نویسندگان

1 گروه علوم و زیست فناوری گیاهی، دانشکده علوم و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی،تهران، ایران

2 گروه علوم و زیست فناوری گیاهی، دانشکده علوم و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 گروه فیتوشیمی، پژوهشکده گیاهان و مواد اولیه دارویی، دانشگاه شهید بهشتی

4 دانشگاه شهید بهشتی تهران -عضو هیئت علمی

چکیده

تنش فلزات سنگین (تنش کادمیوم) از مهم ترین عوامل کاهش دهنده رشد گیاهان و عملکرد محصولات کشاورزی به شمار می رود. تغییرات میزان پلی آمین ها درگیاهان از جمله پاسخهای گیاهان به تنش فلزات سنگین می باشد. با توجه به اهمیت کشت گیاه ذرت، اثر مدت زمان تنش کادمیوم بر جوانه زنی، شاخص های رشد گیاه و میزان پلی آمین ها (پوترسین، اسپرمیدین و اسپرمین) در دانه رست های 3 روزه و ریشه این گیاه به مدت بیست روز توسط دستگاه HPTLC بررسی شد. نتایج نشان داد تنش کادمیوم در گیاه ذرت باعث تاخیر جوانه زنی بذرها و کاهش شاخص های رشد گیاه شد. تنش کادمیوم منجر به افزایش محتوای پلی آمین کل در نتیجه افزایش 35 درصدی پوترسین در دانه رست های 3 روزه گیاه شد. بطورکلی افزایش معنی دار پوترسین در ریشه گیاه در روز ششم و پانزدهم پس از کاشت بذر تحت تنش کادمیوم مشاهده شد. درحالیکه بیشترین میزان اسپرمین و اسپرمیدین در ریشه گیاه 12 روزه تحت تنش کادمیوم بود. ریشه گیاه 15 روزه بیشترین میزان جذب و انتقال کادمیوم را نشان داد. با توجه به نتایج حاصل، می توان اظهار داشت که تغییرات میزان پلی آمین ها در گیاه ذرت طی تنش کادمیوم وابسته به میزان جذب کادمیوم توسط ریشه گیاه و نوع پلی آمین ها می باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Trend of polyamine changes in the early stages of maize (zea mays L.) growth under cadmium stress

نویسندگان [English]

  • Mojgan Latifi 1
  • Seyedeh Batool Hassani 2
  • Hassani Rezadoost 3
  • Neda Nasiri Almanghadim 1
  • Sara Jafari 1
  • Françoise Bernard 4

1 Department of Plant Sciences,Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University G.C.,Tehran, Iran

2 Department of Plant sciences and Biotechnology, Faculty of life sciences and biotechnology, Shahid Beheshti University G.C., Tehran, Iran

3 Department of Phytochemistry, Medicinal Plants and Drugs Research Institute, Shahid Beheshti University G.C.,Tehran, Iran

4 Department of Plant Sciences,Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University G.C.,Tehran, Iran

چکیده [English]

Heavy metals stress (cadmium stress) is one of the most important factors which lead to reduction of plant growth and productivity of agricultural products. One of the plant responses to heavy metal stresses is changes in polyamines contents in plants. Regarding the economic importance of maize, the effects of cadmium stress on seed germination, plant growth parameters and polyamines contents (putrescin, spermidine and spermine) were investigated in 3 days-old seedlings and the roots after 6, 12, 15 and 20 days. Polyamines analysis was performed by HPTLC. The results indicated that cadmium stress in maize is the cause of delay in seed germination and decreased plant growth parameters. Cadmium stress increased the total polyamine content as a result of 35% increase of the putrescine in 3 days-old seedlings. In general, a significant increase of putrescine was observed in the roots of the 6 days-old- and 15 days-old plants under cadmium stress. While the highest amount of spermine and spermidine was in the root of the 12 days-old plants under cadmium stress. Roots of the 15-days-old plant showed the highest content and translocation factor of cadmium. These results suggest that the changes in the amount of polyamines in maize plant under cadmium stress depend on the cadmium absorption by the plant root and the type of polyamines.

کلیدواژه‌ها [English]

  • cadmium contamination
  • Zea mays L
  • Putrescine
  • spermidine
  • spermine

روند تغییرات میزان پلی آمینها در مراحل اولیه رشد گیاه ذرت (Zea mays L.) تحت تنش کادمیوم

مژگان لطیفی1،سیده بتول حسنی1*، حسن رضادوست چهارده2، ندا نصیری آلمانقدیم1، و سارا جعفری1 وفرانسواز برنارد1

1 ایران، تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده علوم و فناوری زیستی، گروه علوم و زیست فناوری گیاهی

2 ایران، تهران، دانشگاه شهید بهشتی، پژوهشکده گیاهان و مواد اولیه دارویی، گروه فیتوشیمی

تاریخ دریافت: 18/10/96              تاریخ پذیرش: 20/3/97

چکیده

تنش فلزات سنگین (تنش کادمیوم) از مهم ترین عوامل کاهش دهنده رشد گیاهان و عملکرد محصولات کشاورزی به شمار می رود. تغییرات میزان پلی آمینها درگیاهان از جمله پاسخهای گیاهان به تنش فلزات سنگین می باشد. با توجه به اهمیت کشت گیاه ذرت، اثر مدت زمان تنش کادمیوم بر جوانه زنی، شاخصهای رشد گیاه و میزان پلی آمینها (پوترسین، اسپرمیدین و اسپرمین) در دانه رستهای 3 روزه و ریشه این گیاه به مدت بیست روز توسط دستگاه HPTLC بررسی شد. نتایج نشان داد تنش کادمیوم در گیاه ذرت باعث تأخیر جوانه زنی بذرها و کاهش شاخصهای رشد گیاه شد. تنش کادمیوم منجر به افزایش محتوای پلی آمین کل در نتیجه افزایش 35 درصدی پوترسین در دانه رستهای 3 روزه گیاه شد. به طورکلی افزایش معنی دار پوترسین در ریشه گیاه در روز ششم و پانزدهم پس از کاشت بذر تحت تنش کادمیوم مشاهده شد. در حالی که بیشترین میزان اسپرمین و اسپرمیدین در ریشه گیاه 12 روزه تحت تنش کادمیوم بود. ریشه گیاه 15 روزه بیشترین میزان جذب و انتقال کادمیوم را نشان داد. با توجه به نتایج حاصل، می توان اظهار داشت که تغییرات میزان پلی آمینها در گیاه ذرت طی تنش کادمیوم وابسته به میزان جذب کادمیوم توسط ریشه گیاه و نوع پلی آمینها می باشد.

واژه های کلیدی: آلودگی کادمیوم، Zea mays L.، پوترسین، اسپرمیدین، اسپرمین

* نویسنده مسئول، تلفن: 02129905509 ، پست الکترونیکی: [email protected]

مقدمه

 

در سالهای اخیر، افزایش استفاده از پسابها و کودهای شیمیایی در کشاورزی باعث افزایش تنشهای فلزات سنگین درگیاهان شده است (23 و 28). در میان فلزات سنگین کادمیوم به دلیل عدم ضروری بودن برای گیاه و تحرک نسبتاً زیاد در خاک، حتی در غلظتهای بسیار کم منجر به  ایجاد سمیت و تغییرات ساختاری، مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی در گیاهان می گردد (4، 6 و 13). تنش فلزات سنگین از جمله کادمیوم در گیاهان منجر به ایجاد اختلالات مختلف مانند کاهش رشد، کاهش محتویات کلروفیل و فتوسنتز و کاهش تولید پروتئین می‍گردد (13 و 29). حضور فلزات سنگین در گیاهان باعث ایجاد تنش اکسیداتیو درنتیجه افزایش تولید گونه های فعال اکسیژن و رادیکالهای آزاد از قبیل هیدروژن پراکسید (H2O2)،  سوپراکسید (O2.-) و  هیدروکسیل (OH.-) شده و متعاقباً منجر به تجزیه لیپید، غیرفعالسازی آنزیمها، اختلال در نفوذپذیری غشای سلولی و نهایتا مرگ سلولی می گردد (10 و 18). گیاهان با مکانیسم پیچیده ای در سطح بیوشیمیایی و مولکولی به تنشهای فلزات سنگین پاسخ می دهند. در گیاهان یکی از اثرات تنشهای فلزات سنگین بر گیاهان انباشتگی میزان پلی آمینها می باشد (20 و 21). پلی آمینها پلی کاتیون های آلیفاتیک با وزن مولکولی کم و دارای گروههای نیتروژنی می باشند که در پاکسازی رادیکالهای آزاد ایجاد شده در اثر تنش و ممانعت از پراکسیداسیون غشا ها نقش دارند (17 و 19). فراوان ترین پلی آمینها در گیاهان شامل پوترسین، اسپرمین و اسپرمیدین می باشند. میزان این سه نوع پلی آمین و تنظیم آنها در پاسخ به تنش در گیاهان وابسته به یکدیگر می باشد (7، 14، 15 و 29).

ذرت (Zea mays L.) یکی از مهمترین غلات در زمینه مصارف غذایی انسان و همچنین در تغذیه دام و طیور در سطح جهانی است (2). تحقیقات بسیاری اهمیت این گیاه را در زمینه گیاه پالایی گزارش کرده اند (31، 35 و 36). فتاحی کیاسری و همکاران (1389) بیان کردند گیاه ذرت می تواند محتوای کادمیوم بیشتری را نسبت به آفتابگردان و پنبه جذب کند (5). در حقیقت ذرت بیشتر به عنوان گیاه مقاوم در برابر فلزات سنگین به جای گیاه انباشتگر فلزات سنگین شناخته شده است و این امکان وجود دارد که پلی آمینها نقش مهمی را در این گیاه در پاسخ به تنش فلزات سنگین ایفاء کنند. لذا با توجه به اهمیت اقتصادی ذرت و افزایش میزان آلودگی فلزات سنگین در خاکهای کشاورزی، این مطالعه با هدف تعیین شاخصهای رشد و میزان تغییرات انواع پلی آمینها (پوترسین، اسپرمین و اسپرمیدین) طی مراحل اولیه رشد گیاه ذرت بر روی بستر کشت آلوده به کادمیوم انجام شد.

مواد و روشها

مواد گیاهی: بذر ذرت (Zea mays L.) واریته 260 از مؤسسه اصلاح بذر و نهال کرج تهیه گردید.

تهیه تیمار کادمیوم: از پودر کلرید کادمیوم (CdCl2) غلظت 100 میلی گرم در  لیتر در آب مقطر تهیه شد. محلول 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم دارای 5/277 میکرو مول یون کادمیوم می باشد. سپس خاک کوکوپیت نارگیل در محلول 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم و آب مقطر (تیمارشاهد) به مدت 18-20 ساعت خیسانده شدند.

سترون سازی بذرها: بذرها ابتدا با آب جاری شستشو و پس از آن توسط اتانول 70 درصد (1-2 دقیقه) و هیپوکلریت سدیم 1 درصد (15دقیقه) سترون شدند. پس از هر مرحله ، بذرها 2-3 با آب مقطر سترون شستشو شدند.

شرایط کشت بذرها: کشت در سینی نشاء به ابعاد (32 × 51) و عمق7 سانتیمتر انجام شد. خاک رویی و زیرین بذرها در سینی نشاء توزین گردید. بدین صورت که خاک زیرین 12 گرم و خاک رویی 3 گرم در نظر گرفته شد. عامل نور (16 ساعت روشنایی، 8 ساعت تاریکی) و دما (°C2±23) نیز تنظیم گردید. طی یک دوره 20 روزه، آبیاری به طور یک روز در میان و معادل 5 میلی لیتر به ازای هر بذر صورت گرفت.

اندازه‏گیری درصد جوانه‏زنی و شاخصهای رشد: تعداد بذرهای جوانه زده در روزهای 3، 6، 9، 12، 15 و 20 شمارش و ثبت گردیدند. جوانه زنی زمانی ثبت شد که ریشه چه از پوست خارج گردید.  میزان درصد جوانه زنی بذر از طریق معادله زیر محاسبه شد (25):

[100×(تعداد کل بذر / تعداد بذر جوانه زده )] = درصد جوانه زنی

شاخصهای رشد گیاه نظیر طول ساقه و طول ریشه نیز در روزهای 3، 6، 9، 12، 15 و 20 اندازه گیری شد. تعداد برگ و سطح برگ در هر گیاه در روز بیستم توسط دستگاه سطح برگ سنج (leaf area meter, LI3100A, LiCor Inc., Lincoln, Nebraska, USA) اندازه گیری شد. همچنین وزن تر و خشک بخشهای مختلف گیاه نظیر ریشه، برگ و بخش هوایی در روز بیستم اندازه گیری شد. به منظور اندازه گیری وزن خشک نمونه ها، بخشهای مختلف گیاه در روز بیستم به مدت 48 ساعت در آون با دمای 70 درجه سانتی گراد قرار داده شدند و سپس توزین گردیدند.

سنجش غلظت یون کادمیوم: نمونه های گیاهی به مدت 24 ساعت در آون با دمای 80 درجه سانتی گراد قرار گرفتند. بافت خشک شده توزین گردید و سپس نمونه ها در بوته های چینی در کوره الکتریکی با دمای 700-500 درجه سانتی گراد به مدت 4 ساعت خاکستر شدند. نمونه های خاکستر شده با 5 میلی لیتر اسیدنیتریک غلیظ به مدت 18 ساعت هضم شده و پس از آن محلول حاصل با استفاده از کاغذ صافی واتمن صاف شد و به حجم نهایی محلول با آب مقطر به 10 میلی لیتر رسانده شد. میزان جذب کادمیوم نمونه ها توسط دستگاه جذب اتمی Schimadzu (atomic absorption /flame emission) تعیین شد. همچنین محلولهای استاندارد نیز با غلظتهای 25/0، 5/0، 1، 2، 4 و 5 میلی گرم بر لیتر تهیه گردید و نمودار استاندارد مربوطه بر اساس میزان جذب کادمیوم رسم شد. غلظت کادمیوم هر نمونه با استفاده از فرمول به دست آمده از نمودار استاندارد محاسبه شد.

میزان کادمیوم بر حسب میلی گرم در هر کیلوگرم وزن خشک گیاه از طریق رابطه زیر محاسبه شد (34):

[وزن خشک نمونه (g)]/  [حجم نهایی نمونه (ml) × غلظت کادمیوم نمونه (mg/l)] = میزان کادمیوم در گیاه (mg/kg)

بـرای محاسـبه فاکتور انتقال (Translocation Factor) کادمیوم از تقسیم غلظـت کادمیوم در بخش هوایی گیاه به غلظت کادمیوم در ریشه استفاده گردیـد (26).

استخراج و اندازه گیری پلی آمینها: استخراج پلی آمینها با استفاده از روشهای (2007) Roussos & Pontikis و Hassannejad و همکاران (2012) انجام گرفت (22 و 27). 1/0 گرم بافت تازه گیاهی با 1 میلی لیتر محلول 5 درصد پرکلریک اسید (PCA) به مدت 3 دقیقه هموژن گردید. بافتهای هموژن شده با سرعت rpm 15000 به مدت 35 دقیقه در دمای 4 درجه سانتی گراد سانتریفیوژ گردید. 100 میکرولیتر از محلول رویی حاصل با 200 میکرولیتر از سدیم بیکربنات (Na2CO3) اشباع شده و 400 میکرولیتر دنسیل کلراید (mg. ml-15) نیز اضافه شد. سپس نمونه ها در دمای 60 درجه سانتی گراد به مدت 90 دقیقه در تاریکی قرار گرفتند. پس از گذشت این زمان به منظور تخریب دانسیل کلراید باقی مانده، 200 میکرولیتر پرولین (mg. ml-1 1/0) به محلول اضافه شد و به مدت 45 دقیقه تحت شرایط قبلی قرار داده شد. محلول حاصل که حاوی پلی آمینهای دانسیله شده است بعد از اضافه کردن 500 میکرولیتر تولوئن کاملا مخلوط شده و فاز رویی حاوی پلی آمینها برای آنالیز برداشت شد.

برای اندازه گیری غلظت پلی آمینها از دستگاه HPTLC (CAMAG ,Switzerland) استفاده گردید. بدین ترتیب که کروماتوگرافی روی صفحات سیلیکاژل 10×20 سانتیمتری (Merck) 60F254 به عنوان فاز ساکن انجام گرفت و از مخلوط اتیل استات : سیکلوهگزان با نسبت (v/v) 4:5 به عنوان فاز متحرک استفاده شد (14 و 16). نمونه گذاری با استفاده از فشار گاز N2، با طول 5 میلی متر و فاصله مراکز 10 میلی متر انجام شد. آنالیزها برای هر تیمار در 3 نمونه و برای هر نمونه در 3 تکرار نمونه گذاری شده و کروماتوگرامها برحسب سطح زیر پیک روبش شده در طول موجهای 245 و 366 نانومتر مورد ارزیابی قرار گرفتند.

همچنین برای رسم منحنی استاندارد غلظتهای مختلف از اسپرمیدین، اسپرمین و پوتریسین تهیه شد و میزان جذب آنها در طول موجهای  nm۲۴۵ و  nm۳۶۶ اندازه گیری شد. مقادیر سطح زیر پیک در منحنی وارد گردیده و فرمول خط حاصل شد. غلظت هر یک از پلی آمینها در هر نمونه با کمک معادله حاصل از منحنی استاندارد پلی آمین مربوطه محاسبه شد.

تجزیه و تحلیل آماری داده ها: کلیه آزمایشها بر اساس طرح آماری بلوکهای کامل تصادفی صورت گرفت. تجزیه و تحلیل آماری داده ها به روش تجزیه واریانس و گروه بندی تیمارها به کمک روش ANOVA و بر اساس آزمون Tukey در سطح احتمال (P≤ 0.05) توسط نرم افزار  (version 22) SPSS انجام گردید. نمودارها با استفاده از برنامه Excel ترسیم شدند.

نتایج

تأخیر جوانه زنی بذرهای ذرت تحت آلودگی کادمیوم: نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر غلظت کلرید کادمیوم و زمان بر درصد جوانه زنی بذر در سطح 1 درصد معنی دار می باشد، در حالی که اثر متقابل غلظت کلرید کادمیوم x زمان بر درصد جوانه زنی بذر معنی دار نمی باشد (جدول 1).

به طور کلی آلودگی کادمیوم موجب تأخیر در شروع جوانه زنی بذرها شد، در حالی که اثر بازدارندگی بر میزان جوانه زنی بذرها نداشت. به طوری که نتایج درصد جوانه زنی بذر ذرت نشان داد که بیشینه درصد جوانه زنی بذر (100 درصد) در محیط فاقد کادمیوم و با آلودگی کادمیوم به ترتیب در روزهای دوازدهم و بیستم مشاهده شد (شکل 1).

 

جدول 1- تجزیه واریانس اثر غلظت کلرید کادمیوم (0 و 100 میلی گرم در لیتر) و زمان (3، 6، 12، 15 و 20 روز) بر میزان درصد جوانه زنی بذر، رشد ریشه، رشد ساقه و تعداد برگ گیاه ذرت.

منابع تغییر

درجه آزادی

میانگین مربعات

درصد جوانه زنی

طول ریشه

طول ساقه

تعداد برگ

غلظت کلرید کادمیوم

1

**213.42

**64.88

**70.84

*1.1

زمان

4

**1330.34

**165.72

**1765.76

**85.36

غلظت کلرید کادمیوم   x زمان

4

ns 24.5

ns16.44

*28.95

*0.73

خطا

20

25.37

7.52

8.8

0.27

 

 

شکل 1- مقایسه اثر متقابل غلظت (0 و 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم) کادمیوم و زمان (3، 6، 12، 15 و 20 روز پس از کاشت بذر) بر درصد جوانه زنی بذر گیاه ذرت. مقادیر میانگین حداقل 3 تکرار ± خطای معیار می باشد. حروف غیرمشابه نشانگر وجود تفاوت معنی دار بین میانگینها در سطح احتمال P≤ 0.05 می باشد.

 

کاهش میزان شاخصهای رشد گیاه ذرت تحت آلودگی کادمیوم: طبق نتایج حاصل از تجزیه واریانس، فاکتورهای آلودگی کادمیوم (غلظت کلرید کادمیوم) و زمان تأثیر معنی داری را در سطح 1 درصد آماری بر میزان رشد ریشه، رشد ساقه و تعداد برگ نشان دادند (جدول 1).

نتایج مقایسه میانگینها نشان داد که میزان رشد ریشه گیاه در محیط با آلودگی کادمیوم نسبت به تیمار شاهد کاهش یافت. این کاهش در روزهای ششم، دوازدهم و پانزدهم پس از کاشت بذر معنی دار بود ولی در روز بیستم اثر معنی داری بر کاهش رشد ریشه نشان نداد (شکل A2).

آلودگی کادمیوم منجر به کاهش میزان رشد ساقه و تعداد برگ گیاه ذرت طی بیست روز بعد از کشت بذر شد (شکلهای B2 و C2). البته تنها در روز پانزدهم پس از کشت بذر کاهش معنی داری را در میزان رشد ساقه و تعداد برگ گیاه نشان دادند و سپس در روز بیستم این کاهش معنی دار نبود (شکلهای B2 و C2). همچنین نتایج مقایسه میانگین سطح برگ (اندازه گیری شده در روز بیستم پس از کاشت بذر) نشان می دهد که آلودگی کادمیوم تغییر محسوسی بر کاهش سطح برگ ایجاد نمی‍کند (جدول 2).

 

 

شکل 2- مقایسه اثر متقابل غلظت (0 و 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم) کادمیوم و زمان (6، 12، 15 و 20 روز پس از کاشت بذر) بر طول ریشه (A)، طول ساقه (B) و تعدادبرگ (C) گیاه ذرت. مقادیر میانگین حداقل 3 تکرار ± خطای معیار می باشد. حروف غیرمشابه نشانگر وجود تفاوت معنی دار بین میانگینها در سطح احتمال 0.05 P≤ می باشد.

 

نتایج مقایسه میانگین وزن تر و خشک (جدول 2) نشان داد که آلودگی کادمیوم منجر به کاهش میزان وزن تر و خشک در قسمتهای ریشه، بخش هوایی گیاه و برگ شد. البته کاهش وزن تر فقط در بخش هوایی گیاه و کاهش وزن خشک فقط در بخش برگها در محیط با آلودگی کادمیوم نسبت به محیط فاقد کادمیوم معنی دار بود (جدول 2).

روند صعودی و نزولی میزان کادمیوم در گیاه ذرت طی دوره تنش کادمیوم: نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر غلظت کلریدکادمیوم، نوع اندام گیاه و زمان نمونه برداری و اثرات متقابل آنها بر میزان کادمیوم در گیاه معنی دار بود . در روز سوم پس از کاشت بذرها در محیط با آلودگی کادمیوم، میزان کادمیوم در ریشه ها صفر بود و سپس در روز ششم حضور کادمیوم در ریشه ها مشاهده شد (شکل A2).

 

جدول 2- مقایسه میانگینهای سطح برگ، وزن تر و خشک از بخشهای مختلف (ریشه، ساقه و بخش هوایی) گیاه در روز بیستم پس از کاشت بذر در محیطهای دارای آلودگی کادمیوم و فاقد کادمیوم

غلظت کادمیوم (میلی گرم در لیتر)

سطح برگ (سانتی متر مربع)

وزن تر (گرم)

وزن خشک (گرم)

ریشه

برگ

بخش هوایی گیاه

ریشه

برگ

 بخش هوایی گیاه

0

a 2.8±29.9

bc 0.07± 0.5

bc 0.07± 0.5

a 0.11± 0.81

a 0.01± 0.07

a 0.01± 0.07

a0.01± 0.1

100

a 1.65±22.7

c 0.05± 0.3

bc 0.04± 0.4

b 0.08± 0.61

a 0.01± 0.06

b 0.01± 0.06

a 0.01± 0.09

* در هر پارامتر اندازه گیری شده (سطح برگ، وزن تر و وزن خشک) میانگینهای دارای حروف مشابه از نظر آزمون آماری Tukey در سطح 5 درصد تفاوت معنی داری با یکدیگر ندارند.

 

شکل 3- مقایسه اثر متقابل غلظت (0 و 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم) کادمیوم و زمان (3، 6، 12، 15 و 20 روز پس از کاشت بذر) بر میزان کادمیوم در ریشه (A) و ساقه (B) گیاه ذرت. مقادیر میانگین حداقل 3 تکرار ± خطای معیار می باشد. حروف غیرمشابه نشانگر وجود تفاوت معنی دار بین میانگینها در سطح احتمال P≤ 0.05 می باشد.

 

مقایسه میانگین اثرات متقابل نشان داد که با گذشت زمان میزان کادمیوم در ریشه و ساقه تا روز پانزدهم افزایش یافت و سپس در روز بیستم کاهش یافت (شکلهای B3 و A3). بنابراین بیشترین میزان کادمیوم در ریشه و ساقه در روز پانزدهم مشاهده شد که نشان دهنده بیشترین میزان انتقال کادمیوم به ساقه در این روز می باشد (شکلهای B3 و A3 و جدول 3).

 

جدول 3- مقایسه میانگینهای فاکتور انتقال کادمیوم درگیاه ذرت در روزهای 6، 12، 15 و 20 پس از کاشت بذر در محیط دارای آلودگی 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم. مقادیر میانگین حداقل 3 تکرار ± خطای معیار می باشد. حروف غیرمشابه نشانگر وجود تفاوت معنی دار بین میانگینها در سطح احتمال P≤ 0.05 می باشد.

زمان (روز)

6

12

15

20

فاکتور انتقال کادمیوم

bc 0

ab 0.03± 0.22

a 0.08±0.33

a 0.2± 0.27

 

 

تأثیر متفاوت مدت زمان تنش کادمیوم بر میزان پلی آمینهای گیاه ذرت: اثر تفاوت مدت زمان تنش کادمیوم بر میزان پلی آمین کل و انواع آن نظیر پوتریسین، اسپرمین و اسپرمیدین مشاهده شد. در بذرهای جوانه زده در روز سوم پس از کاشت بذر در محیط با آلودگی کادمیوم میزان پلی آمین کل و پوتریسین کمی افزایش یافت، اما میزان اسپرمین و اسپرمیدین تغییر قابل ملاحظه ای را نسبت به تیمار شاهد نشان ندادند (جدول 4). در روز ششم پس از کاشت بذر تحت تنش کادمیوم، میزان پلی آمین کل و پوتریسین در ریشه ها نسبت به تیمار شاهد به طور معنی داری افزایش یافت (شکلهای B4 و A4)، در حالی که میزان اسپرمین و اسپرمیدین در ریشه ها  نسبت  به  تیمار  شاهد

کاهش معنی داری را نشان دادند (شکلهای C4 و D4).

 

جدول 4- مقایسه میانگین غلظتهای پلی آمین کل، پوتریسین، اسپرمین و اسپرمیدین در بذرهای جوانه زده ذرت در روز سوم پس از کاشت بذر در محیطهای دارای آلودگی کادمیوم و فاقد کادمیوم

غلظت کادمیوم (mg. l-1)

پلی آمین کل (ng. g-1 FW)

پوتریسین

(ng. g-1 FW)

اسپرمین

(ng. g-1 FW)

اسپرمیدین (ng. g-1 FW)

0

27342±59017

25735±53183

242± 2919

178± 2915

100

22889± 79680

21875± 73861

91± 3040

231± 2779

 

 

سپس در روز دوازدهم کاهش معنی دار پلی آمین کل (21 درصد) و پوتریسین (25 درصد) و افزایش معنی دار اسپرمین (197 درصد) و اسپرمیدین (146 درصد) در ریشه های تحت تنش کادمیوم نسبت به تیمار شاهد مشاهده شد (شکل 4). در روز پانزدهم پس از کاشت بذر، تیمار کادمیوم فقط باعث افزایش معنی دار میزان پلی آمین کل (207 درصد) و پوتریسین (206 درصد) شد و در حالی که میزان اسپرمین و اسپرمیدین تغییر چندانی را نسبت به تیمار شاهد نشان ندادند (شکل 4).

 

 

شکل 4- مقایسه اثر متقابل غلظت (0 و 100 میلی گرم در لیتر کلرید کادمیوم) کادمیوم و زمان (6، 12، 15 و 20 روز پس از کاشت بذر) بر میزان پلی آمین کل (A)، پوتریسین (B)، اسپرمین (C) و اسپرمیدین (D) در ریشه گیاه ذرت. مقادیر میانگین حداقل 3 تکرار ± خطای معیار می باشد. حروف غیرمشابه نشانگر وجود تفاوت معنی دار بین میانگینها در سطح احتمال P≤0.05 می باشد.

 

پس از بیست روز کاشت بذر در محیط با آلودگی کادمیوم، میزان پلی آمین کل، پوتریسین و اسپرمین در ریشه ها به طور معنی داری نسبت به تیمار شاهد کاهش یافت، هرچند میزان اسپرمیدین نسبت به تیمار شاهد تغییر قابل ملاحظه ای نکرد (شکل 4). بنابراین مدت زمان تیمار کادمیوم تأثیر متفاوتی بر میزان پلی آمین کل، پوتریسین، اسپرمین و اسپرمیدین دارد. به طوری که بیشترین میزان پلی آمین کل و پوتریسین در روز پانزدهم و بیشینه میزان اسپرمین و اسپرمیدین در روز دوازدهم پس از کاشت بذر تحت تنش کادمیوم نسبت به تیمار شاهد به دست آمد.

بحث و نتیجه گیری

آلودگی خاک با فلزات سنگین مانند کادمیوم، به دلیل ایجاد سمیت در گیاهان و کاهش محصول آنها، مسمومیت سایر جانداران و ایجاد تهدیدی برای امنیت غذایی و سلامت جوامع انسانی همواره حائز اهمیت می باشد (1 و 32). کادمیوم یکی از فلزات سنگین با تحرک بالا در محیط زیست است که افزایش غلظت آن در محیط ریشه گیاه، منجر به کاهش رشد گیاه در نتیجه تنش اکسیداتیو ناشی از تولید گونه های فعال اکسیژن (ROS) و همچنین سبب بروز اختلالات متابولیسمی در گیاه می گردد (12 و 24). به طوری که کاهش رشد و تغییر متابولیسم انواع پلی آمینها در اثر تنشهای فلزات سنگین در گیاهان گندم (20)، آفتابگردان (20 و 21)، سویا (9) گزارش شده است. این تحقیقات بیانگر آن است که پلی آمینها با سیستم حفاظتی ضد تنش اکسیداتیو القاء شده توسط فلزات، مرتبط می باشند. به طوری که تنش اکسیداتیو منجر به تولید H2O2 می شود که پیام فعال کننده آنزیم کاتالاز می باشد. با راه اندازی فعالیت کاتالاز و افزایش پلی آمین داخل سلولی، H2O2 حذف می گردد. همچنین پلی آمین باعث حفظ غشای سلولی از صدمات اکسیداتیو می شود (9، 20 و 21).

هرچند تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه تأثیر تنش کادمیوم بر شاخصهای رشد، فیزیولوژیکی و متابولیسم گیاه به ویژه محتوای پلی آمین گیاه صورت گرفته است (9 و 20). اما اطلاعات اندکی در مورد اثر زمان بر اثرات ناشی از تنش کادمیوم در گیاهان موجود است. در پژوهش حاضر با استناد به نتایج زحمتی (3)، تنش کادمیوم با غلظت 100 میلی گرم در لیتر کادمیوم کلرید که شامل µM 5/277 یون کادمیوم می باشد انجام شد، که اثرات منفی کادمیوم بر درصد جوانه زنی، رشد ریشه و ساقه و تعداد برگ را نشان داد. خصوصاً در روز پانزدهم پس از کاشت بذر شاخصهای رشد گیاه به طور معنی داری در اثر تنش کادمیوم کاهش یافتند. همچنین بیشترین میزان کادمیوم در ریشه و انتقال کادمیوم در گیاه ذرت در روز پانزدهم مشاهده شد. در حالی که شاخصهای رشد گیاه در روز بیستم تغییرات چندانی را در اثر تنش کادمیوم نشان ندادند و میزان انتقال کادمیوم نیز در این روز نسبت به روز پانزدهم کاهش یافت. تنش کادمیوم تأثیر قابل ملاحظه ای را بر روی وزن تر و خشک بخشهای مختلف گیاه (در روز بیستم) نداشت. این نتایج بیانگر آن است که از روز پانزدهم به بعد در گیاه ذرت حالتی از مقاومت نسبی به تنش کادمیوم ایجاد می شود. به نظر می رسد این سازگاری به تنش کادمیوم در گیاه ذرت در نتیجه داشتن سیستم فتوسنتزی C4 با کارآیی بالا ، انباشت بیشتر یون کادمیوم در ریشه و ممانعت از انتقال آن به بخشهای هوایی و همچنین سایر مکانیسمهای متابولیسمی مقاومتی می باشد. تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از ذرت به منظور گیاه پالایی در خاکهای آلوده به فلزات سنگین، به دلیل رشد سریع و تجمع بیوماس بالا گزارش شده است (33 و 35). به طور کلی اثر بازدارنده کادمیوم بر درصد جوانه زنی بذر و شاخصهای رشد گیاه به غلظت یون کادمیوم، مدت زمان تیمار و گونه گیاهی وابسته می باشد.

تغییرات محتوای پلی آمینها از جمله اثرات دیگر تنش کادمیوم در گیاهان می باشد. پلی آمینها با افزایش کاتابولیسم ROS در آپوپلاست و یا با پاکسازی رادیکالهای آزاد و فعال کردن آنزیمهای آنتی اکسیدانت، تولید ROS را کاهش می دهند (30). تحقیقات گذشته نشان داده است که میزان تغییرات محتوای پلی آمینها طی تنش کادمیوم وابسته به غلظت کادمیوم (9) و نوع پلی آمین (29) می باشد.

تنش کادمیوم در گیاه میخک (Dianthus caryophyllus L.) باعث افزایش نسبت پوترسین به مجموع اسپرمین و اسپرمیدین شد (29). به نظر می رسد پوترسین اولین پلی آمین افزایش یافته در سلولهای تحت تنش غیرزیستی می‍باشد. قابل توجه است که افزایش غلظت پوترسین منجر به تحریک آنزیمهای مسئول تبدیل پوترسین به اسپرمیدین و اسپرمین، از طریق فرآیند خودتنظیمی می شود. غلظت پوترسین، اسپرمیدین و اسپرمین در سلولها غالبا به طور تدریجی تغییر می کند که به دلیل وجود مسیر تجزیه همزمان واقع در سلول بوده که به موجب آن H2O2 تولید می گردد (8، 11 و 19).

نتایج پژوهش حاضر در گیاه ذرت نشان داد که تغییرات پلی آمین کل طی بیست روز پس از کاشت بذر، عمدتاً متأثر از تغییر غلظت پوترسین می باشد. در روز سوم و در بافت بذر ذرت، تغییر معنا داری در سطح پلی آمین نمونه ها رخ نداد اما همزمان با شروع جذب کادمیوم در ریشه ها در روز ششم، افزایش معنی داری در میزان پلی آمین کل مشاهده گردید. در روز دوازدهم کاهش پوترسین همراه با افزایش سطح اسپرمین و اسپرمیدین بوده که بیانگر تبدیل پوترسین به اسپرمین و اسپرمیدین می باشد. در روز پانزدهم افزایش جذب و انتقال کادمیوم منجر به کاهش معنی دار رشد می گردد، که همراه با افزایش معنادار سطح پوترسین ریشه ذرت است. این افزایش در میزان پوترسین، و کاهش تجزیه آن به اسپرمین و اسپرمیدین می تواند باعث اثرات مثبت در رشد طی روزهای بعدی شده، همان گونه که در روز بیستم بهبودی پارامترهای مرتبط با رشد مشاهده می گردد. از طرف دیگر احتمال می رود کاهش معنادار رشد در روز پانزدهم، یک مکانیسم دفاعی برای گیاه ذرت باشد، که منجر به سازگاری در روز بیستم می‍شود.

به طور کلی بر اساس نتایج حاصل از تحقیق حاضر، به نظر می رسد که تغییرات میزان پلی آمینها در گیاه ذرت طی تنش کادمیوم وابسته به میزان جذب کادمیوم توسط ریشه گیاه و نوع پلی آمینها می باشد.

1-    ترابیان، ع.، مهجوری، م.، 1381، بررسی اثر آبیاری با فاضلاب روی جذب فلزات سنگین بوسیله سبزیهای برگی جنوب تهران، مجله علوم خاک و آب، جلد 16، شماره 2، صفحات 189-196.
2-    خاوری خراسانی، س.، 1387، راهنمای علمی و کاربردی کاشت، داشت و برداشت ذرت. انتشارات ﺗﻬﺮان، ﻧﺸﺮ ﺳﺮوا، 119 ﺻﻔﺤﻪ.
3-    زحمتی، ب.، 1394، تأثیر پوشش بذر حاوی ترکیبات زیستی/ رسی/ جلبک های سبز- آبی برای افزایش مقاومت به تنش کادمیوم در گیاهان شبدر برسیم (Trifolium alexandrium L.) و ذرت (Zea mays L.)، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید بهشتی.
4-    عابدی کوپایی، ج.، متین، ن.، جواهری طهرانی، م.،1394، جذب کادمیوم توسط سه گیاه شاهی، کاهو و گوجه فرنگی در خاک آلوده به کادمیوم، مجله علوم و فنون کشت های گلخانه ای، جلد 6، شماره 21، صفحات41-52.
5-    فتاحی کیاسری، ا.، فتوت، ا.، آستارایی، ع.، حق نیا، غ.، 1389، اثر اسید سولفوریک و EDTA بر گیاه پالایی سرب در خاک توسط سه گیاه آفتابگردان، ذرت و پنبه، مجله علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، جلد 14، شماره 51، صفحات 57-68.
6-    صارمی راد بابک, اسفندیاری عزت اله, شکرپور مجید, سفالیان امید, آوانس آرمن, موسوی سیدبهمن. 1393، اثر کادمیوم روی برخی از ویژگی های ریخت شناسی و فیزیولوژیک گندم در مرحله گیاهچه ای.‎ مجله پژوهش های گیاهی (مجله زیست شناسی ایران)، جلد 27، شماره 1، صفحات 11- 1.
7-    حاجی بلند رقیه, ابراهیمی نشمین.1392، تاثیر شوری ملایم و کاربرد پلی آمینها بر رشد، فتوسنتز و متابولیسم فنلها در گیاه سدیم پسند چغندر قند، مجله پژوهش های گیاهی (مجله زیست شناسی ایران)، جلد 26، شماره 3، صفحات 290- 300.
 
8-    Alcázar, R., Cuevas, J. C., Patron, M., Altabella, T. and Tiburcio, A. F. (2006). Abscisic acid modulates polyamine metabolism under water stress in Arabidopsis thaliana. Physiologia Plantarum, 128(3), 448-455.
9-    Balestrasse, K. B., Gallego, S. M., Benavides, M. P. and Tomaro, M. L. (2005). Polyamines and proline are affected by cadmium stress in nodules and roots of soybean plants. Plant and Soil, 270(1), 343-353.
10-  Boominathan, R. and Doran, P. M. (2003). Cadmium tolerance and antioxidative defenses in hairy roots of the cadmium hyperaccumulator, Thlaspi caerulescens. Biotechnology and Bioengineering, 83(2), 158-167.
11-  Bouchereau, A., Aziz, A., Larher, F. and Martin-Tanguy, J. (1999). Polyamines and environmental challenges: recent development. Plant Science, 140(2), 103-125.
12-  DalCorso, G., Farinati, S., Maistri, S. and Furini, A. (2008). How plants cope with cadmium: staking all on metabolism and gene expression. Journal of integrative plant biology, 50(10), 1268-1280.
13-  Di Toppi, L. S. and Gabbrielli, R. (1999). Response to cadmium in higher plants. Environmental and experimental botany, 41(2), 105-130.
14-  Dudley, H. W., Rosenheim, O. and Starling, W. W. (1926). The chemical constitution of spermine: structure and synthesis. Biochemical Journal, 20(5), 1082.
15-  Dudley, H. W., Rosenheim, O. and Starling, W. W. (1927). The constitution and synthesis of spermidine, a newly discovered base isolated from animal tissues. Biochemical Journal, 21(1), 97.
16-  Flores, H. E. and Galston, A. W. (1982). Analysis of polyamines in higher plants by high performance liquid chromatography. Plant physiology, 69(3), 701-706.
17-  Galston, A. W. and Flores, H. E. (1991). Polyamines and plant morphogenesis. Biochemistry and physiology of polyamines in plants, 175-186.
18-  Gill, S. S. and Tuteja, N. (2010). Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant physiology and biochemistry, 48(12), 909-930.
19-  Groppa, M. D. and Benavides, M. P. (2008). Polyamines and abiotic stress: recent advances. Amino acids, 34(1), 35-45.
20-  Groppa, M. D., Benavides, M. P. and Tomaro, M. L. (2003). Polyamine metabolism in sunflower and wheat leaf discs under cadmium or copper stress. Plant Science, 164(2), 293-299.
21-  Groppa, M. D., Tomaro, M. L. and Benavides, M. P. (2001). Polyamines as protectors against cadmium or copper-induced oxidative damage in sunflower leaf discs. Plant Science, 161(3), 481-488.
22-  Hassannejad, S., Bernard, F., Mirzajani, F. and Gholami, M. (2012). SA improvement of hyperhydricity reversion in Thymus daenensis shoots culture may be associated with polyamines changes. Plant physiology and biochemistry, 51, 40-46.
23-  Kashif, S. R., Akram, M., Yaseen, M. and Ali, S. (2009). Studies on heavy metals status and their uptake by vegetables in adjoining areas of Hudiara drain in Lahore. Soil and Environment (Pakistan) 28(1): 7-12.
24-  Kumar, M., Tomar, M. and Bhatnagar, A. K. (2000). Influence of cadmium on growth and development of Vicia faba Linn. Indian journal of experimental biology, 38(8), 819-23.
25-  Maguire, J. D. (1962). Speed of germination—aid in selection and evaluation for seedling emergence and vigor. Crop science, 2(2), 176-177.
26-  Mattina, M. I., Lannucci-Berger, W., Musante, C. and White, J. C. (2003). Concurrent plant uptake of heavy metals and persistent organic pollutants from soil. Environmental pollution, 124(3), 375-378.
27-  Roussos, P. A. and Pontikis, C. A. (2007). Changes of free, soluble conjugated and bound polyamine titers of jojoba explants under sodium chloride salinity in vitro. Journal of plant physiology, 164(7), 895-903.
28-  Salt, D. E., Prince, R. C., Pickering, I. J. and Raskin, I. (1995). Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian mustard. Plant Physiology, 109(4), 1427-1433.
29-  Serrano-Martínez, F. and Casas, J. L. (2011). Effects of extended exposure to cadmium and subsequent recovery period on growth, antioxidant status and polyamine pattern in in vitro cultured carnation. Physiology and Molecular Biology of Plants, 17(4), 327.
30-  Takahashi, T. and Kakehi, J. I. (2009). Polyamines: ubiquitous polycations with unique roles in growth and stress responses. Annals of Botany, 105(1), 1-6.
31-  Thewys, T., Witters, N., Van Slycken, S., Ruttens, A., Meers, E., Tack, F. M. G. and Vangronsveld, J. (2010). Economic viability of phytoremediation of a cadmium contaminated agricultural area using energy maize. Part I: Effect on the farmer's income. International journal of phytoremediation, 12(7), 650-662.
32-  Wagner, George J. "Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health." Advances in agronomy (1993).
33-  Wang, M., Zou, J., Duan, X., Jiang, W. and Liu, D. (2007). Cadmium accumulation and its effects on metal uptake in maize (Zea mays L.). Bioresource Technology, 98(1), 82-88.
34-  Woodis, T. C., Hunter, G. B. and Johnson, F. J. (1977). Statistical studies of matrix effects on the determination of cadmium and lead in fertilizer materials and plant tissue by flameless atomic absorption spectrometry. Analytica Chimica Acta, 90, 127-136.
35-  Xu, W., Lu, G., Dang, Z., Liao, C., Chen, Q. and Yi, X. (2013). Uptake and distribution of Cd in sweet maize grown on contaminated soils: a field-scale study. Bioinorganic chemistry and applications, 2013.
36-  Yang, Y., Nan, Z. and Zhao, Z. (2014). Bioaccumulation and translocation of cadmium in wheat (Triticum aestivum L.) and maize (Zea mays L.) from the polluted oasis soil of Northwestern China. Chemical Speciation & Bioavailability, 26(1), 43-51.