شناسنامه علمی شماره
نویسندگان
1 دانشگاه اراک، ، دانشکده علوم ، گروه زیست شناسی، اراک، کدپستی8349-8-38156
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه اراک، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی، اراک، کدپستی8349-8-38156
چکیده
هدف: این تحقیق بهمنظور مطالعه تاثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسیدروی بر روی برخی شاخص‌های رشدی، مقدار پرولین، آلکالوئیدها و همچنین تغییرات فعالیت برخی آنزیم‌های آنتی اکسیدانی انجام گرفت. موادوروشها: آزمایش در شرایط کشت گلخانه، بهصورت کاملا تصادفی با 3 تکرار طراحی شد. گیاهان در معرض غلظت‌های مختلف2، 4، 5، 10و 15میکرومولار از نانوکود اکسیدروی قرار گرفتند و تاثیر این غلظت‌ها بر روی گیاه، با گیاه شاهد که از محلول غذایی کامل که حاوی سولفات روی است مقایسه شد. همچنین بهمنظور بررسی علائم کمبود روی، از غلظت صفر میکرومولار استفاده شد. نتایج: تیمار گیاه با نانواکسیدروی در غلظت 2 سبب افزایش و در غلظت‌های بالاتر از 2 میکرومولار بهطور معنی‌داری سبب کاهش در وزن تر و خشک و طول ریشه شدند. فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی در گیاهان تیمار شده با نانو اکسید روی نسبت به گیاه کنترل با افزایش غلظت نانواکسیدروی در محلول غذایی افزایش یافت. همچنین مقدار پرولین و آلکالوئیدهای کل با افزایش شدت تنش در گیاه افزایش یافت. نتیجهگیری: با افزایش غلظت نانو اکسیدروی جذب روی در مقیاس نانو بیشتر صورت گرفته است. بهدلیل سمیت ایجاد شده، شاخص‌های رشدی گیاه کاهش یافته و تنش اکسیداتیو در گیاه القا شده است. گیاه برای مبارزه با رادیکال‌های آزاد تولید شده فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی خود را افزایش داده است. همچنین میزان پرولین نیز که به هنگام تنش در گیاهان افزایش می‌یابد، افزایش یافت.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Effect of nano zinc oxide on some growth and physiology parameters of Catharantus roseus
نویسندگان [English]
- MR A 1
- M A 1
- F A 2
چکیده [English]
Aim:The effects of different concentrations of ZnO nanoparticles on some growth parameters, the amounts of proline and alkaloids and changes in activity of some antioxidant enzymes were investigated. Material and methods: Experiments were performed under controled greenhouse conditions and completely randomized design with three replications. Plants were exposed to different concentrations (2, 4, 5, 10 and 15 mM) of nano zinc oxideand the effect of these concentrations were compared with the plants that used a complete nutrient solution containing zinc Sulfate. Results: Treatment of the plant with concentration of 0 to 2 micromolar caused increased and higher concentrations significantly reduced dry weight as well as root length. The results showed that the antioxidant enzymes activities in the treated plants increased with increasing concentration of nano zinc oxidein the nutrient solution compared to the control plants. As the level of stress was elevated, the amount of proline and total alkaloids also increased. Conclusion: With increasing concentrations of zinc oxide nanoparticles, Zn absorptionraised. Due to this toxicity, plant growth parameters were affected and oxidative stress in plants was induced. To overcome free radical production, plants have increased their antioxidant enzyme activities and proline.
کلیدواژه‌ها [English]
- Alkaloid
- Antioxidative enzymes
- Nano particles
- Proline
مقدمه
عناصر معدنی ضروری گیاه که هر کدام دارای نقش‌های فیزیولوژیکی مشخصی هستند، بر اساس غلظت نسبی آن‌ها در بافت‌های گیاهی به عناصر کم مصرف و پرمصرف تقسیم می‌شوند. از آنجاییکه اغلب عناصر کم مصرف مانند روی، مس، کبالت و غیره جز فلزات سنگین نیز طبقه‌بندی می‌شوند زمانیکه غلظت آن‌ها در خاک و بافت‌های گیاهی بالاتر از حد کفایت گیاهی باشد بهعلت ایجاد مسمومیت، رشد و عملکرد گیاه را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در بسیاری از مناطق تحت کشت گیاهان، آلودگی فلزات سنگین سبب ایجاد اثرات مخرب بر بیوسفر و اختلال در اکوسیستم‌های آبی و خشکی آن‌ها شده است (1) یکی از بارزترین اثرات این عناصر فلزی سنگین در گیاهان القای تنش اکسیداتیو و ایجاد رادیکال‌های فعال اکسیژن میباشد. انواع اکسیژن فعال (ROS) بهعنوان عوامل اصلی بروز تنش اکسیداتیو از توان اکسیدکنندگی بالایی برخوردار هستند، مولکول‌های زیستی را مورد تهدید قرار داده، فرایندهای مختلف سلولی را تحت تاثیر قرار داده و با ایجاد اختلال در متابولیسم طبیعی سلول گیاهی منجر به مرگ سلول نیز می‌شوند. میزان آسیب سلول‌های تحت تنش فلزات سنگین بستگی بهمیزان تولید رادیکال‌های آزاد و ROS و همچنین کارایی مکانیسم‌های سم‌زدایی در گیاهان دارد (2). برای کاهش سمیت فلز در گیاهان، سیستم‌های آنتی‌اکسیدان همچنین به عنوان مکانیسم تحمل مورد بررسی قرار می‌گیرند. سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی شامل آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان مثل سوپراکسیددیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT)، فنل‌پراکسیداز (POX)، آسکوربات‌پراکسیداز (APX)، گایاکول‌پراکسیداز (GPX) و مولکول‌های آنتی‌اکسیدان غیر آنزیمی که شامل آسکوربات، آلفا‌توکوفرول، کاروتنوئیدها، فلاونوئیدها و گلوتاتیون میباشد (3). سمیت روی باعث القای تنش اکسیداتیو بهوسیله تولید رادیکال‌های آزاد و گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) می‌شود (4). مقدار بالای ROS تحت شرایط تنش ایجاد می‌شود و تولید زیاد اینROS ها مانند سوپر‌اکسید، H2O2 و OH- در گیاهان تحت تنش فلز ایجاد می‌شود (5). آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی درسلول‌های گیاهی H2O2 را به H2O تبدیل می‌کنند و اثر سمیت H2O2 را تنظیم می‌کنند اما آنزیم‌های CAT، APX و GPX بهنظر می‌رسد که اهمیت بیشتری دارند (6). نتایج حاصل نشان می‌دهد که افزایش سطوح آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی القا شده بهوسیله روی ممکن است بهعنوان مکانیسم دفاعی ثانویه در قبال تنش اکسیداتیو باشد. نانوتکنولوژی، فناوری است که از کنش‌ها و واکنش‌هایی که در سطح اتم اتفاق میافتد منشا گرفته و فناوری جدیدی است که تمام علوم را درخواهد نوردید، به تعبیر دقیق‌تر "نانوتکنولوژی انقلابی جدید برای همه علوم در آینده است". این نانوتکنولوژی قادر به بهبود روش‌های ارزیابی، مدیریت و کاهش خطرات برای محیط زیست بوده و فرصت‌هایی را برای تولید محصولات جدید فراهم خواهد ساخت. نانوتکنولوژی در‌واقع مهندسی در سطح اتم و یا گروهی از اتم‌ها میباشد. از همین تعریف ساده بر‌می‌آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشته‌هاست. بنابراین علم نانوتکنولوژی توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم‌های جدید برای در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی، با استفاده از خواصی که در آن سطوح ظاهر می‌شود، را دارد (7). علم نانو می‌تواند تمام عرصه علوم را تحت تاثیر قرار دهد و علم کشاورزی نیز استثنا نمی‌باشد یکی از کاربردهای علم نانو در کشاورزی مدیریت تغذیه گیاهی است. با بهره‌گیری از نانو‌کودها، عناصر غذایی به آرامی و با سرعتی مناسب در تمام طول فصل رشد گیاه آزاد می‌شوند و بنابراین بهدلیل کاهش شدید آبشویی عناصر، گیاهان قادر به جذب بیشترین مقدار مواد غذایی خواهند بود. تا بهحال کاربردهای متعددی از فناوری نانو در کشاورزی ، صنایع غذایی و علوم دامی مطرح شده است؛ از جمله ایجاد سیستم‌های هوشمند برای پیشگیری و درمان بیماریهای گیاهی و بازیافت ضایعات حاصل از محصولات کشاورزی. از بین تدابیر موجود در مدیریت آفات کشاورزی استفاده از آفت کشها و سموم سریعترین و ارزانترین روش برای واکنش به یک وضیت اضطراری است. روش‌های کنترل زیستی در حال حاضر بسیار هزینه بر هستند . در این روش ها کنترل آفت از طریق یکی از دشمنان طبیعی آن آفت صورت می‌گیرد. امروزه مصرف بی رویه آفت کشها مشکلات زیادی را ایجاد کردهاند این مشکلات شامل اثرات سو بر سلامت انسان (ایجاد مسمومیت های حاد یا بیماری های مزمن)، تاثیر این مواد بر حشرات گرده افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تاثیر مستقیم وغیر مستقیم آن در این نظامهای زیستی می باشد.
بررسیها نشان داده‌اند که نانواکسیدروی بر میزان جذب عناصر تاثیر دارد. با افزایش مصرف نانواکسیدروی میزان روی نیز در گیاه افزایش می‌یابد. افزایش غلظت روی در ذرت با کاربرد سولفات‌روی گزارش شده است (8). آزمایشات مختلف نشان داده‌اند که با افزایش کاربرد روی، غلظت روی در ریشه، ساقه و برگ ذرت افزایش می‌یابد بهطوریکه مقدار آن در اندام‌های هوایی بیشتر از ریشه میباشد (9). افزایش غلظت نانواکسیدروی بر میزان جذب پتاسیم فسفر و آهن نیز موثر است. پتاسیم نقش ویژه‌ای در حیات و بقای گیاهان تحت شرایط تنش محیطی بازی می‌کند و در شرایط کمبود پتاسیم حساسیت گیاهان به تنش‌های محیطی افزایش می‌یابد. بهطوریکه در شرایط تنش، تولید رادیکال‌های فعال اکسیژن در گیاهان به شدت تحریک می‌گردد. محققان نیاز به پتاسیم بالا را به نقش بازدارندگی پتاسیم در مقابل تولید رادیکال‌های فعال اکسیژن در طی فتوسنتز و اکسیده شدن NADPH نسبت داده‌اند (5). اثر مطلوب کاربرد روی بر غلظت پتاسیم در برنج گزارش شده است. بر‌همکنش مثبت و معنی‌داری بین روی و پتاسیم در گندم نیز مشاهده شده است (10). در مطالعه دیگری نیز کاربرد روی باعث افزایش عناصر بور و پتاسیم در بافت گیاهی برنج گردید (11). یکی از علائم سمیت روی در گیاهان اختلال در جذب فسفر، منیزیوم و منگنز میباشد (12). هنگامیکه روی و فسفر در حد توازن در گیاه وجود دارند سبب افزایش عملکرد می‌شوند ولی وقتی بین فسفر و روی توازنی وجود نداشته باشد این دو عنصر دارای اثرات متقابل می‌شوند. اثر متقابل عنصر روی و فسفر در داخل سیستم گیاهی به اینصورت است با افزایش مقدار یکی، دیگری در اندام‌های گیاهی کم می‌شود یعنی رابطه روی و فسفر یک رابطه ضدیتی است .بر‌همکنش روی–فسفر در خاک ممکن است بهدلیل اختلال در انتقال از خاک به سطح ریشه، افزایش جذب سطحی روی در خاک‌های حاوی اکسیدهای‌آهن و آلومینیم و کاهش پخشیدگی این عناصر به سمت ریشه نیز باشد. امروزه پذیرفته شده است که بر‌همکنش روی و فسفر در گیاهات اتفاق میافتد. روی این قابلیت را دارد که احتمالا با انجام وظایفی در غشا سلولی آهنگ جذب فسفر بهوسیله ریشه را کنترل کند. اثر بازدارندگی روی بر تغذیه فسفری گیاهان بهطور گسترده توسط محققان گزارش شده است (10). در شرایط کمبود روی (غلظت صفر میکرومولار) فسفر از ریشه‌ها به قسمت‌های هوایی گیاه منتقل می‌شود و علت را آسیب‌دیدگی سیستم کنترل آزاد شدن فسفر از سلول‌های ریشه به آوندهای چوبی ذکر می‌کنند بنابراین با افزایش نفوذپذیری دیواره سلولی ریشه، غلظت فسفر افزایش می‌یابد اما افزایش نفوذپذیری دیواره سلولی همان‌گونه که می‌تواند جذب عناصر را زیاد کند، خروج آن‌ها از ریشه را نیز بایستی افزایش دهند. بنابراین در این بررسی در شرایط صفر میکرومولار احتمالا خروج فسفر از سلول‌های ریشه صورت گرفته است و مقدار فسفر کاهش یافته است. عنصر روی از طریق تاثیر بر میزان جذب و جابهجایی عناصر ضروری و نیز اثر بر میزان فعالیت برخی از آنزیم‌ها در جایگاه عملکردشان موجب اختلال در متابولیسم گیاه می‌شود. واکنش متقابل میان فلز روی و آهن در بسیاری از مطالعات گزارش شده است (13). طبق نتایج بهدست آمده در این پژوهش، افزایش نانواکسیدروی در محلول غذایی منجر به کاهش سطح آهن در اندام‌های هوایی گیاه پریوش شده است. محققین نشان داده‌اند که مصرف روی غلظت آهن را کاهش می‌دهد (14).
پریوش یکی از گیاهان دارویی مهم و از تیره خرزهره میباشد. تمام بخش‌های این گیاه دارای آلکالوئید است حتی دانه آن دارای آلکالوئیدهای مهمی از جمله اجمالیسین، سرپنتین، وین‌بلاستین و وینکریستین است. آلکالوئیدهای وین‌بلاستین و وینکریستین از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند: این دو آلکالوئید از طریق اتصال به میکروتوبول‌ها و توقف تقسیم سلولی در طی متافاز میتوز، خاصیت ضد توموری داشته و بیش از ۴۰ سال است که در شیمی درمانی بسیاری از سرطان‌ها کاربرد دارند (15).
پژوهش حاضر بهمنظور بررسی مقایسه پاسخ‌های رشدی و بیوشیمیایی گیاه پریوش به دو فرم روی (سولفات‌روی موجود در محیط هوگلند و نانوسولفات‌روی) طراحی و اجرا شد.
مواد و روش‌ها
تهیه و آماده‌سازی بذر: بذر گیاه پریوش (Catharanthus roseus) از شرکت پاکان بذر اصفهان در مهر ماه سال 1391 تهیه شد. این بذرها ابتدا توسط هیپوکلریت‌سدیم 2 درصد بهمدت 5 دقیقه ضدعفونی سطحی و سپس 2 بار با آب مقطر شستشو داده شدند. بذرهای ضدعفونی شده در بین دو کاغذ صافی مرطوب و استریل قرار گرفتند و به محض جوانه‌زنی به گلدان منتقل شدند.
تهیه و آماده‌سازی نانوذرات اکسیدروی:نانوذرات اکسیدروی از شرکت پیشگامان نانو مواد مشهد خریداری شدند. برای ساخت غلظت‌های مورد نیاز (2، 4، 5، 10، 15 میکرومولار) ابتدا 16/0 گرم ماده وزن شد و در ml100 آب مقطر دو بار تقطیر حل شدند و محلول 2 میلی‌مولار نانواکسیدروی بهدست آمد. سپس در دستگاه اولتراسونیک (100 W, 40 KHz) به مدت نیم ساعت به منظور پراکنده شدن ذرات قرار گرفتند، سپس یک مگنت مغناطیسی درون محلول قرار داده شد و بهمدت یک ساعت بر روی دستگاه استیرر قرار گرفت تا مانع آگلومره شدن نانوذرات شود. از این محلول برای ساخت مقادیر مورد نیاز استفاده شد. برای ساخت غلظت 2 میکرومولار 1 میلیلیتر از سوسپانسیون تهیه شده را در 1000 میلیلیتر محلول هوگلند بدون روی حل شد و بههمین ترتیب برای ساخت غلظت 4 میکرومولار 2 میلیلیتر، 5 میکرومولار 5 میلیلیتر، 2، 10 میکرومولار 5 میلیلیتر و 15 میکرومولار 5/7 میلیلیتر، از سوسپانسیون آماده شده به1000 میلیلیتر هوگلند بدون روی منتقل شدند. در تیمار صفر از هوگلند فاقد روی استفاده شد و از هوگلند کامل دارای سولفات روی هم بهعنوان شاهد استفاده شد (16).
کاشت گیاه و اعمال تیمارها:گلدان‌های با ارتفاع 20 سانتی‌متری با نسبت مساوی خاک و پرلیت پر شدند سپس بذرهایی که روی کاغذ صافی جوانه زده بودند، به گلدان‌ها منتقل شدند. کلیه گیاهان در شرایط آزمایشگاهی با دمای 3±25 درجه سانتی‌گراد در روز و 2±20 درجه سانتی‌گراد در شب و دوره روشنایی 12 ساعت روشنایی و 12 ساعت تاریکی رشد داده شدند و اعمال تیمارها بهصورت یک روز در هفته و بهمدت 10 هفته ادامه یافت. برای کم کردن اثرات محیطی، جابهجایی تصادفی گلدان‌ها در طول دوره رشد انجام گرفت. این طرح بهصورت کاملا تصادفی با سه تکرار انجام شد. در پایان دوره گیاهان برای بررسی تاثیر نانواکسیدروی برداشت شدند.
اندازهگیری فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی:فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان کل با معرف DPPH (1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl;)، SOD، CATو GPX بهترتیب از روش‌های کامکار و همکاران (17)، جیانوپلیتیس و راس (18)، کاک‌ماک و مارسچنر (19) اندازهگیری شد. میزان پرولین و آلکالوئیدهای کل نیز بهترتیب از روش‌های بیتس و همکاران (20) و عظیمی و همکاران (21) اندازه گیری شد.
ارزیابی مهار فعالیت رادیکال DPPH (Inhibitory percentage, %I):100 میلیگرم نمونه برگ تازه در اتانول 90 درصد هموژنیزه شده و بهمدت 24 ساعت در دمای 4 درجه سانتی‌گراد نگهداری و سپس سانتریفوژ شدند. 20میکرولیتر از محلول رویی با 800 میکرولیتر از DPPH محلول در اتانول (5/0 میلی‌مولار) مخلوط شدند. میزان جذب محلول در 517 نانومتر و پس از 30 دقیقه نگهداری در تاریکی قرائت شد. در صد مهار رادیکال DPPH (%I) با استفاده از فرمول زیر محاسبه شد.
12%I=ط¢ط²ظ…ط§غŒط´ظ…ظˆط±ط¯ظ†ظ…ظˆظ†ظ‡ط‌ط°ط¨-ط´ط§ظ‡ط¯ظ†ظ…ظˆظ†ظ‡ط‌ط°ط¨ط´ط§ظ‡ط¯ظ†ظ…ظˆظ†ظ‡ط‌ط°ط¨أ—100'>
تجزیه و تحلیل آماری
نتایج مورد استفاده در این پژوهش میانگین حداقل 5 تکرار در هر آزمایش است. اطلاعات بهدست آمده توسط روش ANOVA با استفاده از نرم افزار SPSS v.16 و 05/0> P مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
نتایج
اثر نانواکسیدروی بر وزن تر و خشک و طول ریشه در جدول1 نشان داده شده است. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که روی در غلظت‌های پایین نانواکسیدروی (2 میکرومولار) باعث افزایش میزان وزن تر و خشک ریشه نسبت به نمونه شاهد می‌شود، اما این افزایش نسبت به نمونه شاهد معنی‌دار نیست. این در حالی است که با افزایش غلظت نانواکسیدروی (2میکرومولار به بالا) وزن تر و خشک ریشه نسبت به نمونه شاهد کاهش معنی‌داری پیدا می‌کند. علاوه بر این در غلظت صفر میکرومولارکه فاقد روی بوده است نیز وزن تر و خشک ریشه کاهش یافته است و این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار بوده است. در مورد طول ریشه نیز بیشترین میزان طول ریشه به غلظت 2 میکرومولار نانواکسیدروی مربوط است که این افزایش نسبت به گروه شاهد معنی‌دار است و با افزایش شدت تنش از طول ریشه کاسته می‌شود. طول ریشه در غلظت صفر میکرومولار نیز نسبت به گیاه شاهد کاهش معنی‌داری داشته است. نتایج حاصل از اندازهگیری مقدار پرولین گیاهان تیمار شده با نانواکسیدروی روند افزایشی را نشان می‌دهد با افزایش شدت تنش میزان پرولین گیاه نیز افزایش یافته است. در غلظت‌های صفر، دو و چهار میکرومولار میزان پرولین گیاه کاهش یافته است ولی این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار نبوده است (شکل1). نتایج آنالیز واریانس اثر معنی‌داری) 01/0 (p≤را بر میزان آلکالوئیدهای کل گیاهان پریوش 70 روزه نشان می‌دهد. با توجه به شکل 2 میزان آلکالوئیدهای کل اندازهگیری شده در غلظت صفر میکرومولار نانواکسیدروی 7 درصد نسبت به شاهد کاهش یافته است. اما این کاهش معنی‌دار نبوده است. بهتدریج با افزایش تنش روی میزان آلکالوئیدهای کل افزایش می‌یابد بهطوریکه غلظت‌های 2، 4، 5، 10و 15 میکرومولار نانواکسیدروی بهترتیب 14، 16، 28، 28 و 45 درصد نسبت به شاهد افزایش را نشان داده است که البته در غلظت‌های 0 و 2 نسبت به شاهد معنی‌دار نبودند. نتایج آنالیز واریانس اثر معنی‌دار) 01/0 (p≤ غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی را بر میزان I% )درصد تخریب رادیکال DPPH) را نشان داد. با افزایش شدت تنش میزان I%در گیاهان تحت تیمار نسبت به گیاهان شاهد افزایش یافت بهطوریکه بیشترین میزان I% در غلظت 15 میکرومولار نانواکسیدروی مشاهده شد (شکل3، الف). همانطور که در شکل مشاهده می‌شود میزان فعالیت آنزیم‌های سوپراکسیددیسموتاز وکاتالاز و گایاکول‌پراکسیداز نیز با افزایش میزان نانو ذرات، بهترتیب از 2، 4 و 10 میکرو مول، افزایش یافته است ( شکل 3ب، ج و د) این نتایج حاکی از این است که افزایش تیمار نانواکسیدروی موجب القای تنش اکسیداتیو و در نتیجه تولید بیشتر گونه‌های فعال اکسیژن در گیاه پریوش شده است. در غلظت صفر میکرومولار میزان فعالیت این آنزیم‌های آنتی اکسیدان کاهش یافته است و این کاهش در فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدانی کل و گایاکول پراکسیداز نسبت به نمونه شاهد معنی‌دار بوده است. اما کاهش فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدانی کاتالاز و سوپراکسیددیسموتاز نسبت به نمونه شاهد معنی‌دار نبوده است.
جدول1: مقایسه میانگین اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر وزن تر و خشک و طول ریشه گیاه پریوش 70 روزه. حروف مشابه نشان‌دهنده عدم اختلاف معنی‌دار بین میانگین‌ها مطابق آزمون دانکن است. داده‌ها میانگین 3 تکرار± SE است.مقایسه برای هر ستون جداگانه انجام شده است.
|
غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی (میکرومتر) |
|
وزن تر |
|
وزن خشک |
طول ریشه |
|
کنترل |
|
a0033/0±1/0 |
|
a0027/0±014/0 |
a76/1±33/17 |
|
0 |
|
b 0115/0±03/0 |
|
c0017/0±005/0 |
b45/1±67/6 |
|
2 |
|
ab0252/0±12/0 |
|
ab0003/0±016/0 |
a88/0±0/19 |
|
4 |
|
b0033/0±03/0 |
|
bc0003/0±006/0 |
b2/1±67/18 |
|
5 |
|
b0088/0±03/0 |
|
bc0014/0±006/0 |
b73/2±67/8 |
|
10 |
|
b012/0±03/0 |
|
bc0012/0±006/0 |
b08/2±0/7 |
|
15 |
|
b012/0±02/0 |
|
c0003/0±004/0 |
b73/2±33/5 |
شکل 1: اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی (0، 2، 4، 5، 10 و 15 میکرومولار) بر میزان پرولین برگ گیاهان پریوش 70 روزه. خطوط نشان‌دهنده خطای استاندارد (SE ) است حروف مشابه نشان‌دهنده عدم تفاوت معنی‌دار اختلاف میانگین‌ها برای هر شاخص میباشد.
شکل 2: اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی (0، 2، 4، 5، 10 و 15 میکرومولار) بر میزان آلکالوئید برگ گیاهان پریوش 70 روزه. خطوط نشان‌دهنده خطای استاندارد (SE ) است حروف مشابه نشان‌دهنده عدم تفاوت معنی‌دار اختلاف میانگین‌ها برای هر شاخص میباشد.
شکل 3: اثرات غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی (0، 2، 4، 5، 10 و 15 میکرومولار) بر میزان الف) I%ب SOD (ج) CAT و د) GPOX برگ گیاهان پریوش 70 روزه. خطوط نشان‌دهنده خطای استاندارد (SE ) است حروف مشابه نشان‌دهنده عدم تفاوت معنی‌دار اختلاف میانگین‌ها برای هر شاخص میباشد.
بحث
در غلظت 2 میکرومولار نانواکسیدروی وزن تر و خشک ریشه افزایش جزئی نسبت به شاهد داشته است اما این افزایش معنی‌دار نبوده است. کاهش میزان وزن تر و خشک در دو بخش هوایی و ریشه در غلظت‌های بالای نانواکسیدروی به تنهایی حاکی از عدم ورود آب به درون بافت‌های گیاهی است. یافته‌های اخیر حاکی از آن است که کانال‌های آبی محدود به سلول‌های جانوری نبوده و در سلول‌های گیاهی نیز وجود دارند. عناصر سنگین از طریق بلوکه کردن کانال‌های آبی بهواسطه بر‌همکنش با گروه‌های سولفیدریل کانال‌های آبی سبب بسته شدن کانال‌های آبی و عدم نفوذ آب به درون بافت‌های گیاهی می‌شوند، عناصر سنگین با اثر سریع با ارتباطات آبی سلول‌های گیاهی بهعلت کاهش سریع قابلیت هدایت آبی سلول‌ها سمیت خود را آشکار می‌نمایند و تاثیر بر کاهش قابلیت انتقال آبی غالبا سریع‌تر و بیشتر از تاثیر سمیت عناصر سنگین بر غشای پلاسمایی در گیاهان آشکار می‌گردد (22). کاهش وزن می‌تواند بهدلیل افت محتوی آب گیاه و تاثیر آن بر فرایندهای فیزیولوژیکی نظیر تعرق، تنفس و فتوسنتز رخ داده باشد. نتایج حاصل از کاهش وزن تر ریشه با نتایج مورد مطالعه بر روی گیاه آرابیدوپسیسArabidopsis thaliana همخوانی دارد (23). تیمار گیاه(Vigna radiata) در غلظت‌های بیش ازppm 200 نانواکسیدروی رشد ریشه این گیاه را کاهش داده است (24). همچنین بهکار بردن غلظت‌های بالای نانوذرات اکسیدروی در گندم، توقف رشد، کاهش بیوماس را بههمراه داشت (25). در این آزمایش در غلظت صفر میکرومولار وزن تر و خشک ریشه کاهش یافته است و این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار بوده است. کمبود روی بهویژه منجر به کاهش رشد گردیده، زیست توده کمتری تولید شده و در نهایت عملکرد گیاه کاهش می‌یابد (26). اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی، به استثنا غلظت 2 میکرومول، بر طول ریشه گیاه پریوش در سطح 05 درصد معنی‌دار است. در شرایط تنش روی، رشد طولی ریشه‌ها کاهش می‌یابد علل بازدارندگی رشد ریشه را می‌توان حساسیت زیاد مریستم راس ریشه به فلزات سنگین و اثر روی بر آنزیم ایندول‌استیک‌اسید‌اکسیداز در سطح ریشه اشاره کرد (27). کاهش رشد ریشه‌ها که با کاهش طول و وزن تر آن مشخص می‌شود منجر به عدم توسعه و گسترش مناسب سیستم ریشه‌ای شده و با کاهش سطوح جذب کننده و تغییر در ساختار غشای سلولی، جذب آب کاهش یافته، محتوی آب گیاه افت می‌کند که این امر بر فرآیندهای فیزیولوژیکی نظیر تعرق، تنفس و فتوسنتز اثر کرده نهایتا موجب کاهش رشد در سایر بخش‌های گیاه می‌شود. در این پژوهش نیز در غلظت صفر میکرومولار طول ریشه 61 درصد نسبت به شاهد کاهش یافت و این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار بوده است. طی مطالعاتی مشاهده شده است که کمبود روی باعث کاهش رشد ریشه می‌شود (28).
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر میزان پرولین
پژوهش‌ها نشان می‌دهد که با افزایش غلظت روی مقدار پرولین اندام هوایی افزایش می‌یابد. پرولین در بهبود استرس‌های محیطی از جمله استرس‌های فلزات سنگین در گیاهان و میکروارگانیسم‌ها نقش مهمی دارد (29). تجمع پرولین در گیاهان تحت تنش با کاهش خسارت در غشای سلولی و پروتئین‌ها میباشد (30). سنتز پرولین در کاهش پتانسیل اسمزی سیتوپلاسمی و حفظ نسبتNADP/NADPH+ دخالت دارد (31). همچنین پرولین بهعنوان یک اسمولیت، جاروب‌کننده‌ی رادیکال‌ها، تثبیت‌کننده ماکرومولکول‌ها و یک جز دیواره سلولی عمل می‌کند (32). پرولین تثبیت‌کننده پروتئین و کلات‌کننده فلزات است و از پراکسیداسیون لیپیدها و گونه‌های فعال اکسیژن جلوگیری می‌کند (33). بنابراین در هنگام تنش فلزات سنگین تولید پرولین افزایش می‌یابد تا گیاه را در مقابل سمیت حفظ نماید. در شرایط تنش گلوتامات که پیش‌ساز سنتز کلروفیل و پرولین است به سمت تولید پرولین پیش می‌رود. چهار دلیل برای افزایش تجمع پرولین در حین تنش پیشنهاد شده است که عبارتند از :الف) تحریک سنتز آن از اسید‌گلوتامیک ب) کاهش صادرات آن از طریق آوند آبکش ج) جلوگیری از اکسیداسیون آن در طول تنش د) تخریب و اختلال در فرآیند سنتز پروتئین (34). انباشتگی پرولین آزاد در پاسخ به روی، کادمیم و مس در میخک مقاوم و غیر‌مقاوم مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد که غلظت پرولین در برگ‌های اکوتیپ مقاوم در برابر فلزات مزبور، پنج تا شش برابر بیشتر از اکوتیپ‌های غیر‌مقاوم است (35). در این پژوهش نیز با افزایش غلظت‌های نانواکسیدروی در محلول غذایی، مقدار پرولین در اندام هوایی گیاه پریوش افزایش یافت. در غلظت صفرمیکرومولار میزان پرولین گیاه کاهش یافته است ولی این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار نبوده است.
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی برمیزان آلکالوئیدهای کل
در مطالعه حاضر میزان تجمع آلکالوئیدهای کل با افزایش غلظت نانواکسید روی افزایش یافته است و این افزایش در غلظت‌های بیشتر از 4میکرومول در سطح 1 درصد نسبت به نمونه شاهد معنی‌دار است. آلکالوئیدها در تمام اندام‌های گیاهی یافت می‌شوند. میزان آن در بافت گیاه بهمیزان بیوسنتز و کاتابولیسم گیاه بستگی دارد و این خود نیز به مرحله رشد، وظیفه هر اندام گیاهی و عوامل محیطی دارد. گزارش‌های زیادی در مورد اثر عوامل محیطی بر میزان آلکالوئیدها وجود دارد. شرایط محیطی بر رشد گیاه و همچنین تشکیل آلکالوئیدها موثر است. بسیاری از آلکالوئیدها در بافت‌های جوان در حال رشد تشکیل شده، عوامل موثر بر رشد این بافت‌ها، مانند نفوذ نور، منبع نیتروژن، پتاسیم، فسفر و سایر مواد معدنی، درجه حرارت، رطوبت خاک، و ارتفاع از سطح دریا بر میزان تولید آلکالوئیدها اثر می‌گذارد (36). در آزمایشی که برای بررسی تاثیر فلزات سنگین بر تجمع آلکالوئیدها در گیاه پریوش انجام شد محققان مشاهده کردند که استفاده از نیکل، سرب، منگنز و کادمیم در غلظت‌های 5 میلی‌مولار میزان آلکالوئیدهای کل در ریشه این گیاه افزایش یافت. تیمار کادمیم و نیکل دو برابر و سرب سه برابر میزان آلکالوئید را افزایش داد (37). در آزمایشی دیگر که بر روی گیاهان پریوش که در معرض نیتروژن اضافی قرار گرفته بودند مشاهده شد میزان چهار آلکالوئید وین‌بلاستین، وینکریستین، وین‌دولین و کاتارانتین افزایش یافت. آزمایشات نشان داد که گیاهان پریوش که تحت تنش خشکی قرار گرفته بودند شاخص‌های رشدی آن‌ها کاهش یافت اما محتوای آجمالیسین افزایش یافت. در آزمایشی دیگر نیز مشاهده شد طی تنش خشکی، میزان ایندول‌آلکالوئید در این گیاه (پریوش) افزایش یافته است (38). در طی تنش زخمی (قطع قسمت هایی از گیاه) نیز میزان آلکالوئیدها در بافت‌های در حال رشد افزایش می‌یابد. اما در گیاهانی که بیش از 50 درصد زیتوده از آن‌ها جدا شده است میزان آلکالوئیدهای گیاه کاهش می‌یابد (39). در گیاهان پریوش که تحت تنش آب دریا قرار گرفته بودند و نسبت جذب سدیم به پتاسیم در آن‌ها افزایش یافته بود مشاهده شد میزان آلکالوئیدهای وین‌بلاستین، وینکریستین، وین‌دولین و کاتارانتین افزایش یافت (40). در این تحقیق غلظت صفر میکرومولار مقدار آلکالوئیدهای کل نسبت به شاهـد کاهش یافته
است اما این کاهش معنی‌دار نبوده است.
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر مقدار و فعالیت آنتی‌اکسیدانی کل
DPPH یک رادیکال آزاد پایدار با اتم مرکزی نیتروژن بوده که با احیا توسط فرایندهای گرفتن هیدروژن یا الکترون، رنگ آن از ارغوانی به زرد تبدیل می‌شود. ترکیب‌هایی که قابلیت انجام این عمل را دارند بهعنوان یک آنتی‌اکسیدان مطرح می‌شوند. افزایش میزان I% (درصد تخریب رادیکال آزاد) همراه با تنش روی به این معنی است که با افزایش شدت تنش مقدار آنتی‌اکسیدان بیشتری تولید شده و رادیکال‌های DPPH بیشتری را تخریب کرده است. مطابق با گفته‌های بالا گیاهان از طریق سیستم دفاعی آنتی‌اکسیدانی در برابر آسیب‌های ناشی از تنش از خود محافظت می‌کنند. بهعنوان مثال فعالیت تخریب رادیکال DPPH در گیاه برنج تحت تنش گرما (2) و در گیاه Cakile maritime تحت تنش شوری بهطور معنی‌داری نسبت به گیاهان شاهد افزایش یافت (41). بهکارگیری سیلیکون و شوری به صورت جدا بر روی گیاهSorghum bicolor فعالیت تخریب رادیکال DPPH را نسبت به گیاهان شاهد افزایش داد (42). در غلظت صفر میکرومولار نانواکسیدروی میزان I% نسبت به شاهد کاهش را نشان داد و این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار بوده است. همانطور که ذکر شد با افزایش درصد رادیکال‌های آزاد مقدار DPPH در گیاهان افزایش می‌یابد (43). در تیمار صفر مقدار رادیکال آزاد کمتری تولید شده، در نتیجه تخریب رادیکال آزاد نیز کمتر صورت گرفته است و در نهایت میزا نI% کاهش یافته است.
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر مقدار و فعالیت آنتی‌اکسیدانی سوپراکسیددیسموتاز
در مطالعه حاضر میزان فعالیت SOD با افزایش شدت تنش افزایش یافته است و این افزایش در غلظت 15 میکرومولار نانواکسیدروی نسبت به شاهد در سطح 05 درصد معنی‌دار بوده است. فراوان‌ترین ایزوزیم سوپراکسیددیسموتاز در گیاهان عالی، نوع واجد روی و مس (Cu/Zn SOD) است که در آن روی نقش ساختاری و مس نقش کاتالیتیکی دارد روی بههمراه مس بخش اصلی آنزیم سوپراکسیددیسموتاز را بهعنوان جاروب کننده رادیکال‌های آزاد تشکیل می‌دهد. با افزودن روی تولید اکسیژن رادیواکتیو و مراحل فتواکسیداسیون کاهش پیدا می‌کند زیرا فعالیت سوپراکسیددیسموتاز در حضور روی افزایش می‌یابد (44). مشاهده شده است تحت شرایط تنش روی میزان فعالیت SOD در گیاه توت alba Murus افزایش می‌یابد (45). در این آزمایش در غلظت صفر میکرومولار نانو اکسیدروی 19 درصد فعالیت SOD نسبت به شاهد کاهش یافته است اما این کاهش نسبت به شاهد معنی دار نبوده است.
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر مقدار و فعالیت آنتی‌اکسیدان کاتالاز
با افزایش شدت تنش روی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی از جمله کاتالاز افزایش می‌یابد (46). کاتالاز آنزیم مهمی است که در سیستم دفاعی برای تبدیل H2O2 به H2O و O2 بهکار می‌رود. بدین شکل از تولیدROS ها جلوگیری می‌نماید و بنابراین، با بالا رفتن سطوح فعالیت این آنزیم گیاه کمتر مورد تهاجم ROSها قرار می‌گیرد. افزایش میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در غلظت‌های بالای روی در گیاه ذرت ) Zea mays) نیز به اثبات رسیده است (47). در آزمایشی بر روی گیاه داروییFogopyrum esculentom تحت تیمارهای مختلف نانواکسیدروی مشاهده شدکه میزان فعالیت این آنزیم تا غلظت‌های بالای 100 میلیگرم بر لیتر افزایش می‌یابد (48). در این آزمایش در غلظت صفر میکرومولار نانواکسیدروی 35 درصد فعالیت CAT نسبت به شاهد کاهش یافته است اما این کاهش نسبت به شاهد معنی‌دار نبوده است.
اثر غلظت‌های مختلف نانواکسیدروی بر مقدار و فعالیت آنتی‌اکسیدان گایاکول‌پراکسیداز
در مطالعه حاضر میزان فعالیت GPX با افزایش شدت تنش افزایش یافته است و این افزایش نسبت به شاهد در سطح 1/0 درصد معنی‌دار بوده است. در تنش روی با افزایش غلظت روی میزان فعالیت گایاکول‌پراکسیداز در بسیاری از گونه‌های گیاهی افزایش می‌یابد در آزمایشها انجام شده بر روی گیاه ذرت ) Zea mays) مشاهده شده است که با افزایش شدت تنش روی میزان فعالیت گایاکول‌پراکسیداز افزایش می‌یابد (46). در این مطالعه در غلظت صفر میکرومولار روی فعالیت گایاکول‌پراکسیداز کاهش یافته است و این کاهش نسبت به نمونه شاهد معنی‌دار است. اخیرا گزارش شده است در شرایط کمبود روی در گونه‌های گندم ، لوبیا و برنج فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان کاهش یافته است (48).
نتیجه گیری
با توجه به این موضوع که مقدار پرولین در طی تنش افزایش می‌یابد مشاهده می‌شود که در این آزمایش نیز با افزایش غلظت، جذب روی در مقیاس نانو بیشتر صورت گرفته، تنش روی ایجاد شده است و با افزایش شدت تنش میزان آلکالوئیدهای کل و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی نیز افزایش یافته است.
تشکر و قدردانی
از حوزه معاونت محترم پژوهشی و فناوری دانشگاه اراک که حمایت مالی و اجرایی این تحقیق را بهعهده داشتند صمیمانه تشکر و قدردانی می‌شود.
)