تاثیر پلی‌آمین‌ها بر پاسخ‌های آنتی‌اکسیدانی گیاه گلرنگ (Carthamus tinctorius) در شرایط تنش خشکی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری فیزیولوژی گیاهی گروه علوم گیاهی دانشکده علوم طبیعی دانشگاه تبریز

2 دانشیار گروه علوم گیاهی، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز ، استان ادربایجان شرقی ،تبریز، بلوار 29 بهمن ، دانشگاه تبریز

3 استاد گروه اکوفیزیولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

4 استادیار گروه علوم گیاهی، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز

چکیده

سابقه و هدف: خشکی رایج‌ترین عامل تنش‌زای غیر زیستی می‌باشد که بیش از سایر عوامل، رشد و نمو گیاهان را کاهش می‌دهد. از این جهت، شناسایی عوامل موثر در افزایش تحمل گیاهان نسبت به خشکی ضروری است. گیاهان در مقابله با خشکی ترکیبات آنتی-اکسیدانی را برای مقابله با تنش اکسیداتیو افزایش می‌دهند. پلی‌آمین‌ها به عنوان تنظیم‌کننده‌های رشد، نقش مهمی در حفظ تمامیت غشاهای سلولی و کاهش تولید گونه‌های اکسیژن فعال در شرایط تنش خشکی دارند. گلرنگ یک گیاه زراعی روغنی، دارویی و صنعتی از تیره آفتابگردان است. بسیاری از مطالعات بر روی گیاهان دیگر نشان داده‌اند که پلی‌آمین‌ها سبب افزایش تحمل به تنش‌های محیطی می‌شوند، اما واکنش گلرنگ به غلظت‌های مختلف پوتریسین+اسپرمین تحت تنش خشکی مشخص نیست. بر همین اساس، این پژوهش برای بررسی تاثیر پلی‌آمین‌های مزبور روی فعالیت آنتی‌اکسیدان‌‌های آنزیمی و غیر آنزیمی، میزان پراکسیداسیون لیپیدی و پایداری غشاها در گلرنگ انجام گرفت.

مواد و روش‌ها: این آزمایش در سال 1396-1395 به صورت فاکتوریل در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در گلخانه دانشگاه تبریز انجام گرفت. در این پژوهش تاثیر غلظت‌های مختلف پوتریسین+اسپرمین (0+0، 40+40، 40+60 و 60+40 میکرومولار) بر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان (آسکوربات پراکسیداز، کاتالاز، سوپراکسید‌دیسموتاز و پراکسیداز)، غلظت مالون‌دی‌آلدئید، پراکسید هیدروژن و نشت الکترولیت، آنتی‌اکسیدان‌های غیر‌آنزیمی (فنل‌ها، فلاونوئید‌ها و آنتوسیانین‌ها) در گلرنگ تحت آبیاری کامل (100 درصد ظرفیت زراعی) و آبیاری محدود (40 درصد ظرفیت زراعی) مورد بررسی قرار گرفت. گیاهان در مرحله 7-6 برگی برای اندازه‌گیری‌های مختلف برداشت شدند.

یافته‌ها: آبیاری و محلولپاشی پلی‌آمین‌ها، میزان آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی و غبر آنزیمی، غلظت مالون‌دی‌آلدئید، پراکسید هیدروژن و نشت الکترولیت را به طور معنی‌داری تحت تاثیر قرار داد. اثر متقابل این عوامل نیز برای تمام صفات معنی‌دار بود. فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، پراکسیداز و سوپر اکسیددیسموتاز، فلاونوئید کل برگ‌ها و و آنتوسیانین‌ها در اندام هوایی به طور معنی‌داری تحت تیمار خشکی نسبت به گیاهان شاهد افزایش یافت. محلول‌پاشی غلظت‌های 40+60 میکرومولار و 60+40 میکرومولار پوتریسین+اسپرمین در گیاهان تحت تنش سبب افزایش معنی‌دار فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، سوپراکسیددیسموتاز و غلظت آنتوسیانین‌ها گردید. تنش خشکی در برگ‌ها سبب افزایش معنی‌دار محتوای مالون‌دی‌آلدئید، پراکسید هیدروژن و نشت الکترولیت‌ها گردید. غلظت مالون‌دی‌آلدئید و میزان نشت الکترولیت‌ها در نتیجه کاربرد پوتریسین+ اسپرمین به طور معنی‌داری کاهش یافتند.

نتیجه‌گیری: تنش خشکی با القاء تنش اکسیداتیو اثر منفی بر رشد گیاه گلرنگ داشت. به طور کلی کاربرد 40+60 میکرومولار و 60+40 میکرومولار پوتریسین+اسپرمین در کاهش گونه‌های فعال اکسیژن ناشی از کمبود آب موثر بودند. محلول‌پاشی برگی 60+40 میکرو‌مولار پوتریسین+اسپرمین، پراکسیداسیون لیپیدها، نشت الکترولیت و غلظت پراکسید هیدروژن را از طریق افزایش ظرفیت آنتی‌اکسیدانی و افزایش فلاونوئیدها و آنتوسیانین‌ها کاهش داد و منجر به افزایش تحمل خشکی گلرنگ گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که محلولپاشی 40+60 میکرومولار و 60+40 میکرومولار پوتریسین+اسپرمین می‌تواند برای کاهش اثرات مخرب تنش خشکی در مراحل اولیه رشد گیاه استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of polyamines on antioxidative responses of safflower (Carthamus tinctorius) under drought stress

نویسندگان [English]

  • Zhila Toupchi Khosrowshahi 1
  • Seyed Yahya Salehi-Lisar 2
  • Kazem Ghassemi-Golezani 3
  • Rouhollah Motafakkerazad 4
1 PhD student of Plant Physiology Department of Plant Science Faculty of Natural Science University of Tabriz
2 Associated professor, Department of Plant Sciences, Faculty of Natural Sciences, University of Tabriz
3 Professor. Department of Plant Eco-physiology, Faculty of Agriculture, University of Tabriz
4 Assistant professor, Department of Plant Sciences, Faculty of Natural Sciences, University of Tabriz
چکیده [English]

Background and objectives: Drought stress is the most common abiotic factor which reduces the plant growth and development more than other factors. Thus, identification of the effective factors to increase drought tolerance of plants is necessary. The plants increase antioxidant compounds to overcome the oxidative stress. Polyamines as growth regulators play important roles in maintaining cell membrane stability and reducing ROS generation under drought stress. Carthamus tinctorius is an industrial, medicinal and oil crop from Asteraceae family. Many studies on other plants showed that polyamines increase plants tolerance to environmental stresses, but response of safflower to different concentrations of putrscine+spermine under drought stress is not clear. Therefore, this research was conducted to investigate the effect of these polyamines on enzymatic and non-enzymatic antioxidants activities, lipid peroxidation and membrane stability of safflower.
Materials and methods: This experiment was carried out as a factorial arrangement based on randomized complete block design with three replications in a greenhouse at the University of Tabriz in 2016-2017. In this research, the effect of different putrescine+spermine concentrations (0 + 0, 40 + 40, 40 + 60, and 60 + 40 µM) on the activities of antioxidant enzymes (APX, CAT, SOD and POX), MDA and H2O2 contents and electrolyte leakage, non-enzyme antioxidants (phenols, flavonoids and anthocyanins) in safflower were studied under well-watering (100% field capacity) and limited-watering (40% field capacity). The plants were harvested at 6-7 leaves stage for different measurements.

Results: Irrigation and foliar application of polyamines had significant effects on enzymatic and non-enzymatic antioxidants, MDA, H2O2 contents and electrolyte leakage. Interaction of these factors was significant for all traits. Activities of enzymes such as CAT, POX and SOD, total flavonoid of leaves and anthocyanins of shoots were significantly increased in stressed than in non-stressed plants. Moreover, spray of 40+60 µM and 60+40 µM putrescine+spermine, significantly enhanced the activity of CAT and SOD and anthocyanins contents in stressed-plants. Drought stress increased malondialdehyde, H2O2 and electrolyte leakage in leaves. MDA and electrolyte leakage significantly diminished as a result of putrescine+spermine application.

Conclusion: Water deficit had a negative effect on the growth of safflower via induction of oxidative stress. In general, the application of 40+60 µM and 60+40 µM putrescine+spermine were effective in reducing ROS caused by water deficit. Foliar spray of 60+40 µM putrescine+spermine reduced lipid peroxidation, electrolyte leakage and H2O2 content through increasing antioxidant capacity and flavonoids and anthocyanins, leading to improve drought tolerance of safflower. The results of this study showed that foliar application of 40+60 µM and 60+40 µM putrescine+spermine can be used to mitigate harmful effects of drought stress at early stages of plant growth

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antioxidant activities
  • Carthamus tinctorius
  • Drought stress
  • polyamine
  • lipid peroxidation
1.Amri, E. and Shahsavar, A.R. 2010.
Response of lime seedling (Citrus
aurantifolia L.) to exogenous spermidine
treatments under drought stress. Aust. J.
Basic. Appl. Sci. 4: 9. 4483-4489.
2.Ashraf, M. and Ali, Q. 2008. Relative
membrane permeability and activities of
some antioxidant enzymes as the key
determinants of salt tolerance in canola
(Brassica napus L.). Environ. Exp. Bot.
63: 1. 266-273.
3.Bitrián, M., Zarza, X., Altabella,
T., Antonio, F. and Alcázar, R.
2012. Polyamines under Abiotic Stress:
Metabolic Crossroads and Hormonal
Crosstalks in Plants. Metab. 2: 3. 516-528.
4.Boominathan, R. and Doran, P.M. 2002.
Ni- Induced oxidative stress in roots of
the Ni hyper accumulator, Alyssum
bertolonii. New Phytol. 156: 2. 205-215.
5.Chance, B. and Maehly, A.C. 1955.
Assay of catalases and peroxidases:
Methods Enzymol. 2: 764-755.
6.Chang, C., Yang, M., Wen, H. and
Chern, J. 2002. Estimation of total
flavonoid content in Propolis by two
complementary colorimetric methods.
J. Food Drug Anal. 10: 178-182.
7.Daneshmandi, M.Sh. and Azizi, M. 2009.
Survey of effect of water stress and
application of mineral zeolite on quantity
and quality properties of Ocimum basilicum
L. var. keshkeny levelu) In: 6th Congress of
Iranian Horticultural Science, Iran, 1-2
March 2009, Pp: 123-129. (In Persian)
8.Farhangi-Abriz, S. and GhassemiGolezani, K. 2018. How can salicylic acid
and jasmonic acid mitigate salt toxicity in
soybean plants? Ecotoxicol. Environ. Saf.
147: 1010-1016.
9.Farooq, M., Wahid, A. and Lee, D.J.
2009. Exogenously applied polyamines
increase drought tolerance of rice by
improving leaf water status, photosynthesis
and membrane properties. Acta Physiol.
Plant. 31: 1. 937-945.
10.Groppa, M.D. and Benavides, M.P. 2008.
Polyamines and abiotic stress: recent
advances. Amino Acids. 34. 1: 35-45.
11.Hajiboland, R. and Ebrahimi, N. 2011.
Growth, photosynthesis and phenolic
metabolism in tobacco plants under
salinity and application of polyamines.
Iran. J. Plant Biol. 3: 1. 13-26. (In Persian)
12.Harinasut, P., Poonsopa, D.,
Roengmongkol, K. and Charoensataporn,
R. 2003. Salinity effects on antioxidant
enzymes in mulberry cultivar. Sci. Asian.
29: 109-113.
13.Hojati, M., Modarres-Sanavy, S.M.M.,
Karimi, M. and Ghanati, F. 2011.
Responses of growth and antioxidant
systems in Carthamus tinctorius under
water deficit stress, Acta Physiol. Plant.
33: 1. 105-112.
14.Hussain, S., Farooq, M., Wahid, M.A.
and Wahid, A. 2013. Seed priming
with putrescine the drought resistance
of maize hybrids. Int. J. Agric. Biol.
15: 6. 1349-1353.
15.Krouma, A., Fujimura, T. and Abdely,
C. 2015. Growth, photosynthetic activity
and water relations three Tunsian
chickpea genotypes (Cicer arietinum L.)
subjected to a progressive water deficit
stress. Int. Res. J. 5: 1. 206-214.
16.Lutts, S., Kinet, J.M. and Bouharmont,
J. 1996. NaCl- induced senescence in
leaves of rice (Oryza sativa L.) cultivars
differing in salinity resistance. Ann. Bot.
78: 389-398.
17.Meda, A., Lamien, C.E., Romito, M.,
Millogo, J. and Nacoulma, O.G. 2005.
Determination of the total phenolic,
flavonoid and proline contents in
Burkinafasa honey, as well as their
radical scavenging activity. Food Chem.
91: 3. 571-577.
18.Mirzaee, M., Moini, A. and Ghanati, F.
2013. Effects of drought stress on the
lipid peroxidation and antioxidant
Enzyme activities in two canola
(Brassica napus L.) cultivars. J. Agric.
Sci. Technol. 15: 593-602.
19.Mita, S., Murano, N., Akaike, M.
and Nakamura, K. 1997. Mutants of
Arabidopsis thaliana with pleiotropic
effects on the expression of the gen for
beta-amylase and on the accumulation
of anthocyanin that is inducible by
sugars. Plant J. 11: 4. 841-851.
20.Mustafavi, S.H., Shekari, F., Nasiri,
Y. and Hatami-Maleki, H. 2015.
Nutritional and biochemical response of
water-stressed valerian plants to foliar
application of spermidine. Biol. Forum .
Int. J. 7: 1. 1811-1815.
21.Nazarli, H., Hadian, J. and Ahmadi, A.
2015. Evaluation of putrescine effect in
drought tolerance inducing and changing
of enzyme activities in Matricaria
Chamomilla L. plant. Iran. J. Agric. Sci.
46: 2. 222-293.
22.Obinger, C., Maj, M., Nicholls, P. and
Loewen, P. 1997. Activity, peroxide
compound formation, and heme d
synthesis in Escherichia coli HPII
catalase. Arch Biochem. Biophys.
342: 1. 58-67.
23.Pal, M., Szalai, G. and Janda, T. 2015.
Polyamines are important in abiotic
stress signaling. Plant Sci. 1: 1. 1-34.
24.Saikat, P. and Aryadeep, R. 2016. Seed
priming with spermine ameliorates
salinity stress in the germinated
seedlings of two rice cultivars differing
in their level of salt tolerance. Trop.
Plant Res. 3: 3. 616-633.
25.Salehi-lisar, S.Y. and BakhshayeshanAgdam, H. 2016. Drought stress
tolerance in plants: causes,
consequences and tolerance. P 35-50,
In: M.A. Hossain, Sh.H. Wani, S.
Bhattacharjee, D.J. Burritt and L.S. Phan
Tran, Eds. Springer Press. London.
26.Shukla, V., Ma, Y. and Merevitz, V.
2015. Creeping Bentgrass responses to
drought stress and polyamine
application, J. Am. Soc. Hort. Sci.
140: 1. 94-101.
27.Winterbourn, C.C., Mc Grath, B.W.
and Carrell, R.W. 1976. Reactions
involving superoxide and normal
unstable hemoglobins, Biochem. J.
155: 3. 493-502.
28.Yamaguchi, K., Takahashi, Y.,
Berberich, T., Imai, A., Takahashi, T.
and Michael, A.J. 2007. A protective role
for the polyamine spermine against
drought stress in Arabidopsis. Biochem.
Biophys. Res. Commun. 352: 2. 486-490.
29.Zamani, Z., Niakan, M. and Gorbanly,
M. 2013. Effect of exogenous putrescine
in phenolic composition, antioxidant
enzymes and nitrate reductase of
Hyosyamus niger under drought stress,
J. Iran. Plant Ecophysiol. Res. 3: 78-90.
(In Persian)
30.Zhang, Zh. and Hung, Zhi. 2013. Effects
of endogenous abscisic acid, jasmonic
acid, polyamines, and polyamine
oxidase activity in tomato seedlings
under drought stress. Sci. Hortic.
159: 172-177.
31.Zhou, L., Yn, Zh., Danda, P., Xiaojan,
W., Yan, P. and Yan, Y. 2015.
Polyamine regulates tolerance to water
stress in leaves of white clover
associated with antioxidant defense and
dehydrin genes via involvement in
calcium messenger system and hydrogen
peroxide signaling. Frontiers Physiol.
6: 280. 1-16.