تأثیر ملاتونین و سروتونین بر فاکتورهای فتوسنتزی در دو رقم گیاه کلزا تحت تأثیر تنش فلز سنگین سرب

کلزا با نام علمی Brassica napus L. یکی از مهم­ترین گیاهان روغنی سراسر جهان است. منشاء این گیاه یک­ساله 7500 سال پیش از هیبریداسیون خود به خود بین گونه‌های کلم (Brassica olearacea) و شلغم (Brassica campestirs) است. دانه کلزا به عنوان مهم‌ترین قسمت گیاه حاوی درصد بالایی روغن و پروتئین است، علاوه بر این اجزای دیگری از جمله گلوکوزینولات‌ها، فنل‌ها، اسیدفیتیک‌ها، سلولز و قند در آن وجود دارد (Raboanatahiry et al., 2021). گیاهان خانواده براسیکاسه به علّت توانایی تولید سطوح بالایی از گلوتاتیون و فیتوکلاتین و ظرفیت انباشت بالا برای ذخیره یون­ها ازجمله گیاهان مقاوم نسبت به سمیت فلزات سنگین محسوب می­شوند (Rosca et al., 2021). امروزه افزایش آلاینده­های محیطی به­ویژه فلزات سنگینی از جمله سرب، کادمیوم، مس، روی، کروم و آرسنیک یکی از عمده‌ترین معضلات زیست محیطی و بهداشتی است که زمین­های کشاورزی را در تمام نقاط جهان آلوده کرده است. این آلودگی ناشی از مصرف بیش از حد کودهای فسفاته، پساب‌های شهری، صنعتی و گرد و غبار کارخانه‌ها است که تهدیدی برای سلامت موجودات زنده به شمار می‌آید (Yadav, 2010). استفاده از پساب‌های شهری و صنعتی برای آبیاری محصولات کشاورزی تحت شرایط کمبود منابع آب شیرین یک روش معمول در نقاط مختلف جهان است. متاسفانه آبیاری طولانی مدت زمین‌های کشاورزی با فاضلاب شهری تصفیه نشده منجر به تجمع سطوح بالای فلزات سنگین مختلف در خاک می‌شود (Turan et al., 2018; Guadie et al., 2021). آلودگی فلزات سنگین بر فعالیت‌های زیستی و حاصلخیزی خاک، متابولیسم گیاهان، تنوع زیستی و نیز سلامت انسان در مقیاس بسیار بزرگ تأثیر منفی دارد (Chakraborty & Newton, 2011). این فلزات در سلول‌های گیاهی تجمع یافته و به اختلال در فعالیت‌های متابولیکی از جمله فعالیت‌های زیستی، فیزیولوژیکی، فتوسنتز و مهار تنفس، زوال اجزای اولیه سلولی، تأخیر رشد، کلروز، کاهش عملکرد، ریزش زودرس برگ، به تعویق افتادن هاگ­زایی، پیری، از دست دادن فعالیت آنزیم­ها و حتی مرگ گیاه منجر می‌شود (Sharma et al., 2020). از جمله دلایل سمّیت فلزات سنگین برای موجودات زنده به ایجاد تنش اکسیداتیو در نتیجه تحریک رادیکال­های آزاد، اتصال به مولکول­های آلی و تخریب آن­ها، جایگزینی دیگر فلزات ضروری در رنگدانه­ها یا آنزیم­ها و تخریب کارکرد آن­ها، اتصال به گروه­های سولفیدریل در پروتئین­ها و در نتیجه برهم زدن ساختار و کارکرد پروتئین­ها می­توان اشاره کرد (Gavrilescu, 2022). از بین عناصر شناخته شده، 53 عنصر به عنوان فلز سنگین شناسایی شده­اند که در این میان، سرب یک فلز غیر قابل تجزیه زیستی است که در طبیعت در مقادیر نسبتاً کم یافت می‌شود. در بین فلزات سنگین، سرب به­راحتی توسط سیستم ریشه‌ای گیاه جذب شده و سمیت 2 تا 20 برابری نسبت به سایر فلزات سنگین دارد. از این رو یکی از آلاینده‌های اصلی جوامع بشری است که برای سلامتی انسان مشکلات زیادی را ایجاد می‌کند. افزایش مقادیر بیش از حد مطلوب سرب در بدن انسان به ویژه کودکان سبب ناهنجاری‌های ذهنی می‌شود (Khan et al., 2016; Mitra et al., 2022; Ma et al., 2016; Mahmoudi et al., 2023) و از فعالیت تعدادی آنزیم به علّت تشابه ساختاری یونی با کلسیم جلوگیری می­کند (Amari et al., 2017). مهم­ترین تأثیر این فلز، اثر بر سیستم فتوسنتزی گیاه است و سبب کاهش 4 یا 5 برابری کارایی فتوسیستم II می‌شود. فتوسنتز از حساس­ترین فرآیندهای متابولیکی نسبت به سمیت سرب است و پژوهش­های متعددی بازدارندگی فتوسنتز تحت تنش سرب در گیاهان مختلف نشان داده است(Asadi et al., 2019). فتوسنتز یک فرآیند متابولیک بسیار مهم در گیاهان و برگ است و فلورسانس کلروفیل ارتباط نزدیکی با فرآیندهای مختلف واکنش در فتوسنتز دارد. تأثیر هر عامل محیطی بر فتوسنتز را می­توان با دینامیک فلورسانس کلروفیل برگ منعکس کرد؛ بنابراین، فلورسانس کلروفیل یک پروب داخلی ایده­آل برای تشخیص تغییرات دینامیکی فتوسنتز گیاهان است (Qin et al., 2023). تنش فلز سنگین اغلب منجر به کاهش فعالیت PSII و PSI گیاه می­شوند (Baycu et al., 2017). F_v/F_m یک شاخص مهم از فعالیت فتوشیمیایی در PSII در نظر گرفته می­شود و ΔI/I₀ شاخص مهمی برای نشان دادن فعالیت PSI است (Mlinaric et al., 2017; Zhang et al., 2018). همچنین غلظت بالای این فلز سبب اختلال یا حتی مهار فعالیت‌های آنزیم‌های کلیدی مانند اسیدفسفاتاز، استراز‌ها، پراکسیداز‌ها، مالیک دهیدروژناز با واکنش گروه‌های سولفیدریل می‌شود. همچنین غلظت بالای سرب محرک تولید گونه‌های اکسیژن فعال بوده و در نتیجه سبب استرس اکسیداتیو در بافت‌ها می‌شود (Pourrut et al., 2011). در همین راستا چندین پژوهش با هدف مدیریت روش‌هایی که می‌توانند تحمل فلزات سنگین را در گونه‌های براسیکا بهبود بخشند انجام شده است. یکی از موثرترین این روش­ها استفاده از تنظیم کننده­های رشد گیاهی است (Rizwan et al., 2016).

به تازگی محلول‌پاشی مواد مختلف مانند نانوذرات، پلی­آمین‌ها، پرولین و ملاتونین برای کاهش توزیع فلزات سنگین در گیاهان و بهبود تحمل آن­ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. پژوهش­های قبلی نشان دادند ملاتونین دارای توانایی بالا برای کاهش تنش فلزات سنگین در گیاهان است (Dradrach et al., 2022). تنظیم کنند‌ه­های رشد گیاهی می‌توانند رشد و نمو گیاهان را با تغییر در فرآیندهای زیستی کاهش یا افزایش دهند. این ترکیبات به عنوان مولکول‌های سیگنالینگ عمل می‌کنند و با حفظ انعطاف‌پذیری گیاه در طول رشد و نمو از عوامل اصلی پاسخ دهنده به تنش‌های زیستی و غیر زیستی در گیاهان محسوب می‌شوند (Sabagh et al., 2021) که در غلظت­های کم نیز فرآیندهای فیزیولوژیکی گیاه را تحت تأثیر قرار می­دهند (Hemmati Hassan Gavyar et al., 2023). سروتونین (5-هیدروکسی تریپتامین) و ملاتونین (ان-استیل 5- متوکسی تریپتامین) هر دو از مولکول­های مهم سیگنال­دهی و آنتی­اکسیدانی در گیاهان هستند که در فرآیند­های مختلف گیاهی همبستگی عملکردی دارند. بیوسنتز هر دو در ابتدا با پیش­ساز ال-تریپتوفان شروع شده ولی ملاتونین با یکسری واکنش­های آنزیمی از سروتونین سنتز می‌شود (Mannino et al., 2021; Pelagio-Flores & Lopez-Bucio, 2016). ملاتونین با حفظ عملکرد فتوسیستم II و کاهش بیان ژن­های مربوط به آنزیم کلروفیلاز کاهش در محتوای کلروفیل را به تاخیر می‌اندازد. ملاتونین با اعمالی از جمله تنظیم رشد، تولید مثل، رشد ریشه و شاخساره، تاخیر در روند پیری بافت، حفاظت از اندام‌های گیاهی در طی تنش‌ها را تنظیم می‌کند. ملاتونین به علت اندازه کوچک و طبیعت دوگانه آبدوستی- چربی دوستی به آسانی از غشاء عبور می‌کند و وارد سلول می‌شود (Shi et al., 2020). اثرات آلودگی سرب بر ویژگی­های فتوسنتزی و فاکتورهای فلورسانس کلروفیل در جمعیت­های مختلف گیاه  Miscanthus floridulusنشان داد مقدار F_v/F_m با افزایش درجه تنش کاهش یافته که می-تواند به علّت تنش نوری یا آسیب به مرکز واکنش PSII باشد (Qin et al., 2023). نتایج تأثیر سمی فلزات سنگین سرب و کادمیوم بر روی عملکرد فتوسنتزی نهال توت (Morus alba) نشان داد تنش سرب و کادمیوم سبب کاهش فعالیت فتوشیمیایی PSII و PSI در برگ توت و نیز محدودیت انتقال الکترون خطی در PSII شد (Huihui et al., 2020). نتایج پژوهش دیگری نشان داد تجمع فلز سرب در ریشه گیاه کلزا بیش­تر از ساقه است و سبب مهار فعالیت آنزیم­ها، اختلال در تغذیه و رشد گیاه، آسیب به دیواره سلولی و غشاء شده و با افزایش غلظت سرب در خاک میزان فتوسنتز و رنگدانه­های فتوسنتزی نیز کاهش می‌یابد (Ferreyroa et al., 2017). همچنین نتایج نشان دادند کاربرد خارجی ملاتونین بر تنش فلز سنگین کبالت روی گیاه کلزا سبب بهبود ریخت شناسی گیاه، دستگاه فتوسنتزی، تنظیمات اسمزی و دفاع آنتی­اکسیدانی می­شود (Ali et al., 2023). در پژوهشی بر روی گیاه Brassica juncea تحت تنش فلز سنگین مس مشاهده شد اسپری ملاتونین در غلظت 40 میکرومولار با بهبود فاکتورهای فلورسانس و فتوسنتز، کاهش استرس اکسیداتیو و بهبود جذب و انتقال مواد به اندام­های هوایی، تحمل گیاه در برابر تنش را افزایش داد (Mir et al., 2022). علاوه بر این گزارش­های مختلفی در زمینه نقش ملاتونین در بهبود پاسخ­های گیاه به تنش­هایی از جمله خشکی (Sher et al., 2023; Jensen et al., 2023) و شوری (Ahmad et al., 2023; Eisa et al., 2023) ارائه شده است. پژوهشگران بر تأثیر رقم، روی پاسخ­های زراعی گیاهان نسبت به تنش­های محیطی تاکید دارند (Abdel-Motagally & El-Zohri, 2018; Chiango et al., 2021). درپژوهشی با بررسی رقم­های مختلف کلزا تحت تنش خشکی مشخص شد رقم RGS003 به عنوان رقم سازگار با آب و هوای گرم و خشک برای کشت در شرایط ناپایدار منابع آبی مناسب­تر بود و رقم دلگان با میانگین عملکرد دانه و روغن بیش­تر در تمامی تاریخ­های کشت پائیزه و زمستانه، به عنوان رقم برتر برای کاشت در مناطق معتدل سرد با اقلیم­های خشک و نیمه خشک توصیه شده است (Eslam, 2018; Qasemi et al., 2022). ملاتونین بر کارایی فتوسنتزی و نیز در کاهش تخریب کلروفیل و افزایش کارایی فتوسنتزی تحت تنش غیرزیستی با تنظیم تجمع و عملکرد بیومولکول­های کلیدی، از جمله آنزیم روبیسکو، پروتئین­ها، کلروفیل­ها و ترکیبات مرتبط با نیتروژن نقش دارد (Lin et al., 2020). در گیاهان ذرت (Zea mays) با تیمار ملاتونین، محتوای روبیسکو افزایش یافت (Zhao et al., 2015). در برنج، تیمار با ملاتونین سبب کاهش قابل توجهی در تخریب کلروفیل، همراه با سرکوب در سطوح رونوشت ژن‌های مرتبط با پیری شد (Liang et al., 2015). در برگ­های درخت سیب که ظرفیت فتوسنتزی آن­ها به علّت تنش تا حدی مهار شد، ملاتونین توانست کارایی فتوسیستم II را در شرایط تاریکی و روشنایی بهبود بخشد، همچنین به برگ اجازه داد تا ظرفیت بالاتری را برای جذب CO₂ و هدایت روزنه­ای ایجاد کند (Wang et al., 2013). تأثیر مثبت استفاده از ملاتونین بر رنگدانه­های فتوسنتزی و افزایش مراکز واکنش فتوسیستم II نیز گزارش شده است (Lazar et al., 2013).  با توجه به اینکه شاخص­های فتوسنتزی سنجش­های مناسبی برای مقایسه پاسخ­های فیزیولوژیکی گیاهان هستند، در پژوهش حاضر، برای بررسی تأثیر کاهش دهنده احتمالی تنظیم کننده­های رشد گیاهی ملاتونین و سرتونین بر سمیت سرب، پاسخ­های فتوسنتزی رقم­های RGS00s (به عنوان رقم مقاوم به تنش­های غیر زیستی) و دلگان (به عنوان رقم حساس به تنش­های غیر زیستی) مورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روش­ها

این پژوهش در قالب آزمایشی فاکتوریل بر پایه طرح کامل تصادفی در چهار تکرار در گلخانه تحقیقاتی دانشگاه لرستان انجام شد. بذرهای دو رقم از گیاه کلزا (دلگان و RGS00s) از موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج تهیه شد. بذرها با محلول هیپوکلریت سدیم 5/0 درصد به مدت 5 دقیقه ضدعفونی و پس از شستشو با آب مقطر به گلدان­های حاوی پرلیت منتقل شدند. گلدان­ها در اتاقک رشد (16 ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی با دمای 25 درجه سانتی­گراد) قرار گرفتند. آبیاری و اضافه کردن محلول غذایی هوگلند با فواصل منظم انجام شد. در هفته ششم، ابتدا تیمارهای ملاتونین و سروتونین به صورت جداگانه به شکل اسپری برگی با غلظت­های 100 میکرومولار سه بار در روز با فواصل 4 ساعت انجام شد (Huang et al., 2019) به طوری­که تمامی اندام­های هوایی گیاه خیس شدند و همزمان برای اعمال تنش فلز سنگین سرب از نمک استات سرب با غلظت­های 2000 و 4000 میلی­گرم بر لیتر استفاده شد. اعمال تنش به صورت تدریجی و در طی دو مرحله به فاصله زمانی سه روز انجام شد. علت این امر ایجاد سازگاری بهتر گیاه با تنش فلز سنگین و جلوگیری از بروز تنش ناگهانی ناشی از افزودن فلز سنگین بود. در هفته نهم رشد هنگامی که گیاهان آثار ریخت شناسی تنش فلز سنگین سرب را نشان دادند، میزان فلورسنس کلروفیل a و تبادلات گازی  اندازه­گیری شد. نمونه­ها پس از سنجش داده های فلورسنس جهت اندازه­گیری وزن تر و خشک و سنجش محتوای رنگیزه­ها جمع آوری و در دمای 70- درجه سانتی­گراد نگهداری شد.

اندازه­ گیری وزن تر و خشک اندام هوایی

 وزن تر نمونه­ها هنگام برداشت توسط ترازوی دقیق اندازه­گیری انجام شد و نمونه­ها تا زمان خشک شدن به مدت 72 ساعت در آون 72 درجه سانتی­گراد قرار گرفتند، سپس وزن خشک آن­ها نیز اندازه­گیری شد (Moradi Rikabad et al., 2019).

سنجش رنگیزه­های فتوسنتزی

مقدار 1/0 گرم از برگ تازه را وزن کرده و در هاون چینی، با نیتروژن مایع پودر و به خوبی له شد. سپس 10 میلی­لیتر استون 100 درصد به نمونه اضافه کرده، سپس نمونه ها در دستگاه سانتریفیوژ (مدلSigma 3-16K ، آلمان) با سرعت6000 دور در دقیقه به ­مدّت 10 دقیقه قرار داده شدند. جذب عصاره جدا شده توسط دستگاه اسپکتروفتومتر (مدل UV-3200, MAPADA، شانگهای) در طول موج‌های 662، ۶۴۵ و 470 نانومتر خوانده شد و در نهایت با فرمول­های زیر میزان کلروفیلa ، b و کاروتنوئیدها بر حسب میلی‌گرم بر گرم وزن تر نمونه به­دست آمد (Lichtentaler, 1987).

Chl a= 11.24×A₆₆₂-2.04×A₆₄₅

Chl b=20.13×A₆₄₅-4.19×A₆₆₂

Carotenoid=1000 × (A₄₇₀-1.90 Chl a-63.14 Chl b)/214

 سنجش تبادلات گازی

برای سنجش فتوسنتز خالص،CO₂  درون سلولی، هدایت روزنه­ای و تعرق از دستگاه سنجش تبادلات گازی برگ (مدل CI-340 Handheld photosynthesis system) استفاده شد. اساس کار این دستگاه بر میزانCO₂  مصرفی است و برای رعایت شرایط استاندارد در تمامی تیمارها از برگ­های دوم و سوم (برگ­های یک پنجم بالایی گیاه) استفاده شد (Parad et al., 2016).

 سنجش فلورسانس کلروفیل a

برای سنجش فاکتورهای فلورسانس کلروفیل (جدول 1) از محل میانه برگ و بین رگبرگ اصلی و لبه آخرین برگ توسعه یافته هر گیاه از دستگاه فلوریمتر (Pockt PEA, Hansatech, UK) استفاده شد. برای این کار برگ­ها به مدت 20 دقیقه در تاریکی قرار داده شدند و نور قرمز در حد اشباع (3000 میکرومول فوتون برمترمربع برثانیه) با LEDهای مخصوص به سطح برگ تابانده شد. پس از ثبت اطلاعات اولیه فلورسانس توسط دستگاه فلوریمتر، فاکتورهای F_m، F₀، F_v، F_v/F_m، F_v/F₀ و F₀/F_m، PI Ins.، PI total، _RC/(1-ᵞ_RC)ᵞ، ω_o/(1- ω_o) ، _po/(1-φ_po)φ و δ_Ro/(1- δ_Ro) تعیین شدند (Yaghoubian et al., 2016).

جدول 1- شاخص‌های استخراج شده از اطلاعات اولیه فلورسنس کلروفیل  a

Table 1- Parameters extracted from the initial information of chlorophyll a fluorescence

 آنالیز آماری

تجزیه و تحلیل داده­ها با نرم­افزارSPSS 22 ، مقایسه میانگین­ها توسط آزمون دانکن (در سطح پنج درصد) و رسم  شکل‌ها با نرم­افزار Excel انجام شد.

نتایج

وزن تر و خشک گیاه

نتایج نشان دادند تنش فلز سنگین سرب میزان وزن تر اندام هوایی را در هر دو رقم کلزا به طور معنی­داری کاهش داد. به طوری که بیش­ترین میزان وزن تر در گروه شاهد به ترتیب در رقم­هایRGS00s  و دلگان (62/4 و 8/5 گرم) و کم­ترین میزان وزن تر در تنش شدید سرب (69/1 و 01/2 گرم) مشاهده شد. همچنین با افزایش تنش فلز سنگین سرب میزان وزن خشک اندام هوایی هر دو رقم کلزا کاهش یافت. کاربرد خارجی ملاتونین و سروتونین در هر دو رقم در تنش­های متوسط و شدید سرب منجر به بهبود وزن خشک اندام هوایی شد. از سوی دیگر، بیش­ترین وزن خشک در رقم دلگان و RGS00s متعلق به تیمار ملاتونین در تیمار شاهد (بدون تنش سرب) به ترتیب به میزان 393/0 و 387/0 گرم بود (شکل 1).

شکل 1- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر وزن تر و خشک گیاه کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 1- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on shoot fresh and dry weight of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

  محتوای رنگدانه­های فتوسنتزی

تنش فلز سنگین سرب منجر به کاهش میزان کلروفیل­ها و کارتنوئید در مقایسه با گروه شاهد شد. در رقم RGS00s و در شرایط تنش شدید سرب، کاربرد خارجی ملاتونین و سروتونین سبب افزایش معنی­دار محتوای کلروفیل a، b و کارتنوئید شد و این افزایش در تیمار ملاتونین مشهودتر بود. بیش­ترین محتوای کلروفیل a (39/2 میلی­گرم بر گرم وزن تر)، کلروفیل b (16/1 میلی­گرم بر گرم وزن تر) و کارتنوئید (13/8 میلی­گرم بر گرم وزن تر) در تیمار ملاتونین در شرایط بدون تنش به دست آمد (شکل 2).

شکل 2- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر محتوای رنگدانه­های فتوسنتزی کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 2- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on photosynthesis pigments content of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

در رقم دلگان نیز، در تیمارهای تحت تنش سرب، محتوای رنگدانه­ها تحت تاثیر کاربرد ملاتونین و سروتونین افزایشی بود. بیش­ترین میزان کلروفیل a (08/2 میلی­گرم بر گرم وزن تر)، کلروفیل b (94/0 میلی­گرم بر گرم وزن تر) و کارتنوئید (69/6 میلی­گرم بر گرم وزن تر) در رقم دلگان، متعلق به تیمار سروتونین در شرایط بدون تنش بود. در شرایط تنش سرب، تیمارهای ملاتونین مقادیر کلروفیل و کارتنوئید بالاتری نسبت به گروه شاهد از خود نشان دادند (شکل 2).

 شاخص­های تبادلات گازی

نتایج پژوهش حاضر نشان داد افزایش تنش فلز سنگین سرب منجر به کاهش معنی­دار نرخ فتوسنتز خالص در هر دو رقم دلگان و RGS00s شد. این کاهش در مقایسه با گروه شاهد در رقم RGS00s برای تیمارهای متوسط و شدید سرب به ترتیب 04/53 و 48/94 درصد و برای رقم دلگان به ترتیب 46 و 90/93 درصد بود (شکل 3). در هر دو رقم تأثیر تعدیل کننده سروتونین و ملاتونین در تیمار تنش شدید فلز سنگین سرب قابل توجه بود و سبب کاهش در روند تأثیر مخرب تنش سرب شد (جداول 2 و 3). بیش­ترین (06/43 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) و کم­ترین (93/1 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) میزان فتوسنتز خالص در رقم دلگان به ترتیب متعلق به تیمارهای سروتونین در شرایط بدون تنش و تیمار تنش شدید سرب بود (شکل 2). بیش­ترین (73/41 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) و کم­ترین (93/1 میکرومول بر مترمربع بر ثانیه) میزان فتوسنتز برای رقم RGS00s نیز در تیمارهای سروتونین در شرایط بدون تنش و تیمار تنش شدید سرب به دست آمد (شکل 3).

تنش فلز سنگین سرب میزان تعرق را در هر دو رقم RGS00s و دلگان را به طور معنی­داری افزایش داد و کاربرد ملاتونین و سروتونین تأثیر متفاوتی بر جای گذاشت و در گروه شاهد موجب افزایش و در گروه­های تنش سبب کاهش میزان تعرق شد. بیش­ترین مقدار تعرق در رقم RGS00s و دلگان به ترتیب در گروه شاهد (56/9 و 26/7 میلی­مول بر مترمربع بر ثانیه) و کم­ترین مقدار در تیمار شدید سرب (26/1 و 2/3 میلی­مول بر مترمربع بر ثانیه) مشاهده شد (شکل 3). در هر دو رقم در تیمار تنش شدید سرب، افزایش برای رقم RGS00s 36 و در رقم دلگان 44/52 درصد بود (جداول 2 و 3).

نتایج پژوهش حاضر نشان داد هدایت روزنه­ای هر دو رقم کلزا تحت تنش فلز سنگین سرب بود، به گونه­ای که با افزایش تنش در هر دو رقم میزان هدایت روزنه­ای کاهش یافت. بیش­ترین مقدار هدایت روزنه­ای در رقم­های RGS00s و دلگان به ترتیب در تیمار سروتونین در گروه­های شاهد (96/0 و 961/0 میلی­مول بر مترمربع بر ثانیه) و کم­ترین میزان به ترتیب در تیمار ملاتونین در تنش متوسط و تیمار شدید سرب (36/0 و 46/0 میلی­مول بر مترمربع بر ثانیه) مشاهده شد (شکل 3). استفاده خارجی ملاتونین و سروتونین در هر دو رقم در هر دو تیمار متوسط و شدید سرب سبب افزایش هدایت روزنه­ای شد. کاهش هدایت روزنه­ای در تیمار شدید سرب در رقم دلگان 62/72 درصد و برای رقم RGS00s 61/28 درصد بود (جداول 2 و 3).

شکل 3- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخص­های تبادلات گازی کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 3- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on gas exchange index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

با افزایش تنش فلز سنگین سرب روند کاهشی معنی­داری در مقدار CO₂ درونی هر دو رقم گیاه کلزا مشاهده شد. در تنش سرب، استفاده خارجی سروتونین و ملاتونین در رقم دلگان و RGS00s سبب افزایش غلظت CO₂ درونی شد، به طوری که بیش­ترین مقدار CO₂ در تیمار سروتونین در گروه شاهد به ترتیب در رقم RGS00s و دلگان (33/595 و 66/588 میکرومول CO₂ بر مترمربع) و کم­ترین میزان CO₂ در تنش شدید سرب (5/160 و 66/160 میکرومول CO₂ بر مترمربع) مشاهده شد. میزان کاهش غلظت CO₂ در تنش شدید برای رقم RGS00s 67/67 درصد و برای رقم دلگان 1/65 درصد بود (شکل 3).

جدول 2- درصد تغییرات شاخص­های تبادلات گازی کلزا با کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین تحت تنش فلز سنگین در رقم RGS00s.

Table 2- Percentage changes of gas exchange indices of Brassica napus L. with foliar application of melatonin and serotonin under heavy metal stress in RGS00s CV.

Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

جدول 3- درصد تغییرات شاخص­های تبادلات گازی کلزا با کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین تحت تنش فلز سنگین در رقم دلگان.

Table 3- Percentage changes of gas exchange indices of Brassica napus L. with foliar application of melatonin and serotonin under heavy metal stress in Delgan CV.

Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

   شاخص­های فلورسانس کلروفیل

براساس نتایج، تنش سرب موجب افزایش کم­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F₀) و F₀/F_m شد و کاهش بیش­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F_m)، فلورسانس متغیر در برگ سازگار شده با تاریکی (F_v)، بیش­ترین کارایی عملکرد کوانتومی فتوسیستم II در شرایط سازگار شده با تاریکی (F_v/F_m) و شاخص کارایی کمپلکس تجزیه کننده آب در فتوسیستم  II(F_v/F₀) در این شرایط مشاهده شد (شکل‌های 4، 5 و 6). در رقم دلگان بیش­ترین (33/4670) و کم­ترین (3568) میزان F₀ به ترتیب در تنش شدید سرب و تیمار ملاتونین در تنش شدید مشاهده شد (شکل 4). در رقم RGS00s نیز تیمار تیمار تنش شدید سرب بیش­ترین (5255) و در تیمار ملاتونین در تنش متوسط، کم­ترین (3169) میزان F₀ را ثبت کردند. کاربرد ملاتونین و سروتونین در تمام سطوح موجب افزایش میزان F_m و F_v شد، به­طوری که در رقم دلگان بیش­ترین مقادیر برای تیمار ملاتونین در غیاب تنش سرب (به ترتیب 67/21262 برای F_m و 33/17519 برای F_v) مشاهده شد (شکل 4). در رقم RGS00s، بیش­ترین F_m (67/22636) و F_v (18749) در تیمار ملاتونین در تیمار غیاب تنش و کم­ترین میزان F_m (67/14720) و F_v (8785) تحت تنش شدید سرب به دست آمد. در رقم دلگان بیش­ترین میزان F₀/F_m (445888/0) در تنش شدید سرب و بیش­ترین میزان F_v/F_m (823587/0) در تیمار سروتونین در تنش شدید سرب و بیش­ترین میزان F_v/F₀ (6479/4) در تیمار ملاتونین در غیاب تنش سرب مشاهده شد. در غیاب ملاتونین و سرتونین در تیمار تنش شدید سرب، بیش­ترین میزان F₀/F_m (35/0)، در تیمار شاهد و بدون تنش، بیش­ترین میزان F_v/F_m (851/0) و تیمار ملاتونین در گروه شاهد، بیش­ترین میزان F_v/F₀ (9211/5) را در رقم RGS00s به خود اختصاص دادند (شکل 4). در رقم دلگان بیش­ترین میزان PI Ins. (838/1)، شاخص کارایی دستگاه فتوسنتزی از ابتدای فتوسیستم II تا پذیرنده­های انتهایی فتوسیستم  I(PI total) (3739/16)، شاخص کارایی مراکز فعال واکنش در فتوسیستم  II(ᵞ_RC/(1-ᵞ_RC)) (9347/0)، شاخص کارایی واکنش‌های بیوشیمیایی در فتوسیستم  II(ω_o/(1- ω_o)) (1326/4) در تیمار ملاتونین و سروتونین در گروه شاهد وجود داشت. همچنین در همین تیمار، بیش‌ترین میزان شاخص کارایی واکنش‌های نوری در فتوسیستم  II(φ_po/(1-φ_po)) (4/2773) و شاخص کارایی انتقال الکترون از پلاستوکینون احیاء شده به پذیرنده‌های نهایی الکترون در فتوسیستم  I(δ_Ro/(1- δ_Ro)) (0114/3) مشاهده شد (شکل 5). بیش­ترین میزان PI Ins. (017/10)، PI total (0691/14)، ᵞ_RC /(1-ᵞ_RC) (0/891)، ω_o/(1- ω_o) (6973/3)، φ_po /(1-φ_po) (4/006) و δ_Ro/(1- δ_Ro) (7233/4) در تیمار سروتونین در گروه شاهد را در رقم RGS00s به خود اختصاص دادند. با افزایش تنش سرب کلیه فاکتور­های فتوسنتزی ذکر شده روندکاهشی را نشان دادند، به طوری که کمترین مقادیر این داده­ها در تیمار4000 سرب مشاهده شد. همچنین کاربرد سروتونین و ملاتونین درکلیه تیمارهای تحت تنش سرب منجر به افزایش فاکتورهای فتوسنتزی اندازه­گیری شده شد (شکل 6).

شکل 4- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخص­های کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 4- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

شکل 5- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخص­های کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 5- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

شکل 6- تأثیر کاربرد برگی ملاتونین و سروتونین بر شاخص­های کلروفیل فلورسانس کلزا تحت تنش فلز سنگین. میانگین­های دارای حروف مشترک در هر ستون اختلاف معنی­داری با هم ندارند (در سطح پنج درصد)

Figure 6- The effect of foliar application of Melatonin (MT) and Serotonin (SER) on chlorophylle florecense index of Brassica napus L. on heavy metal stress. Means with common letters in each column do not have a statistically significant difference (5% level).

بحث

قرار گرفتن گیاهان در معرض سطوح سمی فلزات سنگین با تاثیر بر فرآیندهای فیزیولوژیکی و متابولیکی منجر به کاهش رشد می‌شود. نتایج پژوهش حاضر با نتایج سایر پژوهشگران مبنی بر کاهش وزن تر و خشک اندام هوایی با افزایش فلز سنگین سرب مطابقت دارد (Ma et al., 2022; Farooq et al., 2022). وزن تر گیاه، به عنوان نماد عملکرد رشد گیاهی در نظر گرفته می­شود و هر عاملی که تأثیر مهاری بر رشد داشته باشد، سبب کاهش وزن گیاه می­شود. علّت اصلی کاهش وزن اندام هوایی در شرایط آلودگی خاک با فلزات سنگین، کاهش رشد ریشه در نتیجه توسعه نامناسب سلول­های ریشه و کاهش انتقال آب و مواد غذایی به قسمت­های هوایی گیاه بیان شده است (Tagliotti et al., 2021; Bhat et al., 2019). مطابق با پژوهش حاضر، در بررسی دو رقم گیاه کلزا گزارش شده است که استفاده خارجی ملاتونین 5 و 10 میکرومولار سبب بهبود رشد کلزا در تنش 50 یا 100 میکرو مولار کروم شده و این افزایش در اثر استفاده خارجی بهبود دهنده­های سروتونین و ملاتونین به افزایش بیوسنتز میزان فیتوهورمون­ها از جمله اکسین و سیتوکینین و تسهیل جذب مواد غذایی نسبت داده شده است (Ayyaz et al., 2021). سطح کلروفیل به طور مستقیم ظرفیت فتوسنتزی و رشد گیاهان را منعکس می‌کند. تعداد زیادی از نتایج نشان دادند شرایط تنشی سبب کاهش محتوای کلروفیل در برگ گیاه می­شود (Huihui et al., 2020). استرس ناشی از سرب مستقیماً منجر به کاهش تعداد کلروپلاست یا اختلال ساختاری کلروپلاست می‌شود، تخریب کلروفیل را تسریع می‌بخشد و ظرفیت فتوسنتزی را تحت تأثیر قرار می­دهند (Zolfiqar et al., 2019; Liu et al., 2021). در پژوهش حاضر، تنش فلز سنگین سرب سبب کاهش محتوای رنگدانه­های فتوسنتزی (کلروفیل­ها و کاروتنوئید) در هر دو رقم گیاه کلزا شد که با نتایج ارائه شده درباره محتوای کلروفیل گیاهان خردل و علف شور در پاسخ به فلزات سنگین مطابقت دارد (Sun et al., 2018; Sheetal et al., 2016). تغییرات محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی تحت تأثیر تنش سرب در رقم دلگان در مقایسه با رقم RGS00s مشخص­تر بود و به نظر می‌رسد رقم دلگان از این نظر به تنش فلز سنگین سرب حساس­تر است. پژوهشگران گزارش کردند تنش فلزات سنگین از یک سو با افزایش فعالیت آنزیم تجزیه کننده کلروفیل (کلروفیلاز) سبب افزایش تخریب کلروفیل می‌شود و از سوی دیگر محتوای پیش­سازهای رنگدانه­های فتوسنتزی دلتاآمینولولینیک­اسید دهیدراتاز (δ-ALA) را کاهش می‌دهند (Jahan et al., 2020). نتایج این پژوهش با مشاهدات ارائه شده در رابطه با تأثیر تنش فلز سنگین کروم، کادمیوم، آلومینیوم بر گیاه کلزا مشابه است (Sami et al., 2020). استفاده خارجی ملاتونین به­ویژه در تیمار شدید سرب، منجر به افزایش محتوای قابل ملاحظه رنگیزه­های فتوسنتزی در رقم RGS00s شد، در حالی که چنین افزایشی در رقم دلگان مشاهده نشد. در هر دو رقم کلزای مورد پژوهش، اسپری برگی سروتونین در شرایط کنترل و تحت سطوح مختلف تنش سرب تأثیر معنی­داری بر محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی نداشت. ملاتونین اگزوژن سرعت فتوسنتز را تحت سمیت فلزات سنگین با تحریک آنزیم­های درگیر در مسیر فتوسنتزی و بیوسنتز رنگدانه بهبود می‌بخشد. محلول­پاشی ملاتونین با کاهش تخریب کلروفیل با مهار فعالیت آنزیم­های کلروفیلاز و فئوفوربیداکسیژناز (PAO) از یک سو و افزایش فعالیت δ -ALAD، RuBisco و در نتیجه افزایش محتوای δ -ALA از سوی دیگر، منجر به افزایش محتوای کلروفیل گیاهان تحت تنش فلزات سنگین می‌شود (Al-Huqail et al., 2020). این نقش مثبت ملاتونین در افزایش سنتز کلروفیل ممکن است به نقش آن در بیوسنتز پورفیرین­ها، گلیسین و سوکسینیل-کوآنزیم آ با تنظیم فعالیت δ-آمینولولینات سنتاز نسبت داده شود. همچنین ملاتونین با افزایش سطح فردوکسین از تجزیه کلروفیل­ها جلوگیری می‌کند. از آنجایی که فردوکسین‌ها تولید بیش از حد الکترون‌های پرانرژی را از زنجیره انتقال الکترون فتوسنتزی کاهش می‌دهند، در نهایت با کاهش ROS از کلروفیل­ها محافظت می­کنند (Lin et al., 2013). سایر پژوهش­ها نشان دادند تیمار ملاتونین می‌تواند محتوای کلروفیل را در جو (Wang et al., 2022) و کلزا (Ayyaz et al., 2021) تحت تنش سرب حفظ کند.

فلزات سنگین به علّت تغییر در روابط آبی گیاه با کاهش فشار تورژسانس و تغییر در توزیع کلسیم، پتاسیم و هورمون آبسیزیک اسید، هدایت روزنه­ای را در گیاه تحت تنش کاهش می‌دهند. در پژوهش حاضر، تنش فلز سنگین سرب سبب کاهش نرخ فعال فتوسنتز، تعرق، غلظت CO₂ درونی و هدایت روزنه­ای در هر دو رقم گیاه کلزا شد که با پژوهش-های Tan et al. (2022) و Silva et al. (2017) در مورد گیاهان کلم و کاهو تحت تنش سرب و نیز در مورد گیاه نخود Hayat, et al (2021) تحت تنش کادمیوم و مس مشابه هستند. کاهش Pn می­تواند به کاهش توانایی کربوکسیلاسیون سلول­های مزوفیل­ها نسبت داده شود. علاوه بر این، ساختار کلروپلاست ارتباط نزدیکی با فتوسنتز دارد و هرچه تعداد گراناهای کلروپلاست بیش­تر باشد، چینش لاملاهای گرانا متراکم­تر و ظرفیت فتوسنتزی قوی­تر است. این نتایج نشان دادند کاهش Pn تحت تنش متوسط و شدید سرب عمدتاً ناشی از کاهش فعالیت فتوسنتزی سلول‌های مزوفیل با محدودیت غیر روزنه‌ای است (Qin et al., 2023).

در پژوهش حاضر، نرخ فعال فتوسنتز رقم دلگان با افزایش تنش سرب کاهش بیش­تری را نسبت به رقم RGS00s نشان داد، بنابراین به نظر می‌رسد رقم دلگان به تنش فلز سنگین سرب حساس­تر است که با نتایج تغییرات محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی همخوانی دارد. نرخ فعال فتوسنتز می­تواند توسط عوامل روزنه­ای یا غیر روزنه­ای محدود ‌شود. وقتی نرخ فعال فتوسنتز و محتوای CO₂ درونی در یک جهت تغییر کنند و همزمان هر دو کاهش یابند، این کاهش نرخ فعال فتوسنتز، عمدتا توسط عوامل روزنه­ای ایجاد می‌شود و کاهش هدایت روزنه­ای منجر به کاهش CO₂ درونی می‌شود. در غیر این صورت این تغییر به کاهش توانایی کربوکسیلاسیون سلول­های مزوفیل نسبت داده می‌شود. در این پژوهش، هم راستا با نتایج Qin et al. (2023) کاهش نرخ فعال فتوسنتز با کاهش محتوای CO₂ درونی و هدایت روزنه­ای همراه بود. در نتیجه کاهش نرخ فعال فتوسنتز تحت تنش سرب عمدتا به علّت عوامل روزنه­ای است. پژوهش­های قبلی نشان دادند انتقال CO₂ مزوفیل تحت تأثیر فلز سنگین قرار می‌گیرد. بدین صورت که تنش روی منجر به کاهش 44 درصدی هدایت روزنه­ای CO₂ شد و احتمالاً عوامل متعددی از جمله تغییر ریخت­شناسی کلروپلاست و سلول­های نگهبان و برهمکنش کم­تر بین کلروپلاست و غشاء سلول­ها مسئول انتقال کم­تر CO₂ مزوفیلی هستند (Sagardoy et al., 2010). استفاده خارجی تعدیل کننده­های ملاتونین و سروتونین در گیاهان تحت تنش فلز سنگین سرب به ویژه در تیمار شدید تنش سرب، منجر به افزایش معنی­دار نرخ فعال فتوسنتز، هدایت روزنه­ای، محتوای CO₂ درونی، تعرق در هر دو رقم مورد بررسی شد. نتایج ما مبنی بر تأثیر بهبود دهنده سروتونین بر شاخص­های فتوسنتزی با نتایج Liu et al. (2021) بر روی گیاه کلزا تحت تنش شوری همخوانی دارد.

فلورسانس کلروفیل یکی از قابل اطمینان­ترین روش­ها برای تعیین پاسخ­های فیزیولوژیکی گیاهان که تحت تنش­های محیطی قرار می­گیرند است. مولفه­های فلورسانس کلروفیل شامل F₀ (کم­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی)، F_m (بیش­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی)، F_v (فلورسانس متغیر در برگ سازگار شده با تاریکی) و F_v/F_m (بیش­ترین کارایی عملکرد کوانتومی فتوسیستم II در شرایط سازگار شده با تاریکی) هستند. درحالت طبیعی فیزیولوژیکی این مقدار نسبتاً پایدار و حدود 8/0 است که با افزایش درجه تنش کم می­شود. این کاهش در شرایط تنش ممکن است به علّت آسیب به مرکز واکنش فتوسیستم II و کاهش میزان حفاظت نوری باشد که کاهش محتوای کاروتنوئیدها در این پژوهش این موضوع را تایید می­کند (Zhu et al., 2021; Banks, 2017). در این پژوهش، مقدار F_v/F_m در هر دو رقم کلزا در شرایط کنترل حدود 8/0 بود که با افزایش تنش سرب این مقدار کاهش یافت که نتایج مشابهی در گیاه Miscanthus floridulusتحت تنش سرب گزارش شده است (Qin et al., 2023; Hachani et al., 2021). در پژوهش دیگری، مشخص شد ملاتونین تغییراتی را در بازده فتوسنتزی ایجاد کرد و سبب بهبود تحمل به تنش کروم در کلزا (Brassica napus) شد و مشاهده شد تنش کروم تعداد مرکز واکنش فعال را کاهش داد، در حالی که مراحل بعدی برای زنجیره انتقال الکترون کم­تر تحت تأثیر قرار گرفتند و همچنین، شاخص کارایی دستگاه فتوسنتزی از ابتدای فتوسیستم II تا پذیرنده­های انتهایی فتوسیستم I (PItotal) در هر دو شرایط تنش و محلول­پاشی به وضوح متمایز بود (Ayyaz et al., 2020). در پژوهش حاضر، مشاهده شد با افزایش میزان تنش، مقدار کم­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F₀) هر دو رقم کلزا افزایش یافت. این در حالی است که مقایسه بین دو رقم کلزا نشان دادند F₀ در رقم RGS00s دارای میانگین بالاتری نسبت به رقم دلگان است. در حقیقت مقدار F₀ هر چه کم­تر باشد، نشان دهنده فعالیت فتوسنتزی مطلوب­تر و آغاز انتقال الکترون و تثبیت سریع­تر کربن است و مقدار F₀ بالاتر نشان از آسیب به زنجیره انتقال الکترون در اثر کاهش ظرفیت Q_A و عدم اکسیداسیون کامل آن به علّت جریان کندتر الکترون است. بنابراین احتمال می‌رود رقم RGS00s آسیب بیش­تری را در فتوسیستم خود تجربه کرده است. اگرچه در این پژوهش مشاهده شد رقم دلگان کاهش بیش­تری در میزان بیش­ترین فلورسانس در برگ سازگار شده با تاریکی (F_m) داشته است. بنابراین با افزایش تنش سرب از کارایی کم­تری در مقایسه با رقم RGS00s برخوردار است و این نتیجه را که رقم دلگان به تنش سرب حساس­تر است را تأئید می­کند. در این آزمایش در هر دو رقم کلزا مشاهده شد که در شرایط تنش میزان فلورسانس متغیر (F_v) و نسبت F_V/F₀ (شاخص کارایی کمپلکس تجزیه کننده آب در فتوسیستم  II) کاهش یافته و این کاهش می‌تواند به علّت مهار الکترون و جلوگیری از انتقال الکترون از سمت دهنده­ی الکترون در فتوسیستم II به گیرنده­های اولیه الکترون شامل مولکول­های Q_A و Q_B در فتوسیستم II باشد (Komarkova et al., 2022; Esmaielzehi et al., 2023). تاثیر تنش سرب بر کاهش F_v/F₀ توسط سایر پژوهشگران هم گزارش شده که با نتایج حاضر مطابقت دارد (Qin et al., 2023). استفاده خارجی ملاتونین با افزایش تجمع ملاتونین در کلروپلاست با توجه به ویژگی آنتی­اکسیدانی (Lei et al., 2020) و تنظیم سیستم انتقال الکترون مانند بهبود خاموش کردن غیر فتوشیمیایی و یا خاموش کردن فتوشیمیایی منجر به بهبود نسبت F_v/F₀ می‌شود (Qin et al., 2023; Lei et al., 2022; Fleta‐Soriano et al., 2017) و به این ترتیب از آسیب به کلروپلاست و دستگاه فتوسنتزی جلوگیری می‌کند. PI حساس­ترین فاکتور فلورسانس است و تغییرات ساختاری را نشان می­دهد، که کاربرد ملاتونین و سروتونین مقادیر PI و ارتباط احتمالی بین ET0/RC را افزایش دهد (Ayyaz et al., 2020). در پژوهش حاضر، تأثیر بهبود دهندگی ملاتونین همانند پژوهش­های سایر محققان در فاکتورهای فلورسانس دیده شد. محلول­پاشی ملاتونین همچنین فتوسنتز گیاهان را با برخی از مسیرهای محرک زیستی و تنظیم کارایی فتوسیستم II در شرایط خاص نور و تاریکی تحت تأثیر قرار می­دهد. علاوه بر این با اتصال به لیگاندهای متالوئیدی مثل پروتئین­ها، پلی­ساکاریدها و اسیدهای آلی سمیت فلزات را کاهش می­دهد و از آنجایی که سروتونین هم متابولیت واسطه ملاتونین است و هم شباهت ساختاری با آن دارد احتمال می‌رود با سازوکارهای مشابه و یا با تبدیل به ملاتونین فاکتورهای مربوط به فتوسنتز را بهبود بخشیده و از این طریق منجر به تقویت فرآیند فتوسنتز شده است (Ayyaz et al., 2020; Farooq et al., 2020). تمام تنش‌های غیر زنده از جمله تنش فلزات سنگین سبب افزایش تولید رادیکال­های آزاد اکسیژن (ROS) می‌شوند. در حالی که ROS برای رشد و عملکرد به عنوان پیام رسان­های ثانویه در انتقال سیگنال مورد نیاز است (Baxter et al., 2014)، اما غلظت بالای آن می­تواند منجر به مرگ برنامه­ریزی شده سلولی، ایجاد پراکسیداسیون لیپیدی در غشای سلولی، دناتوره شدن پروتئین، اکسیداسیون کربوهیدرات، تجزیه رنگدانه و اختلال در فعالیت آنزیمی شود (Bose et al., 2014). کلروپلاست­ها و میتوکندری­ها منبع اصلی تولید ROS در سلول­های گیاهی هستند و به واسطه فرآیندهای فتوسنتزی و تنفسی، ROS تولید می­کنند. شواهد تأئید می‌کنند ملاتونین یک آنتی‌اکسیدان مستقیم با طیف گسترده‌ است که می‌تواند ROS را با میزان بالایی از بین ببرد (Zhang et al., 2015). علاوه بر این، مشخص شده که ملاتونین سطح رونوشت آنزیم فئوفوربید­A اکسیژناز (PAO) که آنزیم کلیدی دیگری در تخریب کلروفیل است را مهار می­کند (Wang et al., 2013). یکی دیگر از پدیده­های رایج مشاهده شده ناشی از کاربرد برون­زای ملاتونین، افزایش سطح برگ است، وضعیتی که به نفع فرآیند فتوسنتز است (Campos et al., 2019). این فرآیند شامل بهبود حفظ تورگور سلولی و تعادل آب در سلول­های مزوفیل توسط ملاتونین است، که این شرایط در هدایت روزنه­ای منعکس می­شود (Antoniou et al., 2017; Li et al., 2020). ملاتونین همچنین متابولیت­های تثبیت کربن و مسیرهای متابولیسم کربن را با تعدیل بیان RuBisCO (ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز)، FBA (فروکتوز-بیس فسفات آلدولاز)، FBP (فروکتوز 1،6-بیس فسفاتاز)، RPI (ریبوز 5-فسفات ایزومراز) و SEBP (سدوهپتولوز-1،7- بیس فسفاتاز) تنظیم می­کند (Liang et al., 2019). برای عملکرد کارآمد فتوسنتز، تبادل گازی بسیار مهم است، تیمار ملاتونین بر این فرآیند نیز تأثیر داشته و منجر به افزایش طول و عرض روزنه در گیاهان شده و همه این پدیده­ها منجر به بهبود رسانایی روزنه، تبادل گازی بهتر و افزایش ظرفیت فتوسنتزی می­شوند (Li et al., 2015). از سوی دیگر، ملاتونین در بازیابی محتوای کلروفیل، با تنظیم پائین بیان آنزیم­های کلروفیلاز (CHLASE) که تخریب کننده کلروفیل است نقش دارد (Mannino et al., 2021). کاربرد ملاتونین در تنش فلزات سنگین، از تخریب رنگدانه­ها جلوگیری می­کند که به بهبود فرآیند کلی فتوسنتز کمک می­کند (Mizushima et al., 2019). کاربرد ملاتونین خارجی نرخ ردوکس PQ را افزایش و در نهایت تأثیر تنش را کاهش می­دهد. در گیاهان تیمار شده با ملاتونین مقادیر F₀ کاهش یافته و در نتیجه راندمان انتقال الکترون از کمپلکس آنتن به واکنش PSII مرکز افزایش می­یابد، در حالی که مقادیر F_m (حداکثر فلورسانس) نیز تحت تنش سرب کاهش یافت که کاهش انتقال الکترون به PSII را نشان می­دهد و نشان دهنده تغییرات القایی در نرخ کاهش QA است. محلول­پاشی ملاتونین و سروتونین، گیاهان را قادر می­سازد تا تعادل خود را در حالت ردوکس پلاستوکینون با انتقال الکترون به PSI حفظ کنند (Ayyaz et al., 2020).

جمع ­بندی

استفاده ملاتونین و سروتونین با تأثیر مثبت بر ویژگی­های رشدی، شاخص­های کلروفیل فلورسانس و فاکتورهای تبادلات گازی در دو رقم RGS00s و دلگان کلزا هم در گروه شاهد و هم در گروه تیماری تنش سرب، سبب کاهش تأثیر منفی تنش بر این ویژگی­ها شد. استفاده ملاتونین و سروتونین منجر به افزایش وزن تر و خشک گیاه در هر دو رقم شد. همچنین استفاده از این ترکیبات منجر به افزایش محتوای رنگدانه­های فتوسنتزی از جمله کلروفیل a، کلروفیل b و کارتنوئید شد. بررسی فاکتورهای تبادلات گازی در رقم دلگان نشان داد اگرچه ملاتونین و سروتونین موجب افزایش نرخ فتوسنتز، غلظت دی اکسید کربن درونی و هدایت روزنه­ای شد، امّا این تأثیر در تیمار ملاتونین مشهودتر بود. در رقم RGS00s نیز در تیمارهای سروتونین، بیش­ترین مقادیر برای فاکتورهای تبادلات گازی به دست آمد. ویژگی­های مربوط به فلورسانس کلروفیل در هر دو رقم تحت تأثیر تنش سرب و محلول­پاشی ملاتونین و سروتونین قرار گرفتند و بهترین نتایج در گروه تیمار شده با ترکیبات بهبوددهنده به ثبت رسید، بنابراین بر اساس نتایج، محلول­پاشی برگی ملاتونین و سروتونین برای بهبود رشد گیاه کلزا در شرایط تنش سرب می­تواند قابل توصیه باشد.