Dose-dependent effect of CuO nanoparticles on water deficit-induced osmotic and oxidative stresses in fennel (Foeniculum vulgare Mill.)

Document Type : Original Article

Authors

Plant Science Department, Faculty of Science, Shahrekord University, Shahrekord, Iran

Abstract

Regarding to water deficit issue in our country, it is essential to find innovative methods to alleviate the adverse effects of drought stress on plants. Therefore, a pot experiment was conducted to evaluate the effect of 3 levels of irrigation intervals (1, 2, 3 days) and
5 levels of CuO NPs (0, 2.5, 5, 10, 20 mg/L) on fennel (Foeniculum vulgare Mill.). Results showed that increasing irrigation intervals reduced fresh and dry weights of plants, total chlorophyll and carotenoid contents, and relative water content (RWC) and increased lipid peroxidation, proline content, and the activities of ascorbate peroxidase (APX) and catalase (CAT) enzymes. The foliar application of CuO NPs influenced all the above-mentioned parameters in a dose-dependent manner. Foliar application of CuO NPs till 10 mg/L improved plant growth, the content of photosynthetic pigments, RWC, and proline accumulation, and reduced lipid peroxidation level through up-regulation of antioxidant enzymes. In contrast, 20 mg/L CuO NPs, decreased growth parameters and chlorophyll content and significantly increased lipid peroxidation under both normal and drought stress conditions, which suggests the high dose of CuO NPs induced stressful situations for the plants. Therefore, low concentrations of CuO NPs moderated water deficit-induced osmotic and oxidative stresses but, the application of high concentrations of CuO NPs was not recommended for fennel cultivation.
 Introduction
Drought stress negatively affects plant growth due to inducing cell osmotic and oxidative stresses. To cope with drought stress, plants activate enzymes and non-enzymatic antioxidants such as proline (Seleiman et al. 2021).
In recent decades, nanobiotechnology has received considerable attention due to its potential to boost growth and development and enhance plant stress tolerance (Zhao et al. 2020). Among different nanoparticles, CuO NPs are extensively used in agriculture, as pesticides, herbicides, fertilizers, and growth regulators (Xiong et al., 2017). Several studies showed that Cu NPs effectively attenuated drought effects in plants by increasing antioxidant enzyme activities and RWC, reducing MDA accumulation, and stabilizing photosynthetic pigment content in leaves (Rahmani et al., 2016; Farooq et al., 2022).
To our knowledge, very meager literature is available about the impact of NPs on fennel (Foeniculum vulgare Mill.) under water stress. Therefore, this context was evaluated in the present study.
Materials and Methods
This experiment was carried out as factorial based on a randomized complete design with three replications. The treatments included 3 levels of irrigation intervals (1, 2, 3 days) and 5 levels CuO NPs (0, 2.5, 5, 10, 20 mg/L). Seeds of fennel (Foeniculum vulgare Mill.) were sown in pots filled with soil and were normally irrigated for one month. Then, pots were divided into 3 sets, and irrigation began with intervals of 1, 2, and 3 days per each group. Simultaneously, foliar application with different levels CuO NPs was performed on 30-day-old plants. It is worth noting that NPs with purity > 99% and size of 40 nm, purchased from Research US Nanomaterials Inc., suspended in distilled deionized water, were sonicated at 100W and 80-90 kHz for 30 min and immediately used for foliar spray on plants. After 10 days, fresh leaf samples were collected and stored at -80 C to assess biochemical attributes. Then, plants were harvested and after measuring fresh weights, plants were dried at 70 C, to determine dry weight. Total chlorophyll and carotenoid contents (Lichtenthaler & Wellburn 1983), lipid peroxidation (Heath and Packer, 1968), proline content (Bates et al., 1973), RWC and the activities of APX and CAT enzymes (Amooaghaie, et al., 2022) was measured in all treatments.
Results and Discussion
Results indicate that CuO NPs increased the growth over their respective controls under 3 levels of irrigation. Among the different concentrations of CuO NPs, 10 mg/L had the most effect on increasing the chlorophyll and carotenoid contents, RWC, and plant growth. In addition, foliar application of CuO NPs reduced MDA content through enhancing antioxidant enzymes activity and proline accumulation in fennel. Our result is also similar to that of )Costa and Sharma (2016), who reported application of CuO NPs reduced oxidative stress in Oryza sativa through upregulating APX and SOD genes and consequently protected plants from drought stress. The impact of CuO NPs on plants might be due to the release of Cu from these NPs (Xiong et al., 2017). Copper (Cu) is known as an essential micronutrient, which functions in regulating plant growth, chlorophyll formation, photosynthesis, respiration, metabolism of carbohydrates and proteins, and defensive responses (Adrees et al., 2015).
However, the foliar application of 20 mg/L CuO NPs led to a significant decrease in growth parameters, total chlorophyll content, and RWC, and significantly increased lipid peroxidation under both normal and drought stress conditions (Mosapour Yahyaabadi & Asgharipour 2016), that suggests high dose of CuO NPs induced stressful situation for the plants. Other studies also showed that high doses of NPs decreased plant growth (shoot and root length) and increased the generation of reactive oxygen species (ROS) and lipid peroxidation (Nair & Chung 2015). Faraz et al. (2022) reported that among different concentrations of CuO NPs (0, 2, 4, 8, and 16 mg/L), 8 mg/L proved to be the optimum foliar spray treatment and increase the chlorophyll content, net photosynthetic rate, leaf proline content, and antioxidant enzymes activity, but with increasing concentration of CuO NPs to 16 mg/L growth parameters were reduced in mustard.
Conclusions
Collectively, our results indicated that CuO NPs mediated responses were concentration-dependent. Foliar application of lower doses of CuO NPs could attenuate water deficit-induced osmotic and oxidative stresses and increase drought tolerance in fennel, but the application of high concentrations of nano-CuO was not recommended for fennel cultivation. However, studies at the field level using different conditions and soil types are needed to confirm this recommendation.

Keywords

Main Subjects

Full Text

خشکی یکی از مهم‌ترین تنش‌های غیر زیستی است که گیاهان بطور وسیع با آن روبرو می‌شوند. خشکی با ایجاد تنش اسمزی بر ریخت‌شناسی و فیزیولوژی گیاه تأثیر دارد و سبب کاهش رشد گیاه می‌شود (Osakabe et al., 2014) . علاوه بر این، در طی تنش خشکی با بسته شدن روزنه، کاهش تثبیت دی‌اکسید کربن و پدیده بازدارندگی نوری رخ می‌دهد که در نتیجه گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید و سبب ایجاد تنش اکسیداتیو و تخریب پروتئین‌ها، لیپیدها و دیگر اجزاء سلولی می‌شوند (Seleiman et al., 2021). گیاهان برای مقابله با این اثرات تنش خشکی چندین سازوکار حفاظتی را فعال می‌کنند که از آن جمله می‌توان به تجمع اسمولیت‌هایی مثل پرولین و قندهای محلول برای تنظیم وضعیت اسمزی سلول و فعال‌سازی آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی و غیرآنزیمی برای غلبه بر تنش اکسیداتیو ناشی از خشکی اشاره کرد (Zlatev & Lidon, 2012).

تاکنون روش‌های بسیاری از جمله اصلاح نباتات و مهندسی ژنتیک یا تیمار توسط هورمون‌ها و ترکیبات مختلف برای افزایش تحمّل خشکی در گیاهان استفاده شده است. امّا کاربرد نانوذرات در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است (Seleiman et al., 2021). نتایج یک پژوهش نشان داد محلول‌پاشی با غلظت مناسب نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم میزان اسانس، محتوای پرولین و فنل‌ها و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان در گیاهان رازیانه تحت تنش شوری را افزایش می‌دهد (Ahmed et al., 2024). کاربرد نانوذرات سیلیکون روی گشنیز (Afshari et al., 2023) و نانو کود آهن روی شوید (Gholinezhad, 2017)، تحمّل به خشکی و محصول این گیاهان را بهبود داد. تیمار با نانوذرات سیلیکون و نانو اکسید آهن سبب افزایش محتوای نسبی آب و تقویت فتوسنتز و در نتیجه تقویت تحمّل خشکی در گیاه تریتیکاله شد(Aghaie et al., 2022). همچنین کاربرد نانوذرات مس و اکسید مس تحمّل خشکی در کلزا و گندم را افزایش داد (Rahmani et al., 2016; Farooq et al., 2022). اگر چه اغلب منابع استفاده از نانوذرات را به عنوان یک شیوه نوین و ساده برای بهبود رشد و افزایش تحمّل گیاهان در برابر تنش‌های غیر زیستی معرفی می‌کنند، امّا باید توجه داشت که آثار نانوذرات روی گیاهان به بسیاری از عوامل از جمله ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکوشیمیایی نانوذرات (مثل ماهیت و ترکیب شیمیایی، اندازه و شکل ذرات، آگلومریزاسیون و حالت چسبندگی، ساختار کریستالی، سطح و بار و مدت زمان پایداری و میزان حلالیت ذرات) بستگی دارد. از سوی دیگر ژنوتیپ و گونه گیاهی، مدت و شیوه در معرض قرارگیری با نانوذرات (در محیط جامد یا محلول) و غلظت نانوذرات، نیز در اثرات منفی یا مثبت نانوذرات بر گیاهان تأثیر دارد (Amooaghaie, et al., 2017; Amooaghaie,
et al., 2018; Amooaghaie et al., 2021; Zhao et al., 2020).

یکی از نانوذرات پرکاربرد در حوزه کشاورزی و صنعت، نانوذرات ‌اکسید مس است که برای مدیریت تغذیه گیاه و یا برای کنترل آفات و بیماری‌ها استفاده می‌شود (Xiong et al., 2017). بسیاری از آثار آن بر گیاهان مشابه تأثیر مس بر فعالیت‌های فیزیولوژیکی گیاه است
(Rajput et al., 2018). مس عنصری کم‌مصرف، امّا ضروری برای همه گیاهان عالی است. نقش مهم مس به عنوان عنصر غذایی به علّت شرکت آن در ساختمان آنزیم‌های مهم و مشارکت در نقل و انتقال الکترون واکنش‌های اکسیداسیون – احیا است. پروتئین‌های حاوی مس نقش مهمی در فرآیندهایی از قبیل فتوسنتز، تنفس و ساخت لیگنین ایفاء می‌کنند. به هر حال، مقادیر زیاد آن به‌عنوان یک فلز سنگین اثر منفی بر رشد و نمو گیاهان دارد (Adrees et al., 2015).

بررسی منابع نشان دادند در بیشتر پژوهش‌ها، کاربرد غلظت‌های کم نانوذرات حاوی مس جوانه‌زنی دانه و رشد گیاهان را افزایش داد، امّا در غلظت‌های بالاتر آثار سمّیت در سطح ریخت‌شناسی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی مشاهده شد (Costa & Sharma, 2016; Mustafa et al., 2017; Xiong et al., 2017). برای مثال محلول­پاشی نانوذرات مس با غلظت 20 پی‌پی‌ام منجر به افزایش طول ریشه و بخش هوایی گیاهچه ذرت شد، امّا کاربرد غلظت‌های 40 و 60 پی‌پی‌ام منجر به کاهش رشد و محتوای پروتئین شد و عوارض سمّیت ایجاد کرد (Thiruvengadam et al., 2021). در پژوهش دیگری هم تأثیر نانوذرات اکسید مس بر گیاهان Brassica oleracea و Solanum lycopersicum وابسته به غلظت بود. بطوری‌که غلظت 10 میلی‌گرم در لیتر، منجر به افزایش محتوای کلروفیل و قندها شد، امّا غلظت‌های 100 و 500 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات این صفات را کاهش دادند و موجب تجمع پراکسید هیدروژن و آنیون سوپراکسید و افزایش نشت الکترولیت و پراکسیداسیون لیپیدی و افزایش فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی در برگ و لیگنینی شدن ریشه در این گیاهان شد (Singh et al., 2017). گزارش‌هایی هم مبنی بر اثرات نانوذرات حاوی مس روی پاسخ‌های گیاهان نسبت به تنش وجود دارد. برای مثال، تیمار با نانوذرات مس، آهن، کبالت و اکسید روی با افزایش بیان بسیاری از ژن‌های مرتبط با تحمّل خشکی مانند دهیدرین‌ها، در ریشه‌ها و بخش هوایی گیاه سویا تحمّل خشکی در این گیاه را تقویت کرد (Linh et al., 2020). پژوهش دیگری نشان داد پرایم کردن دانه‌ها با نانوذرات اکسید مس منجر به افزایش محتوای نسبی آب، بیوماس، محتوای آنتوسیانین، کلروفیل، و کاروتنوئید و تحمل بیشتر تنش خشکی در گیاهچه ذرت شد (Nguyen
et al., 2022). تأثیر وابسته به غلظت برای نانوذرات روی و اکسید روی در گوجه فرنگی و گندم تحت شرایط بدون تنش (Amooaghaie, et al., 2017) و برای نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در زنیان تحت تنش شوری (Amooaghaie, et al., 2022) نیزگزارش شده است. بطور کلی غلظت‌های زیاد نانوذرات مس ممکن است سبب کاهش رشد و نیز بی‌نظمی در ردوکس سلولی و در سیستم دفاعی گیاه شود. یک پژوهش نشان داد افزایش غلظت نانوذرات اکسید مس منجر به افزایش پراکسیداسیون لیپیدی و افزایش اکسیداسیون گلوتاتیون و فعالیت بیشتر آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان آسکوربات پراکسیداز و گلوتاتیون ردوکتاز، امّا تضعیف فعالیت سایر آنزیم‌های چرخه آسکوربات-گلوتاتیون در جو شد (Shaw et al., 2014). همچنین گزارش شده است تیمار با نانوذرات مس و اکسید مس
(در غلظت‌های 5 ،10 و20 میلی‌گرم بر لیتر) فعالیت کاتالاز و اسکوربات پراکسیداز را در یک الگوی وابسته به نوع گیاه و نوع اندام تغییر داد. به‌طوری که کاهش فعالیت کاتالاز در ریشه و بخش هوایی یونجه و افزایش فعالیت آسکوربات پراکسیداز در ریشه‌های کاهو مشاهده شد (Hong et al., 2015). با توجه به بررسی منابع فوق، لازم است قبل از کاربرد نانوذرات حاوی مس برای بهبود رشد و تحمل تنش خشکی در گیاهان دارویی، غلظت مناسب تعیین شود و سازوکار تأثیر آنها بیشتر مورد بررسی قرار گیرد تا بتوان اثرات منفی آنها را به حداقل رساند (Mosapour Yahyaabadi & Asgharipour 2016).

رازﻳﺎﻧﻪ ﺑا نام علمی Foeniculum vulgar Mill یکی از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین گیاه دارویی متعلق به خانواده چتریان (Apiaceae) و بومی جنوب اروپا و منطقه مدیترانه است. این گیاه در وسعت‌های پهناوری از اروپا بویژه منطقه مدیترانه تا آسیا و ایران پراکنش داشته و محل رویش آن در ایران گرگان، مازندران، آذربایجان، کردستان، کرمان، خراسان، گیلان و شمال منجیل است. این گیاه به واسطه اثرات دارویی متعدد از دیرباز، توجه پژوهشگران را به خود معطوف داشته است و از دیدگاه طب سنتی بذرهای آن دارای اثر نیرو دهنده، مقوی، اشتها آور، آرام کننده، قاعده‌آور،
زیاد کننده شیر و بادشکن است (Zargari, 1995). علاوه بر این، رازیانه عمدتاً برای استفاده از اسانس حاصل از آن در صنایع مختلف دارویی، غذایی، آرایشی و بهداشتی کشت داده می‌شود
(Badgujar et al., 2014). با توجه به وسعت مناطق خشک و نیمه خشک در جهان و ایران و با در نظر گرفتن گزارش‌های فوق درباره اثرات مثبت و منفی نانوذرات اکسید مس بر گیاهان، در پژوهش حاضر، تأثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید مس بر رشد و مدیریت تنش اسمزی و اکسیداتیو ناشی از کم‌آبی در رازیانه بررسی شد.

مواد و روش‌ها.

کاشت گیاه و اعمال تیمارها.

آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کامل تصادفی با 3 تکرار به صورت گلدانی و در گلخانه دانشگاه شهرکرد انجام شد. ابتدا بذر رازیانه از شرکت پاکان بذر خریداری شد و پس از ضدعفونی سطحی، در گلدان‌های پر شده با مخلوط کود و خاک کاشته و آبیاری با آب معمولی با فاصله یک روزه شروع شد. بعد از یک ماه از اجرای این رژیم آبیاری و رشد کردن گیاهان رازیانه به اندازه کافی، تیمار گلدان‌ها با 3 سطح فواصل آبیاری (1، 2 و 3 روز) آغاز شد. لازم به یادآوری است که رازیانه یک گیاه با نیاز آبی متوسط است و در مزرعه متداول دور آبیاری معمولا 7 تا 10 روز یکبار است (Koocheki et al., 2006)، امّا شرایط در گلخانه و با توجه به بافت خاک متفاوت است. در این پژوهش، با توجه به اینکه خاک مورد استفاده شنی لومی بوده و چون میزان و حجم آب مصرف شده در هر گلدان محدود و شرایط گلخانه نسبتا گرم و خشک و تبخیر آب زیاد بوده، آبیاری با فواصل نزدیک ضروری بود و بنابر این فواصل آبیاری فوق انتخاب شد.

برای کاهش آثار تنش خشکی محلول‌پاشی نانوذرات اکسید مس (0 و 5/2 و 5 و 10 و 20 میلی‌گرم بر لیتر) مطابق طرح آماری و برای گیاهان هر 3 سطح فواصل آبیاری انجام شد. در این آزمایش از پودر نانوذرات اکسید مس با اندازه
40 نانومتر و خلوص 99 درصد(US3070CAS)  خریداری شده از شرکت Research US Nanomaterials Inc,  استفاده شد. مخلوط نانوذرات با آب، قبل از استفاده به مدّت 620 ثانیه توسط امواج اولتراسوند با قدرت 90-80 هرتز و دور 100 سونیکیت شدند تا نانوذرات به حالت سوسپانسیونی در آمده و براحتی قابل جذب برای گیاه باشند و از رسوب یا به هم چسبیدن آنها جلوگیری شود. محلول‌پاشی برای هر کدام از گلدان‌ها با 30 میلی‌لیتر به مدّت 5 دقیقه انجام شد. در ضمن برای جلوگیری از ورود نانوذرات به سطح خاک و جذب ریشه‌ای آنها توسط گیاه، در مدت محلول‌پاشی، سطح خاک با پلاستیک پوشانده شد. پس از گذشت 10 روز از محلول‌پاشی با نانوذرات، نمونه برگ تازه گیاهان هر تیمار جمع‌آوری شد و به فریزر80- درجه سانتی‌گراد آزمایشگاه منتقل شد تا برای اندازه‌گیری محتوای پراکسیداسیون لیپیدی، محتوای پرولین و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی استفاده شود. در پایان گیاهان گلدان‌ها برداشت و فوراً وزن تر اندازه‌گیری شد و سپس به آون
70 درجه سانتی‌گراد منتقل و وزن خشک گیاه تعیین شد.

 اندازه‌گیری محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئیدها: برای اندازه‌گیری رنگیزه‌ها بافت تازه پهنک برگ در هاون به کمک استون 80% سائیده شد و پس از صاف کردن، جذب محلول در طول موج‌های 645، 663 و 470 نانومتر با اسپکتروفتومتر (Pharmacia Biotech Ultrospec 4000) ساخت آمریکا خوانده شد و سپس میزان کلروفیل b, a و کاروتنوئیدها طبق فرمول‌های پیشنهادی (Lichtenthaler & Wellburn, 1983) محاسبه شد. میزان کلروفیل کل از مجموع میزان کلروفیل b, a بدست آمد.

اندازه‌گیری محتوای نسبی آب برگ‌ها: چند دیسک برگی تازه از گیاهان هر گلدان برداشت و وزن تر (FW) آنها تعیین شد. سپس دیسک‌ها در آب دیونیزه برای 7 ساعت شناور شدند و پس از تورژسانس کامل، وزن تورگر (TW) دیسک‌های برگی اندازه‌گیری شد. وزن خشک آن (DW) بعد از خشک شدن دیسک‌ها در دمای 70 درجه سانتی‌گراد آون به مدّت 72 ساعت تعیین شد و از رابطه زیر درصد محتوای نسبی آب برگ‌ها محاسبه شد (Amooaghaie, et al., 2022).

رابطه (1)

 

سنجش محتوای پرولین: اندازه‌گیری پرولین توسط معرف نین‌هیدرین انجام شد و از تولوئن به عنوان بلانک استفاده شد. جذب نوری نمونه‌ها در طول موج 520 نانومتر خوانده شد و مقدار پرولین در هر نمونه با منحنی استاندارد، تعیین شد. نتایج حاصل از اندازه‌گیری مقدار پرولین بر حسب گرم وزن تر محاسبه و ارائه شدند
(Bates et al., 1973).

برآورد تنش اکسیداتیو: برای اندازه‌گیری غلظت مالون‌دی‌آلدئید (MDA)، 2/0 گرم از بافت تازه برگ در هاون چینی حاوی 5 میلی‌لیتر اسید تری‌کلرواستیک (TCA)، 1/0 درصد سائیده شد و با تیوباربیتوریک (TBA) طی مراحلی یک کمپلکس قرمز رنگ حاصل شد. شدت جذب این محلول در طول موج 532 نانومتر خوانده شد. جذب بقیه رنگیزه‌های غیر اختصاصی در 600 نانومتر تعیین و از این مقدار کسر شد. برای محاسبه غلظت از ضریب خاموشی معادل mM-1Cm-1 155 استفاده شد (Heath & Packer, 1968).

اندازه‌گیری فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان: برای استخراج آنزیم‌ها ابتدا نمونه برگ در بافر فسفات حاوی EDTA و Triton با 8/7=pH سائیده و سانتریفیوژ شد و روشناور حاصل، برای سنجش فعالیت آنزیم‌ها استفاده شد. برای اندازه‌گیری آنزیم آسکوربات پراکسیداز
50 میکرولیتر از روشناور حاوی آنزیم،3 میلی لیتر بافر فسفات، 100 میکرولیتر آسکوربات و
5/4 میکرولیتر هیدروژن پراکسید داخل کووت ریخته و تغییرات جذب نوری محلول در طول موج 290 نانومتر، در فواصل 30 ثانیه و به مدت 120 ثانیه خوانده شد. میزان فعالیت آنزیم بر اساس میزان مصرف H2O2 در دقیقه و با ضریب خاموشی
 mM-1Cm-16/2 برآورد شد. یک واحد فعالیت کاتالاز بر مبنای تغییرات جذب نوری محلول در طول موج 240 نانومتر در طی دو دقیقه بر مبنای میزان مصرف  H2O2 و با ضریب خاموشی
 mM−1 cm−1 4/39 برآورد شد. در نهایت میزان فعالیت ویژه هر دو آنزیم بر اساس واحد آنزیم بر میلی‌گرم وزن تر محاسبه و بیان شد(Amooaghaie et al., 2017; 2018).

طرح و تحلیل آماری.

آزمایش گلدانی به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کامل تصادفی با 3 سطح فواصل آبیاری (آبیاری با فواصل 1، 2 و 3 روز) و 5 سطح محلول‌پاشی نانوذرات اکسید مس (صفر، 5/2، 5، 10 و 20) با 3 تکرار در گلخانه دانشگاه شهرکرد انجام شد. آنالیز واریانس داده‌ها با نرم افزار SAS نسخه20 و مقایسه میانگین داده‌ها بر اساس آزمون چند دامنه‌ای دانکن در سطح احتمال 5 درصد انجام شد. نمودارها با کمک نرم افزار Excel رسم شد.

نتایج.

اثر متقابل نانو_ذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر وزن تر و وزن خشک رازیانه.

نتایج آنالیز واریانس (جدول 1) نشان دادند اثر مستقل فواصل آبیاری و نانوذرات بر وزن خشک و وزن تر گیاه رازیانه در سطح احتمال 1 درصد و اثر متقابل آنها در سطح احتمال 5 درصد معنی‌دار بود (جدول 1).

جدول 1- نتایج تجزیه واریانس مربوط به تأثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر وزن تر و خشک و رنگیزه‌های فتوسنتزی در برگ رازیانه

Table 1- The result of analysis of variance related to the effect of different concentrations of CuO nanoparticles and irrigation intervals on fresh and dry weight and content of photosynthetic pigments in leaves of Foeniculum vulgar

 

درجه آزادی

df

وزن تر

Fresh weight

وزن خشک

Dry weight

کلروفیل کل

Total Chlorophyll

محتوای کاروتنوئید

Carotenoid content

فواصل آبیاری

Irrigation intervals (I)

2

5.09**

0.19**

41.67**

3.32**

نانوذرات

Nanoparticles (N)

4

0.78**

0.03**

2.002**

0.46**

فواصل آبیاری × نانوذرات

I×N

8

0.12*

0.0023*

0.1*

0.08**

Error خطا

30

0.03

0.001

0.02

0.008

* و ** به ترتیب معنی‌دار در سطح احتمال 5 و 1 درصد

* and, ** show significant differences at 5 and 1% probability level, respectively

در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه وزن تر و خشک گیاه در حد معنی‌داری نسبت به شاهد کاهش یافت (شکل 1). در شرایط بدون تنش (فواصل آبیاری
1 روزه)، فقط وزن خشک گیاه با کاربرد غلظت
5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات افزایش یافت و وزن تر تغییر معنی‌داری نداشت، امّا با محلول‌پاشی غلظت‌ 20 میلی‌گرم بر لیتر وزن تر و خشک گیاه بطور معنی‌داری کاهش یافت. در فواصل آبیاری
2 و 3 روزه، وزن تر و خشک فقط با کاربرد غلظت ‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس در حد معنی‌داری نسبت به شاهد این گروه‌ها افزایش و در مقابل با کاربرد غلظت‌20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات در حد معنی‌داری نسبت به شاهد این گروه‌ها کاهش یافت (شکل 1).

شکل 1- تأثیر بر همکنش فواصل آبیاری (1، 2 و 3 روزه) و غلظت نانوذرات اکسید مس (0، 5/2، 5 ، 10 و20 میلی ‌گرم در لیتر) بر وزن تر  (A) و خشک (B) رازیانه، داده‌ها میانگین سه تکرار± SEهستند و حروف یکسان عدم‌اختلاف معنی‌دار بین تیمارها بر طبق آزمون دانکن را نشان می‌دهد.

Figure 1- Interactive effect of irrigation intervals (1, 2, and 3 days) and the concentrations of CuO nanoparticles
(0, 2.5, 5, 10 and 20 mg/L) on fresh (A) and dry (B) weights of Foeniculum vulgar. The data are means of 3 replications ± SE and same letters indicate non-significant differences between treatments according to Duncan’s multiple range tests.

اثر متقابل نانوذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر رنگیزه‌های فتوسنتزی برگ رازیانه.

نتایج آنالیز واریانس نشان دادند تأثیر مستقل فواصل آبیاری و نانوذرات بر محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئید در برگ رازیانه در سطح احتمال 1 درصد و تأثیر متقابل آنها بر محتوای کلروفیل کل در سطح احتمال 5 درصد، امّا بر محتوای کاروتنوئید در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود (جدول 1).

شکل 2- تأثیر بر همکنش فواصل آبیاری (1، 2 و 3 روزه) و غلظت نانوذرات اکسید مس (0، 5/2، 5، 10 و20 میلی‌گرم در لیتر)
بر محتوای کلروفیل کل (A) و کاروتنوئید (B) برگ رازیانه، داده‌ها میانگین سه تکرار± SE هستند و حروف یکسان عدم اختلاف معنی‌دار بین تیمارها برطبق آزمون دانکن را نشان می‌دهند.

Figure 2- Interactive effect of irrigation intervals (1, 2, and 3 days) and the concentrations of CuO nanoparticles
(0, 2.5, 5, 10 and 20 mg/L) on the contents of total Chl. (A) and carotenoids (B) in leaves of Foeniculum vulgar.
The data are means of 3 replications ± SE and same letters indicate non-significant differences between treatments according to Duncan’s multiple range tests.

با افزایش فواصل آبیاری به 2 و 3 روز محتوای کلروفیل و محتوای کاروتنوئیدها در حد معنی‌داری کاهش یافت (شکل 2). بررسی تأثیر متقابل فواصل آبیاری و نانوذرات اکسید مس نشان دادند در فاصله آبیاری یک روزه فقط تأثیر کاربرد غلظت
10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس سبب افزایش معنی‌دار محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئید شد، امّا با محلول‌پاشی غلظت‌ 20 میلی‌گرم بر لیتر، محتوای این رنگیزه‌ها بطور معنی‌داری کاهش یافت (شکل 2). در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه، محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئید با کاربرد دو غلظت 5 و ‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس در حد معنی‌داری نسبت به شاهد این گروه‌ها افزایش و در مقابل با کاربرد غلظت‌20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات در حد معنی‌داری نسبت به شاهد این گروه‌ها کاهش یافت (شکل 2).

تأثیر متقابل نانوذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر پرولین و محتوای آب برگ.

نتایج آنالیز واریانس (جدول 2) نشان داد تأثیر مستقل فواصل آبیاری و نانوذرات اکسید مس و نیز تأثیر متقابل آنها بر محتوای پرولین و محتوای نسبی آب برگ رازیانه در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود.

جدول 2- نتایج تجزیه واریانس مربوط به تأثیر غلظت اکسید مس و فواصل آبیاری بر محتوای نسبی آب (RWC)، محتوای پرولین، محتوای مالون دی‌آلدئید (MDA)، فعالیت آنزیم‌های کاتالاز (CAT) و آسکوربات پراکسیداز (APX) در برگ رازیانه

Table 2- The result of analysis of variance related to the effect of different concentrations of CuO nanoparticles and irrigation intervals on on relative water content, content of malondealdehyde and proline, the activities of APX and CAT in leaves of Foeniculum vulgar

 

درجه آزادی

df

محتوای نسبی آب

RWC

محتوای پرولین

Proline

محتوای مالون دی‌آلدئید

MDA

فعالیت کاتالاز

CAT

اسکوربات پراکسیداز

APX

فواصل آبیاری

Irrigation intervals (I)

2

393.67**

49.19**

392.01**

2780.63**

1476.26**

نانوذرات

Nanoparticles (N)

4

98.6**

24.16**

37.38**

169.95**

279.86**

فواصل آبیاری × نانوذرات

I×N

8

15.88**

6.77**

5.85**

99.42**

54.38**

Error خطا

30

2.57

3.11

2.68

4.45

0.95

** معنی‌دار در سطح احتمال 1 درصد

** significant differences at 1% probability level

 با افزایش فواصل آبیاری به 2 و 3 روز محتوای نسبی آب برگ کاهش (شکل A3) و محتوای پرولین افزایش یافت (شکل B3)، که این تغییرات نسبت به شاهد کاملاً معنی‌دار بود. در شرایط بدون تنش (فواصل آبیاری 1 روزه)، کاربرد غلظت‌های
5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات به ملایمت محتوای نسبی آب (شکل A3) را افزایش داد، امّا هیچ‌کدام از غلظت‌های نانوذرات اکسید مس تفاوت معنی‌داری در محتوای پرولین (شکل B3) نسبت به شاهد این گروه ایجاد نکرد.

 

شکل 3- تأثیر بر همکنش فواصل آبیاری(1، 2 و 3 روزه) و غلظت نانوذرات اکسید مس (0، 5/2، 5، 10 و20 میلی‌گرم در لیتر)
بر محتوای نسبی آب (A) محتوای پرولین (B) برگ رازیانه، داده‌ها میانگین سه تکرار± SE هستند وحروف یکسان عدم اختلاف معنی‌دار بین تیمارها برطبق آزمون دانکن را نشان می‌دهند.

Figure 3- Interactive effect of irrigation intervals (1, 2, and 3 days) and the concentrations of CuO nanoparticles
(0, 2.5, 5, 10 and 20 mg/L) on relative water content (A) and proline content (B) in leaves of Foeniculum vulgar. The data are means of 3 replications ± SE and same letters indicate non-significant differences between treatments according to Duncan’s multiple range tests.

در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه، کاربرد همه غلظت‌های 5/2، 5 و ‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس در حد معنی‌داری محتوای نسبی آب و محتوای پرولین برگ را نسبت به شاهد این گروه‌ها افزایش داد (به استثنای غلظت 5/2 روی محتوای نسبی آب در فواصل 2 روزه آبیاری). در این فواصل آبیاری با کاربرد غلظت ‌20 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات محتوای نسبی آب در حد معنی‌داری نسبت به غلظت‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات کاهش یافت و با شاهد این گروه‌ها در یک سطح قرار گرفت (شکل A3). در حالی‌که در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه، کاربرد غلظت‌20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات محتوای پرولین را نسبت به غلظت
‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات و شاهد این گروه‌ها افزایش داد (شکل B3). با کاربرد غلظت‌های 5/2، 5، 10 و 20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس در فاصله آبیاری دو روزه، محتوای پرولین به ترتیب 87/23، 96/29، 91/37 و 09/52 درصد و در فاصله آبیاری سه روزه محتوای پرولین به ترتیب 98/12، 29/27، 94/39 و 36/61 درصد نسبت به شاهد گروه خود افزایش یافت (شکل B3).

اثر متقابل نانوذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر محتوای مالون دی آلدئید.

نتایج آنالیز واریانس (جدول 2) نشان داد تأثیر مستقل فواصل آبیاری و نانوذرات اکسید مس و نیز تأثیر متقابل فواصل آبیاری و نانوذرات اکسید مس بر محتوای مالون دی آلدئید در برگ رازیانه در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود. با افزایش فواصل آبیاری به 2 و 3 روز، میزان مالون دی آلدئید در برگ رازیانه بطور معنی‌داری افزایش یافت (شکل 4). در فاصله آبیاری یک روزه کاربرد غلظت‌های 5/2، 5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس تفاوت معنی‌داری در محتوای مالون دی آلدئید نسبت به شاهد ایجاد نکردند، امّا با کاربرد غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات اکسید مس محتوای مالون دی آلدئید افزایش معنی‌دار
58/34 درصدی را نسبت به شاهد گروه خود نشان داد (شکل 4). در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه، کاربرد غلظت‌های 5/2، اثر معنی‌داری نداشت، امّا کاربرد غلظت‌های 5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس محتوای مالون دی آلدئید را به ترتیب به میزان 94/16 و 58/25 درصد در فاصله آبیاری دو روزه و15/15 و 23 درصد در فاصله آبیاری دو روزه کاهش داد که نسبت به شاهد این گروه‌ها معنی‌دار بود. در فواصل آبیاری 2 و
3 روزه، کاربرد غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس محتوای مالون دی آلدئید را نسبت به شاهد این گروه‌ها در حد معنی‌داری افزایش داد (شکل 4).

شکل 4- تأثیر بر همکنش فواصل آبیاری (1، 2 و 3 روزه) و غلظت نانوذرات اکسید مس (0، 5/2، 5، 10 و20 میلی‌گرم در لیتر) بر محتوای مالون دی‌آلدئید (MDA) در برگ رازیانه، داده‌ها میانگین سه تکرار± SE هستند و حروف یکسان عدم اختلاف معنی‌دار بین تیمارها برطبق آزمون دانکن را نشان می‌دهند.

Figure 4- Interactive effect of irrigation intervals (1, 2, and 3 days) and the concentrations of CuO nanoparticles (0, 2.5, 5, 10 and 20 mg/L) on the contents of malondealdehyde (in leaves of Foeniculum vulgar.The data are means of 3 replications ± SE and same letters indicate non-significant differences between treatments according to Duncan’s multiple range tests.

تأثیر متقابل نانوذرات اکسید مس و فواصل آبیاری بر فعالیت‌های آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان.

با توجه به نتایج آنالیز واریانس (جدول 2) تأثیر مستقل فواصل آبیاری و نانوذرات اکسید مس و نیز تأثیر متقابل این فاکتورها بر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز برگ در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود. با افزایش فواصل آبیاری به 2 و 3 روز فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز و کاتالاز در برگ رازیانه بطور معنی‌داری نسبت به شاهد (آبیاری یک روزه و بدون تیمار نانوذرات) افزایش یافت (شکل 5).
به هر حال فعالیت آسکوربات پراکسیداز در فاصله آبیاری 3 روزه در حد معنی‌داری کمتر از فاصله آبیاری 2 روزه بود (شکل B5).

 

شکل 5- تأثیر بر همکنش فواصل آبیاری (1، 2 و 3 روزه) و غلظت نانوذرات اکسید مس (0، 5/2، 5، 10 و20 میلی‌گرم در لیتر)
بر فعالیت آنزیم کاتالاز  (A)و آسکوربات پراکسیداز (B) در برگ رازیانه، داده‌ها میانگین سه تکرار± SE هستند و حروف یکسان عدم اختلاف معنی‌دار بین تیمارها برطبق آزمون دانکن را نشان می‌دهند.

Figure 5- Interactive effect of irrigation intervals (1, 2, and 3 days) and the concentrations of CuO nanoparticles
(0, 2.5, 5, 10 and 20 mg/L) on the activity of CAT (A) and APX (B) in leaves of Foeniculum vulgar. The data are means of 3 replications ± SE and same letters indicate non-significant differences between treatments according to Duncan’s multiple range tests.

در شرایط آبیاری یک روزه، کاربرد غلظت‌های 5/2 تا 10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات تفاوت معنی‌داری در فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز و کاتالاز (شکل 5) نسبت به شاهد این گروه ایجاد نکرد. با کاربرد 20 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات آنزیم آسکوربات پراکسیداز بطور معنی‌داری کاهش و فعالیت آنزیم بطور معنی‌داری نسبت به شاهد این گروه افزایش یافت.

در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه، کاربرد همه غلظت‌های 5/2 ، 5 و ‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس در حد معنی‌داری فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز و کاتالاز را نسبت به شاهد این گروه‌ها افزایش داد و بیشترین فعالیت کاتالاز در غلظت ‌10 و بیشترین فعالیت آسکوربات پراکسیداز در غلظت ‌5 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات بدست آمد. در این فواصل آبیاری با کاربرد غلظت ‌20 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات فعالیت هر دو آنزیم در حد معنی‌داری نسبت به غلظت‌10 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات در این گروه‌ها کاهش یافت
(شکل 5).

بحث.

خشکی، تنش اسمزی را بر گیاه تحمیل می‌کند که سبب کاهش جذب آب و کاهش وزن تر گیاه می‌شود. علاوه بر این تحت تنش خشکی آبسزیک اسید در ریشه ساخته شده و به برگ منتقل می‌شود که منجر به بسته ‌شدن روزنه‌ها و کاهش ورودی دی‌اکسید کربن و فتوسنتز گیاه و در نتیجه کاهش وزن خشک گیاه می‌شود (Seleiman et al., 2021). رازیانه گیاهی با نیاز آبی متوسط است و در مزرعه متداول دور آبیاری معمولا 7 تا 10 روز یکبار است (Koocheki et al., 2006). با وجود این، در این پژوهش با توجه به بافت شنی لومی خاک، محدود بودن حجم آب مصرفی برای هر گلدان و شرایط گرم گلخانه، با افزایش فواصل آبیاری از 1 به 2 و
3 روز، میزان وزن خشک و وزن تر گیاه رازیانه به‌طور معنی‌داری کاهش یافت. در هر حال محلول پاشی با نانوذرات ‌اکسید مس تا غلظت 10 میلی‌گرم در لیتر در فواصل آبیاری 2 و 3 روزه سبب افزایش امّا در غلظت 20 میلی‌گرم در لیتر سبب کاهش وزن خشک و تر گیاه شد (شکل 1). بطور مشابهی غلظت 10 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات اکسید مس و اکسید روی، بیان ژن مربوط به تولید اکسین و رشد طولی و وزن خشک ریشه و ساقه کلزا را افزایش داد، امّا غلظت­های بالاتر تأثیر معکوس بر این صفات داشتند. بنابراین پژوهشگران نشان دادند نانوذرات اکسید مس در غلظت کم در رابطه با تحریک تولید اکسین، رشد گیاه را تحریک می‌کنند
(Rahmani et al., 2016). نقش مس در سنتز اسیدآمینه تریپتوفان و تولید اکسین بخوبی اثبات شده است. همچنین غلظت کم مس اثر مثبتی بر فرآیندهای فیزیولوژیک مانند فتوسنتز، تنفس، تولید هورمون‌های رشد و سنتز ATP دارد و به عنوان یک عنصر ریز مغذی ضروری، رشد گیاه را افزایش می‌دهد. در مقابل مهار رشد گیاهان در حضور غلظت زیاد مس به اختلال در وضعیت آب سلول، میتوز، چرخه‌سلولی، سخت‌شدن دیواره سلولی به علّت تشکیل لیگنین، به هم خوردگی تعادل هورمونی، کاهش محتوای نیتروژن و پتاسیم و افت کارایی فتوسنتز نسبت داده شده است
(Adrees et al., 2015). مشابه با نتایج ما، غلظت‌های بالای نانوذرات اکسید مس سبب لیگنینی شدن دیواره‌ها و در نتیجه محدود شدن رشد گیاهچه خردل هندی شد (Nair & Chung, 2014).

کاهش رشد گیاه تحت تنش کم‌آبی ممکن است ناشی از کاهش محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئید (شکل 2) در برگ گیاه رازیانه باشد که احتمالاً فتوسنتز و تأمین مواد اولیه برای رشد را کاهش داد. تنش خشکی با افزایش مقدار برخی از هورمون‌ها نظیر اتیلن و اسیدآبسزیک، و افزایش فعالیت کلروفیلاز یا با تولید گونه‌های فعال اکسیژن و ایجاد تنش اکسیداتیو موجب تجزیه کلروفیل و آسیب‌پذیری کمپلکس‌های پروتئین- رنگیزه می‌شود (Seleiman et al., 2021). غلظت 5 و 10 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات اکسید مس موجب افزایش محتوای کلروفیل کل و کاروتنوئیدها (شکل 2) در فواصل آبیاری مختلف شد. بطور مشابهی محلول‌پاشی با غلظت 8 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات اکسید مس بهترین تأثیر را بر افزایش رشد و بیوماس، محتوای کلروفیل و نرخ فتوسنتز خالص گیاه خردل داشت (Faraz et al., 2022). پژوهش دیگری نشان داد غلظت‌های کم نانوذرات مس موجب افزایش محتوای بتا کاروتن، کاروتنوئیدها، کلروفیل و بهبود رشد در گیاهچه گندم تحت شرایط بدون تنش و همچنین تحت تنش شوری و تنش اسمزی القا شده با پلی‌اتیلن گلیکول شد (Farooq et al., 2022). مس در غلظت‌های کم به عنوان یک ریزمغذی رشد و میزان سنتز کلروفیل‌ها را افزایش می‌دهد (Adrees et al., 2015). علاوه بر این، افزایش کاروتنوئیدها در پاسخ به نانوذرات مس نیز در حفظ و پایداری کلروفیل‌ها و فتوسنتز تأثیر داشت. کاروتنوئیدها رنگیزه‌هایی هستند که علاوه بر نقش ساختمانی به عنوان گیرنده نوری، با ممانعت از تشکیل گونه‌های فعال اکسیژن کلروفیل‌ها و فتوسیستم‌ها را از آسیب فوتون‌های اضافی و تنش اکسیداتیو محافظت می‌کنند (Latowski et al.,  2011). در هر حال، کاربرد غلظت 20 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات اکسید مس سبب کاهش میزان کلروفیل کل و کاروتنوئیدها (شکل 2) در فواصل آبیاری مختلف شد. یکی از علایم رایج سمیت فلزات سنگین کاهش رشد و رنگیزه‌های فتوسنتزی در اثر القای تنش اکسیداتیو است (Amooaghaie, et al., 2012) و احتمال می‌رود در غلظت بالای نانوذرات اکسید مس، رهایی زیاد یون مس در سلول‌ها موجب تخریب اکسیداتیو رنگیزه‌ها شده است. یک پژوهش نشان داد غلظت زیاد نانوذرات اکسید مس موجب به هم ریختگی ساختار کلروپلاست و کاهش محتوای کلروفیل و کارایی فتوسنتز شد و در نتیجه طول و بیوماس گیاهچه برنج را کاهش داد. بنابراین پژوهشگران بیان کردند احتمالاً در غلظت‌های بالای نانوذرات، رهایی یون مس زیاد با فعال‌سازی واکنش فنتون موجب افزایش تولید رادیکال سوپراکسید و اکسیژن یکتایی در کلروپلاست می‌شود که این رادیکال‌ها به غشای تیلاکوئیدها حمله کرده، سبب آزادشدن رنگیزه‌ها و تخریب آنها می‌شود (Costa & Sharma, 2016). بطور مشابهی اثر مثبت و منفی غلظت‌های کم و زیاد نانوذرات بر محتوای رنگیزه‌های فتوسنتزی در گندم و گوجه فرنگی تیمار شده با نانوذرات روی و اکسید روی تحت شرایط بدون تنش (Amooaghaie et al., 2017) و در زنیان تیمار شده با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (Amooaghaie et al., 2022) تحت تنش شوری قبلاً گزارش شده است. افزایش فواصل آبیاری به 2 و 3 روز، منجر به ایجاد تنش اسمزی در گیاه شد که به‌صورت کاهش محتوای نسبی آب برگ گیاه رازیانه پدیدار شد و احتمالاً افزایش میزان پرولین (شکل 3) در این گیاهان یک واکنش برای حفظ وضعیت آبی سلول و یک سازوکار تنظیم اسمزی برای مقابله با خشکی بود. با نانوذرات ‌اکسید مس در غلظت‌های 5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر محتوای نسبی آب بخش هوایی نسبت به شاهد افزایش یافت (شکل 3). بطور مشابهی، بررسی تأثیر نانوذرات آهن، مس، کبالت و اکسید روی بر گیاهان سویا نشان داد کاربرد این نانوذرات با تأثیر بر بهبود بیوماس و محتوای نسبی آب تحت تنش خشکی، شاخص تحمّل خشکی در سویا را افزایش دادند (Linh et al., 2020). افزایش پرولین با کاربرد نانوذرات ‌اکسید مس تحت فواصل آبیاری 2 و 3 روزه (شکل 3) نشان داد احتمالاً تنظیم اسمزی ناشی از افزایش تجمع پرولین در گیاهان تیمار شده با نانوذرات ‌اکسید مس تا حدی عامل بهبود جذب آب و افزایش محتوای نسبی آب در گیاهان رازیانه تحت تنش کم‌آبی بوده است. بطور جالبی در این پژوهش، با کاربرد نانوذرات ‌اکسید مس با غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر در حالی‌که محتوای آب نسبی کاهش یافت، محتوای پرولین افزایش یافت
(شکل 3). پرولین اسید آمینه کلیدی است که مقدار آن در طی تنش‌های محیطی از جمله فلزات سنگین نه تنها به جهت تنظیم اسمزی، بلکه برای حفظ ساختار پروتئین‌ها و خنثی کردن رادیکال‌های آزاد و همچنین به عنوان یک کلات کننده فلزات در گیاه افزایش می‌یابد (Hayat et al., 2012). احتمالاً به همین علّت در پژوهش حاضر نیز در غلظت
20 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات مس، میزان پرولین خیلی بیشتر از سایر غلظت‌ها افزایش یافته است تا یون‌های زیاد مس رها شده از نانوذرات را کلات کند و با پاکروبی رادیکال‌های آزاد اثرات اکسیداتیو ناشی از آنها بر غشاها و پروتئین‌های آنزیمی را تعدیل کند. در تأئید یافته‌های ما، پژوهش دیگری نشان داد در آرابیدوپسیس ژن‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های درگیر در سنتز پرولین (P5CS2, P5CS1) تحت تأثیر تیمار با نانوذرات اکسید مس (10و20 میلی گرم برلیتر) در حد معنی‌داری فراتنظیم می‌شوند (Nair & Chung, 2015). افزایش پرولین در پاسخ به سمّیت غلظت بالای نانوذرات اکسید مس در برنج (Costa & Sharma, 2016) و در زنیان تیمار شده با نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (Amooaghaie et al., 2022) نیزگزارش شده است. افزایش محتوای مالون دی‌آلدئید در برگ گیاه رازیانه در فواصل آبیاری
2 و 3 روزه (شکل 4) نشان داد تنش خشکی علاوه بر تنش اسمزی، تنش اکسیداتیو هم ایجاد کرده است. در پاسخ به تنش اکسیداتیو ناشی از کم‌آبی، فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز در گیاه رازیانه افزایش یافت (شکل 5). این نتایج با یافته‌های موسی‌پوریحیی‌آبادی و اصغری‌پور
(Mosapour Yahyaabadi & Asgharipour, 2016)، درباره رازیانه مطابقت دارد. در هر حال محلول‌پاشی با نانو‌ذرات ‌اکسید مس تا غلظت
10 میلی‌گرم بر لیتر، فعالیت آنزیم‌های کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز را در گیاه رازیانه تحت فواصل آبیاری 2 و 3 روزه تشدید کرد (شکل 5) و در رابطه با پاکروبیROS به‌وسیله این آنزیم‌ها، تنش اکسیداتیو ناشی از تنش کم‌آبی را کاهش داد. امّا غلظت 20 میلی‌گرم در لیتر اثر عکس داشت و پراکسیداسیون لیپید را افزایش داد (شکل 4). بطور مشابهی پرایم دانه با غلظت 12/0 درصد نانوذرات مس با افزایش فعالیت آنزیم پراکسیداز تحت تنش شوری و افزایش کاتالاز تحت تنش شوری و تنش اسمزی القا شده با پلی‌اتیلن گلیکول موجب کاهش تجمع مالون دی‌آلدئید در گیاهچه گندم شد. امّا پرایم دانه با غلظت 16/0 درصد اثر معکوس داشت و پراکسیداسیون لیپید را تحت شرایط بدون تنش و همچنین تحت هر دو تنش اسمزی و شوری افزایش داد (Farooq et al., 2022). همچنین کاربرد نانوذرات فلزات مس، آهن و کبالت در شرایط مزرعه جوانه‌زنی و رشد اولیه گیاه را بهبود داد و با تشدید فعالیت سوپر اکسید دیسموتاز و آسکوربات پراکسیداز، تحمّل خشکی و میزان برداشت ذرت را بطور معنی‌داری افزایش داد (Hoang et al., 2019) افزایش و کاهش فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان در پاسخ به غلظت‌های کم و زیاد نانوذرات اکسید تیتانیوم در گیاه زنیان تحت تنش شوری نیز قبلاً گزارش شده است (Amooaghaie & Majidi, 2021; Amooaghaie et al., 2022).

یافته‌های این پژوهش، پیشنهاد می‌کند نانوذرات ‌اکسید مس در غلظت 20 میلی‌گرم در لیتر خود به عنوان یک تنش عمل کرده و حتی تحت فواصل آبیاری 1روزه (شرایط بدون تنش) هم محتوای مالون دی‌آلدئید را افزایش دادند. بطور مشابهی، کاربرد غلظت بالای نانوذرات مس در کشت هیدروپونیک گشنیز سبب ایجاد سمّیت شد و طول ریشه و محتوای کلروفیل را کاهش داد، در حالی‌که نشت الکترولیت‌ها از غشای ریشه افزایش یافت (Alquraidi et al., 2018). غلظت 20 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات ‌اکسید مس همچنین سبب تشدید تنش اکسیداتیو در شرایط کم‌آبی در رازیانه شد. احتمالاً در این شرایط مجموع تنش اکسیداتیو ناشی از کم‌آبی و غلظت بالای نانوذرات به حدی زیاد بوده است که به خود آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان نیز آسیب رسانیده است و فعالیت آنها را کاهش داده
(شکل 5) و در نتیجه تجمع مالون دی‌آلدئید در این تیمارها (شکل 4) افزایش یافته است. احتمالاً میزان زیاد فلز مس رها شده از نانوذرات، و یا اثرات ناشی از ماهیت فیزیکوشیمیایی ویژه خود نانوذرات در غلظت زیاد، به گونه‌ای است که موجب راه‌اندازی تنش اکسیداتیو در گیاه می‌شود. فلزات فعال از نظر ردوکس، مثل مس می‌توانند تشکیل رادیکال‌های آزاد مضر مانند هیدروکسیل، پروکسیل، رادیکال آلکوکسیل را از طریق واکنش فنتون افزایش دهند و با حمله این رادیکال‌ها به غشاها و پروتئین‌ها، تنش اکسیداتیو ایجاد می‌کنند (Adrees et al., 2015). تأثیر مثبت غلظت کم مس بر رشد گیاه و تأثیر منفی غلظت بالای مس بر افزایش محتوای مالون دی‌آلدئید و تغییر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان در مریم گلی قبلاً گزارش شده است
(Pirooz et al., 2021). تأثیر منفی غلظت بالای نانوذرات روی و اکسید روی در گندم و گوجه فرنگی و نانوذرات نقره در خردل سیاه بر رشد و محتوای کلروفیل و تحریک پاسخ‌های دفاعی مانند تجمع پرولین و تغییر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌‌اکسیدان در این گیاهان نیز قبلاً گزارش شده است (Amooaghaie et al., 2017; Amooaghaie
et al., 2018).

نتیجه‌گیری.

در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد تنش کم‌آبی، با القای تنش اسمزی و اکسیداتیو به گیاه سبب کاهش محتوای نسبی آب گیاه و افزایش میزان پراکسیداسیون لیپیدی غشای سلول شد و همین آثار منجر به کاهش میزان کلروفیل کل و کاروتنوئیدها و رشد گیاه شد. برای مدیریت تنش اسمزی و اکسیداتیو ناشی از کم‌آبی، تجمع پرولین و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی در گیاه دارویی رازیانه افزایش یافت. محلول‌پاشی غلظت‌های مناسب نانوذرات اکسید مس (اغلب 5 و 10 میلی‌گرم در لیتر) هم این سازوکار‌های دفاعی را تقویت نمود و همین امر منجر به بهبود محتوای رنگدانه‌های فتوسنتزی و افزایش رشد گیاه شد.
به هر حال غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر نانو‌ذرات ‌اکسید مس در برخی موارد تأثیرات منفی و یا آثار کمتر از سایر غلظت‌ها داشت. احتمالاً غلظت زیاد نانو‌ذرات خود تنش‌زا بوده است، زیرا میزان مالون دی‌آلدئید در این غلظت‌ حتی در گیاهان تحت آبیاری نرمال بیشتر بود و فعالیت آنزیم‌های کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز، در این غلظت افت کرد و محتوای کلروفیل و وزن تر و خشک گیاه نیز کاهش یافت. بنابراین، بر مبنای اطلاعات این پژوهش، غلظت‌های 5 و 10 میلی‌گرم بر لیتر نانوذرات اکسید مس تأثیر مثبتی در غلبه بر تنش اسمزی و اکسیداتیو ناشی از کم‌آبی داشت، امّا از کاربرد غلظت بالای این نانوذرات برای افزایش تحمّل گیاه رازیانه نسبت به تنش خشکی باید اجتناب کرد.

تقدیر و تشکر.

از دانشگاه شهرکرد برای پشتیبانی مالی این پژوهش در قالب پایان نامه کارشناسی ارشد تقدیر و تشکر می‌شود.

References

Adrees, M., Ali, S., Rizwan, M., Ibrahim, M., Abbas, F., Farid, M., Zia-ur-Rehman, M., Irshad, M. K., & Bharwana, S. A. )2015( The effect of excess copper on growth and physiology of important food crops: a review. Environmental Science and Pollution Research, 22, 8148–8162. https:// doi:10.1007/s11356-015-4496-5.
Afshari, M., Pazoki, A., & Sadeghipour, O. (2023) Changes of coriander (Coriandrum sativum L.) plants under drought stress and foliar application of salicylic acid and silicon nanoparticles. Journal of Medicinal Plants and By-products, 3, 197-207. https:// doi:10.22092/jmpb.2022.356434.1417
Ahmed, A. M. A., Khalid, Kh. A., & Zaki, F. S. A. (2024) Investigating foliar application of bulk and nanoparticles titanium dioxide on fennel productivity to mitigate the negative effects of saline irrigation water. BMC Plant Biology, 24, 317. https:// doi:10.1186/s12870-024-04996-8
Alquraidi, A. O., Mosa, K. A., & Ramamoorthy, K. (2019) Phytotoxic and genotoxic effects of copper nanoparticles in coriander (Coriandrum sativum—Apiaceae). Plants, 8(1), 19. https:// doi:10.3390/plants8010019
Amooaghaie, R. & Majidi, M. (2021) The effect of foliar spraying TiO2 nanoparticles on biochemical responses, growth, yield and essential oil content of ajowan (Carum copticum) under salinity stress. Journal of Soil and Plant Interactions, 12(3), 33-55. https://‎ doi: 10.47176/jspi.12.3.07661
Amooaghaie, R., Majidi, M., & Farhadian, S. (2022) Impact of nano-TiO2 on salt stress tolerance of Carum copticum. Plant Process and Function, 11, (48), 19-34. https://doi: 20.1001.1.23222727. 1401.11.48.2.3 [in persian]
Amooaghaie, R., Marefat, E., & Shabani, L. (2012) Interaction of salicylic acid and cadmium on growth, photosynthetic pigments and ion distrubiution in arial parts of soybean plantlets .Journal of Plant Biology, 14, 75-87.
Amooaghaie, R., Norouzi, M., Saeri, M. (2017) Impact of zinc and zinc oxide nanoparticles on the physiological and biochemical processes in tomato and wheat. Botany, 95(5), 441-445. https://doi: 10.1139/cjb-2016-0194.
Amooaghaie R, Tabatabaei F, & Ahadi A. (2018) Alterations in Ho-1 expression, heme oxygenase activity and endogenous NO homeostasis modulate antioxidant responses of Brassica nigra against nano silver toxicity. Journal of Plant Physiology, 228, 75–84. https://doi:10.1016/j.jplph.2018.01.012.
Badgujar, S. B., Patel, V., & Bandivdekar, A. (2014) Foeniculum vulgare Mill: A review of its botany, phytochemistry, pharmacology, contemporary application, and toxicology. Biomed Research International, 4, 32.
https:// doi: 10.1155/2014/842674
Bates, L. S., Waldran, R. P., & Teare, I. D. (1973) Rapid determination of free proline for water studies. Plant and Soil, 39, 205-208.
Costa, M. V. J., & Sharma, P. K. (2016) Effect of copper oxide nanoparticles on growth, morphology, photosynthesis, and antioxidant response in Oryza sativa. Photosynthetica, 54(1), 110–119. https://doi: 10.1007/s11099-015-0167-5
Faraz, A., Faizan, M., Hayat, S., & Alam, P. (2022) Foliar application of copper oxide nanoparticles increases the photosynthetic efficiency and antioxidant activity in Brassica juncea. Journal of Food Quality, Vol 2022, 5535100. https:// doi:10.1155/2022/ 5535100
Farooq, T., Un Nisa, Z., Hameed, A., Ahmed, T., & Hameed, A. (2020) Metal-based nanoparticles enhance drought tolerance in soybean. Journal of Nanomaterials, Vol. 2020, 4056563, https:// doi:10.1155/2020/4056563
Gholinezhad, E. (2017) Effect of drought stress and Fe nano-fertilizer on seed yield, morphological traits, essential oil percentage and yield of dill (Anethum graveolens L.). Journal of Essential Oil Bearing Plants, 20(4), 1006-1017. https://doi:10.1080/0972060X.2017.1362999
Hayat, S., Hayat, Q., Alyemeni, M. N., Wani, A. S., Pichtel, J., & Ahmad, A. (2012) Role of proline under changing environments: a review. Plant Signaling and Behavior, 7, 1456-1466. https://doi: 10.4161/psb.21949
Heath, R. L., & Packer, L. (1968) Photoperoxidation in isolated chloroplast: I Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Archives of Biochemistry and Biophysics, 125,
189-198.
Hoang, S. A., Nguyen, L. Q., Nguyen, N. H., Tran, C. Q., Nguyen, D. V., Le, N. T., Ha, C. V., Vu Q. N., & Phan, C. M. (2019) Metal nanoparticles as effective promotors for maize production. Scientific Report, Vol 9, 13925. https://doi: 10.1038/s41598-021-81981-3
Hong, J., Rico, C. M., Zhao, L., Adeleye, A. S., Keller, A. A. Peralta-videa, J. R., & Gardea-Torresdey, J. L. (2015) Toxic effects of copper-based nanoparticles or compoundes to lettuce (Lactuca sativa) and alfalfa (Medicago sativa). Environmenal Science: Process and Impact, 17, 177-185. https://doi:10/1039/C4EMoo551A. 10. 3390/ijms161125980.
Koocheki, A., Nasiri mahalati, M., & Azizi, E. (2006) The effect of different irrigation intervals and plant densities on yield and yield components of two fennel (Foenicolum vulgare) landraces. Iranian Journal of Field Crops Research, 4(1), 131-140. https://doi: 10.22067/gsc.v4i1.1323
Latowski, D., Kuczynska, P., & Strzalka, K. (2011) Xanthophyll cycle- a mechanism protecting plants against oxidative stress. Redox Report, 16, 78-90. https://doi:10.1179/174329211x13020951739938
Lichtenthaler, H. K., & Wellburn, A. R. (1983) Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents. Biochemical Society Transactions, 11, 591–592. https://doi:10.1042/ bst0110 591.
Linh, T. M.,  Mai, N. C,  Hoe, P. T, Lien, L. Q., Ban, N. K., Thu, Hien, L. T., Chau, N. H., & Van, N. T. (2020) Metal-based nanoparticles enhance drought tolerance in soybean. Journal of Nanomaterials, Vol 2020, 4056563. https:// doi:10.1155/2020/4056563
Mosapour Yahyaabadi, H., & Asgharipour, M. R. (2016) Effects of drought stress and its interaction with silicon on stimulates the antioxidant system and lipid peroxidation in fennel (Foeniculum vulgar). Plant Process and Function, 5 (16), 71-84. https:// doi: 20.1001.1. 23222727.1395.5.16.8.3 [in persian]
Mustafa, H. S., Oraibi, A. G., Ibrahim, K. M. & Ibrahim, N. K (2017) Influence of silver and copper nanoparticles on physiological characteristics of Phaseolus vulgaris L. in vitro and in vivo. International Journal of Current Microbiology and Applied Science, 6, 834-843. https://doi: 10.20546/ijcmas. 2017.601.098
Nair, P. M., & Chung, I. M. (2014) Impact of copper oxide nanoparticles exposure on Arabidopsis thaliana growth, root system development, root lignificaion, and molecular level changes. Environmental Science and Pollution Research, 21, 12709-12022. https://doi: 10.1007/s11356-014-3210-3.
Nair, P. M., & Chung, I. M. (2015) Study on the correlation between copper oxide nanoparticles induced growth suppression and enhanced lignification in Indian mustard (Brassica juncea L.). Ecotoxicology and Environmental Safety, 113, 302–313. https://doi: 10.1016/j.ecoenv.2014.12.013
Nguyen, D. V., Nguyen, H. M., Le, N. T., Nguyen, K. H., Le, H. M., Nguyen, A. T., Dinh, N. T. T, Hoang S. A, & Ha C. V. (2022) Copper nanoparticle application enhances plant growth and grain yield in maize under drought stress conditions. Journal of Plant Growth Regulation, 41, 364–375. https://doi:10. 1101/2020. 02.24.963132
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., & Tran, L. S. (2014) Response of plants to water stress. Frontier Plant Science, 5, 86. https://doi:10.3389/fpls.2014.00086
Pirooz, P., Amooaghaie, R., Ahadi, A. M., & Sharififar, F. (2021) Silicon- induced nitric oxide burst modulates systemic defensive responses of Salvia officinalis under copper toxicity. Plant Physiology and Biochemistry, 162, 752–761. https://doi:10.1016/j.plaphy.2021.02. 048.
Rahmani, F., Peymani, A.,  Daneshvand, E., & Biparva, P. (2016) Impact of zinc oxide and copper oxide nano-particles on physiological and molecular processes in Brassica napus L. Indian Journal of Plant Physiology, 21, 122-128. https://doi: 10.1007/s40502-016-0212-9
Rajput, V. D., Minkina, T., Suskova, S.,
et al. (2018) Effects of copper nanoparticles (CuO NPs) on crop plants: a mini review. BioNanoScience, 8(1), 36-42. https://doi: 10.1007/s12668-017-0466-3
Shaw, A. K., Ghosh, S., Kalaji, H. M., Bosa, K., Brestic M., Zivcak M, & Hossain, Z. (2014) Nano-CuO stress induced modulation of antioxidative defense and photosynthetic performance of Syrian barley (Hordeum vulgare L.). Environmental and Experimental Botany, 102, 37–47. https://doi: 10.1016/j.envexpbot.2014.02.016
Seleiman, M. F., Al-Suhaibani, N., Ali, N., Akmal, M., Alotaibi, M., Refay, Y., Dindaroglu, T., Abdul-Wajid, H. H., & Battaglia, M. L. (2021) Drought stress impacts on plants and different approaches to alleviate its adverse effects. Plants, 10, 259. https:// doi:10.3390/plants 10020259
Singh, N. B., Hussain, I., & Singh, H. (2017) Effect of biologically synthesized copper oxide nanoparticles on metabolism and antioxidant activity to the crop plants Solanum lycopersicum and Brassica oleracea var. botrytis. Journal of Biotechnology, 262, 11-27. https://doi:10.1016/j.jbiotec.2017.09.016
 
 
Thiruvengadam, S., Ganesan, M., & Varadharajaperumal, P. (2021) Impact of foliar application of copper nanoparticles on growth of Zea mays. Bioscience Biotechnology Research Communications, 14(3), https://doi: 10.21786/bbrc/14.3.50
Xiong, T., Dumat, C., Dappe, V., Vezin, H., Schreck, E., Shahid, M., Pierart, A., Sobanska, S. (2017) Copper oxide nanoparticle foliar uptake, phytotoxicity, and consequences for sustainable urban agriculture. Environmental Science and Technology, 51(9), 5242–5251. https://doi: 10.1021/ acs.est.6b05546
Zhao, L., Lu, L., Wang, A., Zhang, H., Huang, M., Wu, H., Xing, B., Wang, Z., & Ji, R. (2020) Nano-biotechnology in agriculture: use of nanomaterials to promote plant growth and stress tolerance. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 68(7), 1935-1947. https://doi: 10.1021/acs.jafc.9b06615
Zlatev, Z., & Lidon, F. C. (2012) An overview on drought induced changes in plant growth, water relations and photosynthesis. Emirate Journl of Food Agriculture, 24, 57-72.
Zargari, A. (1995) Pharmaceutical Plants. vol. 2. Tehran University Publisher.
Journal of Plant Biological Sciences
Volume 15, Issue 3 - Serial Number 57
September 2023
Pages 77-96

Files

History

  • Receive Date: 11 July 2023
  • Revise Date: 21 July 2024
  • Accept Date: 04 August 2024

Share

How to cite

Statistics