نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
گروه زیستشناسی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
The witches’ broom of the willow trees is induced by photoplasma in the galled branches. The aim of the study is the evaluate the changes in growth and physiological factors and the plant growth-promoting hormones (Auxin, Gibberellin, and Cytokinin) in leaf witches’ broom branches compared with those healthy symptomless branches. The samples were collected from the leaves of ungalled and galled branches of both willow trees in Najvan Park, Isfahan. Results showed that growth parameters, total chlorophyll, and total soluble carbohydrates were decreased in the leaves of witches’ broom branches in both species. However, the relative water content and polyphenol oxidase activity did not show a significant change as compared with those of ungalled branches. In contrast, the ascorbate peroxidase activity did not show a significant difference between the leaves of ungalled and witches’ broom branches in S. babylonica, but its activity was decreased in witches’ broom branches of S. alba. The cytokinin content was increased (more than 50%) in the leaves of witches’ broom branches of both species, but the auxin and GA3 contents in the leaves of witches’ broom branches of S. alba and S. babylonica were significantly decreased by 30.6% and 33.6% respectively as compared with those of healthy control leaves. The concentration of total chlorophyll and water-soluble sugar decreased due to oxidative stress induced by phytoplasma. Reduced growth with no significant change in the relative water content of galled branches in both willow trees is accompanied by the specific hormonal changes of each species which is formed of specific galls for each species.
Introduction
The genus Willows (Salix) are shrubs and trees that usually grow in most parts of the earth. Plant galls are neoformed organs that develop under the influence of galling organisms. Insects, nematodes, viruses, bacteria, mycoplasma, fungi, other plants, and mites are typically considered gall inducers. They cause structural and metabolic changes in their host plants, leading to the formation of the gall organ. Three hypotheses nutrition, microenvironment, and enemy have been proposed for forming galls by insects. The gall formation depends on the level of gene transcription interactions that exist between gall inducers and plants. The function of these genes causes changes in growth and development processes, cytoskeleton organization, cell walls, metabolic pathways, and plant hormone pathways. Recently, Candidatus phytoplasma trifolii caused willow catkin gall on Salix babylonica and S. alba trees, characterized by a unique case of neoplastic formation like witches’ broom structure. The aim of the study is the evaluate of the changes in growth and physiological factors and the plant growth-promoting hormones (Auxin, Gibberellin, and Cytokinin) in leaf witches’ broom branches compared with those healthy symptomless branches.
Material and methods
Leaf samples of trees with gall and their symptomless adjacent branches were collected from Najvan Park, Isfahan province, Iran. The length and width of the leaves were measured and recorded. Fresh and dry weights and relative water content (RWC) of leaves were measured. Total chlorophyll was measured according to the Arnon assay. Water soluble carbohydrates were assessed using the method of Dubois et al. (1956). Activities of ascorbate peroxidase (APX) and polyphenol oxidase (PPO) were measured by the methods of Asada and Takahashi (1987) and Kar & Mishra (1976), respectively. High-performance liquid chromatography (HPLC) was used to analyze plant growth-promoting hormones.
Results and discussion
The gall formation in Salix species is caused by Candidatus phytoplasma trifolii. The gall formation was accompanied by a reduction in the growth of leaves and shoots, which was represented by smaller leaves and shorter internodes. The gallers used nutritional resources of gall and adverse effects on the growth and survival of the host plants. Results showed that relative water content (RWC) showed no significant changes between the witches’ broom structure compared with those of healthy control leaves in both Salix species. Reduction in growth without change in RWC is due to the modification in the expression of genes which is indicated by smaller leaves in gall. Total chlorophyll was reduced in all gall-infected tissue of both Salix species. The reactive oxygen species (ROS) generated to respond to the biological stress in chloroplast can induce oxidative damage to the photosynthetic pigments which leads to the reduction of soluble sugars in the galled leaves. Polyphenol oxidase (PPO) activity did not show a significant change as compared with those of healthy branches in both galled leaves Salix species. In contrast, the ascorbate peroxidase activity did not show a significant difference between the leaves of ungalled and galled branches in S. babylonica. However, its activity was decreased in galled branches of S. alba, which indicated the activity of these enzymes is not a priority in both galled leaves Salix species. The cytokinin content was increased in the leaves of witches’ broom branches of both species. However, the auxin and GA3 contents in the leaves of witches’ broom branches of S. alba and S. babylonica were significantly decreased by 30.6% and 33.6% respectively as compared with those of healthy control leaves. Enhanced cytokinin content in both willow species can be introduced as the main factor in increasing the divisions of witches’ broom branches, which is coordinated with the particular hormonal changes each species which generates special galls them.
Conclusions
Candidatus phytoplasma trifolii reduced the growth of infected tissues characterized by smaller leaves and shorter internodes, followed by the formation of gall structure in both Salix species. According to the results, the high accumulation of ROS in response to the gall formation was accompanied by a reduction of total chlorophyll and water-soluble carbohydrates. Altogether, it seems that the adverse effects of gallers on Salix species refer partly to oxidative stress, which is synchronized with the specific hormonal changes of each species. These events cause the creation of special galls for each species.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
درخت بید (Salix spp.) به شکل درختچهای و درختی دارای بیش از 330 تا 500 گونه است که در اغلب قارهها پراکنده شدهاند (Tawfeek et al., 2021) برخی گونههای درخت بید دارای خواص درمانی هستند (Bajraktari et al., 2022). چوب حاصل از درختان بید در مصارف متعددی مانند تهیه الوار، ساخت مبلمان و خمیر کاغذ استفاده میشود (Salehi-Eskandari et al., 2024). اسم درخت بید سفید (S. alba) از تنه سفید یا رنگ سفید پشت برگها مشتق شده است (Meikle, 1984). گال، بافت نوظهوری در گیاه میزبان است که در اثر حشرات گیاهخوار، نماتودها، باکتریها، مایکوپلاسماها و قارچها القاء شده و با تغییرات بارز ریختی و فیزیولوژیکی نمایان میشود (Favery et al., 2020; Guiget et al., 2021; Oliveira et al., 2016). سه فرضیه تغذیهای، ریز محیطی یا اقلیمی (microenvironment) و دشمنی (enemy) برای تشکیل گال پیشنهاد شده است. طبق فرضیه تغدیهای، بافتهای گال تامین کننده مواد غذایی بوده و به کمک ترکیبات دفاعی تولید شده توسط گیاه از حشرات یا لارو آنها محافظت میکنند (Stone & Schönrogge, 2003). گال با بزرگ کردن پلاسمودسماتا، افزایش نفوذپذیری دیوارههای سلولی و افزایش فشار تورگر سلولهای بافت مغذی، همراه با عمل مکانیکی قطعات دهانی لارو حشرات و تزریق پروتئازها به درون گال، مواد مغذی را برای رشد عوامل گالزا مهیا میکند (Favery et al., 2020; Harris et al., 2006). طبق نظریهی ریز محیطی، گالها، عوامل گالزا را از تنشهای غیرزیستی نامطلوب بهویژه تنش کم آبی محافظت مینمایند (Guiget et al., 2021; Mohajel Kazemi et al., 2020). فرضیه دشمنی بیان میکند، گالها، عوامل گالزا را از حمله دشمنان طبیعی و پاتوژنها محافظت میکنند (Stone & Schönrogge, 2003). عوامل گالزا با القاء تغییرات گسترده در سلولهای میزبان در نهایت، سبب ایجاد گال میشوند. ظهور گال به برنامهریزی مجدد و بیان گستردهای از ژنهای گیاهی وابسته است (Cambier et al., 2019; Takeda et al., 2019). عملکرد این ژنها منجر به تغییر در مسیرهای متابولیکی (Schultz et al., 2019)، فرایندهای رشد (Takeda et al., 2019)، سازماندهی اسکلت سلولی و دیواره سلولی (Bohlmann & Sobczak, 2014; Khajuria et al., 2013) و مسیرهای هورمونی (Gheysen & Mitchum, 2019) میشوند. مقایسه تغییرات فیزیولوژیکی سرشاخههای گال جارویی در بید مجنون نشان دادند برگهای آنها نسبت به سرشاخههای سالم، میزان قند، رنگدانههای فتوسنتزی و پروتئین کمتری داشته ولی آنتوسیانین و ترکیبات فنلی آنها افزایش یافته است (Salehi-Eskandari & Kaviani, 2015). فعالیت آنزیم آنتیاکسیدان، آسکوربات پراکسیداز گالهای روزت درختان بید که توسط حشرهگالزا Rhabdophaga ایجاد شده برخلاف آنزیم پراکسیداز و پلی فنل اکسیداز کاهش یافت (Samsone et al., 2011). افزایش سطح هورمون سیتوکینین و اکسین در گالهای القاء شده توسط حشراتگالزا در گونههای مختلف گزارش شده است (Oliveira et al., 2016).
برخی از پژوهشها، عامل بیماری گال جارویی سرشاخههای درخت بید معمولی (Salix alba) را کنههای اریوفیده معرفی کرده اند (Nyman & Julkunen-Tiitto, 2000; Salehi-Eskandari & Kaviani, 2015) در حالیکه برخی دیگر بیماری گال جارویی سرشاخههای بید را گال دمگربهای (Willow catkin gall) یا جاروی جادوگر (Willow witches'-broom) سرشاخههای درختان بید معرفی کرده و عامل آن را فیتوپلاسما (Candidatus phytoplasma trifolii)بیان کردهاند (Khadhair & Hiruki, 1995)، که در بید مجنون (S. Babylonica) (Shahryari & Allahverdipour, 2018) و بید سفید یا معمولی (S. alba) (Ghayeb Zamharir, 2018) شناسایی شده است. البته فرض ما این است که کنهها ناقل فیتوپلاسما هستند. با توجه به اینکه پژوهشهای صورت گرفته درباره بررسی تغییرات فیزیولوژیک در سرشاخههای گال جارویی درختان بید محدود بود، پژوهش حاضر با هدف بررسی تغییرات برخی از شاخصهای رشد، صفات بیوشیمیایی، آنزیمی و هورمونی در دو گونه از درختان بید (S. alba, S. babylonica) انجام شد تا برخی از پاسخها و سازگاریهای این درختان به عوامل گالزا آشکار شود.
مواد و روشها
مواد گیاهی:
سرشاخههای گالدار و سالم درختان بید معمولی (S. alba) و مجنون (S. babylonica) در اواخر اردیبهشت ماه سال 1399، از 6 درخت (از هر گونه) دارای گال در مناطق مجزای پارک ناژوان اصفهان جمعآوری شد و جهت بررسیها بعدی از برگهای کاملا تمایز یافته (برگ چهارم تا هفتم) استفاده شد (شکل 1).
شکل 1- تصویر A، درخت بید معمولی(S. alba) و تصویر B، درخت بید مجنون (S. babylonica) است که یکی از گالهای آنها در پائین تصاویر (C, D) نشان داده شده است.
Figure 1- Picture of willow trees, Salix alba (right side) and Salix babylonica (left side) which one of their galls branches is shown at the bottom of the pictures (C, D).
سنجش میزان رشد، محتوای نسبی آب: برگهای سرشاخههای گالدار و سالم هر دو درخت از ساقه آنها جدا شد و باخط کش میزان طول و عرض اندازه گیری و ثبت شدند. همزمان وزن تر آنها توسط ترازوی دیجیتال ثبت شد و نمونهها جهت خشک شدن بهمدت 72 ساعت در آون با دمای 70 درجه سانتیگراد قرار گرفتند و مجدداً وزن خشک آنها نیز ثبت شد. از رابطه 1، محتوای نسبی آب (Relative Water Content; RWC) محاسبه شد (Kreslavski et al., 2022).
رابطه 1:
در این رابطه،FW و DW بهترتیب وزنتر و وزن خشک برگ هستند.
سنجش کلروفیل کل و کربوهیدارت محلول در آب: مقدار کلروفیل کل از رابطه 2 محاسبه شد (Arnon, 1949). جهت استخراج کلروفیل کل، 1/0 گرم برگ تر با استون 80 درصد سائیده شد. پس از سانتریفیوژ و جذب آنها در طول موجهای 645 و 663 نانومتر با دستگاه اسپکتروفتومتری ( Shimadzu model UV-160) خوانده و میزان کلروفیل کل طبق رابطه 2 محاسبه و برحسب میلیگرم بر گرم وزنتر ارائه شد.
رابطه 2:
در این رابطه، A: میزان جذب نوری عصاره در طول موج مورد پژوهش، V: حجم نهایی عصاره و W: وزن برگ تر اندازهگیری میزان کربوهیدراتهای محلول کل با فنلاسیدسولفوریک و بافت تازه برگ توسط دستگاه اسپکتروفتومتری انجام شد (Salehi-Eskandari et al., 2017).
اندازهگیری آنزیمهای آسکوربات پراکسیداز و پلیفنل اکسیداز: جهت استخراج عصارهی گیاهی، 5/0 گرم از بافت تر اندام هوایی در بافر استخراج فسفات 50 میلیمولار با pH= 7.8، دارای PVP (پلیونیلپیرولیدن) 2 درصد، DDT (دیتیول تریتول) 1 میلیمولار و EDTA 1 میلیمولار درون هاون سرد سائیده و همگن شد. سپس در دمای 4 درجه سانتیگراد با سرعت 13000 دور در دقیقه بهمدّت 20 دقیقه سانتریفیوژ و از محلول رویی برای سنجش فعالیت آنزیمها استفاده شد. سنجش فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز (Ascorbate peroxidase; APX) با طول موج 290 نانومتر بهمدّت یک دقیقه ثبت و با ضریب خاموشی mM-1 cm-1 8/2 محاسبه شد (Asada & Takahashi, 1987).
جهت سنجش فعالیت آنزیم پلیفنل اکسیداز(polyphenol oxidase; PPO) از 25/1 میلیلیتر بافر فسفات پتاسیم (8/6pH=) دارای 200 میکرولیتر پیروگالل 02/0 مولار و 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی استفاده و تغییرات جذب آن با دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 420 نانومتر بررسی و فعالیت آنزیم بر حسب میلیگرم پروتئین در دقیقه گزارش شد (Kar & Mishra, 1976). همچنین جهت محاسبه میزان پروتئین از روش برادفورد استفاده شد (Bradford, 1976).
اندازهگیری هورمونهای گیاهی:
سنجش هورمونهای اکسین، جیبرلین و سیتوکینین با دستگاه کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا یا HPLC (مدل: SY-8100، شرکت سازنده: Beijing Karaltay) انجام شد.
تجزیه و تحلیل دادهها: تجزیه و تحلیل آماری دادهها با نرم افزار SPSS و ترسیم نمودارها توسط نرم افزارExcel انجام شد. در اشکال، ستونها نماینده میانگین حداقل 3 تکرار و میلههای عمودی روی آنها نمایانگر خطای استاندارد ( SE) هستند. مقایسه میانگینها با به کارگیری آزمون t-test با ضریب اطمینان 95 درصد انجام شد.
نتایج
میزان رشد، محتوای نسبی آب: شکل 1 تصویر درختان بید و گالهای جاروییشان را نشان میدهد. سرشاخههای گالدار هر دو گونه درخت بید همواره رشد (اندازه برگ، وزن، فاصله میانگرهها) کمتری نسبت به شاخههای سالم (فاقد گال) داشتند بهطوریکه طول برگ شاخههای سالم نسبت به برگهای گال در بید معمولی و مجنون بهترتیب 8/8 و 7/5 برابر بود (شکل A-2) و عرض برگها نیز الگوی مشابهی داشت و نسبت عرض برگهای سالم به برگهای سرشاخههای گالدار در بید معمولی و مجنون بهترتیب 7/2 و 9/2 برابر بود (شکل B-2). با توجه به شکل C-2، وزن تر برگهای سرشاخههای گالدار نسبت به برگهای موجود در شاخههای سالم در بید معمولی و مجنون بهترتیب 2/93 و 1/91 درصد کاهش داشت. بر اساس شکل D-2، میزان محتوای نسبی آب برگهای سالم و جاروییشده هر دو گونه از درختان بید تفاوت معنیداری با برگهای سالم خودشان نداشتند و از لحاظ آماری در یک سطح قرار گرفتند (P > 0.05).
شکل 2- مقایسه میانگین طول (A)، عرض(B)، وزن (C) و محتوای نسبی آب برگ(D) سرشاخههای جاروییشده و سالم در درختان بید معمولی (S. alba) و مجنون (S. babylonica). هر عدد میانگین سه تکرار ± خطای استاندارد. حروف غیرمشابه (حروف بزرگ، مربوط به بید معمولی یا S. alba و حروف کوچک مربوط به بید مجنون یا S. babylonica) بیانگر اختلاف معنیدار بین دادهها براساس آزمون t-test(05/0 P <) است.
Figure 2- Comparison of average length(A), width (B), weight (C) and relative water content of leaves (D) of ungalled and galled branches on two species of Salix. Values are expressed by the mean ± standard error. In each species, different letters (uppercase for S. alba and lowercase for S. babylonica indicate statistically significant differences in t-test (P < 0.05).
مقدار کلروفیل کل و کربوهیدارت محلول در آب: میزان کلروفیل کل در برگ شاخههای گالدار هر دو گونه از درختان بید نسبت به برگ سالم کاهش یافت (;P < 0.05 شکل A-3). این کاهش در برگهای سرشاخههای گالدار بید معمولی و مجنون نسبت به برگهای موجود در سرشاخههای سالم به ترتیب 7/15 و 6/13 درصد بود. میزان کربوهیدراتهای محلول در آب در برگ گالدار هر دو گونه از درخت بید نسبت به برگهای سالم موجود در شاخههای مجاور کاهش معنیداری داشت (شکل B -3). همچنین کربوهیدراتهای محلول در آب برگهای سرشاخههای گالدار بید معمولی و مجنون نسبت به برگهای شاخههای سالم خودشان به ترتیب حدود 49 و 38 درصدی کاهش نشان داد.
شکل 3- مقایسه میانگین کلروفیل کل (A) و کربوهیدراتهای محلول کل (B) سرشاخههای جاروییشده و سالم در درختان بید معمولی (S. alba) و مجنون (S. babylonica). هر عدد میانگین سه تکرار ± خطای استاندارد. حروف غیرمشابه (حروف بزرگ، مربوط به بید معمولی یا S. alba و حروف کوچک مربوط به بید مجنون یا S. babylonica) بیانگر اختلاف معنیدار بین دادهها براساس آزمون t-test(05/0 P <) است.
Figure 3- Comparison of average total chlorophyll (A) and total soluble carbohydrates (B) of ungalled and galled branches on two species of Salix. Values are expressed by the mean ± standard error. In each species, different letters (lowercase for S. alba and uppercase for S. babylonica indicate statistically significant differences in t-test (P < 0.05).
میزان فعالیت آنزیمهای آسکوربات پراکسیداز و پلیفنل اکسیداز: بر اساس شکل A-4، فعالیت آنتی اکسیدانی آنزیم آسکوربات پراکسیداز (APX) در هر دو گونه بید باهم متفاوت بود و فعالیت آنزیم APX در سرشاخههای گالدار درخت بید معمولی نسبت به آنزیمهای استخراج شده از برگهای سالم مجاور خودشان کاهش معنیدار نشان دادند، در حالیکه فعالیت این آنزیم در سرشاخههای گالدار بید مجنون اختلاف معنیداری با سرشاخههای سالم نداشت (P > 0.05). فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز (PPO)، در برگ سرشاخههای گالدار هر دو گونهی بید اختلاف معنیداری با برگهای سرشاخههای سالم مجاور خود نداشته (شکل B-4) و از لحاظ آماری آنها در یک سطح قرار گرفتند (P > 0.05).
شکل 4- مقایسه میانگین فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز (A) و پلیفنلاکسیدار (B) سرشاخههای جاروییشده و سالم در درختان بید معمولی(S. alba) و مجنون (S. babylonica). هر عدد میانگین سه تکرار ± خطای استاندارد. حروف غیرمشابه (حروف بزرگ، مربوط به بید معمولی یا S. alba و حروف کوچک مربوط به بید مجنون یا S. babylonica) بیانگر اختلاف معنیدار بین دادهها براساس آزمون t-test(05/0 P <) است.
Figure 4- Comparison of the average activity of enzymes ascorbate peroxidase (APX) (A) and polyphenol oxidase (PPO) activity of leaves (B) of ungalled and galled branches on two species of Salix. Values are expressed by the mean ± standard error. In each species, different letters (lowercase for S. alba and uppercase for S. babylonica indicate statistically significant differences in t-test (P < 0.05).
مقدار هورمونهای گیاهی محرک رشد: میزان هورمونهای محرک رشد در برگ سرشاخههای گالدار هر دو گونه بید مطابق شکل 5، متفاوت بود و برخلاف فاکتورهای قبلی از رویه یکسانی تبعیت نمیکرد. میزان هورمون اکسین در سرشاخههای گالدار هر دو گونهی درختی بید، نسبت به برگهای سرشاخههای سالم کاهش داشت (شکل A-5). امّا برخلاف کاهش معنیدار اکسین در برگ سرشاخه گالدار بید معمولی، این کاهش در بید مجنون معنیدار نبود و میزان اکسین برگهای سرشاخه گالدار با برگهای سالم مجاور آن در یک سطح قرار گرفت (P > 0.05). همانطور که در شکل B-5 مشاهده میشود، میزان هورمون سیتوکینین سرشاخه گالدار بید، معمولی و مجنون نسبت به سرشاخههای سالم مجاور خودشان به ترتیب افزایش 4/54 و 9/75 درصدی داشتند (P < 0.05). میزان جیبرلین در هر دو گونه بید، روند متقاوتی داشت (شکل C-5). میزان این هورمون در سرشاخههای گالدار بید مجنون کاهش 7/33 درصدی نسبت به سرشاخه سالم مجاور خود داشت (P < 0.05)، امّا میزان این هورمون در سرشاخههای گالدار بید معمولی، با سرشاخههای سالم مجاور همان درخت در یک سطح قرار گرفت (P > 0.05).
شکل 5- مقایسه میانگین هورمونهای اکسین (A)، سیتوکینین (B) و جیبرلین (C) در سرشاخههای جاروییشده و سالم درختان بید معمولی (S. alba) و مجنون (S. babylonica هر عدد میانگین سه تکرار ± خطای استاندارد. حروف غیرمشابه (حروف بزرگ، مربوط به بید معمولی یا S. alba و حروف کوچک مربوط به بید مجنون یا S. babylonica) بیانگر اختلاف معنیدار بین دادهها براساس آزمون t-test(05/0 P <) است.
Figure 5- Comparison of average the hormones auxin (A), cytokinin (B) and gibberellin (GA3) (C) of ungalled and galled branches on two species of Salix. Values are expressed by the mean ± standard error. In each species, different letters (lowercase for S. alba and uppercase for S. babylonica indicate statistically significant differences in t-test (P < 0.05).
بحث
در گذشته کنههای اریوفیده (Nyman et al., 2000; Salehi-Eskandari & Kaviani, 2015) و در حال حاضر فیتوپلاسما “Candidatus phytoplasma trifolii” (Ghayeb Zamharir, 2018; Shahryari & Allahverdipour, 2018) را علّت تشکیل ساختار نوظهوری مشابه جارو در شاخههای جانبی درختان بید معمولی و مجنون میدانند و کنهها ناقل احتمالی فیتوپلاسما محسوب میشوند. عامل گالزا منجر به کاهش رشد برگها و اندامهای هوایی شده که با کاهش وزن، طول و عرض برگهای گال نمایان میشود (شکل 2). گال جارویی از کنهها و لاروهایشان (ناقل احتمالی فیتوپلاسما) حفاظت میکند. این گالها توسط تراکم بالای برگهای شاخههای جارویی ایجاد شده که حاصل کاهش رشد است و عوامل گالزا را از دید دشمنان طبیعی پنهان کرده بنابراین موافق فرضیه دشمنی است (Giron et al., 2016).
برخلاف شاخههای معمولی، جاروییشدن سرشاخههای گالدار سبب افزایش تراکم برگها شده و شرایط ریزمحیطی خاصی را ایجاد کرده که عوامل گالزا را از تنشهای غیرزیستی چون نور مستقیم و کاهش رطوبت محافظت کرده، در نتیجه از فرضیه ریزمحیطی پشتیبانی میکند (Stone et al., 2002). نتایج نشان دادند محتوای نسبی آب(RWC) برگهای گال جارویی تفاوت معنیداری با برگهای سالم ندارد و این کاهش وزن تر برگ های سرشاخههای گالدار نسبت به برگهای سالم ممکن است مربوط به تغییر در الگوی رشد باشد که با تغییر بیان ژنها ایجاد شده است و در نهایت با تغییر شکل ظاهری برگها و ساقه ظاهر میشود (Cambier et al., 2019; Favery et al., 2016). تشکیل گال تاجی شکل (Crown gall) توسط باکتری Agrobacterium tumefaciens با ورود قطعهای از DNA باکتری القاء شده و با رشد غیر قابل کنترل، سبب ظهور بافت گال در درختان (گردو، فندق، بادام، گیلاس، هلو) و در بعضی از گلهای زینتی مانند گل رز میشود (Kerpen et al., 2019).
کلروپلاستها تحت شرایط نوری مناسب، با تجزیه آب، اکسیژن مولکولی و قدرت احیاء کنندگی لازم برای تثبیت دیاکسید کربن را تولید میکنند، بنابراین آنها بهعنوان منبعی از گونههای اکسیژن واکنشگر (reactive oxygen species; ROS) در گیاهان عمل میکنند (Asada, 1999). انواع تنشهای زیستی و غیرزیستی با کاهش محتوای کلروفیل، میزان فتوسنتز را تحت تأثیر قرار میدهند (Sherin et al., 2022). در پژوهش حاضر، مقدار کلروفیل کل هر دو درخت بید نسبت به برگهای سالم شاخههای مجاورشان بهطور معنیدار کاهش یافت (شکل A-3). کلروپلاستها در نور، ROS را در پاسخ به تنشهای زیستی تولید کرده که منجر به تخریب غشاهای تیلاکوئیدی شده و با کاهش رنگدانههای فتوسنتزی نمایان میشود (Murata et al., 2007; Salehi-Eskandari et al., 2024). نتایج مشابه کاهش کلروفیل a (Gailite et al., 2005) در برگهای موجود در گال گونههای درختی Picea abies, Acer sacharinum, Ulmus laevis, Ulmus glabra, Tilia cordata و کاهش کلروفیل کل (Patankar et al., 2013) در دو گونه بید (Salix pulchra, Salix glauca)، حاصل فعالیت پراکسیداسیون گزارش شده است. عوامل گالزا میتوانند با تغییر در مسیرهای تجزیه و بیوسنتز کلروفیلها میزان کلروفیلها را در گالها کاهش دهند (Huang et al., 2014).
میزان قندهای محلول برگ در آب سرشاخههای گالدار هر دو گونه بید نسبت به برگهای سالم کاهش معنیدار داشت (شکل B-3). بهینه کربوکسیلاسیون رابطه نزدیکی با محتوای کلروفیل دارد (Ivanova et al., 2022)، که با گزارشهای قبلی در درخت بید معمولی (Salix alba) همخوانی داشت (Salehi-Eskandari & Kaviani, 2015). اما برخلاف نتایج این پژوهش، قندهای محلول در گالهای درخت زیرفون (Tilia platyphyllos) که توسط Eriophyes tiliae ایجاد شدهاند، بیشتر از برگهای سالم مجاور آن بود (Guedes et al., 2023). احتمالاً میزان کربوهیدراتهای محلول سرشاخههای گالدار کمتر از مقدار اندازهگیری شده است و جابهجایی ترکیبات قندی از نواحی مجاور گال به آن سبب افزایش نسبی قندهای محلول شده است.
اولین پاسخ به تنشهای اکسیداتیو حاصل از حمله پاتوژنها به گیاه، تولید ROS است (Kot et al., 2020) میزان ROS بهویژه پراکسید هیدروژن (H2O2)، نقش حیاتی در انتقال پیام و محدود کردن ورود بیمارگر (پاتوژن) دارد (Barna & Pogány, 2001; Kot et al., 2020). گیاهان دارای راهکارهای دفاعی آنتیاکسیدانی غیرآنزیمی (کارتنوئیدها، فلاونوئیدها، آسکوربات، آنتوسیانینها و فنل کل) (Hajihashemi & Ehsanpour, 2014) و آنزیمی مانند کاتالاز (CAT)، آسکوربات پراکسیداز (APX) و گایاکول پراکسیداز (POX) هستند (Kmieć et al., 2022). APX در سیتوپلاسم و کلروپلاستها فعالیت میکند و APX کلروپلاستی دارای دو نوع آنزیم،APX متصل به غشاء تیلاکوئیدی (tAPX) و APX استرومایی (sAPX) است که بهترتیب بهعنوان اولین و دومین لایه حذف کننده H2O2 عمل کرده و آن را به آب و اکسیژن تبدیل میکند (Maruta et al., 2016) . میزان فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز در بید معمولی، برخلاف بید مجنون کاهش معنیداری نشان داد (شکل A-4) و بیانگر این است که اولویت فعالیتهای آنزیمهای آنتیاکسیدان در دو گونه APX نیستند. پلیفنلاکسیداز (PPO)، آنزیم دفاعی مختص گیاهان است که در پاسخ به حمله گیاهخوارن القاء میشود (Gailite et al., 2005). PPO، ترکیبات فنلی اکسید شدهای را تولید کرده که با اتصال آنها به اسیدهای آمینه ضروری گیاه، فعالیت ضد تغذیهای ایجاد میکنند (Samsone et al., 2011). میزان فعالیّت این آنزیم در برگهای گالدار درختان بید مورد پژوهش (S. alba, S. babylonica) ،نسبت به برگهای سرشاخههای سالم خود، تغییر معنیدار نداشت. برخلاف نتایج پژوهش حاضر، میزان فعالیت آنزیم PPO در برگهای گال روزت گونهای از بید (S. caprea)، 13 برابر برگهای سالم مجاور بود (Samsone et al., 2011)، امّا در برگهای گال جارویی گونهای دیگر بید (S. fragilis) کاهش فعالیت مشاهده شد (Gailite et al., 2005). با توجه به این نتایج میتوان چنین استنباط کرد که میزان فعالیت این آنزیم وابسته به نوع گال و گونه مورد پژوهش است. هورمونهای گیاهی، از قبیل اسید سالیسیلیک (SA)، اتیلن (ET) و اسید جاسمونیک (JA)، جنبههای مختلف پاسخهای دفاعی گیاه به حشرات و نماتدها را کنترل میکنند، در حالی که این انگلها از اکسینها (IAA) و سیتوکینینها نیز برای کنترل رشد و نمو گیاه میزبان به نفع خود بهره میبرند (Favery et al., 2020). هورمون اکسین با القاء رشد و تقسیم سلولی در بافتهای گیاهی با ایجاد سلولهای مغذی در تغذیه لاروها نقش مهمی دارد (Giron et al., 2016). میزان سیتوکینین در برخی از لاروهای (T. acaciaelongifoliae و E. solidaginis) موجود در بافت درونی گال بیش از (50 تا 62 برابر) سلولهای احاطه کننده آنهاست. سیتوکینینها نیز مشابه اکسین در تقسیم و رشد سلولهای گیاهی نقش داشته و ایجاد گالها را تسهیل میکنند (Tooker & Helms, 2014). معمولاً افزایش سطح اکسین و سیتوکینینها پیامهای حاصل از SA را سرکوب و در نهایت پاسخهای دفاعی گیاهان را در برابر مهاجمان (حشرات، نماتودها و...) مهار کند (Ji et al., 2013). میزان هورمون اکسین در سرشاخههای گالدار بید معمولی (شکل A-5)، برخلاف بید مجنون بهطور معنیداری کاهش داشت، امّا میزان سیتوکینین سرشاخههای گالدار هر دو گونه بید با برگهای سالم مجاورشان افزایش معنیدار داشتند (شکل B-5). همچنین میزان هورمون جیبرلین در سرشاخههای گالدار S. babylonica برخلاف بید معمولی کاهش نشان داد (شکل C-5). این تغییرات نشان میدهد تغییرات هورمونهای رشد دهنده در گال گونهها متفاوت وابسته به جنس است، امّا افزایش هورمون سیتوکینین در هر دو گونه بید را میتوان عامل اصلی افزایش تقسیمات سرشاخههای گالدار معرفی کرد (Tooker & Helms, 2014)، که با کاهش هورمون رشد دهنده جیبرلین و اکسین در بید مجنون و معمولی همراه شده و ساختار منحصر بهفرد گال آن گونههای ایجاد میکند. نتایج این پژوهش نشان دادند ایجاد گال در سرشاخههای درختان بید منجر به کاهش رشد آنها شده، به طوری که وزن، طول و عرض برگها، رنگدانههای فتوسنتزی و محصولات فتوسنتزی آنها نسبت به سرشاخههای سالم مجاور کاهش نشان داد، امّا با توجه به عدم تغییر معنیدار محتوای نسبی آب برگهای گال جارویی با سالم هر دو گونه درختی میتوان چنین استباط کرد عامل اصلی تغییر شکل آنها، تغییر الگوی بیان ژنهای سرشاخههای جاروییشده است که با افزایش هورمون سیتوکینین و کاهش هورمونی خاص هر گونه همراه شده تا در سرشاخههای آنها ساختار نوظهوری (گال) خاص هر گونه آشکار شود (Favery et al., 2020; Kmieć et al., 2022). با توجه به این که احتمالاً فیتوپلاسما توسط کنههای اریوفیده منتقل میشود، این تغییر ساختار احتمالاً به نفع عوامل گالزا (کنهها) است تا شرایط بهینه تغذیهای و ریزمحیطی (آب و هوایی) برای آنها مهیا سازد و آنها را از تهدیدات دشمنان طبیعی محافظت کند، از طرفی گیاه با تشکیل ساختار گال عوامل گالزا را محدود و از دیگر قسمتها مجزا سازد.
سپاسگزاری
از معاونت پژوهشی دانشگاه پیام نور استان اصفهان به دلیل حمایت مالی از این پژوهش صمیمانه سپاسگزاری میشود.
)