تغییرات ترکیب شیمیایی دیواره سلولی و ویژگی های فیزیولوژیک ریشه یونجه درپاسخ به آلودگی تولوئن و تغذیه سیلیسیم

STUDENT

DEGREE

YEAR

Silicon (Si) is a beneficial nutrient that its role on cell wall composition and improvement of plant tolerance to environmental stress has been widely reported. Toluene is an aromatic petroleum hydrocarbon with harmful effects on plants. Therefore, to understand the mechanisms by which Si nutrition affects plant tolerance to toluene contamination, knowledge on the changes in the root CWs is needed. To our knowledge, there is a lack of information on the changes in plant root cell wall in response to toluene contamination and Si nutrition. In the present study, the effects of Si nutrition (0 and 1 mM) on the CW components and properties and also selected physiological responses of the alfalfa ( Medicago sativa L.) plants exposed to toluene (0, 225 and 450 mg L -1 ) were examined in the nutrient solution culture. Our results indicated that toluene contamination induced an oxidative stress and significantly reduced the growth of alfalfa. Exposure to toluene significantly decreased the ion-exchange capacity (CEC) and swelling coefficient (K cw ) of the CWs by a reduction in the total number of the root CWs functional groups. The exposure to toluene significantly decreased the alfalfa root CW dry mass and modified distribution of polysaccharides in the CW. Toluene exposure enhanced activity of lignifying peroxidases and lignin content of the alfalfa root CW. These changes were accompanied with reduced water potential of alfalfa leaves. Supplement with Si led to a significant increase in the alfalfa root fresh mass particularly in the plants exposed to toluene. Addition of Si also reduced toluene-induced changes in distribution of polysaccharides and lignin content of alfalfa root CW. The results obtained from the present work indicated the beneficial effect of Si nutrition on reducing cell wall lignifications, which resulted in higher plant tolerance to toluene stress conditions. Keywords: alfalfa; cell wall; lignin; silicon; toluene ; stress

تغییرات ترکیب شیمیایی دیواره سلولی و ویژگی های فیزیولوژیک ریشه یونجه درپاسخ به آلودگی تولوئن و تغذیه سیلیسیم Changes in the Cell Wall Composition and Physiological Properties of Alfalfa in Response to Toluene Contamination and Silicon Nutrition فارسی دیواره سلول های ریشه اولین سد دفاعی گیاه در مقابل تنش های مختلف محیطی است. با وجود اهمیت نقش دیواره سلولی در مقابله با تنش های محیطی، اطلاعات کافی از نحوه اثر آلاینده های هیدروکربنی مانند تولوئن بر ساختار ویژگی های دیواره سلولی گیاهان وجود ندارد. از این رو پژوهش حاضر با هدف بررسی تغییرات ناشی از سمیت تولوئن بر برخی ویژگی های دیواره سلول های ریشه یونجه و نیز مقدار ترکیبات پلی ساکاریدی و فرآیند لیگنینی شدن دیواره سلول های ریشه انجام گرفته است. همچنین، نقش تغذیه سیلیسیم در کاهش خسارت ناشی از تولوئن بر ساختار دیواره سلول های ریشه یونجه مورد بررسی قرار گرفته است. این پژوهش در قالب چهار مطالعه جداگانه در چهار سال متوالی انجام شده است. در هر مطالعه، آزمایش فاکتوریل با طرح پایه کاملاً تصادفی شامل 6 تیمار (تولوئن در سه سطح 0، 225 و450 میلی گرم در لیتر و سیلیسیم با غلظت های 0 و 1 میلی مولار) با 3 تکرار در گلخانه پژوهشی مرکز کشت بدون خاک دانشگاه صنعتی اصفهان در محیط آبکشت انجام شد. در مطالعه اول بررسی خسارت اکسیداتیو و پاسخ آنتی اکسیداتیو گیاه یونجه به تنش آلودگی تولوئن و تغذیه سیلیسیم بررسی شد. نتایج این مطالعه نشان داد که سمیت تولوئن سبب افزایش معنی دار نشت یونی غشاء سلول های ریشه یونجه شد. نتایج این مطالعه همچنین نشان داد که در حضور تولوئن غلظت مالون دآلدهید، فعالیت آنزیم های کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز افزایش معنی داری داشته است. افزایش غلظت مالون دآلدهید در حضور تولوئن نشان دهنده تولید گونه های فعال اکسیژن در گیاه یونجه می باشد. درنتیجه می توان گفت حضور تولوئن در محیط ریشه یونجه سبب ایجاد تنش اکسیداتیو در یونجه شده است. اثر تنش تولوئن بر کاهش مقدار کلروفیل و کارتنوئید برگ نیز معنی دار بود. تغذیه سیلیسیم با افزایش مقدار کلروفیل و کارتنوئید برگ یونجه سبب بهبود وضعیت فتوسنتزی یونجه در شرایط سمیت تولوئن شد. همچنین تغذیه سیلیسیم در شرایط تنش سمیت تولوئن، سبب کاهش پراکسیداسیون لیپید های غشاء و کاهش نشت یونی غشاء سلول های ریشه شد. سیلیسیم با افزایش فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدان توانست خسارت تنش اکسیداتیو ناشی از سمیت تولوئن را در گیاه یونجه کاهش دهد. در مطالعه دوم اثرتولوئن بر ترکیب شیمیایی و ویژگی های ظرفیت تبادل کاتیونی(CEC) و تورم پذیری دیواره سلولی ریشه های یونجه بررسی شد. نتایج طیف سنجی دیواره سلولی نشان داد در حضور تولوئن، گروه های عامل کربوکسیل، آمید ها و هیدروکسیل ناشی از ترکیبات پلی ساکاریدی و پروتئین های دیواره سلولی کاهش یافتند. حضور تولوئن سبب کاهش CEC دیواره سلولی در مقایسه با شاهد شد و درنتیجه تعداد مکان های فعال جذب کاتیونی دیواره سلولی ریشه که در تغذیه معدنی گیاه اهمیت دارند،کاهش یافت. کاهش تعداد گروه های عامل ناشی از پلی ساکارید ها و پروتئین ها در حضور تولوئن، دلیل اصلی این کاهش بوده است. سمیت تولوئن همچنین سبب کاهش قابل توجه قابلیت تورم پذیری دیواره سلولی ریشه یونجه شد. تولوئن با کاهش حجم دیواره، ظرفیت ذخیره و جریان آب در طول ریشه یونجه را کاهش داد و درنتیجه بر تغذیه معدنی و روابط آبی گیاه مؤثر بود. در مطالعه سوم، توزیع پلی ساکارید های دیواره سلولی ریشه یونجه در حضور تولوئن و سیلیسیم بررسی شد. نتایج این مطالعه نشان داد که حضور تولوئن سبب کاهش معنی دار وزن خشک دیواره سلولی شد. همچنین نتایج نشان داد که سمیت تولوئن سبب تغییر توزیع پلی ساکارید های دیواره شد. در حضور تولوئن، مقدار سلولز و پکتین دیواره سلولی کاهش و مقدار همی سلولز های A وB افزایش یافتند. تغذیه سیلیسیم در شرایط تنش تولوئن با حفظ ساختار و توزیع مناسب ترکیبات پلی ساکاریدی دیواره سبب بهبود ویژگی های دیواره سلولی شده و درنتیجه تحمل گیاه یونجه را افزایش داد. در مطالعه چهارم تأثیر آلودگی تولوئن و تغذیه سیلیسیم بر ساخت لیگنین در دیواره سلولی و ارتباط آن با پتانسیل آبی برگ یونجه بررسی شد. سمیت تولوئن سبب افزایش مقدار لیگنین دیواره سلولی شد. در حضور تولوئن، فعالیت ایزوفرم های آنزیم پراکسیداز که در ساخت لیگنین دیواره نقش دارند نیز افزایش یافتند. نتایج نشان داد که با افزایش لیگنین دیواره در حضور تولوئن، مقدار رطوبت نسبی و پتانسیل آبی برگ کاهش معنی داری داشت. می توان گفت که احتمالاًً یکی از دلایل کاهش رشد یونجه در حضور تولوئن مربوط به تنش خشکی ایجاد شده توسط این ترکیب و پیامد های ثانویه ی این تنش بوده است. در مقابل، تغذیه سیلیسیم سبب افزایش معنی دار مقدار پتانسیل آبی برگ و محتوای نسبی آب برگ یونجه شد. نتایج این مطالعه نشان داد که در شرایط تنش سمیت تولوئن تغذیه سیلیسیم سبب کاهش ساخت لیگنین و افزایش انعطاف پذیری دیواره شده است درنتیجه این امکان وجود دارد که از این مسیر سبب افزایش جذب و انتقال آب توسط ریشه های یونجه شده و بر بهبود روابط آبی گیاه مؤثر بوده است. واژه های کلیدی: تولوئن، دیواره سلولی، سیلیسیم، یونجه، پلی ساکارید ها، لیگنین، ظرفیت تبادل کاتیونی، روابط آبی گیاه