سلول و بافت
فصلنامه

اثر نانوذره اکسید روی بر ویژگی‌های فیزیولوژیکی، میزان تولید رزمارینیک‌اسید و بیان ژن‌های TAT و 4-Cl در گیاه بادرنجبویه (Melissa officinalis L.)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

سمانه فرنوش 1
ناهید مسعودیان 1
اکبر صفی‌پور افشار 2
فاطمه سعید نعمت‌پور 2
بوستان رودی 1

1 دانشگاه آزاد اسلامی واحد دامغان، دانشکده علوم پایه، گروه زیست شناسی، دامغان، ایران

2 دانشگاه آزاد اسلامی واحد نیشابور، دانشکده علوم پایه، گروه زیست شناسی، نیشاپور، ایران

https://doi.org/10.52547/JCT.13.1.56
چکیده
هدف: هدف از این مطالعه بررسی تاثیر نانو­اکسید­ روی بر خصوصیات رشدی و فیزیولوژیکی، میزان تولید رزمارینیک­اسید و بیان ژن­های کلیدی در مسیر بیوسنتزی این ترکیب در گیاه بادرنجبویه است.
مواد و روش‏ها: در این مطالعه، دانه ­رست­های 30 روزه بادرنجبویه با غلظت­های صفر، 06/0 و 12/0 میلی‌گرم بر لیتر نانوذره‌­اکسید­ روی تیمار شدند و سپس پارامترهای رشدی، میزان رنگیزه­های فتوسنتزی، پرولین، گلایسین بتائین، پروتئین، فعالیت آنزیم­های آنتی ­اکسیدانتی و میزان تولید رزمارینیک­اسید مورد بررسی قرار گرفت. هم‌چنین بیان ژن‌های کلیدی در مسیر بیوسنتزی رزمارینیک­اسید با روش Real-time PCR  بررسی شد.
نتایج: نتایج حاکی از این است که تیمار نانو­ذره ‌اکسید­روی باعث افزایش رنگیزه­های فتوسنتزی کلروفیلی، کاروتنوئیدها و فعالیت آنتی ­اکسیدانتی این گیاه شد. هم‌چنین بیش‌ترین میزان پرولین و گلایسین بتائین نیز تحت غلظت 12/0 میلی‌گرم بر لیتر این تیمار به‌دست آمد. هم‌چنین نانوذره‌اکسید­ روی باعث افزایش بیان ژن­های مسیر بیوسنتزی رزمارینیک­اسید (TAT و 4-Cl) و در نتیجه افزایش مقدار این ترکیب شد.
نتیجه‏گیری: براساس نتایج این تحقیق نانوذره‌ اکسیدروی می­تواند بر مراحل رشدی و فیزیولوژیکی گیاه بادرنجبویه اثر گذاشته و بنابراین می­توان از آن به‌منظور افزایش تولید رزمارینیک­اسید استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

بادرنجبویه
تیروزین‌آمینوترانسفراز
رزمارینیک‌اسید
کومارات‌کوآلیگاز
نانواکسید‌ روی
dor -

عنوان مقاله English

Effect of Zinc Oxide nanoparticle on physiological characteristics, rosmarinic acid production and expression of TAT and 4-Cl genes in Lemongrass (Melissa officinalis L.)

نویسندگان English

S Farnoosh S 1
N Masoudian 1
A Safipour Afshar 2
F SaeidNematpour 2
B Roudi 1
1 Department of Biology, Faculty of Basic Science, Islamic Azad University Damghan Branch, Damghan, Iran
2 Department of Biology, Faculty of Basic Science, Islamic Azad University Neyshabur Branch, Neyshabur, Iran
چکیده English

Aim: The aim of this study was to investigate the effect of Zinc oxide nanoparticles on growth and physiological characteristics, rosmarinic acid production and the expression of key genes in the biosynthetic pathway of this compound in lemongrass.
Material and Methods: In this study, 30-day-old seedlings of lemongrass were treated with concentrations of 0, 0.06 and 0.12 mg/l Zinc oxide nanoparticles, and then growth parameters, photosynthetic pigments, proline, Glycine betaine, protein, activity of antioxidant enzymes and production of rosmarinic acid were examined. Also, the expression of key genes in the rosmarinic acid biosynthetic pathway was examined by real-time PCR.
Results: The results indicate that Zinc oxide nanoparticles treatment increased chlorophyll photosynthetic pigments, carotenoids and antioxidant activity of this plant. Also, the highest amount of proline and glycine betaine was obtained at a concentration of 12 mg/L of this treatment. Zinc oxide nanoparticles also increased the expression of rosmarinic acid biosynthetic pathway genes (TAT and 4-Cl) and thus increased this compound.
Conclusion: Based on the results of this study, Zinc oxide nanoparticles can affect the growth and physiological stages of lemongrass and therefore it can be used to increase the production of rosmarinic acid.

کلیدواژه‌ها English

Lemongrass
Tyrosine aminotransferase
Rosmarinic acid
Coumarate CoA ligase
Zinc oxide nanoparticles
  • مقدمه

بادرنجبویه یکی از جنس‌های خانواده نعنا (Lamiaceae) و از رده دو لپه‌ای‌ها است. بیش‌ترین پراکنش این گیاه علفی و پایا در مناطق مدیترانه و نواحی شمال ایران است. عمده‌ترین ترکیب تشکیل دهنده اسانس بادرنجبویه سیترونلال (10 تا 50 درصد) است. از ترکیبات دیگر این گیاه می‌توان به اسانس (میانگین 1/0 درصد با سیترال-ژرانیل و نرال، لینالول، اوژنول، سیترونلال، ژرانیول)، تانن، رزین، پلی‌فنول، فلاونوئید، سوکسینیک‎اسید و رزمارینیک‌اسید اشاره کرد (1). اسانس آن دارای خواص ضدمیکروبی، ضدباکتری و ضدویروسی است. این گیاه به‌دلیل تولید متابولیت‌های ثانویه و اهمیت بسیاری که در مصارف پزشکی، صنایع آرایشی و بهداشتی و نیز صنایع غذایی دارد بسیار مورد توجه است. بیش‌تر خواص درمانی این گیاه را به‌ماده موثره آن یعنی رزمارینیک‌اسید نسبت می‌دهند. رزمارینیک‌اسید یک استر از کافئیک‌اسید و 3، 4-دی‌هیدروفنیل‌لاکتیک‌اسید است که در گیاهان از طریق مسیر بیوسنتزی فنیل‌پروپانوئیدی تولید می‌شود. اسیدآمینه‌های تیروزین و فنیل‌آلانین، سوبستراهای این مسیر بیوسنتزی بوده و آنزیم‌های مختلفی ازجمله تیروزین‌آمینوترانسفراز (TAT) و 4-کومارات‌کوآ‌لیگاز (4-Cl)  در این مسیر فعالیت دارند (2).

امروزه از نانوذرات به‌‌عنوان محرک‌های غیرزیستی بسیار استفاده می‌شود. این ترکیبات معمولا اندازه‌ای حدود 1 تا 100 نانومتر دارند و به‌علت همین اندازه کوچک، سطح تماس بیش‌تری دارند و در نتیجه میزان چسبندگی آن‌ها به‌سلول بیش‌تر است و همین امر باعث افزایش کارایی آن‌ها می‌شود (3). کاهش اندازه مواد در حد نانومتر به‌دلیل افزایش نسبت سطح به حجم باعث تغییر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن‌ها شده به‌گونه‌ای که ویژگی‌هایی متفاوت از ترکیبات با ابعاد بزرگ‌تر از نانو ایجاد می‌کنند. نانوذرات کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع مختلف ازقبیل صنایع‌غذایی، میکروالکترونیک، نساجی، ساختمان‌سازی، پزشکی و کشاورزی دارند و مطالعات مختلفی برروی اثر این نانوذرات بر سنتز و میزان متابولیت‌های ثانویه صورت گرفته است. تحقیقات مختلفی در گذشته صورت گرفته و ثابت شده است که محرک‌ها (عوامل مختلف فیزیکی و شیمیایی) در گیاهان منجر به‌بروز پاسخ‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک و به‌طورکلی پاسخ‌های دفاعی مانند تجمع متابولیت‌های ثانویه می‌شوند.

مطالعات انجام شده توسط Aminzadeh و همکاران (2016) نشان داد که محتوای سولفارافان در گیاهچه‌های Lepidum draba  تحت تیمار با نانوذرات اکسیدمس و آهن تحت تاثیر قرار گرفته است (4). علاوه‌برآن تاثیر مثبت نانوذرات نقره بر تولید مواد موثره در گیاه Artemisia annua و Calendula officinalis ثابت شده است (5، 6). افزایش محتوای ترکیبات فنلی و رزمارینیک‌اسید در گیاه اسطوخودوس (Lavandula angustiflora) تحت تیمار با نانوذرات نقره گزارش شده است (7). در بررسی اثر کود آهن و نانوکود آهن در گیاه ریحان، تفاوت معنی‌داری در میزان پروتئین مشاهده شد (8). هم‌چنین در مطالعه دیگری گزارش شده است که در گیاه نخود میزان متابولیت‌های ثانویه تحت تاثیر نانوذرات اکسیدتیتانیوم در شرایط کشت درون-شیشه افزایش پیدا کرده است (9). در تحقیقی دیگر که توسط Homaee و Ehsanpor در گیاه سیب‌زمینی انجام شد مشخص شد که تح

-

  1. Awad R, Muhammad A, Durst T, Trudeau VL, et al. Bioassay‐guided fractionation of lemon balm (Melissa officinalis L.) using an in vitro measure of GABA transaminase activity. Phytotherapy Research: An International Journal Devoted to Pharmacological and Toxicological Evaluation of Natural Product Derivatives. 2009;23(8):1075-1081.
  2. Petersen M, Simmonds MSJ. Rosmarinic acid. Phytochemistry. 2003; 62(2):121-5.
  3. Shah V, Belozerova I. Influence of metal nanoparticles on the soil microbial community and germination of lettuce seeds. Water, Air, and Soil Pollution. 2009;197(1): 143-148.
  4. Aminizadeh M, Riahi-Madvar A, Mohammadi M. Nano-Metal Oxides Induced Sulforaphane Production and Peroxidase Activity in Seedlings of Lepidium draba (Brassicaceae). Progress in Biological Sciences. 2016;6(1):75-83.
  5. Ghanati F, Bakhtiarian S. Effect of Methyl Jasmonate and Silver nanoparticles on Production of Secondary Metabolites by Calendula officinalis L (Asteraceae). Trop J Pharm Res. 2014;13(11):17831789.
  6. Wei C, Zhang Y, Guo J, Han B, et al. Effects of silica nanoparticles on growth and photosynthetic pigment contents of Scenedemus obliquus. Journal of Environmental Sciences. 2010;22(1):155-160.
  7. Alirezaee F, Kiarostami Kh, Hosseinzadeh Namin M. Effects of nano-silver on phenolic contents and rosemarinic acid in tissue cultured Lavandula. First national conference of Irani Biology and Natural science, Tehran. 2014.
  8. Peyvandi M, Kamali Jamakani Z, Mirza M. Comparison of nano Fe chelat with Fe chelate effect on growth parameters and antioxidant enzymes activity of Satureja hortensis. New Cellular and Molecular Biotechnology Journal. 2011;2(5):25-32.
  9. Al-Oubaidi HM, Kasid NM. Increasing (phenolyic and flavoniods compoundes of Cicer arietinum L.) from embryo explant using titanium dioxide nanoparticle in vitro. World Journal of Pharmaceutical Research. 2015;4(11):1791-1799.
  10. Homaee MB, Ehsanpour AA. Silver nanoparticles and silver ions: Oxidative stress responses and toxicity in potato (Solanum tuberosum L.) grown in vitro. Horticulture, Environment, and Biotechnology, 2016;57(6):544-553.
  11. Sand-Jensen K. Metabolic adaptation and vertical zonation of Littorella uniflora (L.) Aschers. and Isoetes lacustris L. Aquatic Botany. 1978;4:1-10.
  12. Bradford MM. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistry. 1976;72(1-2):248-254.
  13. Aebi H. Catalase. In Methods of enzymatic analysis (pp. 673-684). Academic press. 1974.
  14. Ranieri A, Castagna A, Pacini J, Baldan B, et al. Early production and scavenging of hydrogen peroxide in the apoplast of sunflower plants exposed to ozone. J Experi Botany. 2003;54(392):2529-2540.
  15. Nasiri-Bezenjani MA, Riahi-Madvar A, Baghizadeh A, Ahmadi AR. Rosmarinic acid production and expression of tyrosine aminotransferase gene in Melissa officinalis seedlings in response to yeast extract. J Agr Sci Tech. 2014;16:921-930.
  16. Irigoyen JJ, Einerich DW, Sánchez‐Díaz M. Water stress induced changes in concentrations of proline and total soluble sugars in nodulated alfalfa (Medicago sativa) plants. Physiologia plantarum. 1992;84(1):55-60.
  17. Grieve CM, Grattan SR. Rapid assay for determination of water-soluble quaternary ammonium compounds. Plant and soil. 1983;70(2):303-307.
  18. Doring AS, Pellegrini E, Della Batola M, Nali C, et al. How do background ozone concentrations affect the biosynthesis of rosmarinic acid in Melissa officinalis? Journal of plant physiology. 2014;171(5):35-41.
  19. Imtiaz M, Tu S, Xie Z, Han D, et al. Growth, V. uptake, and antioxidant enzymes responses of chickpea (Cicer arietinum L.) genotypes under vanadium stress. Plant and Soil. 2015; 390(1): 17-27.
  20. Mondal NK, Chittaranjan D, Satinath R, Datta JK, et al. Effect of varying cadmium stress on chickpea (Cicer arietinum L.) seedlings: an ultrastructural study. Annals of Environmental Science. 2013;7:59-70.
  21. Gyana Rout, Premananda Das. Effect of Metal Toxicity on Plant Growth and Metabolism: I. Zinc. Agronomie, EDP Sciences, 2003;23(1):3-11.
  22. Ramezani F, Shayanfar A, Afshari RT, Rezaee K. Effects of silver, nickel, zinc and zinc-copper nanoparticles on germination, seedling establishment and enzyme activity of alfalfa (Medicago sativa) seed. Iranian Journal of Field Crop Science. 2014;45(1).
  23. Hassanpouraghdam MB, Mehrabani LV, Tzortzakis N. Foliar application of nano-zinc and iron affects physiological attributes of Rosmarinus officinalis and quietens NaCl salinity depression. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2020;20(2):335-345.
  24. Aslani F, Bagheri S, Muhd Julkapli N, Juraimi AS, et al. Effects of engineered nanomaterials on plants growth: an overview. Scientific World Journal. 2014; 2014:641759.
  25. Helaly MN, El-Metwally MA, El-Hoseiny H, Omar SA, et al. Effect of nanoparticles on biological contamination of 'in vitro' cultures and organogenic regeneration of banana. Australian Journal of Crop Science. 2014;8(4):612-624.
  26. Vankhadeh S. Response of sunflower to applied Zn, Fe, P, N. nes. S. zz. 2002;1:143-5.
  27. Pandey Renu. Mineral nutrition of plants. Plant biology and biotechnology. Springer, New Delhi, 2015;499-538.
  28. Soraya E, Gohari GhR, Motalebi Azad AR, Alizadeh saleteh S. Nano-zinc effects on Melissa officinalis in vitro sterilization and establishment states. Environmental Physiology. 2019;15(60):48-60.
  29. Shavalibor A, Esmailzadeh Bahabadi S. The effect of silver nanoparticles synthesized by biological method on growth, physiological and biochemical properties of Melissa officinalis L. Plant procedure and application. 2018;8(32):19-34.
  30. Krishnaraj C, Jagan EG, Ramachandran R, Abirami SM, et al. Effect of biologically synthesized silver nanoparticles on Bacopa monnieri (Linn.) Wettst. plant growth metabolism. Process biochemistry. 2012;47(4):651-658.
  31. Anusuya S, Muthamilan M, Revathy N, Ananthan M. Prevalence, symptomatology, pathogenicity and nutritional requirements of Fusarium oxysporum f. sp. phaseoli causing Fusarium yellows of French bean in Thandikudi. International Journal of Plant Sciences (Muzaffarnagar). 2016;11(2):161-166.
  32. Sharma P, Bhatt D, Zaidi MGH, Saradhi PP, et al. Silver nanoparticle-mediated enhancement in growth and antioxidant status of Brassica juncea. Applied biochemistry and biotechnology. 2012;167(8):2225-2233.
  33. Matysik J, Alia BB, Mohanty P.  Molecular mechanisms of quenching of reactive oxygen species by proline under stress in plants. Current Science. 2002;82:525–32.  
  34. Karimi J, Mohsenzadeh S. Physiological effects of silver nanoparticles and silver nitrate toxicity in Triticum aestivum. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions A: Science. 2017;41(1):111-120.
  35. Jain P, Pandey B, Singh P, Singh R, et al. Plant Performance and Defensive Role of Glycine Betaine Under Environmental Stress. In Plant Performance Under Environmental Stress. Springer, Cham. 2021;225-248.
  36. Islam MS, Yoshida H, Matsuki N, Ono K, et al. Antioxidant, free radical–scavenging, and NF-κB–inhibitory activities of phytosteryl ferulates: structure–activity studies. Journal of pharmacological sciences. 2009;111(4):328-337.
  37. Banu MNA, Hoque MA, Watanabe-Sugimoto M, Islam MM, et al. Proline and glycinebetaine ameliorated NaCl stress via scavenging of hydrogen peroxide and methylglyoxal but not superoxide or nitric oxide in tobacco cultured cells. Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 2010;74(10):2043-249.
  38. Gupta B, Huang B. Mechanism of salinity tolerance in plants: physiological, biochemical, and molecular characterization. International journal of genomics. 2014; 2014:701596.
  39. Khan A, Ahmad A, Akhtar F, Yousuf S, et al. Ocimum sanctum essential oil and its active principles exert their antifungal activity by disrupting ergosterol biosynthesis and membrane integrity. Research in microbiology. 2010;161(10):816-823.
  40. Annunziata MG, Ciarmiello LF, Woodrow P, Dell’Aversana E, et al. Spatial and temporal profile of glycine betaine accumulation in plants under abiotic stresses. Frontiers in plant science. 2019;10(230):1-13.
  41. Woodrow CJ, White NJ. The clinical impact of artemisinin resistance in Southeast Asia and the potential for future spread. FEMS microbiology reviews. 2017;41(1):34-48.
  42. Jahani S, Saadatmand S, Mahmoodzadeh H, Khavari-Nejad RA. Effect of foliar application of cerium oxide nanoparticles on growth, photosynthetic pigments, electrolyte leakage, compatible osmolytes and antioxidant enzymes activities of Calendula officinalis L. Biologia. 2019;74(9):1063-1075.
  43. AliAbadi Farahani H. The effect of sowing date and planting density on the essential oil content and composition of Valeriana officinalis L. Iranian Journal of Medicinal and Aromatic Plants. 2019;25(2):272-282.
  44. Rad MS, Rad JS, Heshmati GA, Miri A, et al. Biological synthesis of gold and silver nanoparticles by Nitraria schoberi fruits. American Journal of Advanced Drug Delivery. 2013;1(2):174-179.
  45. Saleh AM, Abdel-Mawgoud M, Hassan AR, Habeeb TH, et al. Global metabolic changes induced by arbuscular mycorrhizal fungi in oregano plants grown under ambient and elevated levels of atmospheric CO2. Plant Physiology and Biochemistry. 2020;151:255-263.
  46. Venkatachalam S, Ko SB. Design of power and area efficient approximate multipliers. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 2017; 25(5):1782-1786.
  47. Wang J, Lu W, Tong Y, Yang Q. Leaf morphology, photosynthetic performance, chlorophyll fluorescence, stomatal development of lettuce (Lactuca sativa L.) exposed to different ratios of red light to blue light. Frontiers in plant science. 2016;7:1-10.
  48. Xun H, Ma X, Chen J, Yang Z, et al. Zinc oxide nanoparticle exposure triggers different gene expression patterns in maize shoots and roots. Environmental Pollution. 2017; 229:479-488.
  49. Babajani A, Iranbakhsh A, Ardebili ZO, Eslami B. Differential growth, nutrition, physiology, and gene expression in Melissa officinalis mediated by zinc oxide and elemental selenium nanoparticles. Environmental Science and Pollution Research. 2019; 26(24):24430-24444.

 

 

سلول و بافت
دوره 13، شماره 1
بهار 1401
صفحه 56-70

  • تاریخ دریافت 10 بهمن 1401

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

سرقت ادبی

تماس با ما