تأثیر شوری و آسکوربیک اسید بر رشد، روابط آبی و روابط اسمزی در گیاه شاهی (Lepidium sativum)

بحث.

کاهش رشد، عمده‌ترین اثر شوری بر گیاهان است. وزن تر و خشک از شاخص‌هایی هستند که به منظور بررسی میزان رشد گیاه استفاده می‌گردند. از آنجا که آب بافت‌ها در وزن خشک دخالتی ندارد و وزن موادی که در اثر فعالیت‌های متابولیسمی گیاه ساخته شده است اندازه‌گیری می‌شود، شاخص بسیار مناسبی برای اندازه‌گیری رشد است. با توجه به شکل 1 شوری موجب کاهش وزن خشک اندان هوایی و ریشه‌ها شد. جلوگیری از رشد گیاه تحت شوری می‌تواند به علت کاهش تقسیم سلولی، عدم تعادل یونی، کاهش جذب آب، اختلال در جذب عناصر، تأثیر یون‌های سمی به ویژه سدیم، اختلال در جذب، احیا و متابولیسم نیتروژن و پروتئین، بسته شدن روزنه‌ها و کاهش کارآیی فتوسنتز باشد (Parida and Das, 2005). همچنین، شوری با افزایش رادیکال‌های آزاد و آسیب به دستگاه فتوسنتزی و پروتئین‌سازی، بر رشد و تولید اثر منفی را مضاعف می‌کند (Parida and Das, 2005). کاهش شاخص‌های رشد در گیاه Catharanthus roseus(Jaleel et al., 2007) و نخود (Cicer arietinum) (Beltagi, 2008) تحت شوری گزارش شده است. تیمار ASA همزمان با شوری موجب افزایش وزن خشک اندام هوایی و ریشه‌ها نسبت به شوری شد. اثر مثبت آسکوربیک اسید بر رشد گیاه را شاید بتوان به نقش آن به عنوان کوفاکتور مهم در بیوسنتز برخی از هورمون‌های گیاهی دخیل در رشد و تقسیم سلولی از جمله جیبرلین و پایداری رنگدانه‌ها و دستگاه فتوسنتزی نسبت داد (Taqi et al., 2011). بهبود شاخص‌های رشد در گیاهان تیمار شده با شوری همزمان با آسکوربیک اسید در گیاه لوبیا (Alqurainy, 2007) و نخود (Beltagi, 2008) گزارش شده است.

بر اساس شکل 2، شوری محتوای نسبی آب برگ را کاهش داد. محتوای نسبی آب به عنوان معیاری قابل اعتماد برای اندازه‌گیری وضعیت آب در بافت‌های گیاهی به شمار می‌رود و به علت ارتباط مستقیم با حجم سلول می‌تواند تعادل بین آب گیاه و سرعت تعرق را بهتر نشان دهد (Schonfield et al., 1988). کاهش محتوای نسبی آب در گیاهان تحت تنش شوری می‌تواند به کاهش پتانسیل آب محیط ریشه و کاهش توان گیاه در جذب آب مربوط باشد (Munns et al., 2006). تیمار ASA همزمان با شوری موجب افزایش محتوای نسبی آب برگ نسبت به شوری شد. افزایش محتوای نسبی آب تحت تیمار آسکوربیک اسید در گیاه کتان نیز گزارش شده است (El-Hariri et al., 2010). تیمار آسکوربیک اسید برون‌زا با افزایش تقسیم سلولی (از طریق تسریع انتقال از مرحله G₁ به S چرخه سلولی) و رشد سلولی (از طریق مهار پراکسیدازهای آپوپلاستی) موجب افزایش رشد گیاه می‌شود (Azzedine et al., 2011). ASA از طریق افزایش اکسین درونی و تأثیر در طویل شدن ریشه‌ها (Taqi et al., 2011) می‌تواند موجب بهبود جذب آب توسط گیاه شود.

با توجه به شکل‌های 3 و 4، هم شوری، هم آسکوربیک اسید و هم شوری همزمان با آسکوربیک اسید موجب منفی‌تر شدن پتانسیل اسمزی و پتانسیل اسمزی در تورژسانس کامل برگ‌ها شدند. شوری همزمان با آسکوربیک اسید در مقایسه با شوری تنها هم در پتانسیل اسمزی هم در پتانسیل اسمزی در تورژسانس کامل اختلاف معنی‌داری نشان نداد. منفی‌تر شدن پتانسیل اسمزی و پتانسیل اسمزی در تورژسانس کامل به هنگام شوری در گیاه تربچه گزارش شده است (Hosseinzad-Behboud et al., 2014). قرار گرفتن سلول گیاهی در محیط شور، باعث تجمع NaCl در سیتوپلاسم شده، باعث منفی‌تر شدن پتانسیل اسمزی سلولی می‌شود. گیاهان به هنگام مواجه شدن با شوری، به منظور حفظ تعادل اسمزی با تجمع ترکیبات آلی خاصی (مانند پرولین و قندها) پتانسیل آب خود را کاهش می‌دهند تا به این ترتیب جریان آب به درون گیاه هدایت شود (Khaliel, 2010). احتمال می‌رود آسکوربیک اسید با افزایش جذب یون‌هایی نظیر پتاسیم یا سنتز و انباشتگی مواد آلی همچون سیترات و مالات، پتانسیل اسمزی را منفی‌تر کند. کاهش پتانسیل اسمزی به وسیله تجمع مواد محلول (معدنی یا آلی) را سازگاری اسمزی گویند. طی فرآیند سازگاری اسمزی، کاهش پتانسیل آب سلول بدون هیچ تغییری در تورژسانس سلول صورت می‌گیرد (Ashraf, 2004). بر اساس نتایج پژوهش حاضر، شوری و آسکوربیک اسید موجب افزایش سازگاری اسمزی در گیاهان شد (شکل 5). تأثیر آسکوربیک اسید در افزایش سازگاری اسمزی پیاز خوراکی و افزایش سهم پتاسیم در پتانسیل اسمزی برگ‌ها نیز گزارش شده است (Ghodrati et al., 2013). گیاهی که قادر به سازگاری اسمزی باشد، توانایی ادامه رشد از طریق حفظ تورژسانس یا افزایش شیب پتانسیل آب از خاک به برگ به منظور جذب آب را دارا است.

با توجه به شکل 6 شوری، آسکوربیک اسید و شوری همزمان با آسکوربیک اسید باعث افزایش قندهای محلول شدند. افزایش قندهای محلول در بافت‌های گیاهی توسط طیف وسیعی از تنش‌های محیطی القا می‌شود. بین این افزایش و تحمل به تنش‌ها از جمله تنش شوری رابطه مستقیم وجود دارد (Rodziewicz et al., 2014) افزایش قندهای محلول در گیاهان تحت تنش سویا (Sheteawi, 2007) و برنج (Parida and Das, 2005) نیز گزارش شده است. طی تنش شوری به منظور حفظ پتانسیل اسمزی و کاهش خطر کاهش آب با تجزیه قندهای نامحلول (نشاسته) میزان قندهای محلول افزایش می‌یابد. مهم‌ترین نقش این ترکیبات تنظیم و تعادل اسمزی و خنثی کردن رادیکال‌های آزاد است (Parida and Das, 2005). همچنین احتمال دارد در اثر القای تنش با کاهش توسعه سلولی و کاهش تبدیل قندهای محلول به پلی‌ساکاریدهای ساختاری نظیر سلولز میزان قندهای محلول در گیاه افزایش یابد. امروزه اطلاعاتی از نقش کربوهیدرات‌های محلول به عنوان مولکول‌های پیام‌رسان (سیگنال) در سازش به شرایط تنشی در دست است (Rodziewicz et al., 2014). با توجه به نقش آسکوربیک اسید در متابولیسم و رشد و نمو گیاه احتمال دارد که این ماده با خنثی کردن رادیکال‌های آزاد سوپر اکسید و اکسیژن یکتایی حاصل از تنش و حفاظت و یکپارچگی غشای کلروپلاستی، عملکرد دستگاه فتوسنتزی را بالا ببرد و با تولید فرآورده‌های کربنی موجب تجمع قندهای محلول شود (Shao et al., 2008). افزایش محتوای قندهای محلول کلبا تیمار ASA در گیاه گندم (Azzedine et al., 2011) گزارش شده است. بنابراین، کاربرد آسکوربیک اسید برون‌زا با تحریک بیشتر سنتز قندهای محلول، تحمل به شوری را افزایش می‌دهد.

با توجه به شکل 7 مقدار پروتئین‌های محلول در پاسخ به شوری کاهش یافت. کاهش محتوای پروتئینی تحت تنش شوری در گیاهان دیگر همچون کلزا (Dolatabadian et al., 2008) و تربچه (Hosseinzad-Behboud et al., 2014) نیز گزارش شده است. شوری با تغییر در ساختمان پروتئین‌ها موجب کاهش فعالیت بسیاری از آنزیم‌ها (مثلا کاهش فعالیت آنزیم روبیسکو) در گیاهان می‌شود (Parida and Das, 2005). همچنین، رادیکال‌های آزاد تولید شده طی تنش شوری، به دلیل میل ترکیبی زیاد با پروتئین‌ها و لیپیدها، باعث تخریب غشای سلولی، نوکلئیک اسیدها و پروتئین‌های سلول می‌شوند. در پژوهش حاضر، آسکوربیک اسید باعث افزایش محتوای پروتئین‌ها شد (شکل 7). افزایش پروتئین‌های محلول با کاربرد برگی آسکوربیک اسید در گیاهان کلزا (Dolatabadian et al., 2008) و Carthamus tinetorius (Gadallah, 2000) گزارش شده است. افزایش مقدار پروتئین در گیاه سویا (Sheteawi, 2007)، نخود (Beltagi, 2008) و کلزا (Dolatabadian et al., 2008) تحت تنش شوری همزمان با آسکوربیک اسید در مقایسه با گیاهانی که تنها در معرض تنش شوری قرار داشتند نیز گزارش شده است. ASA می‌تواند محتوای پروتئین‌ها را از طریق افزایش جذب K⁺، به عنوان یک عنصر ضروری در پروتئین‌سازی افزایش دهد (Parvaiz and Satyawati, 2008). همچنین، ASA با افزایش فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان در برابر تنش اکسیداتیو(Dolatabadian et al., 2008) و ایجاد پایداری در پیوندهای پروتئینی موجب کاهش تخریب پروتئین‌ها می‌گردد (Beltagi, 2008).

تنش شوری موجب افزایش معنی‌دار آمینو اسیدهای آزاد کل در ریشه و برگ گیاه شاهی در مقایسه با شاهد شد (شکل 8). نتایج مشابه در گیاهان دیگر نیز گزارش شده است Katerji et al., 2005)؛ Hosseinzad-Behboud et al., 2014). آمینو اسیدهای آزاد با یک گروه کربوکسیل و یک گروه آمین جزو اسمولیت‌هایی هستند که به هنگام تغییر حالت اسمزی در سیتوزول انباشته می‌شوند. آمینو اسیدهایی که طی تنش شوری تجمع می‌یابند، سازگاری اسمزی را به عهده دارند و به عنوان منابع در دسترس برای نیتروژن و کربن به شمار می‌آیند. انباشت ترکیبات نیتروژن‌دار به طور معمول به تحمل شوری گیاهان نسبت داده می‌شود. به هنگام تنش شوری، انواع آمینو اسیدها نظیر: آلانین، آرژینین، گلیسین، سرین، لوسین، ایمینو اسید پرولین، آمینو اسیدهای غیر پروتئینی سیترولین و اورنیتین انباشته می‌شوند که نقش مهمی در سازگاری اسمزی ایفا می‌کنند (Ashraf, 2004). در پژوهش حاضر، ASA به تنهایی و همچنین همزمان با شوری باعث کاهش محتوای آمینو اسیدهای آزاد گردید (شکل 8). با پاشیدن ASA روی برگ‌ها، محتوای آمینو اسیدهای گیاه Carthamus tinetorius (Gadallah, 2000) و پیاز خوراکی (Ghodrati et al., 2013) کاهش یافت. آمینو اسیدها از اجزای پروتئین‌ها هستند که احتمال دارد کاهش آمینو اسیدهای تحت تیمار آسکوربیک اسید به علت افزایش پروتئین‌سازی لازم برای رشد گیاهان به ویژه در شرایط شوری باشد (شکل 7). از سوی دیگر، احتمال دارد در افزایش سازگاری اسمزی با تیمار آسکوربیک اسید انباشتگی دیگر ترکیبات آلی سازگار یا افزایش احتمالی جذب برخی یون‌های معدنی دخالت نمایند.

با توجه به شکل 9 شوری موجب افزایش محتوای پرولین گردید. اگرچه در شرایط تنش استفاده از یون‌های معدنی برای تنظیم اسمزی از نظر مصرف انرژی با صرفه‌تر از سنتز اسمولیت‌های آلی هستند، در عین حال، بسیاری از گیاهان برای تحمل تنش اسمزی، اسمولیت‌های آلی را ساخته و انباشته می‌کنند (Parvaiz and Satyawati, 2008). پرولین به عنوان یک اسمولیت سازگار به میزان زیادی در آب محلول است و در غلظت‌های بالا اثر مختل کننده بر واکنش‌های بین درشت مولکول‌ها و حلال ندارد (Yancey, 2001). در شرایط تنش، پتانسیل ردوکس سلولی در اثر فرآیندهای اکسایشی آسیب می‌بیند. در چنین شرایطی، تجمع پرولین به عنوان یک تامپون برای حفظ پتانسیل ردوکس سلولی عمل می‌کند تا فرآیندهای بیوشیمیایی وابسته به حالت ردوکس بتوانند تداوم داشته باشند. افزایش پرولین در گیاه Catharanthus roseus تحت تنش شوری (Jaleel et al., 2007) گزارش شده است. تجمع پرولین با حفظ ساختارهای سلولی سبب افزایش اسمولاریته سلولی، هدایت آب به درون سلول (ضرورت گسترش سلولی) و کاهش انتشار آب به خارج سلول می‌شود. در تیمار ASA در مقایسه با گروه شاهد و همچنین در تیمار ASA همزمان با شوری در مقایسه با شرایط شوری کاهش میزان معنی‌دار پرولین مشاهده شد (شکل 9). در تأیید نتایج پژوهش حاضر، کاهش محتوای پرولین به طور معنی‌دار با کاربرد ASA، در لوبیا (Alqurainy, 2007) و کلزا (Dolatabadian et al., 2008) گزارش شده است. با توجه به نقش آنتی‌اکسیدانی ASA در تنش‌ها و نیز به علت این که ASA کوفاکتور آنزیم پرولین هیدوکسیلاز است، با تبدیل پرولین به هیدروکسی پرولین از مقدار پرولین آزاد کاسته می‌شود (Alqurainy, 2007). آزمایش‌های متعدد نشان داده است که تحت تنش شوری، گیاهان حساس غلظت بالاتری از پرولین را در مقایسه با گیاهان متحمل انباشته می‌کنند (Parvaiz and Satyawati, 2008). در گیاهان تراریخت با ظرفیت سنتز زیاد پرولین، انباشتگی پرولین در بافت‌های گیاهی موجب ایجاد مقاومت به انواع تنش‌ها می‌شود (Rodziewicz et al., 2014). ظرفیت گیاهان زراعی برای تجمع پرولین در پاسخ به تنش‌های محیطی ممکن است از گونه‌ای به گونه دیگر و حتی بین ارقام مختلف یک گونه گیاهی بسیار متفاوت باشد.

جمع‌بندی.

نتایج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد که شوری 225 میلی‌مولار NaCl تأثیرات منفی بر گیاه شاهی دارد. افزایش اسمولیت‌ها به عنوان پاسخی به شرایط تنش شوری موجب حفظ و تداوم رشد و متابولیسم می‌شوند. کاربرد برون‌زای آسکوربیک اسید با بهبود روابط آبی و اسمزی به افزایش میزان پروتئین‌سازی گیاه شرایط شور کمک کرده، رشد آن را بهبود می‌بخشد.

سپاسگزاری.

نگارندگان از معاونت پژوهش و فناوری دانشگاه شهید مدنی آذربایجان به خاطر حمایت مالی و آقای علیرضا محمدپور به سبب همکاری آزمایشگاهی سپاسگزاری می‌نمایند.