Author
Department of Biology, Faculty of Sciences, Lorestan University, Khoram abad, Iran
Abstract
Keywords
خشکی یکی از مهمترین تنشهای محیطی است که مراحل مختلف رشد و نمو گیاه مانند مرحله جوانهزنی، استقرار گیاهچه و تولید محصول را در سرتاسر جهان تحت تأثیر قرار میدهد(Bacelar et al., 2007; Ben Ahmed et al., 2009). در سالهای اخیر، به علت تغییرات در شرایط آب و هوایی و نیز افزایش سطح CO2 اتمسفری، تنش خشکی بسیار شدیدتر شده است. به این ترتیب شناسایی واریتههای گیاهی مقاوم به تنش خشکی یک ضرورت است. بررسی مکانیسمهایی که گیاهان را قادر میسازد تا با تنش خشکی سازش پیدا کنند و رشدشان را تحت آن شرایط حفظ نمایند، در نهایت میتواند در انتخاب گیاهان مقاوم به تنش برای کشت در مناطق خشک و نیمه خشک کمک کند.
در اثر تنش خشکی، فعالیتهای فتوشیمیایی گیاه بازداشته میشود، محتوای کلروفیلی برگ تغییر میکند و فعالیت آنزیمهای چرخه کالوین در فرآیند فتوسنتز کاهش مییابد(Monakhova and Chernyadev, 2002). در تعداد زیادی از گونههای گیاهی، کاهش در تولید محصول تحت شرایط تنش خشکی غالباً به کاهش در ظرفیت فتوسنتزی مربوط است (Bacelar et al., 2007). تنش خشکی همچنین تولید گونههای فعال اکسیژن (ROS) مانند پراکسید هیدروژن (H2O2)، رادیکالهای سوپراکسید (O2•-) و هیدروکسیل (OH•) را افزایش میدهد که تجمعشان در سلول میتواند به تنش اکسیداتیو منجر شود (Mittler, 2002). در غیاب هر گونه مکانیسم حفاظتی، ROS میتواند از طریق آسیب اکسیداتیو به لیپیدها، پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک متابولیسم طبیعی سلول را مختل کرده، به غشا سلولی آسیب رساند که در نهایت، موجب مرگ سلولی میشود (Ozkur et al., 2009). گیاهان دارای سیستم آنتیاکسیدانی هستند که تولید اضافی گونههای فعال اکسیژن را تحت شرایط تنش کنترل میکند و بنابراین، آنها را در مقابل آثار مضر گونههای فعال اکسیژن محافظت میکند و از سوی دیگر، سطح مناسبی از ROS را برای رشد و مسیر انتقال پیام حفظ میکند (Mittler et al., 2004). این سیستم دفاع آنتیاکسیدان شامل آنتیاکسیدانهایی با وزن مولکولی پایین مانند بتاکاروتنها، آسکوربیک اسید، آلفاتوکوفرول و گلوتاتیون احیاء شده (GSH) و همچنین آنزیمهای آنتیاکسیدان شامل کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز، گلوتاتیون ردوکتاز و گایاکول پراکسیداز است (Xu et al., 2008).
پاسخ آنتیاکسیدانی، فرآیندی مهم برای محافظت گیاهان در مقابل آسیبهای اکسیداتیوی است که در اثر طیف وسیعی از تنشهای محیطی شامل شوری، خشکی، فلزات سنگین و سرما ایجاد میشود (Mittler et al., 2004). مقاومت به تنش خشکی در گیاهان با توانایی به دام انداختن ROS و کاهش دادن آثار مضرشان مرتبط است. ارتباط بین افزایش فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان و بالا رفتن مقاومت گونههای گیاهی تحت تنشهای محیطی در چندین گونه گیاهی مانند برنج (Guo et al., 2006) تأیید شده است.
نخود از منابع مهم پروتئین گیاهی است که در بیشتر نقاط جهان از نظر غذایی با ارزش است. ریشه نخود همچنین به واسطه توانایی در تثبیت نیتروژن اتمسفری از طریق همزیستی با ریزوبیومها اهمیّت دارد و جایگاه خاصی را در تناوب زراعی آن با سایر محصولات زراعی از جمله غلات داراست (Herridge et al., 1995). این محصول عمدتاً تحت شرایط دیم کشت میشود. نخود به عنوان سومین محصول در بین حبوبات جهان است و در ایران نیز از مهمترین حبوبات به شمار میرود. ایران از نظر سطح زیر کشت این محصول چهارمین رتبه را پس از هند، پاکستان و ترکیه به خود اختصاص داده است (Sabaghpour et al., 2006). عملکرد گیاه نخود 358 کیلوگرم در هکتار است که نسبت به میانگین عملکرد جهانی و کشورهای مهم تولید کننده نخود بسیار پایین است به طوری که کمتر از نصف میانگین جهانی است. عوامل مختلفی در پایین بودن عملکرد نخود در ایران مؤثر هستند که مهمترین آن فقدان بارندگی کافی در طی رشد و نمو است (Sabaghpour et al., 2006). گزارشها نشان میدهد که رقمهای مقاوم به تنشهای محیطی میتوانند از طریق القا کردن سیستمهای دفاع آنتیاکسیدانی با تنشهای محیطی مقابله کنند. بنابراین، بین سیستم دفاع آنتیاکسیدانی و تحمل شرایط تنش ارتباط وجود دارد (Demiral and Türkan, 2004). به هر حال، اطلاعات در ارتباط با پاسخ آنتیاکسیدان ریشه و ساقه نخود تحت شرایط تنش خشکی و ارتباط آن با میزان نسبی مقاومت به تنش محدود است. شناسایی مکانیسمهای بیوشیمیایی و فیزیولوژیک که در مقاومت به تنش خشکی دخالت دارند، میتواند به انتخاب رقمهای مقاوم به خشکی کمک کند. در این مطالعه، پاسخ شاخصهای رشد، فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان، غلظت پرولین، پراکسیداسیون لیپیدهای غشا و غلظت H2O2 به تنش خشکی اعمال شده توسط PEG 6000 در سه رقم نخود بررسی شد.
مواد و روشها
این پژوهش روی سه رقم نخود (بیونیج، آرمان و جم) تهیه شده از مرکز دیم ایران در قالب طرح کاملاً تصادفی با 3 تکرار در شرایط گلخانه انجام شد. سطح بذرها با اتانول 80 درصد برای 30 ثانیه و هیپوکلریت سدیم 5 درصد به مدت 2 دقیقه ضدعفونی و 10 مرتبه با آب مقطر استریل شستشو شد و در گلدان حاوی پرلیت کشت شد. به منظور حفظ ظرفیت نگهداری آب خاک تا نزدیک ظرفیت مزرعه گیاهان هر روز با محلول غذایی 50 درصد هوگلند آبیاری شدند (Hoagland and Arnon, 1950) و برای 4 هفته در شرایط تنظیم شده (16 ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی، 25 درجه سانتیگراد در روز و 18 درجه سانتیگراد شب، 70 درصد رطوبت نسبی) نگهداری شدند.
پس از 4 هفته رشد گیاهان در شرایط کنترل شده به منظور القای تنش خشکی با پتانسیل اسمزی 5/0- و 1- مگاپاسگال از روش Michel و Kaufmann (1973) و برای ایجاد پتانسیل اسمزی صفر (شاهد) از آب مقطر استفاده شد. گیاهان 15 روز پس از آغاز تنش خشکی همراه با شاهد در همان روز برداشت شدند.
1/0 گرم بافت تازه ریشه و ساقه در یک هاون چینی سرد با 5/1 میلیلیتر بافر استخراجی سرد شامل 50 میلیمولار بافر فسفات پتاسیم با اسیدیته 7، 1/0 میلیمولار EDTA (اتیلن دی آمین تترا استیک اسید)،
1 میلیمولار PMSF (فنیل متیل سولفونیل فلوراید) به عنوان بازدارنده پروتئاز و 10 درصد (W/W) PVP (پلی وینیل پیرولیدون) ساییده و به مدت 20 دقیقه با
g 15000در دمای صفر تا 4 درجه سانتیگراد سانتریفیوژ شد. عصاره حاصل برای تخمین فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان و میزان کل پروتئینهای محلول استفاده شد. میزان کل پروتئینهای محلول طبق روش برادفورد (Bradford, 1976) با استفاده از سرم آلبومین گاوی به عنوان استاندارد اندازهگیری شد.
فعالیت کاتالاز (CAT; EC 1.11.1.6) بر اساس کاهش جذب در طول موج 240 نانومتر به واسطه کاتابولیزه شدن H2O2 طبق روش پیشنهاد شده توسط Aebi (1984) اندازهگیری شد. فعالیت آنزیم بر حسب میکرومولار H2O2 در دقیقه در هر میلیگرم پروتئین و ضریب خاموشی mM-1cm-1 036/0 گزارش شد. فعالیت آسکوربات پراکسیداز (APX; EC 1.11.1.11) بر اساس روش Nakano و Asada (1981) اندازهگیری شد و فعالیت آنزیم بر حسب میکرومول آسکوربات در دقیقه در هر میلیگرم پروتئین با استفاده از ضریب خاموشی آسکوربات mM-1Cm-1 8/2 محاسبه شد. فعالیت آنزیم گلوتاتیون ردوکتاز (GR; EC1.8.5.1) توسط کاهش در جذب در طول موج 340 نانومتر به واسطه اکسیداسیون NADPH اندازهگیری شد (Dalton et al., 1986). فعالیت این آنزیم با استفاده از ضریب خاموشی mM-1cm-1 2/6 محاسبه شد و فعالیت آنزیم بر حسب میکرومولار NADPH در دقیقه در میلیگرم پروتئین گزارش شد. فعالیت آنزیم پراکسیداز (POD; EC1.11.17) در طول موج 470 نانومتر توسط توانایی آن برای تبدیل گایاکول به تتراگایاکول به صورت افزایش در جذب اندازهگیری شد (Bergmeyer, 1974).
سنجش میزان پراکسیداسیون لیپیدها
میزان آسیب غشا توسط اندازهگیری میزان مالوندیآلدئید (MDA) به عنوان محصول نهایی پراکسیداسیون لیپیدهای غشا تخمین زده شد. غلظت مالوندیآلدئید طبق روش واکنش تیوباربیتوریک اسید (TBA) اندازهگیری شد (Dhindsa and Matowe, 1981).
سنجش پراکسیدهیدروژن (H2O2)
میزان پراکسید هیدروژن به روش اسپکتروفتومتری پس از واکنش با یدید پتاسیم (KI) در طول موج 390 نانومتر اندازهگیری شد و غلظتهای مختلف H2O2 برای تهیه منحنی استاندارد استفاده شد (Alexieva et al. 2001).
اندازهگیری پرولین
میزان پرولین بر اساس روش Bates و همکاران (1973) در طول موج 520 نانومتر اندازهگیری شد و مقدار پرولین در هر نمونه با استفاده از منحنی استاندارد تعیین شد.
تحلیل دادهها
برای تحلیل دادهها از نرمافزار آماری SPSS نسخه 16 استفاده شد. مقایسه میانگین دادهها بر اساس آزمون دانکن در سطح آماری 5 درصد (P≤0.05) و رسم نمودارها با نرمافزار Excel انجام شد.
نتایج
تأثیر تنش خشکی بر شاخصهای رشد
برای بررسی پاسخ شاخصهای رشد سه رقم نخود (بیونیج، جم و آرمان) به تنش خشکی، گیاهان نخود به مدت 15 روز در معرض دو سطح تنش اسمزی (5/0- و 1- مگاپاسگال) قرار گرفتند. نتایج مربوط به تأثیر تنش خشکی بر وزن خشک ساقه، ریشه و وزن خشک کل گیاه در جدول 1 نشان داده شده است. بر اساس نتایج، تحت تنش خشکی وزن خشک ساقه، ریشه و همچنین، وزن خشک کل گیاه در سه رقم نخود آزمایش شده به میزان معنیداری کاهش نشان داد، به طوری که در پتانسیلهای اسمزی 5/0- و 1- مگاپاسگال، وزن خشک کل گیاه برای رقم بیونیج به ترتیب 11 و 20 درصد، برای رقم جم به ترتیب 28 و 51 درصد و برای رقم آرمان به ترتیب 16 و 33 درصد کاهش نشان داد. پاسخ وزن خشک ساقه و ریشه به تنش خشکی اعمال شده بسته به نوع رقم نخود مورد آزمایش متفاوت بود. میزان کاهش وزن خشک ساقه پس از اعمال 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی در رقم بیونیج به ترتیب 17 و 26 درصد، در رقم آرمان 20 و 37 درصد و در رقم جم به ترتیب 27 و 50 درصد تخمین زده شد. نتایج نشان داد که وزن خشک ریشه در پتانسیلهای اسمزی 5/0- و 1- مگاپاسگال در سه رقم نخود مورد مطالعه کاهش پیدا کرد، در حالی که بیشترین کاهش در وزن خشک ریشه به رقم جم مربوط بود. نسبت ریشه به ساقه در رقمهای بیونیج و آرمان تحت تنش خشکی به میزان معنیداری از این نسبت در گیاه شاهد بیشتر بود، با وجود این، در رقم جم تنش خشکی تأثیر معنیداری بر نسبت ریشه به ساقه نداشت.
جدول 1- تأثیر تنش خشکی بر وزن خشک ساقه (گرم در هر گیاه)، وزن خشک ریشه (گرم در هر گیاه)، نسبت وزن خشک ریشه به ساقه و وزن خشک کل گیاه (گرم در هر گیاه) در سه رقم نخود. مقادیر، میانگین 3 تکرار است. حروف مشترک بیانگر عدم اختلاف معنیدار با استفاده از آزمون دانکن در سطح p<0.05 است.
رقم |
تیمار |
وزن خشک ساقه |
وزن خشک ریشه |
وزن خشک ریشه به ساقه |
وزن خشک کل گیاه |
بیونیج |
شاهد |
75/1a |
39/1a |
79/0b |
14/3a |
-5/0 Mpa |
45/1b |
32/1a |
91/0a |
77/2b |
|
-1 Mpa |
28/1c |
22/1b |
95/0a |
5/2c |
|
جم |
شاهد |
81/0e |
44/0d |
54/0c |
25/1f |
-5/0 Mpa |
59/0f |
31/0e |
52/0c |
90/0h |
|
-1 Mpa |
40/0g |
21/0f |
52/0c |
61/0i |
|
آرمان |
شاهد |
3/1c |
55/0c |
42/0d |
85/1d |
-5/0 Mpa |
04/1d |
50/0c |
48/0cd |
54/1e |
|
-1 Mpa |
81/0e |
43/0d |
53/0c |
24/1g |
تأثیر تنش خشکی بر پروتئینهای محلول، میزان پرولین، سطح H2O2 و پراکسیداسیون لیپیدهای غشا
غلظت پرولین، H2O2 و پروتئینهای محلول و همچنین، میزان پراکسیداسیون لیپیدها در رقمهای بیونیج، جم و آرمان تحت تنش خشکی و گیاهان شاهد در جدول 2 نشان داده شده است. نتایج نشان داد که میزان MDA به عنوان شاخصی برای تعیین پراکسیداسیون لیپیدهای غشا در ساقه سه رقم نخود مورد بررسی تحت 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی در مقایسه با میزان آن در گیاه شاهد به میزان معنیداری افزایش پیدا میکند، در حالی که میزان MDA تجمع یافته در ساقه تحت تنش خشکی بین سه رقم نخود تفاوت وجود داشت به نحوی که میزان تجمع MDA در رقم جم در مقایسه با دو رقم دیگر به میزان معنیداری بیشتر بود (جدول 2 الف). تنش خشکی تأثیر معنیداری بر میزان MDA ریشه در سه رقم نخود مورد بررسی نداشت (جدول 2 ب). میزان پروتئینهای محلول در سه رقم نخود مورد بررسی تحت تنش خشکی در مقایسه با شاهد کاهش معنیداری نشان داد، ولی میزان کاهش در رقم جم در مقایسه با دو رقم دیگر به میزان درخور توجهی بیشتر بود (جدول 2 الف). در مقابل، تنش خشکی میزان پروتئین محلول ریشه را تنها در رقم جم به میزان معنیداری کاهش داد (جدول 2 ب). نتایج مربوط به اندازهگیری تغییرات در میزان پرولین ساقه و ریشه در سه رقم نخود تحت شرایط پتانسیل اسمزی 5/0- و 1- مگاپاسگال نشان داد که تنش خشکی تجمع درخور توجهی از پرولین را در ریشه و ساقه القا میکند که میزان این تجمع در بافتهای ساقه رقم بیونیج و آرمان به میزان معنیداری در مقایسه با میزان تجمع آن در رقم جم بیشتر بود. در مقابل، اگرچه تنش خشکی باعث افزایش معنیداری در محتوای پرولین ریشه در سه رقم تحت بررسی شد، با وجود این، اختلافی در میزان پرولین تجمع یافته در میان رقمهای مورد بررسی مشاهده نشد (جدول 2). تأثیر سطوح مختلف تنش خشکی بر غلظت H2O2 ساقه بسته به نوع رقم نخود متفاوت بود. در رقمهای بیونیج و آرمان، اعمال 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی باعث تغییر معنیداری در میزان H2O2 نشد، در حالی که به دنبال تشدید تنش (1- مگاپاسگال) افزایش معنیداری در سطوح H2O2 مشاهده شد که میزان آن در رقم آرمان به میزان درخور توجهی از رقم بیونیج بیشتر بود. در رقم جم، هر دو سطح تنش خشکی اعمال شده باعث افزایش معنیداری در غلظت H2O2 ساقه شد (جدول 2).
جدول2- تأثیر تنش خشکی بر غلظت پروتئین محلول (mg. ml-1)، پرولین (µmol. g-1FW)، H2O2 (nmol. g-1FW) مالوندیآلدئید (MDA) (nmol. g-1FW) ساقه (الف) و ریشه (ب) در سه رقم نخود. مقادیر، میانگین 3 تکرار است. حروف مشترک بیانگر عدم اختلاف معنیدار با استفاده از آزمون دانکن در سطح p<0.05 است. (الف)
رقم |
تیمار |
پروتئین محلول |
پرولین |
H2O2 |
MDA |
بیونیج |
شاهد |
10a |
8/9e |
8/4g |
23/9d |
-5/0 Mpa |
48/9ab |
7/40c |
5/6fg |
23c |
|
-1 Mpa |
87/7cd |
3/85a |
18c |
4/37b |
|
جم |
شاهد |
94/6d |
8/7e |
3/7ef |
9d |
-5/0 Mpa |
43/4f |
2/19e |
2/19c |
9/20c |
|
-1 Mpa |
16/3g |
4/34d |
9/35a |
2/39b |
|
آرمان |
شاهد |
48/9ab |
7/8e |
9de |
5/9d |
-5/0 Mpa |
83/8bc |
2/31d |
4/10d |
8/41b |
|
-1 Mpa |
94/5e |
5/64b |
3/27b |
60a |
(ب)
رقم |
تیمار |
پروتئین محلول |
پرولین |
H2O2 |
MDA |
بیونیج |
شاهد |
43/5a |
9/5bc |
3/13bc |
7/6cd |
-5/0 Mpa |
5/5a |
6/6bc |
13/14bc |
24/7bcd |
|
-1 Mpa |
5/5a |
2/16a |
96/12c |
63/6cd |
|
جم |
شاهد |
58/4b |
6/5bc |
63/16a |
6d |
-5/0 Mpa |
06/3c |
5/5bc |
13/16a |
6/6cd |
|
-1 Mpa |
25/2d |
8/16a |
96/14ab |
23/7bcd |
|
آرمان |
شاهد |
73/5a |
9/6bc |
3/13bc |
79/7abc |
-5/0 Mpa |
2/5ab |
6/7b |
5/13bc |
7/8a |
|
-1 Mpa |
08/5ab |
2/16a |
36/13bc |
2/8ab |
تأثیر تنش خشکی بر فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان
به منظور بررسی پاسخ سیستم آنتیاکسیدانی سه رقم نخود مورد بررسی به تنش خشکی، فعالیت آنزیمهای APX، POD، GR و CAT در ریشه و ساقه بررسی شد (شکلهای 1 و 2). میزان فعالیت آنزیم APX ساقه در رقمهای آرمان و بیونیج تحت تنش خشکی افزایش معنیداری را در مقایسه با میزان آن در شاهد نشان داد، به طوری که پس از اعمال 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی، سطح فعالیت این آنزیم در رقم بیونیج به ترتیب 192 و 226 درصد و در رقم آرمان در هر دو سطح خشکی تقریباً 115 درصد افزایش نشان داد (شکل 1 الف). در سطح 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی، فعالیت آنزیم APX ریشه در رقمهای بیونیج، جم و آرمان اختلاف معنیداری با شاهد نشان نداد، ولی با تشدید تنش خشکی (1- مگاپاسگال) فعالیت این آنزیم در رقمهای بیونیج و جم افزایش معنیداری را در مقایسه با شاهد نشان داد (شکل 2 الف).
در هر دو سطح تنش اسمزی، میزان فعالیت آنزیم پراکسیداز (POD) ریشه و ساقه در سه رقم مورد بررسی به میزان درخور توجهی افزایش نشان داد، با وجود این، بیشترین فعالیت آنزیم در رقمهای آرمان و بیونیج مشاهده شد (شکلهای 1 ب، 2 ب).
پاسخ آنزیم گلوتاتیون ردوکتاز (GR) به شرایط تنش خشکی در سه رقم نخود مورد بررسی کاملاً متفاوت بود. در بیونیج و آرمان، فعالیت GR در ساقه پس از اعمال 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی به ترتیب 218 و 200 درصد افزایش نشان داد و با تشدید تنش خشکی (1- مگاپاسگال) فعالیت این آنزیم به ترتیب 345 و 298 درصد افزایش پیدا کرد (شکل 1 ج). به هر حال، فعالیت این آنزیم در رقم جم پس از اعمال 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی کاهش یافت. از طرف دیگر، فعالیت GR ریشه در رقم بیونیج تحت 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی کاهش نشان داد، در حای که در 1- مگاپاسگال تنش خشکی فعالیت این آنزیم افزایش پیدا کرد. در رقم جم فعالیت آنزیم GR ریشه تحت هر دو سطح تنش خشکی تفاوت معنیداری را با فعالیت آن در شاهد نشان نداد و در رقم جم نیز کاهش در فعالیت این آنزیم در ریشه در هر دو سطح تنش خشکی مشاهده شد (شکل 2 ج).
در رقمهای بیونیج و آرمان، فعالیت آنزیم CAT ساقه تحت 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی تغییر درخور توجهی نشان نداد، در حالی که با اعمال خشکی شدیدتر (1- مگاپاسگال)، فعالیت این آنزیم کاهش معنیداری را نسبت به فعالیت آن در گیاه شاهد در هر دو رقم نشان داد. از طرف دیگر، هر دو سطح تنش خشکی اعمال شده (5/0- و 1- مگاپاسگال) به طور معنیداری باعث کاهش فعالیت آنزیم CAT در رقم جم نسبت به شاهد شد (شکل 1 د). پاسخ فعالیت CAT ریشه به تنش خشکی بسته به نوع رقم نخود متفاوت بود. در رقم بیونیج، فعالیت کاتالاز تحت 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی در مقایسه با فعالیت آن در گیاه شاهد افزایش نشان داد که از نظر آماری معنیدار بود، در حالی که در آرمان اعمال 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی تأثیری بر فعالیت آنزم نداشت، در حالی که در 1- مگاپاسگال تنش خشکی فعالیت آنزیم به طور معنیداری افزایش یافت. در رقم جم، فعالیت آنزیم CAT ریشه تحت 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی تأثیری بر فعالیت آنزیم نداشت (شکل 2 ج).
الف |
الف |
ب |
ب |
ج |
ج |
د |
د |
شکل 1- فعالیت آنزیمهای آسکوربات پراکسیداز (الف)، گایاکول پراکسیداز (ب)، گلوتاتیون ردوکتاز (ج) و کاتالاز (د) در ساقه سه رقم نخود تحت 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی اعمال شده توسط PEG 6000 برای 15 روز. مقادیر، میانگین 3 تکرار است. حروف مشترک بیانگر عدم اختلاف معنیدار |
شکل 2- فعالیت آنزیمهای آسکوربات پراکسیداز (الف)، گایاکول پراکسیداز (ب)، گلوتاتیون ردوکتاز (ج) و کاتالاز (د) در ریشه سه رقم نخود تحت 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش خشکی اعمال شده توسط PEG 6000 برای 15 روز. مقادیر، میانگین 3 تکرار است. حروف مشترک بیانگر عدم اختلاف معنیدار با استفاده از آزمون دانکن در سطح p<0.05 است. |
بحث
تنش خشکی یکی از عوامل اصلی کاهش محصول در گیاهان است. در حال حاضر به علت توسعه مناطق خشک و نیمهخشک و همچنین، محدود بودن منابع آبی شناسایی و انتخاب رقمهای گیاهی مقاوم به تنش کم آبی برای به کمینه رساندن مشکلات آینده جهان برای تأمین مواد غذایی الزامی است. برای دستیابی به این هدف، تعیین درجه مقاومت گونههای گیاهی به تنش خشکی و همچنین، شناخت مکانیسمهای دخیل برای بقا گیاهان تحت شرایط خشک و نیمهخشک ضروری است (Rahnama and Ebrahimzadeh 2005). تنوع در میزان تولید بیوماس ریشه و ساقه تحت شرایط تنش در بین رقمهای مختلف گیاهی نشان داده است که رقم گیاهی عامل مهمی در تعیین میزان مقاومت به شرایط تنش است (Hossein Boldaji et al., 2012).
نتایج این مطالعه نشان داد که میزان وزن خشک ساقه، ریشه و همچنین، وزن خشک کل گیاه تحت تنش خشکی اعمال شده توسط PEG 6000 در سه رقم نخود مورد بررسی به طور معنیداری کاهش مییابد. کاهش مشاهده شده در شاخصهای رشدی ممکن است نتیجه کاهش سرعت فتوسنتز تحت تنش خشکی باشد که میتواند به بسته شدن روزنهها یا کاهش سطح برگ در پاسخ به تنش خشکی نسبت داده شود. در بین سه رقم بررسی شده، بیشترین کاهش در میزان وزن خشک ساقه و ریشه تحت تیمارهای 5/0- و 1- مگاپاسگال تنش اسمزی در رقم جم مشاهده شد و از آنجا که میزان مقاوم بودن رقمهای گیاهی بر اساس میزان تولید بیوماس تحت شرایط تنش در مقابل شرایط شاهد ارزیابی میشود، به این ترتیب رقم جم به عنوان رقم حساس به تنش خشکی و رقمهای بیونیج و آرمان به عنوان رقمهای مقاوم به خشکی در نظر گرفته شدند. رقم بیونیج در مطالعه دیگری نیز به عنوان رقم مقاوم به تنش خشکی تأیید شده است (Mafakheri et al., 2011). تأثیر رقم گیاهی روی مقاومت گیاه به شرایط تنش در سایر گونههای گیاهی مانند یونجه (Hossein Boldaji et al., 2012) نیز تأیید شده است. نتایج این مطالعه همچنین نشان داد که در رقمهای بیونیج و آرمان وزن خشک ساقه تحت تنش خشکی بیشتر از وزن خشک ریشه کاهش پیدا کرد، به طوری که نسبت ریشه به ساقه در گیاهان تحت تنش خشکی به میزان معنیداری از گیاهان شاهد بیشتر بود. به این ترتیب میتوان پیشنهاد کرد که افزایش در وزن خشک ریشه به ساقه در رقمهای بیونیج و آرمان میتواند به توسعه یافتن بیشتر سیستم ریشه در این رقمها تحت شرایط تنش مربوط باشد که به جذب آب کمک میکند.
پرولین از طریق مکانیسمهای مختلف شامل تنظیم وضعیت اسمزی، سمّزدایی گونههای فعال اکسیژن و ثبات آنزیمها یا پروتئینها، گیاهان را در مقابل تنشهای محیطی محافظت میکند. در برخی از گیاهان ثابت شده است که تغییرات میزان پرولین با توانایی آنها برای تحمل یا سازش به شرایط تنش مرتبط است و میتواند به عنوان شاخصی برای انتخاب گیاهان مقاوم به تنش استفاده شود (Niknam et al., 2006). در مقابل، گزارشهایی وجود دارد که بیان میکند پرولین نمیتواند به عنوان یک شاخص معتبر برای انتخاب گونههای گیاهی مقاوم به شرایط تنش استفاده شود (Yazici et al., 2007). بر اساس نتایج این مطالعه، تنش خشکی تجمع پرولین را در ساقه در سه رقم نخود مورد بررسی القا کرد، البته میزان تجمع در رقم جم در مقایسه با دو رقم دیگر به میزان درخور توجهی پایینتر بود. تجمع پرولین در پاسخ به تنشها در میان گونههای گیاهی گزارش شده است.
یکی از تغییرات بیوشیمیایی که در گیاهان تحت شرایط تنش خشکی اتفاق میافتد، تجمع ROS است. در گزارشهای متعددی بیان شده است که تنش خشکی میزان تولید ROS را افزایش میدهد(Foyer and Noctor, 2003). سلولهای گیاهی قادرند از طریق القا سیستم دفاع آنتیاکسیدانی بر شرایط تنش اکسیداتیو ایجاد شده تحت تنش غلبه کنند (Alscher et al., 2002). بنابراین، توانایی برای به دام انداختن گونههای فعال اکسیژن یک راهکار سازشی در گیاهان است که گونههای گیاهی از آن برای مقابله با تنش اکسیداتیو استفاده میکنند (Foyer and Noctor, 2003). مقاومت گیاه به تنشهای مختلف محیطی ممکن است با سطح فعالیت آنزیمهای مسؤول به دام انداختن رادیکالهای آزاد اکسیژن مرتبط باشد (Mckersie et al., 1996). پاسخ آنتیاکسیدانها به کمبود آب، به شدت تنش و نوع گونه گیاهی بستگی دارد. گونههای گیاهی مقاوم معمولاً ظرفیت حفاظتی کارآمدتری در مقابل تنش اکسیداتیو القا شده توسط تنش کم آبی دارند که میتواند از طریق بالا بردن میزان فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان افزایش پیدا کند (Hossein Boldaji et al., 2012). H2O2 یک ترکیب سمّی برای سلولهاست و باید به سرعت توسط سیستم دفاع آنتیاکسیدانی به آب و اکسیژن تبدیل شود (Guo et al., 2006) در غیر این صورت میتواند از طریق پراکسیداسیون لیپیدها به غشا سلولی، ساختمان پروتئینها و DNA آسیب وارد کند و از فرآیند فتوسنتز و فعالیت آنزیمهای دیگر جلوگیری کند (Gupta and Gupta, 2005). چندین آنزیم سطوح H2O2 را درون سلول تنظیم میکنند که مهمترین آنها کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز و پراکسیداز (گایاکول پراکسیداز) است.
آنزیم POD نقش کلیدی در سمّزدایی H2O2، حذف مالوندیآلدئید که باعث پراکسیداسیون غشا میشود و حفظ ثبات و پایداری دیواره سلولی بازی میکند (Hojati et al., 2011). نتایج این مطالعه نشان داد که فعالیت آنزیم POD ساقه و ریشه در سه رقم نخود مورد آزمایش تحت تنش خشکی به طور درخور توجهی در مقایسه با شاهد افزایش پیدا کرد، با وجود این، آنزیم POD فعالیت بیشتری را در رقمهای بیونیج و آرمان نسبت به رقم جم نشان داد که نشاندهنده ظرفیت بالاتر برای به دام انداختن ROS در این دو رقم نخود است و بنابراین، آسیب به لیپیدهای غشا پلاسمایی تحت تنش خشکی در این دو رقم کمتر است. نتایج حاصل از مطالعه روی رقم مقاوم و حساس برنج به تنش شوری نیز نشان داده است که تحت تنش شوری سطح فعالیت آنزیم POD در رقم مقاوم به شوری نسبت به رقم حساس به شوری به میزان بیشتری افزایش نشان میدهد ) (Khan and Panda, 2008.
در رقم حساس جم، فعالیت CAT ساقه در هر دو سطح تنش خشکی (5/0- و 1- مگاپاسگال) کاهش معنیداری نشان داد که این کاهش در مقایسه با کاهش فعالیت این آنزیم در رقمهای بیونیج و آرمان تحت تنش 1- مگاپاسگال به میزان درخور توجهی بالاتر بود. توانایی کاهش یافته برای به دام انداختن H2O2 توسط CAT در سه رقم نخود، باعث تجمع ROS و بنابراین، پراکسیداسیون لیپیدهای سیستم غشایی و آسیب اکسیداتیو میشود. نظر به این که سطح فعالیت CAT در رقم جم در مقایسه با دو رقم دیگر به میزان بالاتری کاهش نشان داد، بنابراین تجمع ROS در این رقم بیشتر است و احتمالاً آسیب اکسیداتیو نیز شدیدتر است. غیرفعال شدن CAT تحت تنش اسمزی ممکن است به واسطه بازداشته شدن سنتز آنزیم یا غیرفعال شدن آنزیم توسط اکسیژن منفرد، پراکسید و هیدروکسیل باشد (Hosseini Boldaji et al., 2012).
GR نیز نقش کلیدی در تنش اکسیداتیو بازی میکند. این آنزیم مسؤول تبدیل گلوتاتیون اکسید شده (GSSG) به گلوتاتیون احیاء شده (GSH) و حفظ نسبت بالای GSH به GSSG است. در مطالعهای افزایش در سطح فعالیت آنزیم GR در برگهای چغندر قند تحت تنش شوری گزارش شده است که ممکن است با میزان توانایی گیاه برای مقاومت به تنش شوری ارتباط نزدیکی داشته باشد (Bor et al., 2003). نتایج این مطالعه نشان داد که با اعمال تنش خشکی فعالیت آنزیم GR ساقه در رقمهای بیونیج و آرمان به میزان معنیداری نسبت به فعالیت آن در شاهد افزایش پیدا کرد، در صورتی که در رقم جم، تنش خشکی باعث کاهش معنیدار فعالیت آنزیم GR در ساقه شد. به این ترتیب میتوان پیشنهاد کرد که کاهش فعالیت GR تحت تنش خشکی باعث حساسیت بیشتر رقم جم به تنش خشکی میشود. در مطالعه دیگری نیز نشان داده شد که در رقم حساس به شوری برنج فعالیت آنزیم GR تحت تنش شوری کاهش بیشتری را نسبت به رقم مقاوم به شوری نشان میدهد (Khan and Panda, 2008).
آسکوربات پراکسیداز از طریق سیکل آسکوربات-گلوتاتیون باعث متابولیزه شدن H2O2 میشود. در سه رقم نخود مورد بررسی، فعالیت APX ساقه در مقایسه با میزان فعالیت آن در ریشه تحت هر دو شرایط شاهد و تنش بیشتر بود. تنش خشکی باعث افزایش معنیداری در فعالیت آنزیم APX ساقه در رقمهای آرمان و بیونیچ شد، ولی سطح افزایش در بیونیج در مقایسه با رقم آرمان به میزان درخور توجهی بیشتر بود. به این ترتیب القای فعالیت APX در این دو رقم توسط تنش خشکی با کارآیی بالاتر مکانیسم دفاع آنتیاکسیدانی در این دو رقم تحت تنش خشکی مرتبط است. در مقابل، فعالیت آنزیم APX در رقم جم تحت 1- مگاپاسگال تنش خشکی در مقایسه با شاهد کاهش نشان داد و به این ترتیب میتوان پیشنهاد کرد که حساسیت رقم جم به تنش خشکی میتواند تا حدودی به واسطه ظرفیت پایینتر این رقم در به دام انداختن ROS باشد که صدمه به این رقم را تحت تنش خشکی افزایش میدهد. در مطالعه مشابهی گزارش شده است که رقم مقاوم به خشکی گندم فعالیت بالاتری از APX را در مقایسه با رقم حساس به خشکی گندم تحت شرایط شدید تتنش خشکی نشان میدهد (Khanna-Chopra and Selote, 2007).
نتایج حاصل از اندازهگیری میزان H2O2 نشان داد که در رقمهای بیونیج و آرمان غلظت H2O2 ساقه در سطح 5/0- مگاپاسگال تنش خشکی تغییری پیدا نکرد، در حالی که با تشدید تنش (1- مگاپاسگال) غلظت آن به میزان معنیداری افزایش پیدا کرد که ممکن است با کاهش در فعالیت آنزیم CAT در این سطح خشکی مرتبط باشد. به علت این که CAT مسؤول حذف بخش عظیمی از H2O2 است (Eyidogan and Tufan öz, 2007). به هر حال، احتمالاً به علت این که فعالیت آنزیمهای APX و POD ساقه در رقم بیونیج تحت شرایط تنش خشکی بیشتر از فعالیت آنها در رقم آرمان افزایش پیدا کرد، بنابراین، میزان H2O2 در رقم بیونیج در مقایسه با رقم آرمان پایینتر است. در رقم حساس به خشکی جم، میزان H2O2 در هر دو سطح خشکی اعمال شده در مقایسه با شاهد افزایش نشان داد که به کاهش در فعالیت آنزیم کاتالاز و عدم فعالیت کافی آنزیمهای دخیل در حذف H2O2 تحت تنش خشکی مربوط میشود.
گزارشها نشان میدهد که آسیب به غشا تحت تنشهای خشکی با افزایش در میزان تولید گونههای فعال اکسیژن مرتبط است و بنابراین، ثبات غشاهای زیستی دال بر مقاومت به تنش خشکی است. تجمع رادیکالهای آزاد اکسیژن تحت تنش خشکی باعث اکسیداسیون اسیدهای چرب غیراشباع دارای چندین پیوند دوگانه در غشا پلاسمایی و ایجاد مالوندیآلدئید (MDA) میشود. پراکسیداسیون لیپیدها به عنوان تولید میزان مالوندیآلدئید (MDA) اندازهگیری شد. پراکسیداسیون لیپیدهای غشا را میتوان به عنوان نشانهای از آسیب اکسیداتیو در نظر گرفت و اغلب از آن به عنوان شاخصی برای تعیین میزان آسیب وارده به غشا تحت تنش استفاده میشود (Khan and Panda, 2008). در این پژوهش، میزان MDA در سه رقم نخود مورد بررسی تحت تنش خشکی در مقایسه با شاهد افزایش نشان داد، در حالی که میزان تجمع MDA در رقم جم در مقایسه با دو رقم دیگر به میزان درخور توجهی بیشتر بود که نشاندهنده سرعت بالاتر پراکسیداسیون لیپیدها در این رقم تحت تنش خشکی است. میزان پایین MDA مشاهده شده در رقمهای آرمان و بیونیج نشان میدهد که این دو رقم تحت تنش خشکی کمتر در معرض پراکسیداسیون لیپیدها قرار گرفته و به این ترتیب پراکسیداسیون کمتر لیپیدها یکی از علتهای مقاومت این دو رقم به تنش خشکی است. گزارشهایی نیز وجود دارد که نشان میدهد در رقم حساس به تنش شوری برنج، میزان تجمع MDA در مقایسه با رقم مقاوم به خشکی بیشتر بود (Khanna-Chopra and Selote, 2007).
نتایج به دست آمده از این مطالعه نشان داد که تنش خشکی، شاخصهای رشدی را در رقمهای بیونیج، آرمان و جم به میزان درخور توجهی تحت تأثیر قرار میدهد. با این وجود، تنوع در حساسیت به تنش خشکی در بین رقمهای نخود مورد مطالعه مشاهده شد. رقمهای بیونیج و آرمان به ترتیب مقاومترین رقمهای مقاوم به خشکی در بین رقمهای مورد مطالعه در نظر گرفته شدند به علت این که این دو رقم سطح بالایی از تولید بیوماس را تحت تنش خشکی حفظ میکنند. از سوی دیگر، نتایج این مطالعه تأیید کرد که تفاوت بین رقمها برای تحمل تنش خشکی با ظرفیت دفاع آنتیاکسیدانی مرتبط است. رقمهای بیونیج و آرمان به ترتیب مکانیسمهای حفاظتی کارآمدتری در مقابل آسیب اکسیداتیو تحت تنش خشکی نشان دادند و بنابراین، به عنوان رقمهای مقاوم به تنش خشکی برای مناطق خشک پیشنهاد میشوند.