نویسندگان
گروه زیستشناسی، دانشکدة علوم، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Lead as an enormous pollutant in the environment affects the metabolic and physiological activities of living organisms, therefore, has attracted more attention in recent years. In this research, the effect of seed priming with sodium hydrosulfide (hydrogen sulfide donor) on growth parameters, total chlorophyll content, soluble sugars and total protein and anatomical index in maize plant under lead stress was investigated. For this purpose, maize seeds were soaked in sodium hydrosulfide (0.5 mM) for 12 hours. Seedlings were treated with Pb 2.5 mM after planting. The results showed that lead stress reduced growth parameters, total chlorophyll, soluble sugars and total protein contents, and in case of structural studies, increased thickness of root and vascular cylinders and size of root parenchymal and epidermal cells, and decreased the thickness of leaf and middle vein. Seed pretreatment with sodium hydrosulfide resulted in an improvement in growth parameters and increased total chlorophyll, soluble sugars, and total protein contents. Regarding the anatomical parameters, sodium hydrosulfide pretreatment, depending on the parameter type, could compensate anatomical factors that were affected by the Pb stress. According to the results, it seems that Pb stress has harmful effects on maize plant, and hydrogen sulfide as a signaling molecule in different ways could increase plant adaptation to stress conditions.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
سرب (Pb) ازجمله فلزهای سمی برای انسان و همچنین جزء عناصر غیرضروری برای گیاهان است که عملکرد زیستی شناختهشدهای ندارد؛ ولی بهعلت حلپذیری این عنصر در آب، بهراحتی از ریشه جذب گیاه میشود (Kim et al., 2002) و با این روش، افزایش این فلز در محیط بر رشد و متابولیسم گیاهان اثر میگذارد (Sharma and Dubey, 2005). سمیبودن سرب در گیاهان جلوگیری از رشد گیاه و فتوسنتز، اختلال در وضعیت آب گیاه، کاهش جذب برخی عناصر ضروری، تغییر در تعادل هورمونی گیاه، مهار یا فعالکردن فعالیتهای آنزیمی، اختلال در ساختار پروتئین، ایجاد تنش اکسیداتیو و افزایش پراکسیداسیون لیپیدها را موجب میشود (Pourrut et al., 2011; Ali et al., 2014). غلظتهای زیاد سرب در خاک القای ریختی غیرعادی را در بسیاری از گونههای گیاهی باعث میشود؛ مثلا سرب ضخیمشدگی نامنظم ریشهچه در گیاه نخود سبز و دیوارة سلولی آندودرم و لیگنینیشدن پارانشیم کوتیکولی را باعث میشود (Sengar et al., 2008). مطابق با گزارشها، سرب قطر ساقه و ریشه را افزایش میدهد که این افزایش از افزایش حجم غلاف آوندی ناشی میشود (Ghelich and Zarinkamar, 2013). بررسیها نشان دادهاند در گیاه سویا سمیبودن سرب تغییرات بافتشناسی در برگها را باعث میشود، پهنک برگ را باریک میکند، آوند چوبی و آبکش در غلاف آوندی را کوچک میکند و قطر آوند چوبی را کاهش میدهد (Elzbieta and Chwil, 2005).
هیدروژن سولفید (H2S) مولکول گازی است که مدتهای طولانی فیتوتوکسین مضر برای رشدونمو گیاهان در نظر گرفته میشد؛ اما درحالحاضر مولکولی کوچک با عملکردهای چندگانه و عملکننده در غلظت کم شناخته میشود. هیدروژن سولفید آثار مثبتی بر رشدونمو گیاهان دارد؛ حرکت روزنهای، القای ریشههای نابهجا و جوانهزنی دانه در تنش اسمزی را با حفاظت گیاه از خسارت اکسیداتیو سرعت میدهد و در مقاومت گیاهان به تنش نیز نقش دارد (Lisjak et al., 2010). تأثیر کاربرد سدیم هیدروسولفید (دهندة هیدروژن سولفید) بهصورت خارجی در کاهش تنش شوری در گیاه یونجه (Wang et al., 2012)، تنش خشکی در گیاه گندم (Shan et al., 2011)، گرما در گیاه توتفرنگی (Christou et al., 2014)، سرما در گیاه انگور (Fu et al., 2013) و تنش فلزهای سنگین مختلف مانند آلومینیوم در گیاه جو (Chen et al., 2013)، سرب در گیاه کلزا (Ali et al., 2014)، کادمیوم در گیاه یونجه (Li et al., 2012) و غیره گزارش شده است.
کاهش فیزیولوژیک و بیوشیمیایی تنش سرب با تیمار سدیم هیدروسولفید در پژوهشهای قبلی Bharwana و همکاران (2014) در گیاه پنبه و Ali و همکاران (2014) در گیاه کلزا بررسی شده است؛ اما تابهحال دربارة اثر پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید در بهبود پاسخهای آناتومیک گیاهان قرارگرفته در تنش سرب پژوهشی انجام نشده است. درحالحاضر از ترکیبات متعددی بهصورت خارجی با اسپریکردن، اضافهکردن به محلول هوگلند و پیشتیمار بذر برای افزایش تحمل گیاهان به تنشهای محیطی استفاده میشود. از روشهای بهکاررفته برای افزایش تحمل به تنشهای محیطی، پیشتیمار بذر یکی از روشهای آسان، مقرونبهصرفه و با احتمال آسیب کمتر است. این روش یکی از راهکارهایی است که بیشتر برای افزایش قدرت گیاهچهها در شرایط محیطی نامطلوب استفاده میشود. با توجه به اهمیت اقتصادی گیاه ذرت، پژوهش حاضر با هدف بررسی اثر پیشتیمار سدیم هیدروسولفید در بهبود شاخصهای فیزیولوژیک و رشد و تغییر ویژگیهای آناتومیک این گیاه در تنش سرب انجام شد.
مواد و روشها
در پژوهش حاضر گیاه ذرت رقم 704 (Zea mays cv. 704) استفاده شد. بذرهای این گیاه از جهاد کشاورزی کرمان تهیه شدند. ابتدا بذرها با هیپوکلریت سدیم 1 درصد بهمدت 5 دقیقه ضدعفونی شدند. پس از 3 بار آبکشی با آبمقطر، در غلظت 5/0 میلیمولار سدیم هیدروسولفید و شاهد آبمقطر بهمدت 12 ساعت خیسانده شدند. آزمایشی مقدماتی برای تعیین مناسبترین غلظت سدیم هیدروسولفید برای اعمال تیمار از بین 4 غلظت مختلف 25/0، 5/0، 1 و 2 میلیمولار انجام شد. پس از این مدت بذرها در پتریدیشهای حاوی کاغذ صافی مرطوب در شرایط تاریکی قرار گرفتند و جوانهزنی بهمدت 3 روز انجام شد. پس از جوانهزنی، دانهرستهای هماندازه انتخاب و در گلدانهای حاوی ماسه و پرلیت به نسبت 2 به 1 کشت شدند. رشد گیاهان در اتاق کشت با شرایط نوری 16 ساعت روشنایی، 8 ساعت تاریکی، دمای بیشینة 27 درجة سانتیگراد، دمای کمینة 20 درجة سانتیگراد و شدت نور 150 میکرومول فوتون بر متر مربع بر ثانیه انجام شد. گیاهان بهمدت دو روز بهصورت یکروز در میان با 80 میلیلیتر آب یا محلول غذایی هوگلند آبیاری شدند؛ سپس گروهی از گیاهان برای اعمال تنش با محلول 5/2 میلیمولار سرب نیترات آبیاری شدند و بهصورت یکروز در میان با آب مقطر و محلول هوگلند حاوی سرب نیترات تغذیه شدند. پس از گذشت 9 روز از اعمال تنش سرب، گیاهان برداشت شدند. برای جلوگیری از انباشتگی سرب در مدت 9 روز، دو بار با آب مقطر شستشو شدند. هنگام برداشت، اندام هوایی و ریشة گیاهان جدا و برای انجام آزمایشهای بعدی در دمای 80- درجة سانتیگراد نگهداری شدند.
اندازهگیری طول ریشه و اندام هوایی و حجم ریشه:پس از برداشت نمونههای شاهد و تیمار، طول بلندترین ریشه از ناحیة یقه تا نوک ریشه و طول بلندترین اندام هوایی از یقه تا نوک برگ با خطکش اندازهگیری شد. حجم ریشه با استوانة مدرج 100 میلیمتری پرشده با 90 میلی لیتر آب اندازهگیری شد. بدیممنظور، ریشههای جداشده از اندام هوایی در آب درون استوانه فرو برده شدند؛ سپس با پیپت 10 میلیمتری حاوی 10 میلیلیتر آب درون استوانة حاوی ریشه آب میریزیم. میزان آب باقیمانده در پیپت حجم ریشه را مشخص میکند که برحسب سانتیمتر مکعب است.
اندازهگیری مقدار کلروفیل کل:برای سنجش میزان کلروفیل و کاروتنوئید از روش (Lichtenthaler, 1987) استفاده شد. 1/0 گرم از برگهای تازة گیاه در هاون چینی حاوی 15 میلیلیتر استون 80 درصد ساییده شد و پس از سانتریفیوژ (مدل 5702، شرکت Eppendorf، آلمان) بهمدت 10 دقیقه و در g 3000، محلول رویی جدا و جذب آن با دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Visible (مدل S2100، شرکت WPA، انگلستان) در طولموجهای 665 و 645 نانومتر خوانده شد. غلظت کلروفیلهای a و b با رابطههای 1 و 2 محاسبه شد. کلروفیل کل از مجموع کلروفیل a و b به دست آمد.
رابطة1 Chl.a = (12.25A665 – 2.79A645)
رابطة 2 Chl.b = (21.21A645 – 5.1A665)
بررسیهای ساختاری: برای مطالعة نمونهها با میکروسکوپ نوری، مقاطع عرضی بهصورت دستی از قسمتهای لازم تهیه شد؛ سپس مقاطع با کارمن زاجی - سبز متیل رنگآمیزی شدند (Hosseini Sarghein et al., 2011). قسمتهای مختلف مد نظر برگ و ریشه با میکروسکوپ نوری (مدل 475200-9901، شرکت Zeiss، آلمان) مجهز به عدسی مدرج، مطالعه شدند. عکسبرداری از نمونهها با دوربین دیجیتالی (مدل DSC-W35، شرکت SONY، ژاپن) نصبشده روی میکروسکوپ انجام شد.
اندازهگیری قطر ریشه و دستجات آوندی ریشه:مقطعگیری دستی برای مطالعة ضخامت ریشه و دستجات آوندی ریشه از 5/1 تا 2 سانتیمتر پایینتر از نوک مریستم رأسی انجام و سپس ضخامت آنها با عدسی مدرج تعیین شد.
اندازهگیری شاخصهای سلولها:برای اندازهگیری سلولهای اپیدرمی و پارانشیمی ریشه، بزرگترین سلولها انتخاب شدند و اندازة آنها با عدسی مدرج تعیین شد (Hosseini Sarghein et al., 2011).
اندازهگیری ضخامت برگ و رگبرگ میانی:برای بررسی ضخامت برگ و رگبرگ، مقطعگیری از ناحیة میانی برگ نمونههای شاهد و تیمار انجام شد.
سنجش مقدار قندهای محلول:بدینمنظور، از روش فنل سولفوریک اسید استفاده شد که براساس هیدرولیز اسیدی قندهای محلول است و ضمن ایجاد ترکیب فورفورال با فنل، کمپلکس رنگی تولید میکند (Dubios et al., 1956). 5/0 گرم وزن تر گیاه از هر تیمار توزین شد و با 5 میلیلیتر آب مقطر در هاون، خوب ساییده و سپس با کاغذ صافی صاف شد. یک میلیلیتر از عصارة بهدستآمده درون لولة آزمایش منتقل شد؛ سپس به آن 5/1 میلیلیتر آب مقطر، یک میلیلیتر فنل 55 درصد (V/W) و 3 میلیلیتر سولفوریک اسید 98 درصد اضافه شد. لولهها بهمدت یک ساعت در دمای آزمایشگاه گذاشته شدند تا رنگ نهایی به دست آید. شدت رنگ حاصله در طول موج 485 نانومتر با دستگاه اسپکتروفتومتر خوانده شد. برای تعیین غلظت قندهای محلول، نمودار استانداردی با غلظتهای معلوم گلوکز تهیه شد.
سنجش میزان پروتئینهای محلول:اندازهگیری محتوای پروتئین محلول با روش Lowry و همکاران (1951) انجام شد. بدینمنظور، به 2/0 گرم بافت تازه، 4 میلیلیتر بافر تریس - هیدروکلریک اسید 2/0 مولار با 8=pH اضافه شد که حاوی تریس 2/0 نرمال، ساکارز 50 میلیمولار و آسکوربیک اسید 05/0 میلیمولار بود و حجم نهایی بافر با آب مقطر به 100 میلی لیتر رسانده شده بود. مخلوط بافر و بافت گیاهی بهمدت 24 ساعت در یخچال قرار داده شد؛ سپس بهمدت 20 دقیقه در g 4000 سانتریفیوژ شد. 1 میلیلیتر از فاز بالایی محتوی پروتئینهای محلول برداشته و 4 میلیلیتر معرف مس سولفات قلیایی به آن اضافه شد. پس از 10 دقیقه 5/1 میلیلیتر از محلول رقیقشدة فولین - سیوکالتیو که قبلاً به نسبت 9:1 با آب مقطر رقیق شده بود به آن افزوده و 30 دقیقه در تاریکی قرار داده شد. درنهایت، جذب نمونهها در طولموج 660 نانومتر خوانده و میزان پروتئین محلول با توجه به نمودار استاندارد پروتئین تهیهشده با غلظتهای آلبومین سرم گاوی محاسبه شد.
تحلیل آماری:پژوهش حاضر در قالب طرح کاملا تصادفی انجام شد. برای هر تیمار سه تکرار در نظر گرفته شد. تحلیل واریانس یکسویة دادههای حاصل از اندازهگیری شاخصها با نرمافزار SPSS، نسخة 19 انجام و میانگین دادهها با آزمون دانکن مقایسه شد. 05/0 > p، اختلاف معنی دار در نظر گرفته شد.
شاخصهای رشد و محتوای کلروفیل کل:نتایج آزمون F نشان دادند همة شاخصهای رشد شامل طول ریشه و اندام هوایی و حجم ریشه در گیاه ذرت قرارگرفته در تنش سرب نسبت به شاهد مطابق با دادههای تجزیة واریانس (جدول 1) بهطور معنیدار (05/0 > p) کاهش یافتند. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید افزایش طول ریشه و اندام هوایی و حجم ریشه را در حالت شاهد و تنش باعث شد (جدول 2). همچنین تنش سرب کاهش معنیدار کلروفیل کل را در گیاه ذرت موجب شد؛ اما پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید محتوای کلروفیل کل را در شرایط تنش بهطور معنیدار افزایش داد. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید با اطمینان 95 درصد تأثیر معنیداری بر محتوای کلروفیل کل شاهد نداشت.
شاخصهای آناتومیک:قطر ریشه، قطر دستجات آوندی ریشه، اندازة سلولهای پارانشیم پوست ریشه و اندازة سلولهای اپیدرم ریشه در گیاهان تیمارشده با سرب نسبت به نمونههای شاهد افزایش یافتند. افزایش اندازة سلولهای پارانشیم پوست ریشه مطابق با دادههای تجزیة واریانس (جدول 1) با اطمینان 95 درصد معنیدار نبود. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید کاهش این شاخصها را در گیاهان تیمارشده با سرب باعث شد؛ اما کاهش اندازة سلولهای پارانشیم پوست ریشه با اطمینان 95 درصد معنیدار نبود. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید در شرایط بدون تنش سرب اندازة سلولهای اپیدرم ریشه را افزایش داد (شکل 1 و جدول 3).
بررسی اثر تنش سرب بر ضخامت پهنک برگ و رگبرگ میانی، کاهش معنیدار این شاخصها را نشان داد. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید افزایش معنیدار ضخامت برگ و رگبرگ میانی را در شرایط تنش موجب شد؛ اما تأثیر معنیداری بر ضخامت پهنک برگ و رگبرگ میانی در حالت شاهد نداشت (شکل 1 و جدول 3).
جدول 1- تجزیة واریانس: RL (طول ریشه)، SL (طول اندام هوایی)، RV (حجم ریشه)، TCh (کلروفیل کل)، RD (قطر ریشه)، CCD (قطر استوانه مرکزی)، PCT (ضخامت سلول پارانشیم)، ECT (ضخامت سلول اپیدرم)، LT (ضخامت پهنک برگ)، MT (ضخامت رگبرگ میانی)، RSu (قندهای محلول ریشه)، SSu (قندهای محلول اندام هوایی)، RPro (پروتئین کل ریشه) و SPro (پروتئین کل اندام هوایی)
|
منابع تغییر |
درجة آزادی |
میانگین مجموع مربعات |
|||
|
RL |
SL |
RV |
TCh |
||
|
تیمار |
3 |
**57/139 |
**22/153 |
**65/0 |
*02/19 |
|
خطا |
8 |
10/3 |
50/1 |
04/0 |
87/2 |
|
منابع تغییر |
درجة آزادی |
میانگین مجموع مربعات |
|||||
|
RD |
CCD |
PCT |
ECT |
LT |
MT |
||
|
تیمار |
3 |
*07/0 |
*001/0 |
ns74/43 |
**06/65 |
**002/0 |
**008/0 |
|
خطا |
8 |
01/0 |
000/0 |
43/22 |
68/4 |
000/0 |
000/0 |
|
منابع تغییر |
درجة آزادی |
میانگین مجموع مربعات |
|||
|
RSu |
SSu |
RPro |
SPro |
||
|
تیمار |
3 |
**99/10 |
**68/8 |
*44/5 |
*49/6 |
|
خطا |
8 |
26/0 |
50/0 |
42/0 |
66/0 |
*، معنیداری در سطح 05/؛ **، معنیداری در سطح 01/0 و ns، معنیدارنبودن را نشان میدهد.
جدول 2- اثر پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید بر شاخصهای رشد و محتوای کلروفیل کل گیاه ذرت در شرایط شاهد و تنش سرب- مقادیر، میانگین سه تکرار ± SE هستند. حروف متفاوت بیانکنندة تفاوت معنیدار در سطح 05/0 > p هستند.
|
تیمار |
طول ریشه (سانتیمتر) |
طول اندام هوایی (سانتیمتر) |
حجم ریشه (سانتیمتر مکعب) |
کلروفیل کل (میلیگرم بر گرم وزن تر) |
|
شاهد |
ab 88/0 ± 33/32 |
b 99/0 ± 33 |
b 12/0 ± 06/1 |
a 45/0 ± 39/14 |
|
Pb (mM 5/2) |
c 76/0 ± 50/19 |
c 66/0 ± 33/20 |
c 05/0 ± 40/0 |
b 28/0 ± 15/9 |
|
NaHS (mM 5/0) |
a 20/1 ± 35 |
a 44/0 ± 33/36 |
a 13/0 ± 53/1 |
a 55/1 ± 58/14 |
|
NaHS+Pb |
b 15/1 ± 66/30 |
b 60/0 ± 66/33 |
b 14/0 ± 05/1 |
a 06/1 ± 49/12 |
شاخصهای فیزیولوژیک:دادههای حاصل از اندازهگیری محتوای قندهای محلول و پروتئین کل در تنش سرب، کاهش معنیدار این شاخصها را با اطمینان 95 درصد مطابق با دادههای تجزیة واریانس (جدول 1) نشان دادند. آزمایش حاضر نشان داد پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید افزایش معنیدار مقدار قندهای محلول و پروتئین کل ریشه و اندام هوایی گیاه ذرت را در شرایط تنش باعث شد. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید میزان پروتئین کل اندام هوایی را در شرایط بدون تنش بهطور معنیداری افزایش داد؛ اما تأثیر معنیداری بر محتوای قندهای محلول ریشه و اندام هوایی و پروتئین کل ریشة گیاهان ذرت در شرایط بدون تنش نداشت (شکل 2 و 3).
شکل 1- تصاویر میکروسکوپی تغییرات آناتومیک گیاه ذرت با بزرگنمایی 100- شکل بالا مربوط به ریشه و شکل پایین مربوط به برگ گیاه ذرت است: شرایط بدون تنش (A)، تنش سرب (B)، پیش تیمار بذر با سدیم هیدروسولفید (C) و پیش تیمار بذر با سدیم هیدروسولفید همراه با تنش سرب (D)
جدول 3- اثر پیش تیمار بذر با سدیم هیدروسولفید بر شاخص های آناتومیکی گیاه ذرت در شرایط کنترل و تنش سرب- مقادیر، میانگین سه تکرار ± SE هستند. حروف متفاوت بیانکنندة تفاوت معنیدار در سطح 05/0 > p هستند.
|
تیمار |
قطر ریشه (میلیمتر) |
قطر استوانة آوندی ریشه (میلیمتر) |
ضخامت سلول پارانشیم ریشه (میکرومتر) |
ضخامت سلول اپیدرم ریشه (میکرومتر) |
ضخامت پهنک برگ (میلیمتر) |
ضخامت رگبرگ میانی (میلیمتر) |
|
|
شاهد |
b 04/0 ± 74/0 |
b 008/0 ± 24/0 |
a 60/4 ± 96/45 |
c 38/0 ± 75/20 |
a 014/0 ± 176/0 |
a 026/0 ± 43/0 |
|
|
Pb (mM 5/2) |
a 11/0 ± 07/1 |
a 013/0 ± 29/0 |
a 63/2 ± 29/55 |
a 87/0 ± 41/31 |
b 008/0 ± 11/0 |
c 008/0 ± 30/0 |
|
|
NaHS (mM 5/0) |
b 32/0 ± 77/0 |
ab 004/0 ± 27/0 |
a 20/1 ± 33/50 |
ab 88/0 ± 75/28 |
a 008/0 ± 173/0 |
ab 005/0 ± 39/0 |
|
|
NaHS+Pb |
b 02/0 ± 75/0 |
b 009/0 ± 26/0 |
a 57/0 ± 00/51 |
b 30/1 ± 83/24 |
a 005/0 ± 15/0 |
b 005/0 ± 35/0 |
|
بحث
تنش فلزهای سنگین ازجمله عوامل محدودکنندة رشد ریشه است و کاهش توسعة سیستم ریشهای به محدودشدن رشد بخش هوایی هم منتهی میشود. نتایج بهدستآمده از پژوهش حاضر نشان دادند تنش سرب کاهش شاخصهای رشد شامل طول ریشه و اندام هوایی و حجم ریشة گیاه ذرت را موجب میشود (جدول 2). این کاهش رشد ممکن است نتیجة اختلال در عملکرد هورمونهایی مانند اکسین بر اثر تیمار فلز سنگین باشد (Potters et al., 2007). سرب به نوکلئیک اسیدها متصل میشود؛ تراکم و جمعشدگی کروماتین را موجب میشود؛ فرایند همانندسازی و رونویسی را ممانعت میکند و درنهایت بر تقسیم سلولی و رشد تأثیر میگذارد (Johnson, 1998). در موافقت با نتایج پژوهش حاضر کاهش طول ریشه و اندام هوایی، در گیاه لوبیای قرارگرفته در تنش سرب و کادمیوم نیز مشاهده شده است (Bhardwaj et al., 2009). کاهش حجم ریشه در پژوهش حاضر ممکن است بهدلیل جلوگیری از تشکیل ریشههای جانبی در گیاهان تیمارشده با سرب باشد (Fahr et al., 2013). اندازهگیری محتوای کلروفیل اطلاعاتی دربارة کیفیت انجام فتوسنتز میدهد و کاهش میزان کلروفیل در تیمار سرب نمایانکنندة وسعت آسیبهای اکسیداتیو است. نتایج بهدستآمده از سنجش محتوای کلروفیل (جدول 2) نشان دادند میزان کلروفیل کل بر اثر تیمار سرب کاهش یافت. قرارگیری گیاهان در معرض غلظتهای زیاد فلزهای سنگین کاهش بیوسنتز کلروفیل و جلوگیری از عمل فتوسنتز را موجب میشود. گزارش شده است افزایش فعالیت کلروفیلاز در شرایط فراوانی سرب تخریب کلروفیل را افزایش میدهد (Sharma and Dubey, 2005). آنزیم گاما-آمینولوولنیک اسید دهیدراتاز یکی از آنزیمهای مسیر بیوسنتز
شکل 2- اثر پیش تیمار بذر با سدیم هیدروسولفید بر محتوای قندهای محلول اندام هوایی (A) و ریشة گیاه ذرت (B) در شرایط شاهد و تنش سرب- مقادیر، میانگین سه تکرار ± SE هستند. حروف متفاوت بیانکنندة تفاوت معنیدار در سطح 05/0 > p هستند.
شکل 3- اثر پیش تیمار بذر با سدیم هیدروسولفید بر محتوای پروتئین کل اندام هوایی و ریشة گیاه ذرت در شرایط شاهد و تنش سرب- مقادیر، میانگین سه تکرار ± SE هستند. حروف متفاوت بیانکنندة تفاوت معنیدار در سطح 05/0 > p هستند.
پورفیرینها ازجمله کلروفیل است. فلزهای سنگین با مهار آنزیمهای گاما-آمینولوولنیک اسید دهیدراتاز و پروتوکلروفیلید ردوکتاز مهار بیوسنتز کلروفیل را سبب میشوند. سرب با روی موجود در جایگاه فعال آنزیم گاما-آمینولوولنیک اسید دهیدراتاز جایگزین میشود و بازدارندة این آنزیم است و با این روش کاهش بیوسنتز کلروفیل را موجب میشود (Prasad and Freitas, 2003). در پژوهش حاضر، پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفات بهبود شاخصهای رشد و محتوای کلروفیل کل را باعث شد. بهبود شاخصهای رشد و محتوای کلروفیل با کاربرد سدیم هیدروسولفید بهصورت خارجی در شرایط تنش سرب در گیاهان کلزا و پنبه نیز مشاهده شده است (Ali et al., 2014; Bharwana et al., 2014). بهبود شاخصهای رشد و محتوای کلروفیل کل، آثار مثبت هیدروژن سولفید را بر گیاه ذرت قرارگرفته در تنش سرب نشان میدهد. در پژوهش حاضر بهبود شاخصهای رشد با پیشتیمار هیدروژن سولفید ممکن است بهدلیل بهبود محتوای کلروفیل و درنتیجه بهبود کارایی فتوسنتز باشد. Mostofa و همکاران (2015) بهبود محتوای کلروفیل و درنتیجه بهبود شاخصهای رشد را در گیاه برنج قرارگرفته در تنش کادمیوم به حفاظت کلروفیل دربرابر تنش اکسیداتیو با کاربرد سدیم هیدروسولفید بهصورت خارجی نسبت دادهاند. آنها همچنین گزارش کردند هیدروژن سولفید که مولکولی مشارکتکننده در سیگنالینگ است، فرایند فتوسنتز را با افزایش بیوژنز کلروپلاست و تثبیت دی اکسید کربن بهبود میبخشد.
جذب و تجمع فلزهای سنگین به تغییرات ساختاری و زیرساختاری در ریشة گیاهان منجر میشود. نتایج پژوهش حاضر افزایش قطر ریشه و دستجات آوندی ریشه را در تنش سرب نشان دادند. در موافقت با نتایج بررسی حاضر،Ghelich و Zarinkamar (2013) گزارش کردهاند تنش سرب افزایش قطر ریشه و دستجات آوندی ریشه را در گیاه یونجه باعث میشود. مطالعة حاضر نشان داد افزایش قطر ریشه به افزایش قطر دستجات آوندی مربوط میشود. افزایش قطر ریشه و دستجات آوندی، سازوکاری برای جبران کاهش رشد ریشه است (Panou-Filotheou and Bosabalidis, 2004). گزارشهای متعددی نشان میدهند حضور سرب بر وضعیت آب در گیاهان بهطور معنیداری اثر میگذارد (Sharma and Dubey, 2005). افزایش قطر دستجات آوندی در بررسی حاضر ممکن است به افزایش آب درونی لازم و انتقال راحتتر آب از ریشه به اندام هوایی مربوط باشد و به حفظ روابط آبی گیاه در شرایط تنش کمک کند (Panou-Filotheou and Bosabalidis, 2004). Ghelich و Zarinkamar (2013) با بررسی اثر تنش سرب در گیاه یونجه علت افزایش ناحیة گزیلم را افزایش بلوغ ریشه میدانند که بهدلیل تغییر تعادل هورمونی ناشی از تنش فلزهای سنگین ایجاد میشود. گزارش شده است اتیلن افزایش قطر و کاهش رشد طولی ریشه را باعث میشود (Li et al., 2014). افزایش محتوای اتیلن که هورمون تنش شناخته میشود در تنش های مختلف گزارش شده است (Wani et al., 2016)؛ بنابراین دلیل دیگر افزایش قطر ریشه و کاهش رشد طولی آن در پژوهش حاضر ممکن است افزایش تولید اتیلن در گیاهان قرارگرفته در تنش سرب باشد. در پژوهش حاضر، اندازة سلولهای پارانشیمی پوست ریشه ذرت در تنش سرب افزایش یافت؛ اما این افزایش معنیدار نبود (جدول 3). افزایش اندازة سلول های پارانشیمی پوست ریشه در گیاه سویا در تنش کادمیوم نیز گزارش شده است (Chaca et al., 2014). این پژوهشگران افزایش قطر ریشة مشاهدهشده را در تنش کادمیوم نتیجة افزایش اندازة سلولهای پارانشیمی پوست ریشه میدانند که ممکن است نتیجة کاهش فعالیت میتوزی در منطقة رأسی ریشه و افزایش مقاومت به جریان شعاعی آب و مواد باشد. گزارش شده است افزایش اندازة سلول ممکن است بهدلیل فعالشدن فرایندهای متابولیک برای سازش گیاهان با حضور غلظتهای زیاد سرب در خاک باشد (Kosobrukhov et al., 2004). براساس نتایج ما اندازة سلولهای اپیدرمی ریشه در تنش سرب افزایش یافت (جدول 3). مطالعة Ghelich و Zarinkamar (2013) بر یونجه نشان داد سلولهای اپیدرمی در گیاهان قرارگرفته در تنش سرب نسبت به گیاهان شاهد بزرگتر و نامنظمتر هستند. سلولهای اپیدرمی، بافت مرزی برای تماس مستقیم با فلزهای سمی ایجاد میکنند. آسیب به سلولهای اپیدرمی در پژوهش Panou-Filotheou و Bosabalidis (2004) بر گیاه پونة کوهی بر اثر سمیبودن مس مشاهده شده است که جذب آب و مواد غذایی را کاهش میدهد. Panou-Filotheou و Bosabalidis (2004) افزایش حجم ناحیة پوست و ضخامت دستجات آوندی را در تنش غلظتهای سمی مس برای حفظ آب درونی گزارش کردهاند. Chaca و همکاران (2014) دلیل تغییرات آناتومی ریشة گیاه سویا را در تنش کادمیوم کاهش جذب آب و مواد غذایی، کاهش نرخ تعرق و تغییرات هورمونی گزارش کردهاند.
ضخامت برگ و رگبرگ میانی در گیاهان تیمارشده با سرب کاهش نشان داد (جدول 3). یافتههای پژوهش حاضر با گزارشهای ارائهشده در گیاه بارهنگ در شرایط تنش سرب همسو بود (Kosobrukhov et al., 2004). Chaca و همکاران (2014) گزارش کردهاند تغییرات آناتومیک در برگهای گیاه سویای قرارگرفته در تنش کادمیوم به بازدارندگی رشد سلول بهدلیل مداخلة کادمیوم در تولید جاسمونات مربوط میشود. همچنین گزارش شده است سرب بهطور مستقیم بر طویلشدن سلولها با تأثیر بر آنزیمهای دیوارة سلولی و ATPase موجود در پلاسمالما مؤثر است (Breckle and Kahle, 1992). Kosobrukhov و همکاران (2004) گزارش کردهاند کاهش قطر رگبرگ میانی در نقل و انتقال آب و مواد غذایی اختلال ایجاد میکند.
پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید کاهش ضخامت ریشه و دستجات آوندی ریشه و اندازة سلولهای پارانشیمی پوست و اپیدرم ریشة گیاهان ذرت را در تنش سرب باعث میشود؛ اما این کاهش دربارة اندازة سلولهای پارانشیمی پوست معنیدار نبود. هیدروژن سولفید احتمالاً با تعدیل تنش سرب آثار این فلز سنگین را بر شاخصهای آناتومیک جبران میکند؛ زیرا دادههای آناتومیک در گیاهان پیشتیمارشده با سدیم هیدروسولفید در شرایط تنش به دادههای شاهد نزدیک است. پیشتیمار سدیم هیدروسولفید همچنین افزایش ضخامت برگ و رگبرگ گیاهی را موجب میشود. هیدروژن سولفید مولکول علامتی است که با سایر مولکولهای علامتی مانند نیتریک اکسید و هورمونهای گیاهی برای پاسخهای دفاعی گیاه برهمکنش میکند (Jin and Pei, 2015). هیدروژن سولفید ممکن است با تأثیر بر هورمون اکسین که در طویلشدن و تقسیم سلولی نقش دارد و احتمالاً عمل آن با تنش سرب مختل شده است، افزایش ضخامت برگ و رگبرگ میانی را موجب میشود. افزایش محتوای اکسین و نیتریک اکسید در سه گیاه سویا، Salix matsudana و Ipomoea batatas بر اثر تیمار سدیم هیدروسولفید گزارش شده است (Zhang et al., 2009). Zhang و همکاران (2009) گزارش کردند هیدروژن سولفید تحریک اندامزایی را در ریشة این گیاهان باعث میشود. آنها پیشنهاد کردند هیدروژن سولفید در مسیر علامتی اندامزایی ریشه مولکول علامتی است که در بالادست اکسین و نیتریک اکسید عمل میکند. در بررسی حاضر نیز باتوجهبه شکل 1 تشکیل ریشة جانبی بهوضوح در گیاهان پیشتیمارشده با سدیم هیدروسولفید در حالت شاهد مشاهده میشود.
فلزهای سنگین همانند دیگر تنشهای محیطی در متابولیسم کربوهیدراتها اختلال ایجاد میکنند و تغییر در متابولیسم کربوهیدارتهای محلول مهمترین پاسخ معنیدار گیاهان آلوده به فلز سنگین به شمار میرود (Li et al., 2007). در پژوهش حاضر محتوای قندهای محلول در پاسخ به تنش سرب کاهش یافت (شکل 2). Pandey و Tripathi (2011) کاهش محتوای قندهای محلول را در گیاه Albizia procera قرارگرفته در تنش کادمیوم، آرسنیک و سرب گزارش کردهاند که با نتایج پژوهش حاضر مطابقت داشت. در تغییر محتوای کربوهیدراتها در گیاهان عوامل بسیار گستردهای دخیل هستند و مقدار قندها با فرایندهایی مانند فتوسنتز، تنفس و انتقال ارتباط مستقیم دارد (Rodriguez et al., 2015; Watkinson et al., 2008). کاهش محتوای قند ممکن است بهدلیل بازدارندگی فتوسنتز و تحریک تنفس باشد (Li et al., 2007). کاهش رنگیزههای فتوسنتزی، القای کلروفیلاز، کاهش CO2 در دسترس، کاهش فعالیت کربوکسیلازی روبیسکو، کاهش فعالیت چرخة کالوین و کاهش پروتئینها و آنزیمها و عناصر ضروری در گیاه همه در کاهش محصولات فتوسنتزی نقش دارند (Sultana et al., 1999). در پژوهش حاضر تنش سرب کاهش محتوای پروتئین محلول را باعث شد (شکل 3). Padash و همکاران (2016) کاهش محتوای پروتئین کل را در گیاه ریحان در تنش سرب گزارش کردند. کاهش مقدار قندها که اسکلت کربنی لازم برای سنتز پروتئین هستند یکی از دلایل کاهش پروتئین در گیاهان بررسیشده در پژوهش حاضر است. تنش اکسیداتیو نیز ممکن است یکی از دلایل کاهش مقدار پروتئینها باشد. ROS القاشده با فلزهای سنگین آسیب به نوکلئیک اسیدها را باعث میشود (Michalak, 2006) که درنهایت تولید پروتئینها را کاهش میدهد. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید افزایش محتوای قندهای محلول و پروتئین محلول شد. مشابه نتایج ما کاربرد سدیم هیدروسولفید بهصورت خارجی در گیاهان Bermudagrass در تنش شوری و سرما نیز میزان قندهای محلول را افزایش داد (Shi et al., 2013). همچنین گزارش شده است سدیم هیدروسولفید محتوای پروتئین محلول را در گیاه پنبه در تنش سرب افزایش داده است (Bharwana et al., 2014). به نظر میرسد سدیم هیدروسولفید با افزایش مقدار کلروفیل، کاهش تنش اکسیداتیو، حفاظت از غشاهای کلروپلاستی و سلولی و حفاظت از ماکرومولکولهایی مانند پروتئینها و آنزیمها افزایش میزان قندهای موجود در گیاه ذرت را در تنش سرب موجب میشود. به نظر میرسد هیدروژن سولفید با کاهش میزان تنش اکسیداتیو در حفاظت از غشاها و اندامکهای سلولی ازجمله ماشین پروتئینسازی سلول و ساختار پروتئینها و آنزیمها موفق عمل میکند و از اکسیداسیون یا تجزیة آنها میکاهد؛ درنتیجه بر محتوای پروتئین اثر مثبت دارد. کاهش تنش اکسیداتیو با کاربرد سدیم هیدروسولفید بهصورت خارجی در گیاهان قرارگرفته در تنش در پژوهشهای بسیاری گزارش شده است (Bharwana et al., 2014; Ali et al., 2014).
جمعبندی
در بررسی حاضر تنش سرب کاهش رشد، محتوای کلروفیل کل، قندهای محلول و پروتئین کل و تغییرات آناتومیک را در گیاه ذرت موجب میشود. پیشتیمار بذر با سدیم هیدروسولفید صدمات ناشی از تنش سرب مانند بازدارندگی رشد را کاهش و محتوای کلروفیل، محتوای قندهای محلول و پروتئین کل را افزایش میدهد. همچنین هیدروژن سولفید احتمالاً با تأثیر مثبت بر وضعیت گیاه در شرایط تنش بهبود شاخصهای آناتومیک گیاه را در شرایط تنش موجب میشود.
سپاسگزاری
از خانم مهندس ندا فرناد کارشناس آزمایشگاه بیوشیمی دانشگاه ارومیه، آقای دکتر قاسم محمدی نژاد و خانم دکتر فاطمه ابراهیمی اساتید گروه زراعت دانشگاه شهید باهنر کرمان برای همکاری در پژوهش حاضر سپاسگزاری میشود.
)
