلی‌مولار در دمای 4 درجه سانتیگراد انجام شد. اندازه‌گیری پراکسید هیدروژن با استفاده از معرف کلرید تیتانیوم (کلرید تیتانیوم 1/0 درصد (حجم/حجم) حل شده در سولفوریک اسید 20 درصد)، در طول موج 410 نانومتر انجام شد. ضریب خاموشی برای محاسبه مقدار کمپلکس تیتانیوم-پراکسید هیدرژن 28/0 (µmol-1cm-1) است. برای سنجش میزان کلروفیل و کاروتنوئید از روش Lichtenthaler (1987) استفاده شد.
فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، پراکسیداز محلول و دیواره‌ای، پلی فنل اکسیداز و آسکوربات پراکسیداز
عصاره آنزیمی لازم برای اندازه‌گیری فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، پراکسیداز محلول و دیواره‌ای و پلی‌فنل اکسیداز با استفاده از بافر فسفات 100 میلی‌مولار با اسیدیته 8/6 از بافت تر گیاهان استخراج شد (Liu and Huang, 2000). فعالیت آنزیمها از روش اسپکتروفتومتری و با دستگاه (Shimidzo UV-160) اندازه‌گیری شد. فعالیت آنزیم کاتالاز و پراکسیداز با استفاده از روش Kar و Mishra (1976) انجام شد. فعالیت این آنزیم در مد سینتیک و در طول موج 240 نانومتر اندازه‌گیری شد. 3 میلی‌لیتر مخلوط واکنش شامل بافر فسفات 50 میلی‌مولار با اسیدیته 8/6، آب اکسیژنه 15 میلی‌مولار و 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی بود. با اضافه کردن عصاره به محیط واکنش تجزیه H2O2 توسط آنزیم شروع می‌شود. برای اندازه‌گیری فعالیت آنزیم پراکسیداز محلول و دیواره‌ای، مخلوط واکنش شامل بافر فسفات 25 میلی‌مولار با اسیدیته 8/6، گایاکول20 میلی‌مولار، آب اکسیژنه 40 میلی‌مولار و10 میکرولیتر عصاره آنزیمی بود. فعالیت این آنزیم در مد سینتیک و در طول موج 470 نانومتر اندازه‌گیری شد. برای اندازه‌گیری آنزیم پلی فنل اکسیداز مخلوط واکنش شامل بافر فسفات 25 میلی‌مولار با اسیدیته 8/6، پیروگالل 10 میلی‌مولار و 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی استفاده شد (Resende et al., 2002). استخراج آنزیم آسکوربات پراکسیداز با استفاده از بافر فسفات 250 میلی‌مولار با اسیدیته 7 از روش Nakano و Asada (1981) بود. 2 میلی‌لیتر مخلوط واکنش برای اندازه‌گیری آسکوربات پراکسیداز شامل بافر فسفات 250 میلی‌مولار با اسیدیته 7، EDTA 1/0 میلی‌مولار، آسکوربات 5/0 مولار و H2O2 2/1 میلی‌مولار بود. عمل اندازه‌گیری در طول موج 290 نانومتر انجام شد.
تحلیل آماری
محاسبه داده‌ها و رسم نمودارها در نرم‌افزار Excel و Sas انجام شد. همه داده‌ها با تجزیه واریانس یک عاملی و دو عاملی تجزیه شدند. مقایسه میانگین‌ها با آزمون دانکن انجام شد.
نتایج
رشد
در غیاب سیلیکون، بیشترین میزان وزن تر ریشه و بخش هوایی گیاه در تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن و کمترین میزان آن در تیمار صفر مشاهده شد. کاهش میزان آهن از 10 میلی‌گرم در لیتر به 2 و صفر میلی‌گرم در لیتر به کاهش معنی‌دار وزن تر ریشه و بخش هوایی گیاه منجر شد. کاربرد سیلیکون در تیمارهای 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن به افزایش وزن تر ریشه و بخش هوایی نسبت به گیاه فاقد سیلیکون منجر شد، در حالی که حضور آن در تیمار صفر تأثیر معنی‌داری بر وزن تر نداشت. تفاوت معنی‌داری در تعداد برگ بین تیمارهای صفر، 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن مشاهده نشد، با این وجود، کاهش معنی‌دار تعداد پنجه در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن مشاهده شد. حضور سیلیکون در تمام تیمارها به افزایش تعداد پنجه و برگ نسبت به گیاه فاقد سیلیکون منجر شد (شکل 1).
میزان عناصر سیلیکون و آهن
تفاوت معنی‌داری بین تیمارهای صفر، 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن در میزان سیلیکون ریشه و بخش هوایی گیاه مشاهده نشد، با این حال، حضور سیلیکون باعث افزایش معنی‌دار میزان سیلیکون در تمام تیمارهای آهن بخش هوایی گیاه نسبت به گیاه فاقد سیلیکون شد (شکل 2-الف و ب).
کاهش میزان آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن به کاهش میزان آهن در ریشه و بخش هوایی گیاه نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن منجر شد. این کاهش در بخش هوایی مشهودتر بود. حضور سیلیکون تنها در تیمار 2 میلی‌گرم در لیتر آهن باعث افزایش معنی‌دار میزان آهن در ریشه و بخش هوایی گیاه نسبت به گیاهان رشد یافته در محیط فاقد سیلیکون شد (شکل 2-پ و ت).
کمبود آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر به ترتیب باعث افزایش میزان پراکسید هیدروژن در ریشه و بخش هوایی شد. حضور سیلیکون در تیمارهای 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن باعث کاهش و در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر آهن باعث افزایش میزان پراکسید هیدروژن ریشه و بخش هوایی گیاه شد (شکل 3- الف و ب).
کمبود آهن در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر به افزایش پراکسیداسیون لیپید ریشه نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن منجر شد. حضور سیلیکون در تمام تیمارها میزان پراکسیداسیون لیپید ریشه و بخش هوایی را به مقدار درخور توجهی کاهش داد (شکل 3-پ و ت).
با کاهش میزان آهن در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز ریشه و بخشهوایی کاهش معنی‌داری را نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن نشان داد. حضور سیلیکون به کاهش فعالیت این آنزیم در تیمار یاد شده منجر شد، با این حال، در تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن فعالیت این آنزیم را در بخش هوایی افزایش داد (شکل 4-الف و ب).
فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز با کاهش میزان آهن در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر آهن ریشه و بخش هوایی و تیمار 2 میلی‌گرم در لیتر آهن بخش هوایی کاهش معنی‌داری را نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن نشان داد. حضور سیلیکون در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر آهن ریشه باعث افزایش و در تیمار 2 میلی‌گرم در لیتر آهن ریشه باعث کاهش فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز شد (شکل 4-پ و ت).
فعالیت آنزیم کاتالاز در بخش هوایی، با کاهش میزان آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن کاهش یافت، در حالی که در ریشه تفاوت معنی‌داری بین تیمارهای صفر، 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن مشاهده نشد. حضور سیلیکون در ریشه تأثیر معنی‌داری در فعالیت این آنزیم نشان نداد، با این حال، در بخش هوایی به افزایش معنی‌دار فعالیت این آنزیم در تیمارهای 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن منجر شد (شکل 5-الف و ب).
کاهش فعالیت آنزیم‌های پراکسیداز محلول و دیواره‌ای با کاهش میزان آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن مشاهده شد. حضور سیلیکون در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن ریشه و در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر آهن بخش هوایی به افزایش فعالیت آنزیم پراکسیداز دیواره‌ای نسبت به گیاه فاقد سیلیکون منجر شد، ولی فعالیت آنزیم پراکسیداز محلول در همه تیمارها در ریشه و بخش هوایی در حضور سیلیکون افزایش معنی‌داری را نشان داد (شکل 5-پ تا ج).
کاهش میزان آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر به کاهش معنی‌داری در میزان کلروفیل a، b، کل و کاروتنوئید نسبت به تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر منجر شد. حضور سیلیکون در تیمارهای 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن به افزایش و در تیمار صفر میلی‌گرم در لیتر آهن به تشدید کاهش کلروفیل a، b، کل و کاروتنوئید منجر شد (شکل 6). نسبت کلروفیل a/b در فقدان آهن زیاد بود، در حالی که این نسبت در تیمارهای 2 و 10 میلی‌گرم در لیتر آهن افزایش یافت. سیلیکون تنها در تیمار 2 میلی‌گرم در لیتر آهن کاهش این نسبت را باعث شد.
شکل 1- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر صفات رشد الف و ب) وزن تر؛ پ) تعداد برگ؛ ت) تعداد پنجه.
شکل 2- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر الف و ب ) میزان سیلیکون؛ پ و ت) میزان آهن.
|
|
شکل 3- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر الف و ب) میزان پراکسید هیدروژن؛ پ و ت) میزان مالون‌دی‌آلدئید.
شکل 4- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر الف و ب) فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز؛ پ و ت) فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز.
|
|
||
|
شکل 5- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان. الف و ب) فعالیت آنزیم کاتالاز؛ پ و ت) فعالیت آنزیم پراکسیداز دیواره‌ای؛ ث و ج) فعالیت آنزیم پراکسیداز محلول. |
||
|
|
||
|
شکل 6- مقایسه تأثیر تیمارهای آهن و سیلیکون بر میزان رنگدانههای فتوسنتزی. الف) میزان کلروفیل a؛ ب) میزان کلروفیل b؛ پ) میزان کلروفیل کل؛ ت) میزان کاروتنوئید؛ ث) نسبت کلروفیل a/b. |
بحث
نتایج حاصل از اندازه‌گیری صفات رشد در دوره رویشی نشان داد که کمبود آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن باعث کاهش معنی‌دار وزن تر و خشک ریشه و بخش هوایی، تعداد پنجه و تعداد برگ گیاه برنج می‌شود. بیشترین وزن و رشد بهینه در تیمار 10 میلی‌گرم در لیتر آهن مشاهده شد (شکل 1).
کمبود آهن در تیمارهای صفر و 2 میلی‌گرم در لیتر آهن به کاهش میزان آهن در ریشه و بخش هوایی گیاه منجر شد (شکل 2-پ و ت). در نتیجه کمبود آهن گونههای فعال اکسیژن (ROS) تولید شد. گیاهان از مکانیسم آنزیمی و غیرآنزیمی برای حذف انواع اکسیژن فعال استفاده می‌کنند که مکانیسم آنزیمی آنها شامل کاتالاز (CAT)، پراکسیدازها (POD)، آسکوربات پراکسیداز (APX)، سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، گلوتاتیون ردوکتاز (GR) و مکانیسم غیرآنزیمی آنها شامل گلوتاتیون، آسکوربات و کاروتنوئید است (Tiryakioglu et al., 2006). در شرایط طبیعی، پراکسید هیدروژن و رادیکال‌های آزاد اکسیژن در بخش‌های مختلف یاخته‌های گیاهان تولید میشوند (Bhattacharjee, 2005). برای مثال، در کلروپلاست، فردوکسین ممکن است به جای NADP+ الکترون خود را به اکسیژن ملکولی داده، رادیکال آزاد اکسیژن تولید کند و یا پراکسید هیدروژن ممکن است در تنفس نوری با فعالیت سوپراکسید دیسموتاز ایجاد شود. هر چند در شرایط عادی، سوپراکسید دیسموتاز رادیکال آزاد را از بین می‌برد و کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز به سادگی پراکسید هیدروژن را تجزیه می‌کنند، اما در شرایط تنش، مانند کمبود آهن، فرآیند سمّ‌زدایی به طور ناقص انجام می‌شود. کمبود آهن با کاهش فعالیت آنزیم کاتالاز به افزایش میزان پراکسید هیدروژن در ریشه گیاه منجر شد (شکل‌های 3 و 5). کاهش فعالیت سایر آنزیم‌های سمّ‌زدا نظیر آنزیم آسکوربات پراکسیداز باعث افزایش گونههای فعال اکسیژن (ROS) در کمبود آهن شد (شکل 4). آنزیم آسکوربات پراکسیداز از آنزیم‌های کلروپلاستی است که در تجزیه پراکسید هیدروژن کلروپلاستی شرکت دارد. در نتیجه کاهش فعالیت این آنزیم میزان پراکسید هیدروژن در کلروپلاست افزایش یافت و در نتیجه میزان کلروفیل‌ها و کاروتنوئیدها در گیاه کاهش یافت (شکل 6) که احتمالاً به کاهش میزان فتوسنتز منجر شده است. با توجه با این که آهن در بیوسنتز کلروفیل دخالت دارد، کمبود آهن به طور مستقیم نیز به کاهش میزان کلروفیل در گیاه منجر شد. McKeague و Day (1966) نیز دریافتند که ارتباط مثبتی بین میزان کلروفیل و میزان آهن در خاک‌های آهکی وجود دارد. فقدان آهن، افزایش نسبت کلروفیل a/b را باعث شد که در تنش‌های دیگر نیز گزارش شده است (Ma et al., 1997). کاهش فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز (شکل 4) دخیل در بیوسنتز لیگنین نیز در نتیجه این تنش مشهود است. این نتایج آشکار میسازد که کمبود آهن با کاهش کلروفیل و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان به ویژه در کلروپلاست، احتمالاً فتوسنتز را کاهش داده، باعث کاهش رشد گیاه شده است.
حضور سیلیکون در فقدان آهن (صفر میلی‌گرم در لیتر آهن) به افزایش میزان پراکسید هیدروژن نسبت به گیاه فاقد سیلیکون منجر شد. کاهش میزان کلروفیل در فقدان آهن و در حضور سیلیکون نسبت به عدم حضور سیلیکون تشدید شد. فعالیت آنزیم گایاکول پراکسیداز محلول و دیواره‌ای و پلی فنل اکسیداز در این تیمار آهن در حضور سیلیکون نسبت به فقدان آن افزایش و فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز و میزان کلروفیل و کاروتنوئید کاهش یافت. در نتیجه، کاهش رشد گیاهان در تیمار صفر میلی‌گرم آهن در لیتر در حضور سیلیکون نسبت به فقدان آن بیشتر بود. این نتایج نشان می‌دهد که سیلیکون نمی‌تواند آثار فقدان کامل آهن در محیط ریشه را تخفیف دهد.
سیلیکون پس از جذب توسط ریشه به بخش هوایی گیاه انتقال می‌یابد و روی دیواره سلول‌ها به صورت پلی‌مر هیدراته، سیلیکای بی‌شکل، لایه دوتایی سیلیکا-کوتیکول و لایه دوتایی سیلیکا-سلولز در سطح برگ و ساقه ته‌نشین می‌شود و از شدت تعرق می‌کاهد (Prychid et al., 2004; Ma and Yamaji, 2006). به علاوه، حضور سیلیکون در آندودرم ریشه ممکن است جذب آپوپلاستی آب و برخی یون‌ها را کاهش دهد (Kidd et al., 2001). با این حال، سیلیکون در تیمار 2 میلی‌گرم در لیتر آهن انباشتگی آهن در گیاهان را افزایش داد (شکل 2). این نتایج نشان می‌دهد که سیلیکون احتمالاً با افزایش فعالیت ATPaseها و در نتیجه بهبود عملکرد غشا توانست افزایش غلظت آهن در گیاه را باعث شود و از شدت تنش کمبود آهن بکاهد (Liang, 1999). تیمار سیلیکون با افزایش غلظت آهن در گیاه در غلظت 2 میلی‌گرم در لیتر آهن توانست فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان مانند کاتالاز بخش هوایی (شکل 5)، گایاکول پراکسیداز دیواره‌ای ریشه و گایاکول پراکسیداز محلول ریشه و بخش هوایی را افزایش و پراکسیداسیون لیپید و پراکسید هیدروژن را کاهش دهد (شکل 3). این نتایج نشان می‌دهد که کاربرد سیلیکون تنش اکسیداتیو ناشی از کمبود آهن را کاهش داده، از این طریق در بهبود کارکرد غشاهای زیستی مؤثر بوده است. به علاوه، کاربرد سیلیکون در این تیمار، میزان کلروفیل را در گیاه افزایش و نسبت کلروفیل a/b را کاهش داد، که این امر ممکن است به کاهش تنش اکسیداتیو مربوط باشد (شکل 6). Miao و همکاران (2010) نشان دادند که سیلیکون با افزایش فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان و کاهش میزان پراکسید هیدروژن باعث بهبود برخی از آثار ناشی از کمبود پتاسیم در گیاه سویا می‌شود. نتایج این پژوهش نشان داد که سیلیکون احتمالاً با بهبود جذب آهن از شدت تنش اکسیداتیو و کمبود کلروفیل در گیاه کاسته، بهبود رشد را در شرایط کمبود آهن باعث می‌شود.
نتیجه‌گیری
نتایج این مطالعه نشان داد که حضور سیلیکون قادر است آثار زیان‌بار کمبود آهن به ویژه القا تنش اکسیداتیو را تخفیف داده، به افزایش رشد گیاه منجر شود، هرچند در فقدان آهن، این عنصر توانایی جایگزین شدن به جای آهن را ندارد و حتی آسیب‌های ناشی از نبود آهن را تشدید می‌کند.
سپاسگزاری
از معاونت پژوهشی دانشگاه گلستان و ریاست محترم دانشکده علوم برای فراهم آوردن بودجه پژوهشی سپاسگزاری می‌شود. همچنین، نویسندگان بر خود لازم می‌دانند از زحمات سرکار خانم مقدم برای مساعدت در کارهای آزمایشگاهی تشکر نمایند.
)
