نوع مقاله : علمی - پژوهشی
نویسندگان
1 دانشگاه اصفهان، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی، اصفهان، ایران
2 دانشگاه تحصیلات تکمیلی و فناوری پیشرفته کرمان، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، گروه بیوتکنولوژی، کرمان، ایران
چکیده
هدف: هدف از مطالعه حاضر بررسی اثر غلظتهای سرب بر رشد و میزان آنتوسیانین، کلروفیل، کاروتنوئید، قندهای محلول، قندهای احیاء و آمینو اسیدهای آزاد در جمعیتهایی از گیاه اسپند میباشد.
مواد و روشها: گیاهانی از دو جمعیت مختلف اسپند (فلز دوست منطقه کوشک یزد و غیر فلز دوست منطقه کرمان) در شرایط هیدروپونیک کشت داده شدند. سپس گیاهان بهمدت 14 روز تحت تیمار غلظتهای 0، 5، 10، 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب قرار گرفتند. در پایان آزمایش میزان پارامترها توسط اسپکتروفتومتر اندازهگیری و محاسبه شد.
نتایج: نتایج نشان دادند که افزایش غلظت سرب در محلول غذایی باعث کاهش طول ریشه گیاهان میشود و بین دو جمعیت تفاوت معنیداری وجود دارد. بهطور کلی میزان رنگیزههای کلروفیل و کاروتنوئید تحت غلظتهای سرب، بهویژه تحت بالاترین تیمار سرب (50 میلیگرم در لیتر) در هر دو جمعیت کاهش یافتند. همچنین میزان آنتوسیانین، قندهای محلول و آمینواسیدهای آزاد در هر دو جمعیت افزایش یافتند.
نتیجه گیری: مقادیر بالاتر آنتوسیانین، قندهای محلول و آمینواسیدهای آزاد در جمعیت فلز دوست، نشان دهنده ظرفیت بهتر مقاومت به سرب در این جمعیت است.
تازه های تحقیق
-
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
The effect of different concentrations of lead on some physiological parameters in two populations of Harmal (Peganum harmala L.)
نویسندگان [English]
- K M 1
- M Gh 1
- M T 2
چکیده [English]
Aim: The aim of the present study was to investigate the effect of lead concentrations on the growth, antocyanin, chlorophyll, carotenoid, total soluble sugars, reducing sugars and free amino acids of harmal (Peganum harmala L.) populations.
Material and methods: Plants of two different Peganum harmala populations (metallicolous and non metallicolous) were grown in hydroponic condition. Then plants were exposed to 0, 5, 10, 25 and 50 ppm Pb for 14 days. Finally, parameters were measured and calculated by spectrophotometer.
Results: Results showed that the increase of Pb concentrations in the nutrient solution reduced root length and there were significant difference between two populations. Chlorophylls and carotenoid pigments were generally decreased by Pb concentrations, especially under the highest Pb treatment (50 ppm) in both populations. Anthocyanin, total soluble sugars and free amino acids were increased in both populations.
Conclusion: The higher amounts of anthocyanin, total soluble sugars and free amino acids in metallicolous population reflecting the higher degree of tolerance to Pb in this population.
کلیدواژهها [English]
- growth
- Harmal
- Lead
- Photosynthetic pigments
- Sugar
وجود مقادیر سمی فلزات سنگین در محیط زیست گیاهان باعث ایجاد تغییرات فیزیولوژیک شده و میتواند موجب کاهش توان رشد گیاه و در حالت شدیدتر باعث از بین رفتن گیاه شود. گیاهان حساس در چنین شرایطی آسیب دیده و از بین میروند در حالیکه گیاهان مقاوم در این شرایط همچنان به رشد و تولید مثل خود ادامه میدهند. علائم سمیت سرب در گیاه شامل جلوگیری از رشد، کلروز و سیاه شدن سیستم ریشه میباشد. وقتی سرب حتی در مقادیر کم وارد سلول میشود گستره وسیعی از اثرات مضر را روی فرآیندهای فیزیولوژیکی گیاه ایجاد میکند از جمله باعث ممانعت از فعالیت آنزیمها، اختلال در تغذیه معدنی و تعادل آب گیاه میشود. همچنین باعث تغییر وضعیت هورمونها شده و ساختار و نفوذپذیری غشا را تحت تاثیر قرار میدهد. این اختلالات، فعالیتهای معمول فیزیولوژیکی گیاهان را بر هم زده و در غلظتهای بالا ممکن است منجر به مرگ سلول نیز شود (1). سمیت سرب باعث کاهش درصد جوانهزنی، شاخص جوانهزنی، شاخص تحمل، طول گیاه و توده خشک گیاه میشود (2).
گیاهانی که در معرض سرب قرار میگیرند کاهش میزان فتوسنتز را نشان میدهند که ناشی از تخریب فرا ساختار کلروپلاست، جلوگیری از سنتز کلروفیل، پلاستوکوئینون و کارتنوئیدها، ممانعت از انتقال الکترون و جلوگیری از فعالیت آنزیمهای چرخه کالوین است. سرب با ایجاد اختلال در جذب فلزات ضروری مثل منیزیم و آهن مانع از سنتز کلروفیل میشود (2 و 3). افزایش تخریب کلروفیل در گیاهان تیمار شده با سرب ناشی از افزایش فعالیت کلروفیلاز میباشد. گزارش شده که در تیمار سرب کلروفیل b بیشتر از کلروفیلa تحت تاثیر قرار میگیرد (4 و 5).
یکی از اثرات سمی سرب القا تنش اکسیداتیو در گیاهان بهدلیل افزایش تولید گونههای اکسیژن فعال(ROS) میباشد که نتیجه عدم تعادل حالت ردوکس سلولی است (6 و 7). در بسیاری از گیاهان نقش کربوهیدراتها بهعنوان یک عامل تنظیم کننده اسمزی در تنشهای محیطی پذیرفته شده است. چندین گزارش بر روی تجمع کربوهیدرات در تنشهای زیستی و غیرزیستی وجود دارد (8 و 9). آنتوسیانینها دسته ای از فلاونوئیدها هستند که بهطور گستردهای در گیاهان وجود دارند (10). اتصال آنتوسیانین به برخی فلزات و کاهش اثرات سمی آنها گزارش شده است (11). همچنین مطالعات دیگری افزایش تجمع آنتوسیانین را با افزایش یافتن غلظت فلز سنگین گزارش کردند (12،13 و 14). اسپند با نام علمی Peganum harmala L. گیاهی چند ساله از خانواده Zygophylaceae است که مصارف دارویی فراوانی دارد. با توجه به دامنه رشد گسترده اسپند در خاکهای نواحی مختلف فلزدوست و غیرفلزدوست، بررسی مقاومت این گیاه به فلزات سنگین حائز اهمیت است. این تحقیق با هدف بررسی تغییرات رشد و برخی واکنشهای فیزیولوژیک در شرایط تنش ناشی از افزایش سرب و مقایسه بین دو جمعیت فلزدوست و غیر فلز دوست اسپند انجام شده است.
مواد و روشها
بهمنظور ارزیابی مقاومت به سرب، بذر دو جمعیت گیاه اسپند انتخاب شد. یک جمعیت فلزدوست از خاکهای آلوده به سرب و روی منطقه معدنی کوشک بافق یزد و دیگری جمعیت غیرفلزدوست از خاکهای منطقه ماهان کرمان که غیرآلوده میباشد انتخاب شد. بذرها حداقل از 25 گیاه جمع آوری شده بودند. جهت کشت بذر، گلدانهای پلاستیکی به قطر 9 سانتیمتر حاوی مخلوطی از پرلیت ریز و درشت تهیه شد. در هرگلدان تعداد 6 عدد بذر گیاه اسپند کاشته شد و 3 تکرار در هر غلظت از تیمار در نظر گرفته شد. پس از گذشت 5 روز آبیاری با آب مقطر گیاهچههای حاصل بهمدت 40 روز با محلول غذایی هوگلند اصلاح شده تغذیه شدند (15). سپس گیاهان به محلول آزمایش منتقل شدند که ترکیب آن مشابه محلول هوگلند فوق بود اما بدون NH4H2PO4 و Fe(Na)-EDTA بهدلیل جلوگیری از رسوب فسفات سرب و تشکیل کمپلکس Pb-EDTA ناشی از جایگزینی آهن تهیه شد. گیاهچهها بهمدت 14روز تحت تاثیر غلظتهای مختلف سرب قرار گرفتند. غلظتهای مختلف سرب با استفاده از نمک نیترات سرب 2) (Pb(NO3) تهیه شد. تیمارها بهصورت 0، 5، 10، 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب در نظر گرفته شد. pH محلول غذایی و محلول غذایی حاوی سرب در محدوده 5/5 تنظیم شد. محلولهای غذایی هر هفته با محلولهای تازه جایگزین گردید و گیاهان در اتاقک کشت با دمای متناوب 20/25 درجه سانتیگراد (شب/روز)، تناوب نوری (16 ساعت نور)، شدت نور 200 میکرومول فوتون بر متر مربع بر ثانیه رشد کردند.
اندازهگیریطولاندامهواییوریشه: در پایان تیماردهی، طول ساقه و ریشه با استفاده از خطکش اندازهگیری شد. طول ساقه از یقه تا قسمت انتهای ساقه و طول ریشه از یقه تا انتهای ریشه در نظر گرفته شد. برای هر تیمار بیش از 3 تکرار در نظر گرفته شد و مقادیر بر اساس سانتیمتر گزارش شد .
استخراج قند از بافتهای گیاهی: برای استخراج قند، بافت گیاهی مورد نظر را بهمدت 24 ساعت در دمای 70 تا 80 درجه سانتیگراد خشک کرده و سپس 01/0 گرم از بافت خشک به تعداد 3 تکرار در هر تیمار توزین شد و با 10 میلیلیتر آب مقطر گرم در هاون سائیده شد و با کاغذ صافی صاف گردید.
برای اندازهگیری هیدراتهای کربن محلول از روش فنل- اسید سولفوریک استفاده شد. در این روش اکثر قندها شامل مونوساکاریدها، دی ساکاریدها، اولیگوساکاریدها قابل شناسایی میباشند. اسید سولفوریک، دی ساکاریدها، اولیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها را به واحدهای کوچکتر یعنی مونوساکارید میشکند. سپس پنتوزها یا قندهای پنج کربنه به فورفورال دهیدراته شده و هگزوزها یا قندهای شش کربنه به هیدروکسی متیل فورفورال دهیدراته میشوند. این ترکیبات سپس با فنل واکنش داده و در اثر این واکنش، رنگ زرد طلائی حاصل میشود که این رنگ تا چند ساعت پایدار باقی میماند. با خواندن جذب ترکیب رنگی هر نمونه در طول موج 490 نانومتر میتوان به مقدار قند محلول نمونه پی برد. به این منظور 2 میلیلیتر از عصاره گیاهی استخراج شده را با 50 میکرولیتر فنل 80 درصد وزنی (حل شده در آب مقطر) مخلوط کرده و سپس 5 میلیلیتر اسید سولفوریک غلیظ به صورت عمود بر سطح مایع به آن اضافه شد. این مخلوط بهمدت 10 دقیقه در محیط نگهداری شده و پس از آن بهمدت 15 دقیقه در حمام آب گرم 25 تا 30 درجه سانتیگراد قرار داده شد و سپس جذب محلول در 490 نانومتر خوانده شد (16). سپس منحنی استاندارد با استفاده از گلوکز خالص رسم شده و مقدار قندهای محلول با کمک این نمودار در یک گرم بافت گیاهی بهدست آمد.
برای سنجش قندهای احیا، DNS (دی نیترو سالیسیلیک اسید) 1 درصد ، سود 6/1 درصد و تارتارات سدیم-پتاسیم 25 درصد با کمک مگنت و روی هیتر بهآرامی حل شد. سپس 2 میلیلیتر از عصاره گیاهی استخراج شده با 1 میلیلیتر از رنگ ساخته شده مخلوط و بهمدت 10 دقیقه در حمام آب جوش 100 درجه سانتیگراد قرار داده شد، سپس کل محلول بهدست آمده با 10 میلیلیتر آب مقطر مخلوط شد و جذب نمونهها در 546 نانومتر خوانده شد و با کمک از گلوکز خالص منحنی استاندارد مربوط به میزان قندهای احیا محاسبه شد (17).
سنجش آنتوسیانینها: جهت اندازهگیری مقدار آنتوسیانینها، 1/0 گرم از اندام هوایی تازه گیاه در هاون چینی با 10 میلیلیتر متانول اسیدی (متانول خالص و اسید کلریدریک خالص به نسبت حجمی 1:99) کاملا سائیده و بهمدت 24 ساعت در تاریکی و دمای 25 درجه سانتیگراد قرار گرفت. سپس 10 دقیقه در g 4000 سانتریفوژ و جذب محلول بالایی در طول موج 550 نانومتر اندازهگیری شد. با استفاده از ضریب خاموشی 33000 مول بر سانتیمتر مکعب غلظت آنتوسیانینها محاسبه و نتایج بر حسب میکرومولار بر گرم وزن تر ارائه شد (18).
رنگدانههای فتوسنتزی: اندازهگیری مقدار رنگیزههای فتوسنتزی شامل کلروفیل a، b، کلروفیل کل و کاروتنوئیدها با استفاده از روش Lichtenthaler (1987) انجام پذیرفت. 2/0 گرم از برگهای تازه گیاه با 15 میلیلیتر استن 80 درصد سائیده شده و پس از صاف کردن جذب آنها با دستگاه اسپکتروفتومتر (Carry 50 استرالیا) در طول موجهای 8/646، 20/663 و 470 نانومتر خوانده شد و غلظت رنگیزهها با استفاده از رابطههای زیر و بر حسب میلیگرم بر گرم وزن تر محاسبه شد:
Chla= (12.25 A663.2-2.79 A646.8)
Chlb= (21.21 A646.8-5.1 A663.2)
ChlT= chla+chlb
Car= [1000 A470-1.8 chla-85.02 chlb] /198
در این فرمول chla، chlb، chlT و car بهترتیب غلظت کلروفیل a، کلروفیل b، کلروفیل کل و کاروتنوئیدها (شامل کاروتنها و گزانتوفیلها) میباشد (19).
:(FAA)اندازهگیری مقدار آمینواسیدهای آزاد
مقدار آمینواسیدهای آزاد در نمونهها از طریق رنگ سنجی با نینهیدرین بهدست آمد. 2/0 گرم بافت تازه برگی در 5 میلیلیتر بافر پتاسیم فسفات سرد 50 میلی مولار )8/6= (pH سائیده، بهمدت 20 دقیقه در g18000 سانتریفیوژ شد. از محلول رویی برای سنجش آمینواسیدهای آزاد استفاده شد. یک میلیلیتر معرف نینهیدرین به 5 میلی لیتر نمونه افزوده شد. سپس، لولهها 4 تا 7 دقیقه در حمام آب گرم با دمای 95 درجه سانتیگراد قرار داده شدند. پس از سرد شدن، جذب نمونه ها در 570 نانومتر خوانده شد. برای محاسبه مقدار آمینواسیدهای آزاد از منحنی استاندارد گلیسین استفاده شد (20).
آنالیز آماری
تجزیه و تحلیل آماری دادهها با استفاده از نرم افزار SPSS انجام شد. برای آنالیز نتایج، از روش آنالیز واریانس دو طرفه استفاده شد که در آن معنیدار بودن یا نبودن اثر تیمار سرب و جمعیت مورد آنالیز قرار گرفت. بهمنظور پی بردن به معنیدار بودن یا نبودن تفاوت میانگینها در هر جمعیت بین تیمارهای مختلف از آزمون Tukey HSD استفاده شد. همچنین تفاوت بین دو جمعیت در هر غلظت از تیمار سرب با استفاده از آزمون t-test بررسی شد. کلیه نمودارها با استفاده از نرم افزار Excel رسم شدند.
نتایج
شکل 1 نتایج آنالیز واریانس دادههای حاصل از اثر تیمار سرب را بر رشد طولی اندام هوایی گیاه اسپند نشان می دهد. طبق شکل، تیمار سرب باعث کاهش معنیدار طول اندام هوایی گیاه نسبت به شاهد در هر دو جمعیت شده است. کمترین طول اندام هوایی در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر در هر دو جمعیت مشاهده شد (شکل 1).
شکل 1: اثر غلظتهای مختلف سرب بر طول اندام هوایی در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلزدوست کوشک و جمعیت غیر فلزدوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین طول اندام هوایی 12 گیاه از هر جمعیت ± خطای استاندارد. حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلز دوست یا غیر فلز دوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است.
اولین نشانه قابل مشاهده سمیت سرب ممانعت از رشد ریشه میباشد. جهت ارزیابی میزان مقاومت به سرب، پس از 14 روز تیمار میزان رشد ریشه گیاهان جمعیتهای مختلف اسپند اندازهگیری شد (شکل 2). همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود 14 روز پس از تیمار سرب، کاهش طول ریشه در هر دو جمعیت فلز دوست و غیر فلزدوست گیاه اسپند که در معرض تیمار سرب قرار گرفته بودند مشاهده میگردد. نتایج آنالیز نشان داد که بین دو جمعیت تفاوت معنیداری وجود دارد، بهطوریکه کمترین طول ریشه در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر جمعیت غیرفلزدوست مشاهده میشود. طول ریشه در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر جمعیت غیرفلزدوست نسبت به شاهد 25 درصد کاهش نشان داد.
شکل 2: اثر غلظتهای مختلف سرب بر طول ریشه در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلزدوست کوشک و جمعیت غیر فلز دوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین طول ریشه 12 گیاه از هر جمعیت ± خطای استاندارد) حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلزدوست یا غیر فلزدوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
تغییرات محتوای کلروفیل a، b و کل برگ در اثر تیمار سرب در شکل 3 نشان داده شده است. بر اساس شکل 3، میزان کلروفیل a، b و کل در غلظتهای مختلف تیمار سرب کاهش معنیداری را نسبت به شاهد در هر دو جمعیت نشان میدهند. نتایج حاصل از آنالیز واریانس تفاوت معنیداری را در محتوای کلروفیل b و کل، بین دو جمعیت نشان میدهد، بهطوریکه کمترین مقدار کلروفیل b و کل در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت غیر فلزدوست مشاهده میشود. بنابراین مقدار کلروفیل a، b و کل در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر نسبت به شاهد در جمعیت غیرفلزدوست بهترتیب 26، 40 و 29 درصد کاهش نشان داد.
شکل 4 نتایج آنالیز واریانس دادههای حاصل از اثر تیمار سرب را بر محتوای کاروتنوئید گیاه اسپند نشان میدهد. تمام غلظتهای سرب باعث کاهش معنیدار محتوای کاروتنوئید در هر دو جمعیت گیاه اسپند نسبت به شاهد شدند. غلظتهای 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب جمعیت غیرفلزدوست و 50 میلیگرم در لیتر سرب جمعیت فلزدوست، کمترین مقادیر کاروتنوئید را نسبت به بقیه غلظتها نشان دادند. بنابراین غلظتهای 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب جمعیت غیرفلزدوست نسبت به شاهد به ترتیب 31 و 26 درصد کاهش نشان دادند و 50 میلیگرم در لیتر سرب جمعیت فلزدوست نسبت به شاهد 27 درصد کاهش نشان داد.
نتایج حاصل از تاثیر غلظتهای مختلف سرب در شکل 5 نشان میدهد که افزایش معنیدار مقدار آنتوسیانینها در غلظتهای 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب نسبت به شاهد در هر دو جمعیت مشاهده میشود، اما در غلظتهای 5 و 10 میلیگرم در لیتر سرب در هر دو جمعیت تفاوت معنیداری نسبت به شاهد مشاهده نمیشود.
شکل 6 نتایج آنالیز واریانس دادههای حاصل از اثر تیمار سرب را بر محتوای قندهای محلول گیاه اسپند نشان می دهد. غلظتهای مختلف سرب باعث افزایش معنیدار این قندها در جمعیت فلز دوست گیاه اسپند شدند اما در جمعیت غیر فلز دوست تنها در غلظت 25 میلیگرم در لیتر سرب باعث افزایش معنیدار قندهای محلول نسبت به شاهد شدند، همچنین در بقیه غلظتها در جمعیت غیرفلزدوست تفاوت معنیداری نسبت به شاهد مشاهده نشد.
بنابراین بین دو جمعیت در غلظتهای 5 و 25 میلیگرم در لیتر تفاوت معنیداری مشاهده شد، بهطوریکه بیشترین مقدار قندهای محلول در غلظت 25 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت فلزدوست مشاهده شد، بهطوریکه نسبت به کنترل 129 درصد افزایش نشان داد. نتایج نشان داد که غلظتهای 5، 10 و 50 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت غیر فلزدوست مقادیر کمتری را نشان دادند اما تفاوت معنیداری نسبت به شاهد نشان ندادند.
شکل 3: اثر غلظتهای مختلف سرب بر تغییرات غلظت کلروفیل a، b و کل در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلزدوست کوشک و جمعیت غیر فلزدوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلزدوست یا غیر فلزدوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
شکل 4: اثر غلظتهای مختلف سرب بر تغییرات غلظت کاروتنوئید در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلز دوست کوشک و جمعیت غیر فلز دوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلزدوست یا غیر فلز دوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
شکل 5: اثر غلظتهای مختلف سرب بر مقدار آنتوسیانین در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلزدوست کوشک و جمعیت غیر فلزدوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلز دوست یا غیر فلز دوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است.
شکل 6: اثر غلظتهای مختلف سرب بر مقدار قندهای محلول در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلزدوست کوشک و جمعیت غیر فلز دوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلزدوست یا غیر فلزدوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
نتایج حاصل از تاثیر غلظتهای مختلف سرب در شکل 7 نشان میدهد که غلظتهای مختلف سرب باعث افزایش معنیدار قندهای احیا در جمعیت فلزدوست گیاه اسپند میشوند اما در جمعیت غیر فلز دوست تنها در غلظت 25 میلیگرم در لیتر سرب افزایش معنیدار نسبت به شاهد مشاهده میشود، در بقیه غلظتهای جمعیت غیر فلز دوست تفاوت معنیداری نسبت به شاهد مشاهده نمیشود. نتایج آنالیز نشان داد که بین دو جمعیت فلز دوست و غیر فلز دوست تفاوت معنیداری مشاهده میشود، بهطوریکه بیشترین مقدار قندهای احیاء در غلظت 25 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت فلزدوست مشاهده میشود، بهطوریکه نسبت به کنترل 281 درصد افزایش نشان داد. نتایج نشان داد که غلظتهای 5، 10 و 50 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت غیر فلز دوست مقادیر کمتری را نشان دادند اما تفاوت معنیداری نسبت به شاهد نشان ندادند. بنابراین در غلظتهای مختلف سرب، جمعیت فلز دوست افزایش معنیداری در محتوای قندهای احیا نسبت به جمعیت غیر فلز دوست نشان میدهد.
شکل 7: اثر غلظتهای مختلف سرب بر مقدار قندهای احیا شده در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلز دوست کوشک و جمعیت غیر فلز دوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلز دوست یا غیر فلز دوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
با توجه به شکل 8 مشخص است که تیمار سرب در تمام غلظتها باعث افزایش معنیدار محتوای آمینواسیدهای آزاد نسبت به گیاهان شاهد در هر دو جمعیت شده است اما در غلظت 5 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت غیر فلز دوست تفاوت معنیداری نسبت به شاهد مشاهده نشد. همچنین بر طبق آنالیزهای انجام شده بین دو جمعیت تفاوت معنیداری وجود دارد، بهطوریکه بیشترین مقدار آمینواسیدهای آزاد در غلظت 25 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت فلزدوست در مقایسه با سایر غلظتها مشاهده شد، بهطوریکه نسبت به شاهد 338 درصد افزایش نشان داد. کمترین مقدار آمینو اسیدهای آزاد در غلظت 5 میلیگرم در لیتر سرب در جمعیت غیر فلز دوست مشاهده شد اما تفاوت معنی داری نسبت به شاهد مشاهده نشد. بنابراین در غلظتهای مختلف سرب، جمعیت فلزدوست افزایش معنیداری در محتوای آمینو اسیدهای آزاد نسبت به جمعیت غیر فلز دوست نشان داد.
* |
* |
شکل 8: اثر غلظتهای مختلف سرب بر مقدار آمینو اسیدهای آزاد در دو جمعیت گیاه Peganum harmala (جمعیت فلز دوست کوشک و جمعیت غیر فلز دوست کرمان) بعد از دو هفته تیمار (میانگین 3 تکرار ± خطای استاندارد). حروف غیر مشترک، بهطور جداگانه در هر سری از جمعیت فلز دوست یا غیر فلز دوست، بیانگر وجود اختلاف معنیدار بین تیمارها بر اساس آزمون Tukey HSD (05/0p<) است. علامت * نشان دهنده تفاوت معنیدار بین دو جمعیت است.
بحث
وجود فلزات سنگین در محیط زیست گیاهان نوعی عامل تنشزا میباشد که باعث ایجاد تغییرات فیزیولوژیک شده و میتواند موجب کاهش توان رشد گیاه و در حالت شدیدتر باعث از بین رفتن گیاه شود. گیاهان را بر اساس قابلیت رشد در خاکهای آلوده به فلزات سنگین به دو گروه حساس و مقاوم تقسیم میکنند. گیاهان حساس در این شرایط آسیب دیده و از بین میروند، در حالیکه گیاهان مقاوم در این شرایط همچنان به رشد و تولید مثل خود ادامه میدهند (21). سرب از جمله عناصر سمی و غیرضروری برای گیاهان است. آلودگی شدید سرب خاک ممکن است باعث مشکلات محیطی گوناگونی از جمله کاهش رویش، آلودگی آبهای زیر زمینی و سمیت سرب در گیاهان، حیوانات و انسان شود (22). برای ارزیابی میزان مقاومت نسبت به سرب در گیاه اسپند، اثر غلظتهای مختلف سرب بر عملکرد طول ریشه و اندام هوایی دو جمعیت گیاه اسپند در شرایط هیدروپونیک مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج حاصله، افزایش غلظت سرب در محلول غذایی سبب کاهش طول ریشه و بخش هوایی در هر دو جمعیت شده است. اثر ممانعتکنندگی سرب میتواند ناشی از تداخل سرب با فعالیت تعدادی از آنزیمهای ضروری برای متابولیسم طبیعی و فرآیندهای نموی و همچنین عملکردهای متنوع فتوسنتزی باشد. مهار فتوسنتز علامت شناخته شده سمیت سرب است. این مهار بهعلت تمایل سرب به لیگاندهای پروتئینی N و S، کاهش فعالیت فردوکسین-NADP+ ردوکتاز، کاهش فعالیت دلتا-آمینولوولینیک اسید دهیدراتاز بهدلیل اتصال سرب به گروههای –SH این آنزیم و مهار سنتز کلروفیل، مهار کاتالیز آنزیمی چرخه کالوین و افزایش فعالیت کلروفیلاز میباشد (23 و 24).
سرب برای گیاهان بسیار سمی بوده و عموما ریشهها بسیار حساستر از بخشهای هوایی هستند (25). میزان رشد ریشه یک گیاه بهعنوان یکی از شاخصهای مهم مقاومت گیاه نسبت به غلظتهای مختلف یک فلز سنگین میباشد (26). همچنین از آنجا که ریشه بهطور ویژهای به حضور فلزات سمی حساس میباشد، طول ریشه بهعنوان یکی از مهمترین معیارهای اثرات سمیت فلزات بر گیاهان معرفی شده است (27). علاوه بر این، اولین نشانه قابل مشاهده سمیت سرب، ممانعت از رشد ریشه میباشد (28، 29 و 30). بنابراین در این بخش میزان رشد ریشه در غلظتهای مختلف سرب اندازه گیری شد. بهوسیله تعدادی از محققین در مورد یکسری از گیاهان تغییرات نامطلوب در ظاهر ریشههای تیمار شده با سرب از جمله قهوهای شدن ریشه، ممانعت از رشد و کاهش بیوماس گزارش شده است (30 و 31). دو هفته پس از تیمار سرب، کاهش طول ریشه بهطور مشهودی در هر دو جمعیت فلز دوست و غیر فلزدوست گیاه اسپند که در معرض تیمار سرب قرار گرفته بودند قابل مشاهده بود. نتایج آنالیز نشان داد که بین دو جمعیت تفاوت معنیداری از نظر رشد ریشه وجود دارد، بهطوریکه کمترین طول ریشه در تیمار سرب 50 میلیگرم در لیتر جمعیت غیر فلز دوست مشاهده می شود که نشان دهنده وجود هر گونه سازش ریز تکاملی به غلظت بالای سرب در منطقه معدنی کوشک است. همچنین Mohtadi و همکاران (32) نشان دادند که Silene vulgarisو Noccaea caerulescens مقاومت به سرب در جمعیتهای فلزدوست بهطـور معنـیداری بیشتـر از جمعیتهـای غیر فلـزدوست
میباشد.
سرب طیف گستردهای از اثرات سمی مورفولوژیک، فیزیولوژیک و بیوشیمیایی را در موجودات زنده ایجاد میکند. این فلز رشد گیاه، افزایش طول ریشه، جوانه زنی بذر، تکوین گیاهچه، تعرق، تولید کلروفیل، سازماندهی لاملار در کلروپلاست و تقسیم سلولی را مختل میسازد (33). فلزات سنگین عملکرد فتوسیستم های I و II را تحت تاثیر قرار داده و با تخریب و تجزیه پروتئینهای کلروفیلی گیرنده پروتون در فتوسیستم II، ظرفیت گرفتن پروتون و در نتیجه بازده فتوسنتز را کاهش میدهند. کاهش نسبت chla/chlb تحت تیمار فلزات سنگین در مطالعات متعدد گزارش شده است (34). سرب رشد برگ، محتوای رنگیزههای فتوسنتزی و فعالیت های آنزیمی برای جذب CO2 را کاهش داده از طریق مهار بیوسنتز کلروفیل، محتوای کلروفیل کل و نسبت کلروفیل a و b را کاهش میدهد. جایگزینی منیزیم مرکزی کلروفیل با سرب مانع از گرفتن نور و منجر به نقص فتوسنتز میشود (35).Gupta و همکاران (36) نشان دادند که مقدار رنگیزههای فتوسنتزی ذرت در گیاهکهای رشد یافته هیدروپونیک تحت تنش سرب تنها در صورت مواجهه با غلظتهای بالای سرب کاهش مییابد. کاروتنوئیدها در سمیت زدایی کلروفیل نقش دارند و باعث کاهش اثرات سمی رادیکالهای آزاد میشوند. همچنین کاهش چشمگیر محتوای کلروفیل و کاروتنوئید در گیاه لوبیا و حرا تحت تیمار سرب گزارش شده است (37 و 38). بهطور کلی نتایج مطالعات مختلف نشان داد که تمامی فلزات سنگین بهدلایل ذکر شده میتوانند باعث کاهش میزان کلروفیل شوند. در این پژوهش نیز اثر سرب بر گیاه اسپند باعث کاهش معنیدار در مقادیر کلروفیلها نسبت به گیاهان کنترل شد که با یافتههای دیگر همسو میباشد (39 و 40).
یکی از ترکیبات فنلی آنتوسیانین است، که در پاسخ به انواع استرسهای اکسیداتیو افزایش مییابد (41). همچنین نقش آنتوسیانین در سمیتزدایی فلزات سنگین از طریق تشکیل کمپلکسهای فلز-آنتوسیانین میباشد (11). Kumar و همکاران (42) پیشنهاد کردند که در گیاهان، سنتز آنتوسیانین استراتژی موثری بر علیه تولید ROS با توجه به تنش سرب میباشد. غلظتهای 5/0 و 75/0 میلیمولار سرب سنتز آنتوسیانین را در Talinum triangulare تحریک میکنند. آنتوسیانینها از طریق مسیر فنیل پروپانوئید سنتز شدهاند. اولین مرحله آنزیمی تبدیل فنیلآلانین به ترانسسینامیکاسید است که توسط فنیلآلانینآمونیوملیاز کاتالیز میشود. بنابراین غلظتهای 25 و 50 میلیگرم در لیتر سرب باعث تحریک فعالیت فنیلآلانین آمونیوملیاز می شوند و در نتیجه تولید آنتوسیانین در گیاه اسپند افزایش مییابد، که ممکن است آنتوسیانین به فلز باند شده و در سمزدایی نقش داشته باشد. برخی از آمینو اسیدها و مشتقات آنها در زمره مهمترین کلاتورها و یا لیگاندهای فلزات سنگین میباشند و در مقاومت به فلزات سنگین حایز اهمیت میباشند (43). در این پژوهش نیز محتوای آمینواسیدهای آزاد در پاسخ به سرب در هر دو جمعیت روندی افزایشی داشت.
تنشهایی مانند خشکی، شوری و حضور فلزات سنگین منجر به تغییر وضعیت و اختلال در تعادل اسمزی گیاهان میشوند. گیاهان برای مقابله با تنش اسمزی ناشی از فلزات سنگین، مکانیسمهای سازشی مختلفی را بهکار میگیرند. گیاهان دارای مقاومت بالا از قبیل ذرت، تعادل اسمزی خود را با افزایش بیوسنتز متابولیت های محافظ مانند پرولین، بتائین و کربوهیدراتهای احیا کننده حفظ مینمایند. متابولیتهای قندی با تبدیل پلیساکاریدها و اولیگوساکاریدها به یکدیگر، تعادل اسمزی را کنترل مینمایند. کربوهیدراتهای احیاکننده باعث کاهش خسارتهای اکسیداتیو و حفظ ساختار پروتئینها و آنزیمها در طول تنش میشوند (44). افزایش قندهای محلول در اغلب شرایط تنش زا بهعنوان یک مکانیسم تحمل در برابر تنش است و در واقع باعث تنظیم پتانسیل آب سلول در بخش سیتوزول برای مقابله با غلظت بالای یونهای جذب شده و تجمع یافته در واکوئل میگردد. با کاهش انتقال آب به برگها و بهدنبال تجمع کادمیوم در سلولها، میزان قندهای محلول در گیاه افزایش مییابد. این ویژگی یک روش سازگاری گیاه برای حفظ شرایط اسمزی است. علاوه بر این افزایش قندهای محلول به گیاه کمک میکند تا بتواند ذخیره کربوهیدراتی خود را برای حفظ متابولیسم پایه در شرایط تنش در حد مطلوب نگه دارد. Dubey (45)، Hurry (46) و Verma (47) گزارش کردهاند که تنش ناشی از کادمیوم باعث افزایش قندهای محلول در 2 واریته از برنج شده است، بهطوریکه تنش ناشی از کادمیوم با تاثیر بر فعالیت آنزیمهای اینورتاز و سوکروز سنتتاز باعث افزایش قندهای محلول شده است.Aldoobie و همکاران (37) افزایش معنیدار قندهای احیا کننده گیاه لوبیا را تحت تیمار سرب نشان دادند (37). افزایش محتوای این قندها تحت آلودگی کادمیوم در گیاه جو نیز گزارش شده است (48).
نتیجهگیری
نتایج این پژوهش، افزایش معنیدار محتوای قندهای احیا کننده تحت غلظتهای مختلف سرب را در هر دو جمعیت اسپند نشان داد. غلظت بالای کربو هیدراتهای احیا کننده باعث کاهش خسارتهای اکسیداتیو و حفظ ساختار پروتئینها و آنزیمها در طول تنش میشود. همچنین با افزایش میزان قندهای محلول در گیاه اسپند، سازش گیاه را برای حفظ شرایط اسمزی نشان میدهد. کاهش میزان رنگیزههای فتوسنتزی، کاهش رشد طولی ریشه گیاه اسپند نشان از آثار سمیت سرب است. بنابراین با توجه به نتایج فوق بهطور کلی میتوان بیان کرد که مقادیر بالاتر آنتوسیانین، قندهای محلول، قندهای احیا و آمینواسیدهای آزاد در جمعیت فلزدوست، نشان دهنده ظرفیت بهتر مقاومت به سرب در این جمعیت است.
تشکر و قدردانی
از معاونت پژوهشی دانشگاه اصفهان و همچنین قطب علمی تنش های گیاهی (دانشگاه اصفهان) به دلیل حمایت مالی از این تحقیق صمیمانه سپاسگزاری می شود.