پاسخ‌های فیزیولوژیکی پایه‌های به و زالزالک به شرایط کمبود آهن ناشی از حضور بی‌کربنات در محلول غذایی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Iron (Fe), one of the most important essential micronutrients needed by plants, is a structural component of proteins, including important enzymes. Iron deficiency is a widespread disorder in plants, particularly in those grown in alkaline and calcareous soils. Iron chlorosis is mainly caused by low Fe availability rather than by low total Fe content in soils. Although the use of chelated Fe fertilizers is an effective method to control this problem, these fertilizers are very expensive and their use will lead to environmental hazards. An alternative method to overcome this dilemma, which is a sustainable and environmentally friendly strategy, is to select, develop, and use rootstocks and genotypes that are tolerant of Fe-deficiency. Quince ( Cydonia oblonga Mill.) is a Fe-deficiency sensitive tree widely cultivated in calcareous soils of Iran. Hawthorn ( Crataegus persica Pojark.) is used as a quince rootstock in order to reduce the severity of Fe chlorosis in quince orchards in alkaline calcareous soils in central Iran. This study was designed in two separate experiments, the first study was conducted to investigate morphological and physiological responses of Fe-chlorosis tolerant hawthorn and Fe chlorosis-sensitive quince cultivars to Fe-deficiency and different levels of HCO 3 - (5, 10, 15, and 20 mM NaHCO 3 ), in the presence or absence of 0.5 g CaCO 3 L –1 in a CO 2 -buffered pH 7.8 nutrient solution containing 50 mM Fe(III)-EDTA. A separate set of two free-bicarbonate controls containing deficient [5 mM Fe(III)-EDTA] and sufficient [50 mM Fe(III)- EDTA] Fe concentrations was also used. In the second part of the present study, we studied the effect of the use of sensitive and tolerant rootstocks for the commercial quince scion in Fe-deficiency (direct and indirect) conditions. The treatments used included four levels of HCO 3 - (5, 10, 15, and 20 mM NaHCO 3 ), direct iron deficiency [5 mM Fe(III)-EDTA], and iron sufficient [50 mM Fe(III)- EDTA] treatment (control). The results showed that in quince rootstocks the vegetative parameters such as plant height and dry weight, as well as chlorophyll content and chlorophyll fluorescence under all iron deficiency treatments decreased and as a result, the severity of the appearance of chlorosis symptoms increased. In addition, ion leakage and membrane peroxidation because of the decrease in the antioxidant enzymes activity such as catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), and guaiacol peroxidase (GPX) were indicative of oxidative stress in these plants. In tolerant hawthorn rootstock, although vegetative traits and pigment concentrations decreased under direct Fe-deficiency condition, but there were no significant changes in low bicarbonate concentrations compared to the control. The results also showed in this rootstock, some mechanisms such as root morphological changes, increased proton and phenolic compounds secretion from the roots, as well as increased ferric chelate reductase (FCR) activity at the root level, improved solubility of precipitated Fe in the rhizosphere, continued Fe absorption and reduced chlorosis symptoms. In addition, because of an enhanced ROS scavenging antioxidant enzyme (GPX) activity, the accumulated hydrogen peroxide due to the high SOD activity reduced and secondary oxidative stress was suppressed. In the second study the results were almost identical to the first experiment in grafting plants, with the difference that probably due to the higher growth of grafted scion (quince) than hawthorn, as well as the need for transfer absorbed iron translocation from the roots to the aerial part, grafted hawthorn/quince combination showed inefficiency and also decreased growth in the presence of high bicarbonate concentrations. Key Words Antioxidant enzymes, Lipid peroxidation, Phenolic compounds, Ferric chelate reductase, Bicarbonate, Iron chlorosis, Root exudates

آهن یکی از مهم‌ترین ریزعناصر ضروری مورد نیازگیاهان است که با وجود فراوانی زیاد در خاک، به دلایل متعددی همچون pH قلیایی و وجود بی‌کربنات در محیط ریزوسفر جذبش توسط ریشه‌های گیاهان کاهش خواهد یافت و این موضوع مشکلات فراوانی از جمله بروز کلروز،کاهش رشد، عملکرد و کیفیت محصول را به‌دنبال خواهد داشت. اگرچه کاربرد کودهای کلاته حاوی آهن از روش‌های موثر در کنترل این مشکل می‌باشد ولی این کودها بسیار گران هستند و استفاده از آن‌ها مشکلات زیست محیطی نیز به دنبال خواهد داشت. از روش‌های جایگزین برای حل این مشکل که استراتژی پایدار و دوست‌دار طبیعت می‌باشد انتخاب، توسعه و استفاده از پایه‌ها و ژنوتیپ‌های متحمل به کمبود آهن است. درختان بِه ( Cydonia oblonga ) از جمله درختان میوه دانه‌دار بوده که به عنوان گیاهان بسیار حساس به کلروز وکمبود آهن شناخته می‌شوند. این درختان در مناطق مرکزی ایران که دچار مشکل روزافزون بی‌کربنات در آب و خاک است، کشت‌وکار می‌گردد. زالزالک ( Crataegus persica ) از دیگر درختان گروه دانه‌دارها بوده که بدون بروز علایم کلروز و یا با علائم کلروز اندک در خاک‌هایی با مقادیر زیاد بی‌کربنات قادر به رشد است. این موضوع سبب شده که در منطقه اصفهان که خاک‌ها حاوی مقادیر زیاد بی‌کربنات است، باغداران با استفاده از پایه متحمل زالزالک و پیوند ارقام تجاری بِِه بر روی آن بر این مشکل غلبه ‌کنند. علی‌رغم استفاده از پایه زالزالک اطلاعات اندکی در خصوص مکانیسم‌های تحمل این پایه وجود دارد. لذا پژوهش حاضر در قالب دو آزمایش جداگانه با هدف پی بردن به این مکانیسم‌ها به بررسی پاسخ‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک دو پایه دانهالی بِِه و زالزالک قرمز (آزمایش اول) و درختان پیوندی بِه تجاری با پایه بِه بذری و زالزالک بذری (آزمایش دوم) در شرایط آبکشت، به کمبود مستقیم و نسبی آهن ناشی از بی‌کربنات و شبیه‌سازی شده به خاک‌های منطقه اصفهان پرداخت. در آزمایش اول به‌منظور بررسی پاسخ‌ها و مکانیسم‌های تحمل به تنش کمبود آهن در دانهال‌های بِه و زالزالک، در دو بخش به صورت مستقل، هرکدام در 4 تکرار و در قالب طرح کاملا تصادفی انجام گرفت. تیمارهای به‌کاررفته شامل غلظت‌های 5، 10، 15 و 20 میلی مولار بی‌کربنات در حضور و یا عدم حضور آهک در محلول غذایی کامل جانسون در قالب تیمارهای کمبود نسبی (pH بافرشده در 8/7)، تیمار کمبود مستقیم آهن (محلول غذایی کامل حاوی 5 میکرومولار آهن- pH 5/5) و شاهد (محلول غذایی کامل با pH 5/5) بود. آزمایش دوم نیز با هدف بررسی این موضوع که آیا این مکانیسم‌ها در نهال‌های پیوندی بر روی این پایه‌ها نیز فعال بوده و باعث افزایش تحمل نهال‌های پیوندی به کمبود آهن می‌شود، به صورت فاکتوریل و در قالب طرح کاملا تصادفی و با 3 تکرار اجرا شد. دراین آزمایش فاکتور اول در 2 سطح شامل دو پایه (بِه و زالزالک بذری) و فاکتور دوم در 6 سطح شامل غلظت‌های 5، 10، 15 و 20 میلی مولار بی‌کربنات (pH بافرشده در 8/7)، تیمار کمبود مستقیم آهن (محلول غذایی کامل حاوی 5 میکرومولار آهن- pH 5/5) و شاهد (محلول غذایی کامل با pH 5/5) بود. نتایج نشان داد در پایه بِه پارامترهای رویشی نظیر ارتفاع گیاه و وزن خشک و همچنین محتوای کلروفیل و فلورسانس کلروفیل تحت کلیه تیمارهای کمبود آهن کاهش و در نتیجه شدت بروز علایم کلروز ظاهری افزایش یافت. علاوه بر آن در این پایه افزایش نشت یونی و پراکسیداسیون غشا و کاهش فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی نظیر کاتالاز، آسکوربات‌پراکسیداز و گایاکول‌پراکسیداز نشان‌دهنده تنش اکسیداتیو در این گیاهان بود. این در حالی بود که در پایه متحمل زالزالک اگرچه همانند پایه بِه صفات رویشی و غلظت رنگدانه‌ها تحت شرایط کمبود مستقیم آهن کاهش یافت، ولی در غلظت‌های کم بی‌کربنات تغییرات معنی‌داری نسبت به تیمار شاهد در این صفات مشاهده نشد. همچنین نتایج نشان داد در پایه زالزالک مکانیسم‌هایی چون تغییرات مورفولوژیک ریشه، افزایش ترشح پروتون و سنتز ترکیبات فنولی از ریشه و همچنین افزایش فعالیت آنزیم فریک‌کلات‌ردوکتاز در سطح ریشه، با بهبود حلالیت آهن رسوب یافته و همچنین احیای بیش‌تر آهن سه‌ظرفیتی به دوظرفیتی در تیمارهای کمبود نسبی، سبب تداوم جذب آهن و کاهش علائم کلروز در این پایه شد. علاوه بر آن در این پایه به‌واسطه افزایش فعالیت آنزیم گایاکول‌پراکسیداز، هیدروژن‌پراکسید تجمع یافته ناشی از فعالیت بالای آنزیم سوپراکسیددیسموتاز کاهش و در نتیجه تنش اکسیداتیو ثانویه نیز سرکوب ‌گردید. نتایج تقریبا مشابه با آزمایش نخست در گیاهان پیوندی آزمایش دوم نیز تکرار گردید، با این تفاوت که به نظر می‌رسد که به‌دلیل رشد بیش‌تر گیاهان بِه پیوندی نسبت به زالزالک و همچین لزوم انتقال آهن جذب شده از پایه به بخش هوایی نهال‌ها، نهال‌های پیوندی با پایه زالزالک نیز دچار کاهش رشد و عدم کارایی مناسب در حضور غلظت‌های زیاد بی‌کربنات شدند. در مجموع نتایج بیانگر این موضوع بود که دانهال زالزالک به‌دلیل داشتن مکانیسم‌های کنترل رشد رویشی، دارا بودن سیستم آنتی‌اکسیدانی قوی، حفظ یک‌پارچگی غشای سلولی و ترشح ترکیبات با وزن مولکولی کم و همچنین فعال‌سازی آنزیم فریک‌کلات‌ردوکتاز در ریشه توانایی بیش‌تری در جذب آهن در شرایط حضور بی‌کربنات و pH قلیایی دارد. واژه‌های کلیدی: آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی، پراکسیداسیون غشا، ترکیبات فنولی، فریک‌کلات‌ردوکتاز، بی‌کربنات، کلروز آهن، ترشحات ریشه