SUPERVISOR
مهدی رحیم ملک (استاد مشاور) محمدرضا سبزعلیان دستجردی (استاد راهنما) قدرت اله سعیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Vahideh Nazem
وحیده ناظم
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Assessment of open- and self-pollinated populations of mint (Mentha spp.) and the effect of inbreeding on morphological and phytochemical traits and expression of some genes involved in essential oil biosynthesis
In order to investigate the effect of changing the reproductive system on the morphological and phytochemical traits of mint plant, three plant populations belonging to M. longifolia (Karaj,Hamedan, Esfahan) and three plant populations belonging to M. spicata (Lorestan,Ahvaz, Dehbala) were evaluated for producing open and self- pollinated populations. All the plants in each population were first divided into two parts; one part was bagged before anthesis and the other part was left to be freely open pollinated. After collecting the seeds derived from self and open-pollinated plants, two genotypes belonging to M. longifolia (Karaj- Hamedan) and two additional genotypes belonging to M. spicata (Lorestan- Ahvaz) were selected based on their performance in seed germination test. In the following, an experiment was conducted using a randomized complete block design (RCBD) with three replications at the Research Farm of Isfahan University of Technology to investigate the effects of self and open pollination on morphological and phytochemical traits in two species of Mentha . According to the results, plant reproduction through sexual reproduction compared to asexual reproduction created a high diversity in the studied traits in both species.In two populations of Karaj and Hamedan belonging to M.longifolia , seedling production caused a relative decrease in vegetative traits such as plant height, crown diameter, stem diameter, leaf length and leaf width. While the mean of phytochemical traits not only did not decrease but also in the population of Hamedan, flavonoid content increased due to self pollination. In contrast, in Lorestan and Ahvaz populations, open pollination and self-pollination with a positive effect on the majority of morphological and phytochemical traits caused a significant improvement in the mean of these traits, so that for the production of maximum biological yield and the most desirable amount of phenolic and flavonoid compounds, the production of seedlings derived from open and self pollination in this species, is recommended. According to GC-MS analysis, changes in the reproductive system led to a decrease in polegon composition and an increase in mentone composition. In this regard, open and self-pollination in the population of Hamedan led to a decrease in the piperitoneon compond and increase in pulegon, although the increase in piperitoneon content was more evident in the self pollinated population of Hamedan. In contrast, open and self pollination in the populations of Ahvaz and Lorestan led to a decrease in limonene and carvone compounds, which was much greater in self pollinated population of Ahvaz, which probably indicates that the essential oil production processes of this population are affected by inbreeding. In order to identify superior and weaker phenotypes, single plants obtained from open and self pollination were planted in a randomized completely block design with three replications and distance of 100 cm. The evaluation of morphological and agronomic traits during the two consecutive years showed a wide range of diversity due to changing in the reproductive system. Evaluation of phytochemical traits of selected plants led to the identification of some superior seedlings of open pollinated population (ko27, ho14, ao32 and lo47) which had the highest essential oil yield and desirable phenolic and flavonoid content. Therefore, it is advisable to plant these seedlings instead of the parent plants of these populations. Self-pollination caused different reactions in populations due to the possible effects of inbreeding dpression. But especially in plants of Lorestan, selfing (ls17 and ls59) was associated with a significant increase in phenolic and flavonoid content as well as antioxidant capacity. In the present study, antimicrobial propertiesof plants against Staphylococcus aureus and Escherichia coli showed the superiority of selected plants in Lorestan population (lo47-ls17-ls59). HPLC analysis also showed the presence of three important compounds including rutin, luteolin and rosmarinic acid in the phenolic extracts of three selected plants, which according to the antibacterial properties of the above compounds, was consistent with the results of the microbial properties test.The results of expression of two genes (limonene synthase and limonene 3 hydroxylase) showed an increase in the expression of limonene synthase gene due to changingig reproductive system in most of the seedlings belonging to both species. While the expression of limonene 3 hydroxylasegene was less altered due to the pollination. Key words: Mentha - -Self pollination- Open pollination- Inbreeding depression-Phenol-Flavonoid
گیاهان جنس Mentha به طور طبیعی دگر گرده افشان هستند و سهولت تکثیر رویشی ضامن بقای آنهاست. بنابراین، گیاهان این جنس از مزایای نوترکیبی با منابع ژنی جدید بهره مند نمی شوند. علاوه بر این خود گرده افشانی با تولید لاینهای اینبرد با حداقل پسروی ناشی از خویش زادآوری نقش مهمی در بهبود جمعیت گیاهان دارویی داشته و به تثبیت برخی از صفات مورفولوژیکی و فیتوشیمیایی کمک می کند. به منظور بررسی تأثیر تغییر سیستم تولیدمثلی بر صفات مورفولوژیکی و فیتوشیمیایی گیاه نعنا ، سه جمعیت گیاهی ( کرج، همدان، اصفهان) متعلق به گونه M. longifolia و سه جمعیت گیاهی ( لرستان، اهواز، ده بالا) متعلق به گونه M. spicata برای تولید گیاهان حاصل از آزاد گرده افشانی و گیاهان حاصل از خودگرده افشانی بررسی شدند. تمام گیاهان در هر جمعیت ابتدا به دو قسمت تقسیم شدند. یک قسمت قبل از گل دهی با پاکت پوشانده شد وبه قسمت دیگر اجازه ی آزاد گرده افشانی داده شد. پس از جمع آوری بذرهای حاصل از آزادگرده افشانی و خودگرده افشانی، دو جمعیت متعلق به گونه ی M. longifolia (کرج - همدان) و دو جمعیت متعلق به گونه ی M. spicata (لرستان- اهواز) با توجه به عملکرد آنها در آزمون جوانه زنی بذر انتخاب شدند. در ادامه، آزمایشی با استفاده از یک طرح بلوک کامل تصادفی (RCBD) با سه تکرار در مزرعه تحقیقاتی دانشگاه صنعتی اصفهان برای بررسی آثار آزادگرده افشانی وخودگرده افشانی برصفات مورفولوژیکی و فیتوشیمیایی در دو گونه ی مورد مطالعه ی نعنا انجام شد. براساس نتایج، تکثیر گیاهان از طریق تولید مثل جنسی نسبت به تولید مثل غیرجنسی تنوع بالایی درصفات مورد بررسی در هر دو گونه ایجاد کرد. در دوجمعیت کرج و همدان متعلق به گونه ی M.longifolia ، تولیدگیاهچه های بذری درهر دوسیستم گرده افشانی در اکثریت موارد با افت نسبی در صفات رویشی( ارتفاع گیاه، قطرتاج پوش، قطرساقه، وزن تر، وزن خشک،طول برگ و عرض برگ) همراه بود. در حالی که میانگین صفات فیتوشیمیایی (ترکیبات فنولیک و ترکیبات فلاونوئیدی) نه تنها دچار کاهش نشد بلکه در جمعیت همدان محتوای فلاونوئیدی در اثر خودگرده افشانی افزایش یافت. در مقابل در دو جمعیت لرستان و اهواز متعلق به گونه ی M.spicata ، آزادگرده افشانی و خود گرده افشانی با تاثیر مثبت بر اکثر صفات فیتوشیمیایی باعث پیشرفت قابل توجه میانگین این صفات شد. بطوری که برای تولید حداکثر عملکرد بیولوژیک و مطلوبترین میزان ترکیبات فنولی و فلاونوئیدی، تولید گیاهچه های بذری در این گونه قابل توصیه است. بر اساس آنالیز GC-MSتغییر سیستم تولید مثلی در گیاهان جمعیت کرج باعث کاهش میزان ترکیب پولگون و افزایش میزان ترکیب منتون شد. در این راستا، خود گرده افشانی وآزادگرده افشانی در جمعیت همدان منجربه افزایش پولگون و کاهش ترکیب پیپریتنون شد که البته افزایش میزان پولگون در بوته های آزادگرده افشان جمعیت همدان مشهودتر بود. در مقابل خود گشنی و آزادگرده افشانی در جمعیت ها ی اهواز و لرستان منجر به کاهش ترکیبات لیمونن و کاروون شد که این کاهش در گیاهان خودگشن جمعیت اهواز بسیار بیشتر بود که احتمالا بیانگر متاثر شدن فرایندهای تولید اسانس گیاهان این جمعیت از پدیده ی خویش زادآوری است. به منظور شناسایی فنوتیپهای برتر و ضعیف، بوته های منفرد حاصل از گرده افشانی آزاد و خود گرده افشانی در قالب طرح بلوک کامل تصادفی با سه تکرار و فاصله 100 سانتی متر کاشته شدند. ارزیابی صفات مورفولوژیکی و زراعی طی دو سال متوالی طیف گسترده ای از تنوع را به دلیل تغییر در سیستم تولید مثل نشان داد. با توجه به نتایج تجزیه به مولفه های اصلی (PCA) بر اساس صفات مورفولوژیکی ، دو بوته ی برتر در هر جمعیت آزادگرده افشان و یک بوته ی برتر و یک بوته ی ضعیف تر در هر جمعیت خود گرده افشانی انتخاب شد. ارزیابی صفات فیتوشیمیایی گیاهان منتخب منجر به شناسایی برخی از بوته های برتر جمعیت حاصل از آزادگرده افشانی (ko27 ، ho14 ، ao32 و lo47) شد که دارای بیشترین عملکرد اسانس و محتوای فنلی و فلاونوئید مطلوب بودند. بنابراین کشت این بوته ها بجای گیاهان اصلی این جمعیت توصیه می شود. خود گرده افشانی به دلیل اثرات احتمالی ناشی از خویش زادآوری واکنش متفاوتی در ژنوتیپ ها ایجاد کرد ولی بطور خاص در بوته های خودگشن جمعیت لرستان(ls17 و ls59) با افزایش قابل توجه در محتوای فنولی و فلاونوئیدی و همچنین ظرفیت آنتی اکسیدانی همراه بود. دراین مطالعه، خواص ضد میکروبی گیاهان در برابر استافیلوکوکوس اورئوس و اشرشیاکلی، برتری گیاهان منتخب در جمعیت لرستان را نشان داد(lo47-ls17-ls59). نتایج حاصل از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا همچنین وجود سه ترکیب مهم از جمله روتین ، لوتئولین و رزمارینیک اسید در عصاره فنلی سه گیاه انتخاب شده را نشان داد که با توجه به خواص ضد باکتریایی ترکیبات فوق ، با نتایج آزمایش خواص میکروبی سازگار است. نتایج بیان دو ژن لیمونن سینتاز و لیمونن تری هیدروکسیلاز بیانگر افزایش بیان ژن لیمونن سینتاز در اثر آزادگرده افشانی و خودگرده افشانی در اکثر تک بوته های متعلق به هر دو گونه بود در حالی که بیان ژن لیمونن تیری هیدروکسیلاز در اثر گرده افشانی کمتر دچار تغییر شد. کلمات کلیدی: نعنا، خود گرده افشانی ، آزادگرده افشانی، پسروی ناشی از خویش زادآوری، محتوای فنولی و فلاونوئیدی