نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
گروه زیست شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
The accumulation of heavy metals in the soil due to human activities is one of the most important ecological problems in the world. On the other hand, using plant growth regulators such as melatonin and serotonin is one of the strategies that help reduce the accumulation of heavy metals in plants and improve their tolerance. Based on this, a factorial pot experiment based on a completely random design at 3 levels of Pb heavy metal (0, 2000, and 4000 mg/l) and spraying melatonin and serotonin regulators in a concentration of 100 mM separately in 2 cultivars - RGS00s and Delgan of rapeseed plant was made with 4 replications. The results showed that heavy metal stress has a reducing effect on the shoot fresh and dry weight indices, photosynthetic pigments (chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid), gas exchange (net photosynthesis, transpiration, stomatal conductance, internal CO2). So, the highest traits were observed in the control and the lowest in severe lead stress. Also, with the increase in Pb concentration, the value of Fm, Fv/Fm, and Fv/F0 decreased and the value of F0 and F0/Fm increased in both rapeseed varieties. External application of serotonin and melatonin in moderate and severe stress most of the measured parameters. According to the results obtained from this research, it can be stated that the Delgan variety is more sensitive to lead stress compared to the RGS00s variety, and the use of melatonin and serotonin can improve the growth and photosynthesis parameters and create resistance in the rapeseed plant against heavy metal stress.
Introduction
Today, the increase of environmental pollutants, especially heavy metals such as lead, cadmium, copper, zinc, chromium, and arsenic, is one of the major environmental and health problems, which has polluted agricultural lands in all parts of the world. This pollution is caused by the excessive consumption of phosphate fertilizers, urban and industrial effluents, and factory dust, which is a threat to the health of living organisms. Using urban and industrial wastewater to irrigate crops under the conditions of a lack of freshwater resources is a common method in different parts of the world. Unfortunately, long-term irrigation of agricultural lands with untreated urban wastewater leads to the accumulation of high levels of various heavy metals in the soil. Recently, foliar spraying of various materials such as nanoparticles, polyamines, proline, and melatonin to reduce the distribution of heavy metals in plants and improve their tolerance has attracted a lot of attention. Previous studies have shown that melatonin has a high ability to reduce heavy metal stress in plants. Serotonin and melatonin are both important signaling and antioxidant molecules in plants that are functionally correlated in various plant processes. The biosynthesis of both is initially started with L-tryptophan precursor, but melatonin is synthesized from serotonin through a series of enzymatic reactions. Considering that the photosynthetic indices are suitable measurements for comparing the physiological responses of plants, this study investigates the possible reducing effects of lead toxicity by the plant growth regulators melatonin and serotonin on the photosynthetic responses of RGS00s (as a cultivar resistant to abiotic stresses) and Delgan (as a cultivar sensitive to abiotic stresses) were investigated.
Material and Methods
This research was conducted in a factorial experiment based on a completely randomized design with four repetitions in the research greenhouse of Lorestan University. The seeds of two Canola cultivars (Delgan and RGS00s) were obtained from the Karaj Seed and Plant Breeding Research Institute. The seeds were disinfected with 5% sodium hypochlorite solution and after washing with distilled water, they were transferred to pots containing perlite. The pots were placed in the growth chamber (16 h of light and 8 h of darkness with a temperature of 25 °C). Watering and adding Hoagland's nutrient solution were done at regular intervals. In the sixth week, melatonin and serotonin treatments were done separately in the form of foliar spray with concentrations of 100 μM three times a day at 4h intervals so that all the aerial parts of the plant were wet and at the same time applied stress. Lead heavy metal was used from lead acetate salt with 2000 and 4000 mg/l concentrations. Finally, the samples were collected in the ninth week and the frozen samples were used to perform the measurements.
Result and Discussion
The results showed that heavy metal stress had a decreasing effect on the wet and dry weight indices of aerial parts, photosynthetic pigments (chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid), gas exchange (net photosynthesis, transpiration, stomatal conductance, internal CO2). It has figures in both. So, the highest amount was observed in the control treatment and the lowest in severe lead stress. Also, with the increase of lead heavy metal stress, the value of Fm, Fv/Fm, and Fv/F0 decreased and the value of F0 and F0/Fm increased in both rape varieties. The exogenous application of serotonin and melatonin in both moderate and severe stress had an improvement effect on most of the measured parameters. Exogenous melatonin improves the photosynthesis rate under heavy metal toxicity by stimulating photosynthesis and pigment biosynthesis enzymes. Foliar application of melatonin by reducing the degradation of chlorophyll by inhibiting the activity of chlorophyllase and pheophorbidoxygenase (PAO) enzymes on the one hand and increasing the activity of δ-ALAD, CA, RuBisco and as a result increasing the content of δ-ALA on the other hand leads to an increase in chlorophyll content. The positive role of melatonin in increasing chlorophyll synthesis may be attributed to its role in the biosynthesis of porphyrins, glycine, and succinyl-coenzyme A by regulating the activity of δ-aminogluline synthase. Also, melatonin prevents the decomposition of chlorophylls by increasing ferredoxin levels. Since ferredoxins reduce the excessive production of energetic electrons from the photosynthetic electron transport chain and ultimately protect chlorophylls by reducing ROS.
Conclusion
The application of melatonin and serotonin with a positive effect on growth characteristics, chlorophyll fluorescence indices, and gas exchange parameters in two rapeseed cultivars (RGS00s and Delgan) in both the control group and the lead stress treatment group, resulted in a reduction of the negative effect of lead stress on these characteristics. The application of melatonin and serotonin led to an increase in the fresh and dry weight of the plant in both cultivars. Additionally, the use of these compounds increased the content of photosynthetic pigments, including chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids. Examination of gas exchange parameters in the rapeseed cultivar showedthat although melatonin and serotonin led to an increase in the rate of photosynthesis, the concentration of CO2 under the stomatal chamber, and stomatal conductance, this effect was more pronounced in the melatonin treatment. In the RGS00s cultivar, the highest values for gas exchange parameters were also obtained in the serotonin treatments. Chlorophyll fluorescence characteristics in both cultivars were affected by lead stress and foliar application of melatonin and serotonin, and the best results were recorded in the group treated with the ameliorating compounds. Therefore, based on the results, foliar application of melatonin and serotonin can be recommended to improve the growth of rapeseed plants under heavy metal stress conditions.
کلیدواژهها [English]
کلزا با نام علمی Brassica napus L. یکی از مهمترین گیاهان روغنی سراسر جهان است. منشاء این گیاه یکساله 7500 سال پیش از هیبریداسیون خود به خود بین گونههای کلم (Brassica olearacea) و شلغم (Brassica campestirs) است. دانه کلزا به عنوان مهمترین قسمت گیاه حاوی درصد بالایی روغن و پروتئین است، علاوه بر این اجزای دیگری از جمله گلوکوزینولاتها، فنلها، اسیدفیتیکها، سلولز و قند در آن وجود دارد (Raboanatahiry et al., 2021). گیاهان خانواده براسیکاسه به علّت توانایی تولید سطوح بالایی از گلوتاتیون و فیتوکلاتین و ظرفیت انباشت بالا برای ذخیره یونها ازجمله گیاهان مقاوم نسبت به سمیت فلزات سنگین محسوب میشوند (Rosca et al., 2021). امروزه افزایش آلایندههای محیطی بهویژه فلزات سنگینی از جمله سرب، کادمیوم، مس، روی، کروم و آرسنیک یکی از عمدهترین معضلات زیست محیطی و بهداشتی است که زمینهای کشاورزی را در تمام نقاط جهان آلوده کرده است. این آلودگی ناشی از مصرف بیش از حد کودهای فسفاته، پسابهای شهری، صنعتی و گرد و غبار کارخانهها است که تهدیدی برای سلامت موجودات زنده به شمار میآید (Yadav, 2010). استفاده از پسابهای شهری و صنعتی برای آبیاری محصولات کشاورزی تحت شرایط کمبود منابع آب شیرین یک روش معمول در نقاط مختلف جهان است. متاسفانه آبیاری طولانی مدت زمینهای کشاورزی با فاضلاب شهری تصفیه نشده منجر به تجمع سطوح بالای فلزات سنگین مختلف در خاک میشود (Turan et al., 2018; Guadie et al., 2021). آلودگی فلزات سنگین بر فعالیتهای زیستی و حاصلخیزی خاک، متابولیسم گیاهان، تنوع زیستی و نیز سلامت انسان در مقیاس بسیار بزرگ تأثیر منفی دارد (Chakraborty & Newton, 2011). این فلزات در سلولهای گیاهی تجمع یافته و به اختلال در فعالیتهای متابولیکی از جمله فعالیتهای زیستی، فیزیولوژیکی، فتوسنتز و مهار تنفس، زوال اجزای اولیه سلولی، تأخیر رشد، کلروز، کاهش عملکرد، ریزش زودرس برگ، به تعویق افتادن هاگزایی، پیری، از دست دادن فعالیت آنزیمها و حتی مرگ گیاه منجر میشود (Sharma et al., 2020). از جمله دلایل سمّیت فلزات سنگین برای موجودات زنده به ایجاد تنش اکسیداتیو در نتیجه تحریک رادیکالهای آزاد، اتصال به مولکولهای آلی و تخریب آنها، جایگزینی دیگر فلزات ضروری در رنگدانهها یا آنزیمها و تخریب کارکرد آنها، اتصال به گروههای سولفیدریل در پروتئینها و در نتیجه برهم زدن ساختار و کارکرد پروتئینها میتوان اشاره کرد (Gavrilescu, 2022). از بین عناصر شناخته شده، 53 عنصر به عنوان فلز سنگین شناسایی شدهاند که در این میان، سرب یک فلز غیر قابل تجزیه زیستی است که در طبیعت در مقادیر نسبتاً کم یافت میشود. در بین فلزات سنگین، سرب بهراحتی توسط سیستم ریشهای گیاه جذب شده و سمیت 2 تا 20 برابری نسبت به سایر فلزات سنگین دارد. از این رو یکی از آلایندههای اصلی جوامع بشری است که برای سلامتی انسان مشکلات زیادی را ایجاد میکند. افزایش مقادیر بیش از حد مطلوب سرب در بدن انسان به ویژه کودکان سبب ناهنجاریهای ذهنی میشود (Khan et al., 2016; Mitra et al., 2022; Ma et al., 2016; Mahmoudi et al., 2023) و از فعالیت تعدادی آنزیم به علّت تشابه ساختاری یونی با کلسیم جلوگیری میکند (Amari et al., 2017). مهمترین تأثیر این فلز، اثر بر سیستم فتوسنتزی گیاه است و سبب کاهش 4 یا 5 برابری کارایی فتوسیستم II میشود. فتوسنتز از حساسترین فرآیندهای متابولیکی نسبت به سمیت سرب است و پژوهشهای متعددی بازدارندگی فتوسنتز تحت تنش سرب در گیاهان مختلف نشان داده است(Asadi et al., 2019). فتوسنتز یک فرآیند متابولیک بسیار مهم در گیاهان و برگ است و فلورسانس کلروفیل ارتباط نزدیکی با فرآیندهای مختلف واکنش در فتوسنتز دارد. تأثیر هر عامل محیطی بر فتوسنتز را میتوان با دینامیک فلورسانس کلروفیل برگ منعکس کرد؛ بنابراین، فلورسانس کلروفیل یک پروب داخلی ایدهآل برای تشخیص تغییرات دینامیکی فتوسنتز گیاهان است (Qin et al., 2023). تنش فلز سنگین اغلب منجر به کاهش فعالیت PSII و PSI گیاه میشوند (Baycu et al., 2017). Fv/Fm یک شاخص مهم از فعالیت فتوشیمیایی در PSII در نظر گرفته میشود و ΔI/I0 شاخص مهمی برای نشان دادن فعالیت PSI است (Mlinaric et al., 2017; Zhang et al., 2018). همچنین غلظت بالای این فلز سبب اختلال یا حتی مهار فعالیتهای آنزیمهای کلیدی مانند اسیدفسفاتاز، استرازها، پراکسیدازها، مالیک دهیدروژناز با واکنش گروههای سولفیدریل میشود. همچنین غلظت بالای سرب محرک تولید گونههای اکسیژن فعال بوده و در نتیجه سبب استرس اکسیداتیو در بافتها میشود (Pourrut et al., 2011). در همین راستا چندین پژوهش با هدف مدیریت روشهایی که میتوانند تحمل فلزات سنگین را در گونههای براسیکا بهبود بخشند انجام شده است. یکی از موثرترین این روشها استفاده از تنظیم کنندههای رشد گیاهی است (Rizwan et al., 2016).
به تازگی محلولپاشی مواد مختلف مانند نانوذرات، پلیآمینها، پرولین و ملاتونین برای کاهش توزیع فلزات سنگین در گیاهان و بهبود تحمل آنها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. پژوهشهای قبلی نشان دادند ملاتونین دارای توانایی بالا برای کاهش تنش فلزات سنگین در گیاهان است (Dradrach et al., 2022). تنظیم کنندههای رشد گیاهی میتوانند رشد و نمو گیاهان را با تغییر در فرآیندهای زیستی کاهش یا افزایش دهند. این ترکیبات به عنوان مولکولهای سیگنالینگ عمل میکنند و با حفظ انعطافپذیری گیاه در طول رشد و نمو از عوامل اصلی پاسخ دهنده به تنشهای زیستی و غیر زیستی در گیاهان محسوب میشوند (Sabagh et al., 2021) که در غلظتهای کم نیز فرآیندهای فیزیولوژیکی گیاه را تحت تأثیر قرار میدهند (Hemmati Hassan Gavyar et al., 2023). سروتونین (5-هیدروکسی تریپتامین) و ملاتونین (ان-استیل 5- متوکسی تریپتامین) هر دو از مولکولهای مهم سیگنالدهی و آنتیاکسیدانی در گیاهان هستند که در فرآیندهای مختلف گیاهی همبستگی عملکردی دارند. بیوسنتز هر دو در ابتدا با پیشساز ال-تریپتوفان شروع شده ولی ملاتونین با یکسری واکنشهای آنزیمی از سروتونین سنتز میشود (Mannino et al., 2021; Pelagio-Flores & Lopez-Bucio, 2016). ملاتونین با حفظ عملکرد فتوسیستم II و کاهش بیان ژنهای مربوط به آنزیم کلروفیلاز کاهش در محتوای کلروفیل را به تاخیر میاندازد. ملاتونین با اعمالی از جمله تنظیم رشد، تولید مثل، رشد ریشه و شاخساره، تاخیر در روند پیری بافت، حفاظت از اندامهای گیاهی در طی تنشها را تنظیم میکند. ملاتونین به علت اندازه کوچک و طبیعت دوگانه آبدوستی- چربی دوستی به آسانی از غشاء عبور میکند و وارد سلول میشود (Shi et al., 2020). اثرات آلودگی سرب بر ویژگیهای فتوسنتزی و فاکتورهای فلورسانس کلروفیل در جمعیتهای مختلف گیاه Miscanthus floridulusنشان داد مقدار Fv/Fm با افزایش درجه تنش کاهش یافته که می-تواند به علّت تنش نوری یا آسیب به مرکز واکنش PSII باشد (Qin et al., 2023). نتایج تأثیر سمی فلزات سنگین سرب و کادمیوم بر روی عملکرد فتوسنتزی نهال توت (Morus alba) نشان داد تنش سرب و کادمیوم سبب کاهش فعالیت فتوشیمیایی PSII و PSI در برگ توت و نیز محدودیت انتقال الکترون خطی در PSII شد (Huihui et al., 2020). نتایج پژوهش دیگری نشان داد تجمع فلز سرب در ریشه گیاه کلزا بیشتر از ساقه است و سبب مهار فعالیت آنزیمها، اختلال در تغذیه و رشد گیاه، آسیب به دیواره سلولی و غشاء شده و با افزایش غلظت سرب در خاک میزان فتوسنتز و رنگدانههای فتوسنتزی نیز کاهش مییابد (Ferreyroa et al., 2017). همچنین نتایج نشان دادند کاربرد خارجی ملاتونین بر تنش فلز سنگین کبالت روی گیاه کلزا سبب بهبود ریخت شناسی گیاه، دستگاه فتوسنتزی، تنظیمات اسمزی و دفاع آنتیاکسیدانی میشود (Ali et al., 2023). در پژوهشی بر روی گیاه Brassica juncea تحت تنش فلز سنگین مس مشاهده شد اسپری ملاتونین در غلظت 40 میکرومولار با بهبود فاکتورهای فلورسانس و فتوسنتز، کاهش استرس اکسیداتیو و بهبود جذب و انتقال مواد به اندامهای هوایی، تحمل گیاه در برابر تنش را افزایش داد (Mir et al., 2022). علاوه بر این گزارشهای مختلفی در زمینه نقش ملاتونین در بهبود پاسخهای گیاه به تنشهایی از جمله خشکی (Sher et al., 2023; Jensen et al., 2023) و شوری (Ahmad et al., 2023; Eisa et al., 2023) ارائه شده است. پژوهشگران بر تأثیر رقم، روی پاسخهای زراعی گیاهان نسبت به تنشهای محیطی تاکید دارند (Abdel-Motagally & El-Zohri, 2018; Chiango et al., 2021). درپژوهشی با بررسی رقمهای مختلف کلزا تحت تنش خشکی مشخص شد رقم RGS003 به عنوان رقم سازگار با آب و هوای گرم و خشک برای کشت در شرایط ناپایدار منابع آبی مناسبتر بود و رقم دلگان با میانگین عملکرد دانه و روغن بیشتر در تمامی تاریخهای کشت پائیزه و زمستانه، به عنوان رقم برتر برای کاشت در مناطق معتدل سرد با اقلیمهای خشک و نیمه خشک توصیه شده است (Eslam, 2018; Qasemi et al., 2022). ملاتونین بر کارایی فتوسنتزی و نیز در کاهش تخریب کلروفیل و افزایش کارایی فتوسنتزی تحت تنش غیرزیستی با تنظیم تجمع و عملکرد بیومولکولهای کلیدی، از جمله آنزیم روبیسکو، پروتئینها، کلروفیلها و ترکیبات مرتبط با نیتروژن نقش دارد (Lin et al., 2020). در گیاهان ذرت (Zea mays) با تیمار ملاتونین، محتوای روبیسکو افزایش یافت (Zhao et al., 2015). در برنج، تیمار با ملاتونین سبب کاهش قابل توجهی در تخریب کلروفیل، همراه با سرکوب در سطوح رونوشت ژنهای مرتبط با پیری شد (Liang et al., 2015). در برگهای درخت سیب که ظرفیت فتوسنتزی آنها به علّت تنش تا حدی مهار شد، ملاتونین توانست کارایی فتوسیستم II را در شرایط تاریکی و روشنایی بهبود بخشد، همچنین به برگ اجازه داد تا ظرفیت بالاتری را برای جذب CO2 و هدایت روزنهای ایجاد کند (Wang et al., 2013). تأثیر مثبت استفاده از ملاتونین بر رنگدانههای فتوسنتزی و افزایش مراکز واکنش فتوسیستم II نیز گزارش شده است (Lazar et al., 2013). با توجه به اینکه شاخصهای فتوسنتزی سنجشهای مناسبی برای مقایسه پاسخهای فیزیولوژیکی گیاهان هستند، در پژوهش حاضر، برای بررسی تأثیر کاهش دهنده احتمالی تنظیم کنندههای رشد گیاهی ملاتونین و سرتونین بر سمیت سرب، پاسخهای فتوسنتزی رقمهای RGS00s (به عنوان رقم مقاوم به تنشهای غیر زیستی) و دلگان (به عنوان رقم حساس به تنشهای غیر زیستی) مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روشها
این پژوهش در قالب آزمایشی فاکتوریل بر پایه طرح کامل تصادفی در چهار تکرار در گلخانه تحقیقاتی دانشگاه لرستان انجام شد. بذرهای دو رقم از گیاه کلزا (دلگان و RGS00s) از موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج تهیه شد. بذرها با محلول هیپوکلریت سدیم 5/0 درصد به مدت 5 دقیقه ضدعفونی و پس از شستشو با آب مقطر به گلدانهای حاوی پرلیت منتقل شدند. گلدانها در اتاقک رشد (16 ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی با دمای 25 درجه سانتیگراد) قرار گرفتند. آبیاری و اضافه کردن محلول غذایی هوگلند با فواصل منظم انجام شد. در هفته ششم، ابتدا تیمارهای ملاتونین و سروتونین به صورت جداگانه به شکل اسپری برگی با غلظتهای 100 میکرومولار سه بار در روز با فواصل 4 ساعت انجام شد (Huang et al., 2019) به طوریکه تمامی اندامهای هوایی گیاه خیس شدند و همزمان برای اعمال تنش فلز سنگین سرب از نمک استات سرب با غلظتهای 2000 و 4000 میلیگرم بر لیتر استفاده شد. اعمال تنش به صورت تدریجی و در طی دو مرحله به فاصله زمانی سه روز انجام شد. علت این امر ایجاد سازگاری بهتر گیاه با تنش فلز سنگین و جلوگیری از بروز تنش ناگهانی ناشی از افزودن فلز سنگین بود. در هفته نهم رشد هنگامی که گیاهان آثار ریخت شناسی تنش فلز سنگین سرب را نشان دادند، میزان فلورسنس کلروفیل a و تبادلات گازی اندازهگیری شد. نمونهها پس از سنجش داده های فلورسنس جهت اندازهگیری وزن تر و خشک و سنجش محتوای رنگیزهها جمع آوری و در دمای 70- درجه سانتیگراد نگهداری شد.
اندازه گیری وزن تر و خشک اندام هوایی
وزن تر نمونهها هنگام برداشت توسط ترازوی دقیق اندازهگیری انجام شد و نمونهها تا زمان خشک شدن به مدت 72 ساعت در آون 72 درجه سانتیگراد قرار گرفتند، سپس وزن خشک آنها نیز اندازهگیری شد (Moradi Rikabad et al., 2019).
سنجش رنگیزههای فتوسنتزی
مقدار 1/0 گرم از برگ تازه را وزن کرده و در هاون چینی، با نیتروژن مایع پودر و به خوبی له شد. سپس 10 میلیلیتر استون 100 درصد به نمونه اضافه کرده، سپس نمونه ها در دستگاه سانتریفیوژ (مدلSigma 3-16K ، آلمان) با سرعت6000 دور در دقیقه به مدّت 10 دقیقه قرار داده شدند. جذب عصاره جدا شده توسط دستگاه اسپکتروفتومتر (مدل UV-3200, MAPADA، شانگهای) در طول موجهای 662، ۶۴۵ و 470 نانومتر خوانده شد و در نهایت با فرمولهای زیر میزان کلروفیلa ، b و کاروتنوئیدها بر حسب میلیگرم بر گرم وزن تر نمونه بهدست آمد (Lichtentaler, 1987).
Chl a= 11.24×A662-2.04×A645
Chl b=20.13×A645-4.19×A662
Carotenoid=1000 × (A470-1.90 Chl a-63.14 Chl b)/214
سنجش تبادلات گازی
برای سنجش فتوسنتز خالص،CO2 درون سلولی، هدایت روزنهای و تعرق از دستگاه سنجش تبادلات گازی برگ (مدل CI-340 Handheld photosynthesis system) استفاده شد. اساس کار این دستگاه بر میزانCO2 مصرفی است و برای رعایت شرایط استاندارد در تمامی تیمارها از برگهای دوم و سوم (برگهای یک پنجم بالایی گیاه) استفاده شد (Parad et al., 2016).
سنجش فلورسانس کلروفیل a
برای سنجش فاکتورهای فلورسانس کلروفیل (جدول 1) از محل میانه برگ و بین رگبرگ اصلی و لبه آخرین برگ توسعه یافته هر گیاه از دستگاه فلوریمتر (Pockt PEA, Hansatech, UK) استفاده شد. برای این کار برگها به مدت 20 دقیقه در تاریکی قرار داده شدند و نور قرمز در حد اشباع (3000 میکرومول فوتون برمترمربع برثانیه) با LEDهای مخصوص به سطح برگ تابانده شد. پس از ثبت اطلاعات اولیه فلورسانس توسط دستگاه فلوریمتر، فاکتورهای Fm، F0، Fv، Fv/Fm، Fv/F0 و F0/Fm، PI Ins.، PI total، RC/(1-ᵞRC)ᵞ، ωo/(1- ωo) ، po/(1-φpo)φ و δRo/(1- δRo) تعیین شدند (Yaghoubian et al., 2016).
شاخص |
تعریف شاخص |
Fm |
بیشترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی |
F0 |
کمترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی |
Fv |
فلورسانس متغیر در برگ سازگار شده با تاریکی |
Fv/Fm |
بیشترین کارایی عملکرد کوانتومی فتوسیستم II در شرایط سازگار شده با تاریکی |
Fv/F0 |
شاخص کارایی کمپلکس تجزیه کننده آب در فتوسیستم II |
PI total |
شاخص کارایی دستگاه فتوسنتزی از ابتدای فتوسیستم II تا پذیرندههای انتهایی فتوسیستم I |
RC/(1-ᵞRC)ᵞ |
شاخص کارایی مراکز فعال واکنش در فتوسیستم II |
ωo/(1- ωo) |
شاخص کارایی واکنشهای بیوشیمیایی در فتوسیستم II |
po/(1-φpo)φ |
شاخص کارایی واکنشهای نوری در فتوسیستم II |
δRo/(1- δRo) |
شاخص کارایی انتقال الکترون از پلاستوکینون احیا شده به پذیرندههای نهایی الکترون در فتوسیستم I |
آنالیز آماری
تجزیه و تحلیل دادهها با نرمافزارSPSS 22 ، مقایسه میانگینها توسط آزمون دانکن (در سطح پنج درصد) و رسم شکلها با نرمافزار Excel انجام شد.
نتایج
وزن تر و خشک گیاه
نتایج نشان دادند تنش فلز سنگین سرب میزان وزن تر اندام هوایی را در هر دو رقم کلزا به طور معنیداری کاهش داد. به طوری که بیشترین میزان وزن تر در گروه شاهد به ترتیب در رقمهایRGS00s و دلگان (62/4 و 8/5 گرم) و کمترین میزان وزن تر در تنش شدید سرب (69/1 و 01/2 گرم) مشاهده شد. همچنین با افزایش تنش فلز سنگین سرب میزان وزن خشک اندام هوایی هر دو رقم کلزا کاهش یافت. کاربرد خارجی ملاتونین و سروتونین در هر دو رقم در تنشهای متوسط و شدید سرب منجر به بهبود وزن خشک اندام هوایی شد. از سوی دیگر، بیشترین وزن خشک در رقم دلگان و RGS00s متعلق به تیمار ملاتونین در تیمار شاهد (بدون تنش سرب) به ترتیب به میزان 393/0 و 387/0 گرم بود (شکل 1).
محتوای رنگدانههای فتوسنتزی
تنش فلز سنگین سرب منجر به کاهش میزان کلروفیلها و کارتنوئید در مقایسه با گروه شاهد شد. در رقم RGS00s و در شرایط تنش شدید سرب، کاربرد خارجی ملاتونین و سروتونین سبب افزایش معنیدار محتوای کلروفیل a، b و کارتنوئید شد و این افزایش در تیمار ملاتونین مشهودتر بود. بیشترین محتوای کلروفیل a (39/2 میلیگرم بر گرم وزن تر)، کلروفیل b (16/1 میلیگرم بر گرم وزن تر) و کارتنوئید (13/8 میلیگرم بر گرم وزن تر) در تیمار ملاتونین در شرایط بدون تنش به دست آمد (شکل 2).
در رقم دلگان نیز، در تیمارهای تحت تنش سرب، محتوای رنگدانهها تحت تاثیر کاربرد ملاتونین و سروتونین افزایشی بود. بیشترین میزان کلروفیل a (08/2 میلیگرم بر گرم وزن تر)، کلروفیل b (94/0 میلیگرم بر گرم وزن تر) و کارتنوئید (69/6 میلیگرم بر گرم وزن تر) در رقم دلگان، متعلق به تیمار سروتونین در شرایط بدون تنش بود. در شرایط تنش سرب، تیمارهای ملاتونین مقادیر کلروفیل و کارتنوئید بالاتری نسبت به گروه شاهد از خود نشان دادند (شکل 2).
شاخصهای تبادلات گازی
نتایج پژوهش حاضر نشان داد افزایش تنش فلز سنگین سرب منجر به کاهش معنیدار نرخ فتوسنتز خالص در هر دو رقم دلگان و RGS00s شد. این کاهش در مقایسه با گروه شاهد در رقم RGS00s برای تیمارهای متوسط و شدید سرب به ترتیب 04/53 و 48/94 درصد و برای رقم دلگان به ترتیب 46 و 90/93 درصد بود (شکل 3). در هر دو رقم تأثیر تعدیل کننده سروتونین و ملاتونین در تیمار تنش شدید فلز سنگین سرب قابل توجه بود و سبب کاهش در روند تأثیر مخرب تنش سرب شد (جداول 2 و 3). بیشترین (06/43 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) و کمترین (93/1 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) میزان فتوسنتز خالص در رقم دلگان به ترتیب متعلق به تیمارهای سروتونین در شرایط بدون تنش و تیمار تنش شدید سرب بود (شکل 2). بیشترین (73/41 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) و کمترین (93/1 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) میزان فتوسنتز برای رقم RGS00s نیز در تیمارهای سروتونین در شرایط بدون تنش و تیمار تنش شدید سرب به دست آمد (شکل 3).
تنش فلز سنگین سرب میزان تعرق را در هر دو رقم RGS00s و دلگان را به طور معنیداری افزایش داد و کاربرد ملاتونین و سروتونین تأثیر متفاوتی بر جای گذاشت و در گروه شاهد موجب افزایش و در گروههای تنش سبب کاهش میزان تعرق شد. بیشترین مقدار تعرق در رقم RGS00s و دلگان به ترتیب در گروه شاهد (56/9 و 26/7 میلیمول بر مترمربع بر ثانیه) و کمترین مقدار در تیمار شدید سرب (26/1 و 2/3 میلیمول بر مترمربع بر ثانیه) مشاهده شد (شکل 3). در هر دو رقم در تیمار تنش شدید سرب، افزایش برای رقم RGS00s 36 و در رقم دلگان 44/52 درصد بود (جداول 2 و 3).
نتایج پژوهش حاضر نشان داد هدایت روزنهای هر دو رقم کلزا تحت تنش فلز سنگین سرب بود، به گونهای که با افزایش تنش در هر دو رقم میزان هدایت روزنهای کاهش یافت. بیشترین مقدار هدایت روزنهای در رقمهای RGS00s و دلگان به ترتیب در تیمار سروتونین در گروههای شاهد (96/0 و 961/0 میلیمول بر مترمربع بر ثانیه) و کمترین میزان به ترتیب در تیمار ملاتونین در تنش متوسط و تیمار شدید سرب (36/0 و 46/0 میلیمول بر مترمربع بر ثانیه) مشاهده شد (شکل 3). استفاده خارجی ملاتونین و سروتونین در هر دو رقم در هر دو تیمار متوسط و شدید سرب سبب افزایش هدایت روزنهای شد. کاهش هدایت روزنهای در تیمار شدید سرب در رقم دلگان 62/72 درصد و برای رقم RGS00s 61/28 درصد بود (جداول 2 و 3).
شکل 3- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخصهای تبادلات گازی کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگینهای دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنیداری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)
Figure 3- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on gas exchange index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
با افزایش تنش فلز سنگین سرب روند کاهشی معنیداری در مقدار CO2 درونی هر دو رقم گیاه کلزا مشاهده شد. در تنش سرب، استفاده خارجی سروتونین و ملاتونین در رقم دلگان و RGS00s سبب افزایش غلظت CO2 درونی شد، به طوری که بیشترین مقدار CO2 در تیمار سروتونین در گروه شاهد به ترتیب در رقم RGS00s و دلگان (33/595 و 66/588 میکرومول CO2 بر مترمربع) و کمترین میزان CO2 در تنش شدید سرب (5/160 و 66/160 میکرومول CO2 بر مترمربع) مشاهده شد. میزان کاهش غلظت CO2 در تنش شدید برای رقم RGS00s 67/67 درصد و برای رقم دلگان 1/65 درصد بود (شکل 3).
جدول 2- درصد تغییرات شاخصهای تبادلات گازی کلزا با کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین تحت تنش فلز سنگین در رقم RGS00s.
Table 2- Percentage changes of gas exchange indices of Brassica napus L. with foliar application of melatonin and serotonin under heavy metal stress in RGS00s CV.
|
Precent |
||
Traits |
Treatment |
Stress (ppm) |
|
|
|
2000 Pb |
4000 Pb |
Photosynthetic rate (µmol/m2/s) |
0 |
-53.04 |
-94.48 |
Melatonine |
-23.90 |
-78.76 |
|
Serotonine |
-53.67 |
-80.43 |
|
Transpiration (mmol/m2/s) |
0 |
-34.73 |
-36.42 |
Melatonine |
-51.04 |
-54.16 |
|
Serotonine |
-67.94 |
-63.06 |
|
Stomatal conductance (mmol/m2/s) |
0 |
-21.43 |
-28.61 |
Melatonine |
-3.43 |
-11.17 |
|
Serotonine |
-40.65 |
-29.28 |
|
CO2 Int. (µmol CO2/m2) |
0 |
-17.84 |
-67.67 |
Melatonine |
-14.35 |
-63.78 |
|
Serotonine |
-62.79 |
-48.76 |
Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
جدول 3- درصد تغییرات شاخصهای تبادلات گازی کلزا با کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین تحت تنش فلز سنگین در رقم دلگان.
Table 3- Percentage changes of gas exchange indices of Brassica napus L. with foliar application of melatonin and serotonin under heavy metal stress in Delgan CV.
|
Precent |
||
Traits |
Treatment |
Stress (ppm) |
|
|
|
2000 Pb |
4000 Pb |
Photosynthetic rate (µmol/m2/s) |
0 |
-46.00 |
-93.90 |
Melatonine |
-31.19 |
-82.21 |
|
Serotonine |
-59.75 |
-81.03 |
|
Transpiration (mmol/m2/s) |
0 |
-18.18 |
-52.44 |
Melatonine |
-51.04 |
-8.33 |
|
Serotonine |
-44.91 |
-36.52 |
|
Stomatal conductance (mmol/m2/s) |
0 |
-21.43 |
-72.62 |
Melatonine |
-18.91 |
-11.17 |
|
Serotonine |
-40.65 |
-43.15 |
|
CO2 Int. (µmol CO2/m2) |
0 |
-17.84 |
-65.1 |
Melatonine |
-14.35 |
-63.78 |
|
Serotonine |
-27.09 |
-48.76 |
Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
شاخصهای فلورسانس کلروفیل
براساس نتایج، تنش سرب موجب افزایش کمترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F0) و F0/Fm شد و کاهش بیشترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (Fm)، فلورسانس متغیر در برگ سازگار شده با تاریکی (Fv)، بیشترین کارایی عملکرد کوانتومی فتوسیستم II در شرایط سازگار شده با تاریکی (Fv/Fm) و شاخص کارایی کمپلکس تجزیه کننده آب در فتوسیستم II(Fv/F0) در این شرایط مشاهده شد (شکلهای 4، 5 و 6). در رقم دلگان بیشترین (33/4670) و کمترین (3568) میزان F0 به ترتیب در تنش شدید سرب و تیمار ملاتونین در تنش شدید مشاهده شد (شکل 4). در رقم RGS00s نیز تیمار تیمار تنش شدید سرب بیشترین (5255) و در تیمار ملاتونین در تنش متوسط، کمترین (3169) میزان F0 را ثبت کردند. کاربرد ملاتونین و سروتونین در تمام سطوح موجب افزایش میزان Fm و Fv شد، بهطوری که در رقم دلگان بیشترین مقادیر برای تیمار ملاتونین در غیاب تنش سرب (به ترتیب 67/21262 برای Fm و 33/17519 برای Fv) مشاهده شد (شکل 4). در رقم RGS00s، بیشترین Fm (67/22636) و Fv (18749) در تیمار ملاتونین در تیمار غیاب تنش و کمترین میزان Fm (67/14720) و Fv (8785) تحت تنش شدید سرب به دست آمد. در رقم دلگان بیشترین میزان F0/Fm (445888/0) در تنش شدید سرب و بیشترین میزان Fv/Fm (823587/0) در تیمار سروتونین در تنش شدید سرب و بیشترین میزان Fv/F0 (6479/4) در تیمار ملاتونین در غیاب تنش سرب مشاهده شد. در غیاب ملاتونین و سرتونین در تیمار تنش شدید سرب، بیشترین میزان F0/Fm (35/0)، در تیمار شاهد و بدون تنش، بیشترین میزان Fv/Fm (851/0) و تیمار ملاتونین در گروه شاهد، بیشترین میزان Fv/F0 (9211/5) را در رقم RGS00s به خود اختصاص دادند (شکل 4). در رقم دلگان بیشترین میزان PI Ins. (838/1)، شاخص کارایی دستگاه فتوسنتزی از ابتدای فتوسیستم II تا پذیرندههای انتهایی فتوسیستم I(PI total) (3739/16)، شاخص کارایی مراکز فعال واکنش در فتوسیستم II(ᵞRC/(1-ᵞRC)) (9347/0)، شاخص کارایی واکنشهای بیوشیمیایی در فتوسیستم II(ωo/(1- ωo)) (1326/4) در تیمار ملاتونین و سروتونین در گروه شاهد وجود داشت. همچنین در همین تیمار، بیشترین میزان شاخص کارایی واکنشهای نوری در فتوسیستم II(φpo/(1-φpo)) (4/2773) و شاخص کارایی انتقال الکترون از پلاستوکینون احیاء شده به پذیرندههای نهایی الکترون در فتوسیستم I(δRo/(1- δRo)) (0114/3) مشاهده شد (شکل 5). بیشترین میزان PI Ins. (017/10)، PI total (0691/14)، ᵞRC /(1-ᵞRC) (0/891)، ωo/(1- ωo) (6973/3)، φpo /(1-φpo) (4/006) و δRo/(1- δRo) (7233/4) در تیمار سروتونین در گروه شاهد را در رقم RGS00s به خود اختصاص دادند. با افزایش تنش سرب کلیه فاکتورهای فتوسنتزی ذکر شده روندکاهشی را نشان دادند، به طوری که کمترین مقادیر این دادهها در تیمار4000 سرب مشاهده شد. همچنین کاربرد سروتونین و ملاتونین درکلیه تیمارهای تحت تنش سرب منجر به افزایش فاکتورهای فتوسنتزی اندازهگیری شده شد (شکل 6).
شکل 4- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخصهای کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگینهای دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنیداری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)
Figure 4- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
شکل 5- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخصهای کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگینهای دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنیداری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)
Figure 5- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
شکل 6- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخصهای کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگینهای دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنیداری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)
Figure 6- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).
بحث
قرار گرفتن گیاهان در معرض سطوح سمی فلزات سنگین با تاثیر بر فرآیندهای فیزیولوژیکی و متابولیکی منجر به کاهش رشد میشود. نتایج پژوهش حاضر با نتایج سایر پژوهشگران مبنی بر کاهش وزن تر و خشک اندام هوایی با افزایش فلز سنگین سرب مطابقت دارد (Ma et al., 2022; Farooq et al., 2022). وزن تر گیاه، به عنوان نماد عملکرد رشد گیاهی در نظر گرفته میشود و هر عاملی که تأثیر مهاری بر رشد داشته باشد، سبب کاهش وزن گیاه میشود. علّت اصلی کاهش وزن اندام هوایی در شرایط آلودگی خاک با فلزات سنگین، کاهش رشد ریشه در نتیجه توسعه نامناسب سلولهای ریشه و کاهش انتقال آب و مواد غذایی به قسمتهای هوایی گیاه بیان شده است (Tagliotti et al., 2021; Bhat et al., 2019). مطابق با پژوهش حاضر، در بررسی دو رقم گیاه کلزا گزارش شده است که استفاده خارجی ملاتونین 5 و 10 میکرومولار سبب بهبود رشد کلزا در تنش 50 یا 100 میکرو مولار کروم شده و این افزایش در اثر استفاده خارجی بهبود دهندههای سروتونین و ملاتونین به افزایش بیوسنتز میزان فیتوهورمونها از جمله اکسین و سیتوکینین و تسهیل جذب مواد غذایی نسبت داده شده است (Ayyaz et al., 2021). سطح کلروفیل به طور مستقیم ظرفیت فتوسنتزی و رشد گیاهان را منعکس میکند. تعداد زیادی از نتایج نشان دادند شرایط تنشی سبب کاهش محتوای کلروفیل در برگ گیاه میشود (Huihui et al., 2020). استرس ناشی از سرب مستقیماً منجر به کاهش تعداد کلروپلاست یا اختلال ساختاری کلروپلاست میشود، تخریب کلروفیل را تسریع میبخشد و ظرفیت فتوسنتزی را تحت تأثیر قرار میدهند (Zolfiqar et al., 2019; Liu et al., 2021). در پژوهش حاضر، تنش فلز سنگین سرب سبب کاهش محتوای رنگدانههای فتوسنتزی (کلروفیلها و کاروتنوئید) در هر دو رقم گیاه کلزا شد که با نتایج ارائه شده درباره محتوای کلروفیل گیاهان خردل و علف شور در پاسخ به فلزات سنگین مطابقت دارد (Sun et al., 2018; Sheetal et al., 2016). تغییرات محتوای رنگیزههای فتوسنتزی تحت تأثیر تنش سرب در رقم دلگان در مقایسه با رقم RGS00s مشخصتر بود و به نظر میرسد رقم دلگان از این نظر به تنش فلز سنگین سرب حساستر است. پژوهشگران گزارش کردند تنش فلزات سنگین از یک سو با افزایش فعالیت آنزیم تجزیه کننده کلروفیل (کلروفیلاز) سبب افزایش تخریب کلروفیل میشود و از سوی دیگر محتوای پیشسازهای رنگدانههای فتوسنتزی دلتاآمینولولینیکاسید دهیدراتاز (δ-ALA) را کاهش میدهند (Jahan et al., 2020). نتایج این پژوهش با مشاهدات ارائه شده در رابطه با تأثیر تنش فلز سنگین کروم، کادمیوم، آلومینیوم بر گیاه کلزا مشابه است (Sami et al., 2020). استفاده خارجی ملاتونین بهویژه در تیمار شدید سرب، منجر به افزایش محتوای قابل ملاحظه رنگیزههای فتوسنتزی در رقم RGS00s شد، در حالی که چنین افزایشی در رقم دلگان مشاهده نشد. در هر دو رقم کلزای مورد پژوهش، اسپری برگی سروتونین در شرایط کنترل و تحت سطوح مختلف تنش سرب تأثیر معنیداری بر محتوای رنگیزههای فتوسنتزی نداشت. ملاتونین اگزوژن سرعت فتوسنتز را تحت سمیت فلزات سنگین با تحریک آنزیمهای درگیر در مسیر فتوسنتزی و بیوسنتز رنگدانه بهبود میبخشد. محلولپاشی ملاتونین با کاهش تخریب کلروفیل با مهار فعالیت آنزیمهای کلروفیلاز و فئوفوربیداکسیژناز (PAO) از یک سو و افزایش فعالیت δ -ALAD، RuBisco و در نتیجه افزایش محتوای δ -ALA از سوی دیگر، منجر به افزایش محتوای کلروفیل گیاهان تحت تنش فلزات سنگین میشود (Al-Huqail et al., 2020). این نقش مثبت ملاتونین در افزایش سنتز کلروفیل ممکن است به نقش آن در بیوسنتز پورفیرینها، گلیسین و سوکسینیل-کوآنزیم آ با تنظیم فعالیت δ-آمینولولینات سنتاز نسبت داده شود. همچنین ملاتونین با افزایش سطح فردوکسین از تجزیه کلروفیلها جلوگیری میکند. از آنجایی که فردوکسینها تولید بیش از حد الکترونهای پرانرژی را از زنجیره انتقال الکترون فتوسنتزی کاهش میدهند، در نهایت با کاهش ROS از کلروفیلها محافظت میکنند (Lin et al., 2013). سایر پژوهشها نشان دادند تیمار ملاتونین میتواند محتوای کلروفیل را در جو (Wang et al., 2022) و کلزا (Ayyaz et al., 2021) تحت تنش سرب حفظ کند.
فلزات سنگین به علّت تغییر در روابط آبی گیاه با کاهش فشار تورژسانس و تغییر در توزیع کلسیم، پتاسیم و هورمون آبسیزیک اسید، هدایت روزنهای را در گیاه تحت تنش کاهش میدهند. در پژوهش حاضر، تنش فلز سنگین سرب سبب کاهش نرخ فعال فتوسنتز، تعرق، غلظت CO2 درونی و هدایت روزنهای در هر دو رقم گیاه کلزا شد که با پژوهش-های Tan et al. (2022) و Silva et al. (2017) در مورد گیاهان کلم و کاهو تحت تنش سرب و نیز در مورد گیاه نخود Hayat, et al (2021) تحت تنش کادمیوم و مس مشابه هستند. کاهش Pn میتواند به کاهش توانایی کربوکسیلاسیون سلولهای مزوفیلها نسبت داده شود. علاوه بر این، ساختار کلروپلاست ارتباط نزدیکی با فتوسنتز دارد و هرچه تعداد گراناهای کلروپلاست بیشتر باشد، چینش لاملاهای گرانا متراکمتر و ظرفیت فتوسنتزی قویتر است. این نتایج نشان دادند کاهش Pn تحت تنش متوسط و شدید سرب عمدتاً ناشی از کاهش فعالیت فتوسنتزی سلولهای مزوفیل با محدودیت غیر روزنهای است (Qin et al., 2023).
در پژوهش حاضر، نرخ فعال فتوسنتز رقم دلگان با افزایش تنش سرب کاهش بیشتری را نسبت به رقم RGS00s نشان داد، بنابراین به نظر میرسد رقم دلگان به تنش فلز سنگین سرب حساستر است که با نتایج تغییرات محتوای رنگیزههای فتوسنتزی همخوانی دارد. نرخ فعال فتوسنتز میتواند توسط عوامل روزنهای یا غیر روزنهای محدود شود. وقتی نرخ فعال فتوسنتز و محتوای CO2 درونی در یک جهت تغییر کنند و همزمان هر دو کاهش یابند، این کاهش نرخ فعال فتوسنتز، عمدتا توسط عوامل روزنهای ایجاد میشود و کاهش هدایت روزنهای منجر به کاهش CO2 درونی میشود. در غیر این صورت این تغییر به کاهش توانایی کربوکسیلاسیون سلولهای مزوفیل نسبت داده میشود. در این پژوهش، هم راستا با نتایج Qin et al. (2023) کاهش نرخ فعال فتوسنتز با کاهش محتوای CO2 درونی و هدایت روزنهای همراه بود. در نتیجه کاهش نرخ فعال فتوسنتز تحت تنش سرب عمدتا به علّت عوامل روزنهای است. پژوهشهای قبلی نشان دادند انتقال CO2 مزوفیل تحت تأثیر فلز سنگین قرار میگیرد. بدین صورت که تنش روی منجر به کاهش 44 درصدی هدایت روزنهای CO2 شد و احتمالاً عوامل متعددی از جمله تغییر ریختشناسی کلروپلاست و سلولهای نگهبان و برهمکنش کمتر بین کلروپلاست و غشاء سلولها مسئول انتقال کمتر CO2 مزوفیلی هستند (Sagardoy et al., 2010). استفاده خارجی تعدیل کنندههای ملاتونین و سروتونین در گیاهان تحت تنش فلز سنگین سرب به ویژه در تیمار شدید تنش سرب، منجر به افزایش معنیدار نرخ فعال فتوسنتز، هدایت روزنهای، محتوای CO2 درونی، تعرق در هر دو رقم مورد بررسی شد. نتایج ما مبنی بر تأثیر بهبود دهنده سروتونین بر شاخصهای فتوسنتزی با نتایج Liu et al. (2021) بر روی گیاه کلزا تحت تنش شوری همخوانی دارد.
فلورسانس کلروفیل یکی از قابل اطمینانترین روشها برای تعیین پاسخهای فیزیولوژیکی گیاهان که تحت تنشهای محیطی قرار میگیرند است. مولفههای فلورسانس کلروفیل شامل F0 (کمترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی)، Fm (بیشترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی)، Fv (فلورسانس متغیر در برگ سازگار شده با تاریکی) و Fv/Fm (بیشترین کارایی عملکرد کوانتومی فتوسیستم II در شرایط سازگار شده با تاریکی) هستند. درحالت طبیعی فیزیولوژیکی این مقدار نسبتاً پایدار و حدود 8/0 است که با افزایش درجه تنش کم میشود. این کاهش در شرایط تنش ممکن است به علّت آسیب به مرکز واکنش فتوسیستم II و کاهش میزان حفاظت نوری باشد که کاهش محتوای کاروتنوئیدها در این پژوهش این موضوع را تایید میکند (Zhu et al., 2021; Banks, 2017). در این پژوهش، مقدار Fv/Fm در هر دو رقم کلزا در شرایط کنترل حدود 8/0 بود که با افزایش تنش سرب این مقدار کاهش یافت که نتایج مشابهی در گیاه Miscanthus floridulusتحت تنش سرب گزارش شده است (Qin et al., 2023; Hachani et al., 2021). در پژوهش دیگری، مشخص شد ملاتونین تغییراتی را در بازده فتوسنتزی ایجاد کرد و سبب بهبود تحمل به تنش کروم در کلزا (Brassica napus) شد و مشاهده شد تنش کروم تعداد مرکز واکنش فعال را کاهش داد، در حالی که مراحل بعدی برای زنجیره انتقال الکترون کمتر تحت تأثیر قرار گرفتند و همچنین، شاخص کارایی دستگاه فتوسنتزی از ابتدای فتوسیستم II تا پذیرندههای انتهایی فتوسیستم I (PItotal) در هر دو شرایط تنش و محلولپاشی به وضوح متمایز بود (Ayyaz et al., 2020). در پژوهش حاضر، مشاهده شد با افزایش میزان تنش، مقدار کمترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F0) هر دو رقم کلزا افزایش یافت. این در حالی است که مقایسه بین دو رقم کلزا نشان دادند F0 در رقم RGS00s دارای میانگین بالاتری نسبت به رقم دلگان است. در حقیقت مقدار F0 هر چه کمتر باشد، نشان دهنده فعالیت فتوسنتزی مطلوبتر و آغاز انتقال الکترون و تثبیت سریعتر کربن است و مقدار F0 بالاتر نشان از آسیب به زنجیره انتقال الکترون در اثر کاهش ظرفیت QA و عدم اکسیداسیون کامل آن به علّت جریان کندتر الکترون است. بنابراین احتمال میرود رقم RGS00s آسیب بیشتری را در فتوسیستم خود تجربه کرده است. اگرچه در این پژوهش مشاهده شد رقم دلگان کاهش بیشتری در میزان بیشترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (Fm) داشته است. بنابراین با افزایش تنش سرب از کارایی کمتری در مقایسه با رقم RGS00s برخوردار است و این نتیجه را که رقم دلگان به تنش سرب حساستر است را تأئید میکند. در این آزمایش در هر دو رقم کلزا مشاهده شد که در شرایط تنش میزان فلورسانس متغیر (Fv) و نسبت FV/F0 (شاخص کارایی کمپلکس تجزیه کننده آب در فتوسیستم II) کاهش یافته و این کاهش میتواند به علّت مهار الکترون و جلوگیری از انتقال الکترون از سمت دهندهی الکترون در فتوسیستم II به گیرندههای اولیه الکترون شامل مولکولهای QA و QB در فتوسیستم II باشد (Komarkova et al., 2022; Esmaielzehi et al., 2023). تاثیر تنش سرب بر کاهش Fv/F0 توسط سایر پژوهشگران هم گزارش شده که با نتایج حاضر مطابقت دارد (Qin et al., 2023). استفاده خارجی ملاتونین با افزایش تجمع ملاتونین در کلروپلاست با توجه به ویژگی آنتیاکسیدانی (Lei et al., 2020) و تنظیم سیستم انتقال الکترون مانند بهبود خاموش کردن غیر فتوشیمیایی و یا خاموش کردن فتوشیمیایی منجر به بهبود نسبت Fv/F0 میشود (Qin et al., 2023; Lei et al., 2022; Fleta‐Soriano et al., 2017) و به این ترتیب از آسیب به کلروپلاست و دستگاه فتوسنتزی جلوگیری میکند. PI حساسترین فاکتور فلورسانس است و تغییرات ساختاری را نشان میدهد، که کاربرد ملاتونین و سروتونین مقادیر PI و ارتباط احتمالی بین ET0/RC را افزایش دهد (Ayyaz et al., 2020). در پژوهش حاضر، تأثیر بهبود دهندگی ملاتونین همانند پژوهشهای سایر محققان در فاکتورهای فلورسانس دیده شد. محلولپاشی ملاتونین همچنین فتوسنتز گیاهان را با برخی از مسیرهای محرک زیستی و تنظیم کارایی فتوسیستم II در شرایط خاص نور و تاریکی تحت تأثیر قرار میدهد. علاوه بر این با اتصال به لیگاندهای متالوئیدی مثل پروتئینها، پلیساکاریدها و اسیدهای آلی سمیت فلزات را کاهش میدهد و از آنجایی که سروتونین هم متابولیت واسطه ملاتونین است و هم شباهت ساختاری با آن دارد احتمال میرود با سازوکارهای مشابه و یا با تبدیل به ملاتونین فاکتورهای مربوط به فتوسنتز را بهبود بخشیده و از این طریق منجر به تقویت فرآیند فتوسنتز شده است (Ayyaz et al., 2020; Farooq et al., 2020). تمام تنشهای غیر زنده از جمله تنش فلزات سنگین سبب افزایش تولید رادیکالهای آزاد اکسیژن (ROS) میشوند. در حالی که ROS برای رشد و عملکرد به عنوان پیام رسانهای ثانویه در انتقال سیگنال مورد نیاز است (Baxter et al., 2014)، اما غلظت بالای آن میتواند منجر به مرگ برنامهریزی شده سلولی، ایجاد پراکسیداسیون لیپیدی در غشای سلولی، دناتوره شدن پروتئین، اکسیداسیون کربوهیدرات، تجزیه رنگدانه و اختلال در فعالیت آنزیمی شود (Bose et al., 2014). کلروپلاستها و میتوکندریها منبع اصلی تولید ROS در سلولهای گیاهی هستند و به واسطه فرآیندهای فتوسنتزی و تنفسی، ROS تولید میکنند. شواهد تأئید میکنند ملاتونین یک آنتیاکسیدان مستقیم با طیف گسترده است که میتواند ROS را با میزان بالایی از بین ببرد (Zhang et al., 2015). علاوه بر این، مشخص شده که ملاتونین سطح رونوشت آنزیم فئوفوربیدA اکسیژناز (PAO) که آنزیم کلیدی دیگری در تخریب کلروفیل است را مهار میکند (Wang et al., 2013). یکی دیگر از پدیدههای رایج مشاهده شده ناشی از کاربرد برونزای ملاتونین، افزایش سطح برگ است، وضعیتی که به نفع فرآیند فتوسنتز است (Campos et al., 2019). این فرآیند شامل بهبود حفظ تورگور سلولی و تعادل آب در سلولهای مزوفیل توسط ملاتونین است، که این شرایط در هدایت روزنهای منعکس میشود (Antoniou et al., 2017; Li et al., 2020). ملاتونین همچنین متابولیتهای تثبیت کربن و مسیرهای متابولیسم کربن را با تعدیل بیان RuBisCO (ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز)، FBA (فروکتوز-بیس فسفات آلدولاز)، FBP (فروکتوز 1،6-بیس فسفاتاز)، RPI (ریبوز 5-فسفات ایزومراز) و SEBP (سدوهپتولوز-1،7- بیس فسفاتاز) تنظیم میکند (Liang et al., 2019). برای عملکرد کارآمد فتوسنتز، تبادل گازی بسیار مهم است، تیمار ملاتونین بر این فرآیند نیز تأثیر داشته و منجر به افزایش طول و عرض روزنه در گیاهان شده و همه این پدیدهها منجر به بهبود رسانایی روزنه، تبادل گازی بهتر و افزایش ظرفیت فتوسنتزی میشوند (Li et al., 2015). از سوی دیگر، ملاتونین در بازیابی محتوای کلروفیل، با تنظیم پائین بیان آنزیمهای کلروفیلاز (CHLASE) که تخریب کننده کلروفیل است نقش دارد (Mannino et al., 2021). کاربرد ملاتونین در تنش فلزات سنگین، از تخریب رنگدانهها جلوگیری میکند که به بهبود فرآیند کلی فتوسنتز کمک میکند (Mizushima et al., 2019). کاربرد ملاتونین خارجی نرخ ردوکس PQ را افزایش و در نهایت تأثیر تنش را کاهش میدهد. در گیاهان تیمار شده با ملاتونین مقادیر F0 کاهش یافته و در نتیجه راندمان انتقال الکترون از کمپلکس آنتن به واکنش PSII مرکز افزایش مییابد، در حالی که مقادیر Fm (حداکثر فلورسانس) نیز تحت تنش سرب کاهش یافت که کاهش انتقال الکترون به PSII را نشان میدهد و نشان دهنده تغییرات القایی در نرخ کاهش QA است. محلولپاشی ملاتونین و سروتونین، گیاهان را قادر میسازد تا تعادل خود را در حالت ردوکس پلاستوکینون با انتقال الکترون به PSI حفظ کنند (Ayyaz et al., 2020).
جمع بندی
استفاده ملاتونین و سروتونین با تأثیر مثبت بر ویژگیهای رشدی، شاخصهای کلروفیل فلورسانس و فاکتورهای تبادلات گازی در دو رقم RGS00s و دلگان کلزا هم در گروه شاهد و هم در گروه تیماری تنش سرب، سبب کاهش تأثیر منفی تنش بر این ویژگیها شد. استفاده ملاتونین و سروتونین منجر به افزایش وزن تر و خشک گیاه در هر دو رقم شد. همچنین استفاده از این ترکیبات منجر به افزایش محتوای رنگدانههای فتوسنتزی از جمله کلروفیل a، کلروفیل b و کارتنوئید شد. بررسی فاکتورهای تبادلات گازی در رقم دلگان نشان داد اگرچه ملاتونین و سروتونین موجب افزایش نرخ فتوسنتز، غلظت دی اکسید کربن درونی و هدایت روزنهای شد، امّا این تأثیر در تیمار ملاتونین مشهودتر بود. در رقم RGS00s نیز در تیمارهای سروتونین، بیشترین مقادیر برای فاکتورهای تبادلات گازی به دست آمد. ویژگیهای مربوط به فلورسانس کلروفیل در هر دو رقم تحت تأثیر تنش سرب و محلولپاشی ملاتونین و سروتونین قرار گرفتند و بهترین نتایج در گروه تیمار شده با ترکیبات بهبوددهنده به ثبت رسید، بنابراین بر اساس نتایج، محلولپاشی برگی ملاتونین و سروتونین برای بهبود رشد گیاه کلزا در شرایط تنش سرب میتواند قابل توصیه باشد.