SUPERVISOR
Hamid Reza Eshghizadeh Samani,Morteza Zahedi,Jamshid Razmjoo ghalaie
حمیدرضا عشقی زاده سامانی (استاد مشاور) مرتضی زاهدی (استاد راهنما) جمشید رزمجو (استاد مشاور)
STUDENT
Ahmad Rajabi Dehnavi
احمد رجبی دهنوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Effects of salinity and some stress moderators on physiological and biochemical characteristics of sorghum genotypes
This investigation was conducted in the form of five separate experiments to evaluate the effects of salinity and some stress modulators on the physiological and biochemical characteristics of sorghum plants. The first study included a Petri dish experiment conducted in a growth chamber to investigate the response of six cultivars (Pegah, Speed feed, Jumbo, Kimia, Sepideh and Payam) and four lines (GS4, KGS29, KGS23, MGS5) of sorghum to four salt levels (0, 100, 150 and 200 mM NaCl) at germination and early seedling stage. Results showed that salinity decreased germination percentage, germination index, seed vigor, shoot and root length and fresh and dry weights but increased mean germination time of all tested genotypes. Considerable variation was observed in this experiment among sorghum genotypes in terms of the response to salinity. The second study included a field experiment designed to evaluate the response of the ten sorghum genotypes used in the germination test to three salinity levels (control, 60 and 120 mM NaCl). This experiment was a 3-replicated split-plot arranged in a randomized complete block design in which salt treatments were accommodated in main plots and the tested genotypes were placed in sub-plots. In this field experiment salinity reduced photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, leaf area index, leaf relative water content, chlorophyll a, b and carotenoids concentrations, membrane stability index, silage dry matter and fresh and dry forage yield, but increased the concentrations of hydrogen peroxide, malondialdehyde, proline, soluble carbohydrate, neutral detergent fiber and acid detergent fiber in all genotypes and also changed the activities of antioxidant enzymes catalase, ascorbate peroxidase and superoxide dismutase depending on the tested genotype and salinity level. Payam and Sepideh cultivars were identified as the most sensitive and Pegah and GS4 as the most salt tolerant in both germination and field studies. In order to investigate the effects of the foliar application of growth regulators on sorghum plants two separate pot experiments were conducted each one as factorial arranged in a completely randomized design with four replications. In the first pot experiment the plants of Speed Feed cultivar were foliar sprayed with different concentrations of growth regulators (salicylic acid and ascorbic acid 0, 100, 150 and 200 mg/l, humic acid 0, 250, 500, 1000, and 200 mg/l and proline 0, 15, 30, 45 and 60 mg/l) under two salinity levels (0 and 100 mM NaCl). The results of this experiment showed that foliar application of all growth regulators through induction of an adaptive response increased potassium concentration, photosynthetic rate, stomatal conductance, chlorophyll a, b, carotenoids and proline concentrations and also the activities of antioxidant enzymes catalase, ascorbate peroxidase and superoxide dismutase but reduced sodium concentration. The optimum concentrations to achieve the most plant growth under saline condition were 30, 100, 150 and 2000 mg/l for proline, ascorbic acid, salicylic acid and humic acid, respectively. The second pot experiment evaluated the effects of five foliar application treatments (150 mg/l salicylic acid, 100 mg/l ascorbic acid, 2000 mg/l humic acid and 30 mg/l proline, based on the optimum concentration of each compound determined in the first pot experiment) on two salt sensitive (Payam and Sepideh) and two salt tolerant (Pegah and GS4) sorghum genotypes under two salinity levels (0 and 100 mM NaCl). Based on the results of this experiment foliar application of salicylic acid, ascorbic acid, humic acid and proline increased photosynthetic rate, stomatal conductance, potassium, chlorophyll a, b and carotenoids concentrations, the activities of antioxidant enzymes and shoot and root dry weights but decreased sodium, hydrogen peroxide and malondialdehyde concentrations. However, the response of sensitive sorghum genotypes to foliar application of these growth regulators were more pronounced as compared to the tolerant genotypes. The third pot experiment was conducted in a growth chamber to investigate the differences of two sensitive and tolerant sorghum cultivars in terms of the physiological and biochemical responses to inoculation with P. stutzeri . The treatments were arranged as factorial in a completely randomized design with four replications. In this experiment four salt levels (0, 100, 150 and 200 mM NaCl) were considered as the first factor, two sorghum cultivars (Payam and Pegah) as the second factor and two inoculation treatments (inoculation with distilled water and inoculation with P. stutzeri bacterial suspension) as the third factor. Keywords: Sorghum, salinity, salicylic acid, ascorbic acid, humic acid, proline, P. stutzeri .
تنش شوری یکی از مهمترین عوامل محدود کننده تولیدات زراعی در کشور است و مقابله با آن از اهمیت ویژهای برخوردار است. به منظور ارزیابی اثرات شوری و برخی عوامل تعدیل کننده تنش بر خصوصیات فیزیولوژیکی و بیوشیمیائی ژنوتیپهای سورگوم پنج آزمایش مجزا اجرا شد. ابتدا به منظور بررسی واکنش ژنوتیپهای سورگوم به شوری در مرحله جوانه زنی بذور و رشد اولیه گیاهچه، آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار اجرا شد. در این آزمایش شش رقم (پگاه، اسپیدفید، جامبو، کیمیا، سپیده، پیام) و چهار لاین MGS5) ، KGS23، KGS29 و GS4) سورگوم در چهار سطح شوری (صفر، 100، 150 و 200 میلی مولار کلرید سدیم) با استفاده از ظروف پتری دیش در داخل محفظه رشد مورد ارزیابی قرار گرفتند. شوری باعث کاهش درصد جوانه زنی، شاخص جوانه زنی، بنیه بذر، طول و وزن تر و خشک اندام هوایی و ریشه گیاهچه و افزایش میانگین زمان جوانه زنی گردید. در این آزمایش تنوع قابل ملاحظه ای بین ژنوتیپهای مورد مطالعه در واکنش به تنش شوری مشاهده شد. سپس کلیه ژنوتیپهای مورد استفاده در آزمایش جوانهزنی در آزمایش مزرعه ای به صورت کرت های خرد شده در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی با سه تکرار تحت سه سطح شوری آب آبیاری (شاهد، 60 و 120 میلی مولار کلرید سدیم) ارزیابی شدند. در این آزمایش شوری باعث کاهش فتوسنتز، هدایت روزنه ای، غلظت دی اکسید کربن اتاقک زیر روزنه، شاخص سطح برگ، محتوای نسبی آب برگ، غلظت کلروفیل a، b و کارتنوئید، شاخص پایداری غشاء، درصد ماده خشک سیلو و عملکرد علوفهتر و خشک و افزایش غلظت پراکسید هیدروژن، مالون دی آلدئید، پرولین، کربوهیدراتهای محلول و و میزان الیاف نامحلول در شوینده خنثی و اسیدی در تمامی ژنوتیپهای مورد ارزیابی و همچنین موجب تغییر در فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز و سوپر اکسید دیسموتاز بسته به نوع ژنوتیپ و سطح شوری گردید. در هر دو آزمایش جوانهزنی و مزرعه در بین ژنوتیپهای مورد مطالعه ارقام پیام و سپیده به عنوان حساس ترین و رقم پگاه و لاین GS4 به عنوان متحمل ترین به تنش شوری شناخته شدند. جهت ارزیابی تاثیر کاربرد مواد تعدیل کننده تنش بر گیاهان سورگوم دو آزمایش گلدانی مجزا در محیط باز هر یک به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با چهار تکرار طراحی شد. در آزمایش اول گلدانی تاثیر چهار ماده تعدیل کننده تنش هر یک در پنج غلظت (سالسیلیک اسید و آسکوربیک اسید با غلظت های ?، ??، ???، ??? و ??? میلی گرم در لیتر، هیومیک اسید با غلظت های ? ، ???، ???، ???? و ???? میلی گرم در لیتر و پرولین با غلظت های ?، ??، ??، ?? و ?? میلی گرم در لیتر) در دو سطح شوری آب آبیاری (صفر و ??? میلی مولار کلرید سدیم) بر رقم اسپید فید سورگوم مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که محلول پاشی هر یک از این چهار ماده از طریق القا یک پاسخ سازگاری باعث افزایش میزان فتوسنتز، هدایت روزنه ای، کلروفیل a، b و کارتنوئید، فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز و سوپر اکسید دیسموتاز، غلظت پرولین، وزن خشک اندام هوایی و ریشه و غلظت پتاسیم و کاهش غلظت سدیم شد. بر اساس نتایج این آزمایش بهترین غلظت کاربردی این ترکیبات در شرایط شور برای سالسیلیک اسید 150، آسکوربیک اسید 100، هیومیک اسید 2000 و پرولین 30 میلیگرم در لیتر بود. در آزمایش دوم گلدانی تاثیر پنج تیمار محلول پاشی (شاهد، 150 میلیگرم در لیتر سالسیلیک اسید، 100 میلیگرم در لیتر آسکوربیک اسید، 2000 میلیگرم در لیتر هیومیک اسید و 30 میلیگرم در لیتر پرولین براساس غلظت بهینه تعیین شده از آزمایش گلدانی اول) بر دو رقم حساس (سپیده و پیام) و یک رقم (پگاه) و یک لاین GS4)) متحمل در دو سطح شوری (صفر و 100 میلی مولار کلرید سدیم) مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس نتایج این آزمایش محلول پاشی سالسیلیک اسید، آسکوربیک اسید، هیومیک اسید و پرولین سبب افزایش فتوسنتز، هدایت روزنه ای، غلظت کلروفیل a، b، کارتنوئید، پرولین و پتاسیم، فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی و وزن خشک اندام هوایی و ریشه و موجب کاهش غلظت سدیم، پراکسید هیدروژن و مالون دی آلدهید گردید. با این وجود، واکنش گیاهان حساس به شوری سورگوم به محلول پاشی این ترکیبات در مقایسه با گیاهان متحمل محسوستر بود. آزمایش گلدانی سوم به منظور ارزیابی تفاوت واکنشهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیائی دو رقم متحمل و حساس به شوری سورگوم به تلقیح باکتری Pseudomonas. stutzeri به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار در داخل اتاقک رشد به اجرا در آمد. در این آزمایش چهار سطح شوری (صفر و 100، 150 و 200 میلی مولار کلرید سدیم) به عنوان فاکتور اول، دو رقم حساس و مقاوم به شوری (پیام و پگاه) به عنوان فاکتور دوم و دو تیمار تلقیح (تلقیح باآب مقطر و تلقیح با سوسپانسیون باکتری P. stutzeri ) به عنوان فاکتور سوم در نظر گرفته شد. تلقیح با باکتری P. stutzeri باعث افزایش تعداد و سطح برگ و وزن اندام هوایی و ریشه گیاهان سورگوم همراه با کاهش غلظت پراکسید هیدروژن و و فعالیت آنزیم پراکسیداز در اندام هوایی و ریشه و غلظت پرولین در اندام هوایی گردید. در این آزمایش رقم حساسبه شوری پاسخ بهتری به تلقیح با این باکتری نشان داد که به علت تاثیر پذیری بیشتر این رقم از شوری بود. به طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که از بین ژنوتیپهای مورد مطالعه سورگوم پیام و پگاه به ترتیب حساس ترین و متحمل ترین ارقام به تنش شوری شناخته شدند. کلمات کلیدی: سورگوم، شوری، سالسیلیک اسید، آسکوربیک اسید، هیومیک اسید، پرولین، باکتری P. stutzeri