پاسخ فیزیولوژیکی برخی از ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر شرایط گرد و خاک

مقدمه

گندم از نظر تولید، سطح زیر کشت و تغذیه، مهم‌ترین محصول کشاورزی ایران و جهان است. گندم با تولید 777 میلیون تن در سال 2022 به‌عنوان یکی از غلات مهم شناخته می‌شود که غذای بیش از یک سوم جمعیت جهان را فراهم می‌کند (Christoforidou et al., 2022). با توجه به افزایش جمعیت، افزایش کمی و کیفی تولید گندم روز به روز بیشتر مورد توجه است. این گیاه در محدوده وسیعی از شرایط آب و هوایی رشد می‌کند. گندم از تیره گندمیان (Poaceae) و از جنس Triticum است. گندم گیاهی یکساله، روز بلند و سه کربنه (C₃) است. عوامل مختلفی عملکرد گندم را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تنش‌های محیطی نظیر گرما، سرما، خشکی، شوری، فلزات سنگین، امواج مرئی، موادشیمیایی سمی، تنش‌های اکسیداسیونی ناشی از عوامل زنده و غیرزنده از مهم‌ترین عوامل محدودکننده تولیدات کشاورزی هستند (Miao & Zentgraf, 2007). علف‌های هرز، بیماری‌ها و آفات، تنش‌های زیستی، غیر زیستی و در سال‌های اخیر گرد و خاک عملکرد گیاهان مختلف از جمله گندم را به­شدت تحت تأثیر قرار داده‌است.

طوفان‌های گرد ‌و ‌خاک پدیده‌هایی طبیعی‌هستند ‌که‌ به‌ طور ‌وسیعی‌ در ‌جهان‌ به‌ خصوص‌ در مناطق‌ خشک‌ و‌ نیمه ‌خشک رخ ‌می‌دهند.‌ این‌ پدیده‌ به علت تغییر اقلیم ‌و ‌باد‌های ‌تند ‌منطقه‌ای،‌ اتفاق ‌می‌افتد و‌ در‌کل‌ شامل‌ انتقال ‌ذرات،‌ معلق ‌شدن‌ ذرات‌ در ‌اتمسفر ‌و ‌در ‌نهایت ‌ته‌نشینی‌ این ‌ذرات‌ است (Wang, 2005). گرد و خاک با تأثیر بر سطح برگ به عنوان مهم‌ترین بخش انجام فعالیت‌های حیاتی گیاه از قبیل فتوسنتز، تعرق و تنفس آثار منفی زیادی بر جای می‌گذارد. همچنین گرد و خاک به‌طور غیر مستقیم بر بازارپسندی و کیفیت محصول تأثیر دارد. ذرات گرد و خاک با نشستن بر اندام هوایی گیاه سبب تغییرات فیزیکی و شیمیایی مختلفی مانند مسدود کردن روزنه‌ها، کاهش فعالیت فتوسنتزی، ریزش برگ، مرگ بافت گیاهی، افزایش دما و تغییر رنگدانه برگ Wijayratne et al (2009)، تغییر در محتوای نسبی آب برگ، محتوای کلروفیل برگ Chaturvedi et al (2013) و در نهایت کاهش عملکرد محصولات زراعی می‌شوند. Sivakumar & Stefanski (2009) بیان داشتند گرد و خاک آثار منفی از جمله کاهش محصول از طریق دفن جوانه‌ها، صدمه به بافت گیاهی، کاهش فعالیت فتوسنتزی، تاخیر در نمو گیاه و افزایش تنش خشکی در پایان فصل رشد بر کشاورزی دارد، که در نهایت منجر به کاهش محصول می­شود. برگ‌های پوشیده از گرد و خاک، نور کمتری برای فتوسنتز دریافت می‌کنند، در نتیجه، منجر به کاهش زیست‌توده و عملکرد گیاه می‌شود (Habibpour et al., 2020).

در پژوهش اثر گرد و خاک بر عملکرد دانه و برخی ویژگی‌های فیزیولوژیک و بیوشیمی گندم در غرب ایران تیمار شستشو در مقایسه با عدم شستشو به طور معنی‌داری سبب بالا رفتن عملکرد دانه شد. همچنین میزان فتوسنتز، هدایت روزنه‌ای، کارایی فتوشیمیایی فتوسیستمII ، شاخص بقای برگ، کلروفیلb ، غلظت پروتئین‌های محلول و کارتنوئیدها نیز به طور معنی‌داری افزایش یافت (Sharifi et al., 2019). در پژوهشی کاهش تولیدات کشاورزی در اثر این تنش 5 تا 30 درصد گزارش شده‌است (Emami Meibodi et al., 2015). ذرات معلق سبب کاهش سطح برگ، زیست توده، کلروفیل، اسید اسکوربیک و محتوای نیتروژن شده‌است. همچنین میزان نور برای فتوسنتز کاهش یافته و منجر به آسیب بیشتر محصولات زراعی و کاهش عملکرد محصولات می­شود (Kunt et al., 2023). همچنین، در بررسی تأثیر اسپری گرد و خاک و سیمان روی برگ درخت هلو، کلروفیل کل کاهش و محتوای فنل کل در مقایسه با برگ‌های شاهد افزایش داشت (Maletsika et al., 2015). شریفی کالیانی و همکاران (2021)، اثرات گرد و خاک بر ویژگی‌های ریخت شناسی و فیزیولوژیکی لوبیا، گوجه‌فرنگی و خیار را بررسی کردند. گرد و خاک با کاهش میزان کلروفیل، پروتئین محلول و کربوهیدرات‌ها در برگ و افزایش میزان پرولین سبب کاهش معنی‌دار وزن خشک ساقه و برگ در لوبیا، گوجه‌فرنگی، خیار و نیز کاهش معنی‌دار ارتفاع لوبیا و خیار شد.

در سال‌های اخیر بیابان‌زایی ناشی از تغییرات اقلیمی و فعالیت‌های انسانی یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد ذرات گرد و خاک است. وقوع گرد و خاک در هنگام رشد محصولات زراعی (به ویژه گندم) یکی از اساسی‌ترین خطرات در تولید محصولات زراعی در مناطق غربی و جنوبی ایران است. در این مناطق برآورد دقیق خسارت ذرات گرد و خاک در تولید محصولات زراعی از اهمیت بالایی برخوردار است و بررسی اثرات ذرات گرد و خاک بر رشد محصول بسیار حائز اهمیت است. بنابراین با توجه به شرایط آب و هوایی موجود در منطقه، یافتن ارقام گیاهی سازگار و مقاوم با شرایط تنش گرد و خاک در راستای اهداف افزایش تولید امری ضروری است (Farmer, 1993). گرد و خاک چالشی بزرگ برای سلامت انسان، فیزیولوژی گیاهان و تعاملات اکولوژیکی آنها است (Singh et al., 2020). پدیده گرد و خاک به­صورت مستقیم بخش کشاورزی منطقه را با چالش خطرناکی روبرو می‌سازد. در صورت عدم مدیریت و برنامه‌ریزی جهت مقابله با این پدیده خسارات فراوانی متوجه منطقه خواهد شد. از آنجایی‌که تاکنون پژوهشی در این زمینه و منطقه انجام نشده‌است، نتایج این پروژه اهمیّت پدیده گرد و خاک و اثرات منفی آن بر محصول استراتژیک گندم را نشان می‌دهد و ضرورت مقابله با پدیده گرد و خاک و کاهش اثرات نامطلوب آن با انجام برنامه‌های مدون و طولانی‌مدت را بیش از پیش نمایان می‌کند. هدف از این پژوهش، ارزیابی و بررسی 11 ژنوتیپ گندم از نظر برخی ویژگی­های فیزیولوژی مانند محتوای نسبی آب برگ، نشت یونی، پایداری غشاء، پروتئین، پرولین و رنگیزه‌های فتوسنتزی تحت تأثیر تنش پدیده گرد و خاک است که می‌تواند در شناسایی سازوکارهای مؤثر برای افزایش مقاومت در برابر شرایط نامطلوب محیطی و افزایش عملکرد و نیز گزینش ژنوتیپ‌های مطلوب تحت تنش مفید باشد.

مواد و روش‌ها

این آزمایش در سال زراعی 1401 در گلخانه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه ایلام در گلدان‌هایی با قطر ۱۰ سانتیمتر به تعداد 66 گلدان، به صورت فاکتوریل بر پایه طرح کامل تصادفی در سه تکرار انجام شد. برای بررسی تأثیر پدیده گرد و خاک، بر ویژگی­های فیزیولوژیک در 11 ژنوتیپ گندم (جدول1)، بذور مربوط به ژنوتیپ‌ها از بانک ژن موسسه تحقیقات ژنتیک گیاهی و گیاهان زراعی (IPK)، آلمان تهیه شدند. فاکتورهای مورد بررسی شامل دو شرایط تنش و شاهد و 11 ژنوتیپ گندم بود. در طول دوره رشد، بسته به نیاز گیاه آبیاری انجام شد و کلیه عملیات‌های مربوط به کاشت، داشت و برداشت صورت گرفت.

جدول1- مشخصات ژنوتیپ‌های گندم

Table 1- Characteristics of wheat genotypes

از کانون‌های مولد گرد و خاک در استان ایلام، منطقه بهرام‌آباد به عنوان یکی از بحرانی‌ترین کانون‌های مولد گرد و خاک در استان ایلام واقع در پایانه مرزی ایران و عراق در نزدیکی شهر مهران انتخاب شد (Ranjbar et al., 2018). برای شبیه‌سازی طوفان‌های گرد و خاک نمونه‌برداری از خاک سطحی (5-0 سانتیمتری) انجام شد. سپس نمونه‌ها به آزمایشگاه خاک شناسی دانشگاه ایلام منتقل شدند. پس از جدا کردن سنگ، سنگریزه و بقایای گیاهی، نمونه‌ها در هاون کوبیده و از الک‌های مطبق با منافذ مختلف عبور داده شدند. با توجه به اندازه ذرات خاک معلق در جو، نمونه‌های خاک با شماره مش 270 الک شدند تا ذرات خاک به قطر 53 میکرون جدا شوند (Mousavi et al., 2023). برای سنجش غلظت ذرات معلق در هوا از دستگاه غبار سنج (مدل EPAM-5000 ساخت امریکا) استفاده شد. سپس آنالیز خاک شامل اندازه‌گیری اسیدیته خاک با دستگاه pH متر (مدل pH-200l)، شوری خاک با دستگاه EC سنج (مدل GLP31)، فسفر قابل جذب به روش اولسون، پتاسیم قابل جذب به روش شعله‌سنجی، گچ به روش تیتراسیون با استون، موادآلی به روش اکسیداسیون‌تر و در نهایت بافت خاک با هیدرومتری انجام شد (Kasaei et al., 2023). جدول 2 تجزیه شیمیایی و نوع بافت خاک مورد آزمایش را نشان می‌دهد.

جدول 2- آنالیز نمونه گرد و خاک

Table 2- analysis of dust sample

در پژوهش حاضر جهت ایجاد گرد و خاک در شرایط آزمایشگاهی، محیطی تقریباً بسته مشابه گلخانه آماده و با تولید گرد و خاک، در مرحله چهار برگی گیاه زراعی گندم، طی سه دوره طوفان پدیده گرد و خاک شبیه سازی شد. در هر دوره، 30 گرم گرد و خاک طی 24 ساعت به محفظه وارد شد و با فن‌های کوچک که در نقاط مختلف اتاقک نصب شده بودند گرد و خاک به طور یکنواخت در محفظه انتشار یافته و همه گلدان‌های محتوی گندم به طور یکسان در معرض گرد و خاک قرار داشتند (شکل1).

شکل1- شماتیکی از محفظه اعمال گرد و خاک

Figure 1- Schematic of the dust chamber

در پژوهش حاضر فن‌های تعبیه شده در بالا و کف محفظه، سبب شد ذرات در تمام جهات محفظه پراکنده شوند. یک هفته بعد از اعمال تنش، صفات موردنظر شامل محتوای نسبی آب برگ، نشت یونی، پایداری غشاء بررسی و نیز نمونه‌گیری برگی جهت اندازه‌گیری پروتئین، پرولین، کلروفیلa، کلروفیل b، کلروفیل کل و کارتنوئید انجام شد.

محتوای نسبی آب برگ: نمونه‌های برگی قسمت‌های سبز از تیمارهای آزمایشی جمع‌آوری و بلافاصله وزن تر با ترازوی دقیق اندازه‌گیری شد. سپس تمامی نمونه‌ها در آب مقطر و در تاریکی قرار داده‌شدند. بعد از 24 ساعت، وزن اشباع برگ‌ها اندازه‌گیری و برگ‌ها به مدت 24 ساعت دیگر در دمای 70 درجه سانتی‌گراد در آون قرار گرفته و وزن خشک هر کدام اندازه‌‌گیری شدند. با قرار دادن اعداد حاصل از توزین با ترازوی دارای دقت یک ده هزارم گرم، RWC نمونه‌ها محاسبه شد. رابطه (1):

RWC = (FW -DW/TW -DW) ×100)

در این رابطه، RWC محتوای نسبی آب،FW  وزن تر برگ، DW وزن خشک برگ و TW وزن برگ در حالت تورژسانس کامل است (.(Ritchie et al., 1990

نشت یونی (EC): برای تعیین نشت یونیElectrolyte leakage) )، از هر گلدان 5/0 گرم برگ تازه همراه با 10 میلی‌لیتر آب مقطر در لوله‌های آزمایشگاهی قرار داده شد. پس از 24 ساعت، هدایت الکتریکی اولیه (EC₁) با دستگاه EC ‌سنج (مدل GLP31، شرکت CRISON، ساخت بارسلونا) اندازه‌گیری شد. پس از آن، نمونه‌ها در دمای 100 درجه سانتی­گراد به مدّت20 دقیقه در بن­ماری قرارگرفت تا الکترولیت‌ها آزاد شود. بعد از خنک شدن نمونه‌ها، هدایت الکتریکی ثانویه (EC₂) اندازه‌گیری و EC محاسبه شد (Lutts et al., 1995) رابطه (2):

EC = (EC₁ / EC₂) × 100

پایداری غشاء: این فاکتور عکس نشت یونی غشاء است. پایداری غشاء ( (Membrane Stabilityاز رابطه زیر محاسبه شد (Kaya et al., 2002) رابطه (3):

MS = (1- EC₁/EC₂) ×100

پرولین: جهت سنجش پرولین از روش شبنم استفاده شد که در این روش میزان جذب در طول موج 520 نانومتر خوانده شد و برای محاسبه مقدار پرولین منحنی استاندارد رسم و معادله خط محاسبه شد (Shabnam et al., 2016) رابطه (4):

Y = 0.0751 X – 0.0687

در این رابطهY  برابر جذب خوانده شده و X برابر با غلظت پرولین بر حسب میلی گرم بر میلی لیتر است.

پروتئین: برای سنجش پروتئین از روش برادفورد استفاده شد. میزان جذب در طول موج 595 نانومتر با دستگاه اسپکتروفتومتر(مدل SPECORD، ساخت شرکت Analytik jena، کشور آلمان) خوانده و سپس منحنی استاندارد رسم و معادله خط محاسبه شد (Bradford, 1976) رابطه (5):

Y = 0.0058 X + 0.1798

دراین رابطه Y برابر با جذب خوانده شده و X غلظت پروتئین برحسب میلی‌گرم بر لیتر است. در نهایت پس از محاسبه نتایج بر حسب میلی‌گرم در گرم بافت‌تر بیان شدند.

رنگیزه‌های فتوسنتزی: برای اندازه‌گیری این صفات 1/0 گرم از نمونه‌های برگی با 3 میلی‌لیتر استون 80 درصد سائیده شد. سپس محلول حاصل به مدّت 15 دقیقه در 3500 دور سانتریفیوژ شد. در نهایت غلظت کلروفیل a (chl a)، کلروفیل b (chl b)، کلروفیل کل (chl T) و کارتنوئید در طول موج‌های 647، 664 و 470 نانومتر با دستگاه اسپکتروفتومتر توسط روابط زیر محاسبه شدند. جهت صفر کردن دستگاه از استن 80 درصد استفاده شد (Porra, 2002).

chl a (µg/ml) = (12.25×A664) - (2.55×A647)

chl b (µg/ml) = (20.31×A647) - (4.91×A664)

chl T (µg/ml) = (17.76×A647) + (7.37×A664)

car (µg/ml) = [(1000×A470) – (3.27×chl a)]- (104×chl b) / (221)

در نهایت پس از نرمال‌سازی داده‌ها، تجزیه واریانس با نرم‌افزار آماری SAS 9.2 نسخه 9.2 انجام شد. مقایسه میانگین‌ها توسط آزمون حداقل تفاوت معنی‌دار یا LSD در سطح آماری 5 درصد انجام شد. شکل‌ها و نمودارها نیز با نرم‌افزار گراف پد نسخه 8.4.3 رسم شدند.

نتایج و بحث

نتایج حاصل از تجزیه واریانس داده‌ها نشان دادند اثر متقابل پدیده گرد و خاک و ژنوتیپ در تمام صفات مورد نظر اثر معنی‌داری دارد (جدول 3 و 4). همچنین پدیده گرد و خاک در سطح یک درصد در تمامی صفات مورد بررسی معنی‌دار شده‌است. در اثرتنش گرد و خاک فاکتورهای محتوای نسبی آب برگ، نشت یونی، پایداری غشاء، پروتئین، کلروفیلa، کلروفیل b، کلروفیل کل و کارتنوئید کاهش و فقط پرولین افزایش یافت. نتایج این پژوهش با نتایجOmra  و همکاران )2023( مطابقت دارد که بیانگر تأثیر منفی تنش گرد و غبار بر کلروفیل و هدایت روزنه‌ای در درختان خرما بود.

جدول3- تجزیه واریانس تأثیر گرد و خاک بر ویژگی­های فیزیولوژیکی 11 ژنوتیپ گندم.

Table 3-Variance analysis of the effect of dust on the physiological characteristics of 11 wheat genotypes.

*، ** و ^ns به‌ترتیب بیانگر اختلاف معنی‌دار در سطح 5 درصد، 1 درصد و غیر معنی‌دار

*, ** and ^ns are significant at the 5% and 1% level and non-significant respectively

جدول4- تجزیه واریانس تأثیر گرد و خاک بر رنگیزه‌های فتوسنتزی 11 ژنوتیپ گندم.

Table 4- Variance analysis of the effect of dust on the photosynthetic pigments of 11 wheat genotypes.

*، ** و ^ns به‌ترتیب بیانگر اختلاف معنی‌دار در سطح 5 درصد، 1 درصد و غیر معنی‌دار

*, ** and ^ns are significant at the 5% and 1% level and non-significant respectively

از آنجایی‌که همه صفات مورد نظر معنی‌دار شدند، مقایسه میانگین صفات فیزیولوژی و رنگیزه‌های فتوسنتزی تحت تأثیر تنش پدیده گرد و خاک انجام شد.

محتوای نسبی آب برگ: این شاخص بر اثر تیمار گرد و خاک در ژنوتیپ‌های گندم کاهش نشان داد. کمترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₁₀ تحت تنش و بیشترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₆ شاهد است (شکل 1). شاخص RWC از برآورد میزان آبی که با روزنه‌ها و سایر منافذ از برگ خارج و یا آبی که توسط آوندهای چوبی وارد برگ‌ها می‌شود و سبب رسیدن برگ به حالت اشباع می‌شود، تعیین می­شود (Wang & Clarke, 1993). کاهش در محتوای نسبی آب برگ نشانگر کاهش فرآیندهای ریخت شناسی و فیزیولوژیکی در گیاه است. گرد و خاک سبب افزایش نفوذپذیری، هدر رفت آب و مواد مغذی سلول شده که منجر به پیری زودرس برگ‌ها می‌شود. همچنین این پدیده سبب کاهش فتوسنتز و ماده‌سازی در گیاه شده و به این ترتیب ریشه‌ی گیاه با کمبود مواد مغذی مواجه می‌شود. به همین علّت، پدیده گرد و خاک جذب آب از خاک را کاهش می‌دهد (Karami et al., 2017). از نظر بسیاری از پژوهشگران، این شاخص مطمئن‌ترین صفت در بررسی میزان آب برگ است. کاهش محتوای نسبی آب برگ در دو گونه سالسولا و سالیکورنیا بر اثر ریزگردها گزارش شده‌است (Alipour et al., 2023). همچنین نتایج این بررسی با نتایج Chaturvedi et al (2013) مطابقت دارد که نشان‌دهنده کاهش میزان محتوای نسبی آب برگ در اثر گرد و خاک است.

شکل 1- مقایسه میانگین محتوای نسبی آب برگ ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 1- Comparison of the average relative leaf water content of wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

نشت یونی و پایداری غشاء: نشت یونی بر اثر تیمار گرد و خاک در ژنوتیپ‌های مورد آزمایش کاهش یافت. کمترین مقدار مربوط به ژنوتیپG₁₁  تیمار و بیشترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₁₀ شاهد است (شکل 2). گونه‌های فعال اکسیژن منجر به پراکسیداسیون لیپیدهای غشاء و تغییر در نفوذپذیری غشاء و خسارت به سلول می‌شود. بنابراین، اندازه‌گیری آلدهیدهای تولید شده در طی پراکسیداسیون لیپیدها و سنجش میزان نشت یونی شاخص‌های خوبی برای اندازه‌گیری میزان آسیب اکسیداتیو وارد شده به غشاء هستند .(Bandeoglu et al., 2004)

شکل 2- مقایسه میانگین نشت یونی ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 2- Comparing the average ion leakage of wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

همچنین صفت پایداری غشاء در ژنوتیپ‌های مورد آزمایش بر اثر تنش کاهش یافت. کمترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₁₀ تیمار و بیشترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₃ شاهد است (شکل 3). در گیاهانی که در معرض تنش‌های محیطی قرار دارند، نفوذپذیری غشاهای سلولی به علّت صدمات ناشی از تجمع گونه‌های فعال اکسیژن به‌ویژه یون‌های پراکسید، افزایش نشان داد که این امر منجر به کاهش تمامیت غشاءها می‌شود. به همین علّت توان غشای سلولی برای کنترل ورود و خروج مواد نیز کاهش می‌یابد (Yang et al., 2009) و این پژوهش با نتایج Karami et al (2017) مطابقت دارد.

شکل 3- مقایسه میانگین پایداری غشاء ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 3- Comparing the average membrane stability of wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

پرولین: بر اثر تیمار گرد و خاک، فقط پرولین در ژنوتیپ‌های مورد آزمایش افزایش یافت. کمترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₂ شاهد و بیشترین مقدار مربوط به ژنوتیپ G₈ تیمار است (شکل 4). از سازوکار­های دفاعی مورد استفاده توسط گیاهان عالی تحت تنش‌های محیطی، افزایش متابولیت‌های سازگار مانند پرولین است. اسید آمینه پرولین بدون شک به عنوان یک نشانگر تنش در نظر گرفته می‌شود. افزایش غلظت آن فراوان‌ترین و عمومی‌ترین پاسخی است که به ‌محض ایجاد تنش مشاهده می‌شود و سطح آن اغلب توسط زیست‌شناسان اندازه‌گیری می‌شود (Sanchita et al., 2015; Suriyan & Chalermpol, 2009). رسوب ذرات سیمانی بر روی برگ درخت زیتون سبب کاهش محتوای کلروفیل a،b  و کلروفیل کل برگ شده است. کاهش میزان کلروفیل می‌تواند به علّت تغییر متابولیسم نیتروژن و استفاده بیشتر از گلوتامات (به عنوان ماده اولیه سنتز پرولین و کلروفیل) در مسیر سنتز پرولین باشد که در تنظیم اسمزی به‌کار می‌رود ( De La Rosa-Ibarra & Maiti, 1995). پرولین با تنظیم اسمزی، جلوگیری از تخریب آنزیم‌ها و پاک کردن رادیکال‌های هیدروکسیل، تحمّل گیاهان در برابر تنش‌ها را افزایش می‌دهد (Dar et al., 2016). هر اندازه در پاسخ به تنش، مقدار پرولین بیشتری تولید شود، تنظیم اسمزی بهتری شکل می‌گیرد (Naresh et al., 2013). گرد و خاک نور ورودی به تاج پوشش را کاهش داده و در شرایط تنش، تجمع پرولین در برگ به‌عنوان یک راهبرد دفاعی در تنظیم اسمزی گیاه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است (Nelson & Ilias, 2007).

شکل 4- مقایسه میانگین پرولین در ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 4- Comparison of average proline in wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

پروتئین: بر اثر تیمار گرد و خاک پروتئین ژنوتیپ‌های مورد آزمایش کاهش نشان داد. کمترین و بیشترین مقدار به ترتیب مربوط به ژنوتیپ G₉ تیمار و ژنوتیپ G₈ شاهد است (شکل 5). در واقع کاهش محتوای پروتئین در اثر تنش، به علّت کاهش میزان تولید پروتئین، افزایش تجزیه پروتئین در اثر افزایش فعالیت آنزیم پروتئاز و یا تخریب توسط گونه‌های فعال اکسیژن است (Rai, 2016; Cha-um & Kirdmanee, 2009). در شرایط طبیعی میزان تولید رادیکال‌های آزاد اکسیژن اندک است، امّا در شرایط تنش میزان تولید گونه‌های فعال اکسیژن مانند پراکسید هیدروژن، سوپر اکسیداکسیژن آزاد و سایر رادیکال‌های هیدروکسیل افزایش می‌یابد که این عوامل توسط واکنش با اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و پروتئین‌ها سبب تخریب پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها می‌شود (Zhou et al., 2006).

شکل 5- مقایسه میانگین پروتئین در ژنوتیپ‌های گندم تحت تأثیر تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 5- Comparison of average protein in wheat genotypes under dust and soil stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

کلروفیل: کلروفیل ماده سبزرنگ موجود در کلروپلاست و عامل اصلی فتوسنتز در گیاهان سبز محسوب می‌شود. پژوهش­های مختلف گویای تأثیر پذیری کلروفیل به‌عنوان مهم‌ترین رنگیزه فتوسنتزی از تنش‌های مختلف زیستی و غیرزیستی است. همچنین پژوهش‌ها نشان دادند اعمال تیمار گرد و خاک منجر به کاهش محتوای رنگدانه‌های گیاهان می‌شود (Jongschaap & Booih, 2004). این شاخص بر اثر تیمار گرد و خاک در ژنوتیپ‌های مورد بررسی کاهش یافت. کم‌ترین مقدار برای کلروفیل a G₁₀ تیمار، کلروفیل b، G₆ تیمار، کلروفیل کل نیز G₆ تیمار و بیشترین مقدار برای کلروفیل a، G₁₁ شاهد، کلروفیل b، G₆ شاهد و کلروفیل کل G₁₁ شاهد است (شکل 6). رنگدانه‌های کلروفیل از مهم‌ترین فاکتورهای زیستی گیاه به شمار می‌رود که تنش‌های محیطی منجر به کاهش آن‌ها می‌شود. رسوب گرد و غبار با پوشاندن سطح برگ و مسدود شدن روزنه‌ها سبب کاهش اکسیژن و جذب نور و نیز کاهش سنتز رنگدانه‌های فتوسنتزی و مشتقات آن می‌شود (Horton & Ruban, 2004). افزایش فعالیت آنزیم کلروفیلاز که عامـل اصلی تجزیه کلروفیل است، از مهم‌ترین عوامل کاهش رنگدانه‌های کلروفیل تحت تأثیر ذرات گرد و غبار است (Loggini et al., 1999). در اثر سایه‌اندازی ذرات گرد و غبار، دهانه روزنه‌ها مسدود و دمای برگ بیشتر می‌شود و این امر به افزایش میزان این آنزیم منجر می­شود (Moradi et al., 2017). همچنین، شرایط قلیایی برگ به علّت تأثیر ذرات گرد و غبار سبب کاهش رنگدانه‌های کلروفیل می‌شود (Wen et al., 2011). از عوامل دیگری که کلروفیل را کاهش می‌دهد، می‌توان به افزایش فرم‌های اکسیژن فعال (رادیکال سوپراکسیداز، هیدروژن پراکسیداز و رادیکال‌های هیدروکسیل) اشاره کرد. با توجه به اینکه ذرات گرد و خاک اعمال شده در این پژوهش، کمتر از 53 میکرون قطر داشتند، بسته شدن روزنه‌ها توسط گرد و خاک قابل پیش‌بینی است. در اثر بسته شدن روزنه‌ها، فرم‌های اکسیژن فعال افزایش می‌یابد (Shahbazi et al., 2016). این فرایند به پراکسیداسیون لیپیدهای غشاء منجر و در نتیجه، کلروفیل تخریب می‌شود (Gong et al., 2003). کاهش نور طی دوره آزمایش و تغییرات عناصر ضروری برای بیوسنتز، علّت دیگری برای کاهش فعالیت فتوسنتزی رنگدانه‌ها در گیاهان است (Brandt & Rhoades, 1973).

شکل 6- مقایسه میانگین کلروفیل در ژنوتیپ‌های گندم تحت تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 6- Comparison of average chlorophyll in wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

کارتنوئید: این شاخص بر اثر تیمار گرد و خاک در ژنوتیپ‌های مورد بررسی کاهش نشان داد. به طور نسبی کمترین و بیشترین مقدار به ترتیب مربوط به G₈ تیمار و G₁₁ شاهد است (شکل 7). کارتنوئیدها گروهی از رنگدانه‌های طبیعی محلول در چربی هستند که نقش مهمی در گیاهان دارند. با توجه به این‌که وظیفه کارتنوئید، محافظت از کلروفیل و جلوگیری از تخریب نوری در برابر شدت نور بالاست، منطقی است که به علّت سایه حاصل از ذرات گرد و غبار و کاهش شدت نور، میزان کارتنوئید نیز کاهش یابد (Agbaire et al., 2017). علاوه بر این، در تنش‌های محیطی مقدار هورمون آبسزیک اسید به عنوان عامل بازدارنده رشد افزایش می‌یابد‌؛ به عبارت دیگر، کاهش کارتنوئید می‌تواند به علّت تبدیل آب بـه هورمون آبسزیک اسید باشد (Allen et al., 1998). محتوای کارتنوئید در برگ‌های گیاهان، تحت تأثیر غلظت‌های مختلف رسوب گرد و خاک است (Shah et al., 2018). رسوب گرد و خاک سبب کاهش محتوای کارتنوئید برگ‌های گیاهان می‌شود و از این نظر ارتباط منفی بین میزان گرد و خاک و محتوای کارتنوئید مشاهده شده است. گرد و غبار نقش مهمی در مهار فعالیت فتوسنتزی دارد که ممکن است منجر به کاهش محتوای کارتنوئید گیاهان شود (Neves et al., 2009). از دلایل دیگر کاهش محتوای کارتنوئید، حساسیت کارتنوئید به So₂ (Steubing et al., 1989) و تجمع فلزات سنگین از ذرات غبار کنار جاده بیان شده است (Salt et al., 1995). کارتنوئید به‌عنوان رنگیزه کمکی مؤثر است و نقش‌های مهمی مانند محافظت از غشاء تیلاکوئید و جلوگیری از فتواکسیداسیون کلروفیل را بر عهده دارد Lawlor & Cornic, 2002)).

شکل 7- مقایسه میانگین کارتنوئید در ژنوتیپ‌های گندم تحت تنش گرد و خاک، میانگین سه تکرار ± خطای آزمایشی، حروف کوچک نشان‌دهنده تفاوت معنی‌داری در سطح P≤0.05

Figure 6- Comparison of average carotenoids in wheat genotypes under dust stress, mean of three replicates ± SE. Lowercase letters indicate significant differences at the P≤0.05 level

نتیجه‌گیری

ذرات گرد و خاک به صورت مستقیم و غیرمستقیم بر روی رشد و نمو گیاهان تأثیر دارند. پژوهش­ها نشان دادند دریافت تنش در سطح مولکولی، بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی به عواملی نظیر ژنوتیپ، سطح تنش (شدت و مدّت تنش) و نیز مرحله رشد و نموی گیاه بستگی دارد. بنابراین انتخاب ژنوتیپ‌های مقاوم به تنش برای تداوم‌پذیری کشت و تولید بهینه محصولات اهمیت دارد (George & Ilias, 2007).

نتایج این پژوهش نشان دادند اعمال تنش گرد و خاک منجر به کاهش محتوای کلروفیل و کاروتنوئید در برگ شده است که با پژوهش Chameides et al. (1999) مطابقت دارد. این پژوهش­ها نشان دادند گرد و خاک با خسارت بر بافت‌های سبز و کاهش محتوای رنگیزه‌های گیاهی منجر به کاهش تولید و در نهایت کاهش رشد گیاهان می‌شوند.

پژوهش حاضر به بررسی اثر گرد و خاک در شرایط شبیه‌سازی شده بر صفات فیزیولوژی و رنگیزه‌های فتوسنتزی 11 ژنوتیپ گندم پرداخته‌است. در مجموع گرد و خاک بر اغلب ویژگی‌های فیزیولوژی گیاه اثر معنی‌داری داشت؛ بدین صورت که در اثر تنش گرد و خاک، محتوای نسبی آب برگ، نشت یونی، پایداری غشاء، پروتئین، کلروفیلa، کلروفیل b، کلروفیل کل و کارتنوئید کاهش یافته و تنها مقدار پرولین افزایش یافت. در نهایت با توجه به نتایج به دست آمده، ژنوتیپ‌های G₁₁ و G₆ در برابر تنش گرد و خاک پاسخ بهتری نشان دادند و این ژنوتیپ‌ها می‌توانند به‌عنوان گزینه کاندید برای گیاه متحمل به این تنش باشند.