واکنش‌های فیزیولوژیک و مورفولوژیک دو رقم جو و نتاج حاصل از تلاقی آن‌ها نسبت به اثرات سمی سرب

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژنتیک بیومتری، گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 دانشیار گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

3 دانشیار مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان زنجان، زنجان، ایران

چکیده

سابقه و هدف:
آلودگی خاک‌ها به‌وسیله فلزات سنگین یک اتفاق شایع ناشی از نتایج فعالیت‌های انسانی، کشاورزی و صنعتی است که یک مشکل اساسی در سراسر جهان می‌باشد. در میان فلزات سنگین، سرب پتانسیل تجمع خیلی سریع در لایه‌های سطحی خاک را داشته و با افزایش عمق خاک میزان تجمع آن کاهش پیدا می‌کند. از جمله اثرات سمی که سرب روی گیاهان می‌گذارد، می‌توان به کلروزه شدن، کاهش رشد، سیاه شدن سیستم ریشه، ممانعت از فتوسنتز، به‌هم زدن تعادل آب و مواد معدنی و تغییر وضعیت هورمون‌ها و اثر روی ساختار و نفوذپذیری غشا اشاره کرد. این مطالعه به‌منظور بررسی تأثیر سمیت عنصر سرب بر ویژگی‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک جو و هم-چنین شناسایی و انتخاب لاین‌های برتر جو تحت شرایط تنش فلز سنگین سرب انجام شد.
مواد و روش‌ها:
در این تحقیق اثرات مورفولوژیکی سه غلظت مختلف نیترات سرب (1000، 1500 و 2000 پی پی ام) به همراه شاهد روی دو ژنوتیپ جو (Recو Dom) در طرح کاملا تصادفی با 5 تکرار بررسی شد. طول ساقه، طول ریشه، تعداد برگ، وزن‌تر ساقه، وزن‌تر ریشه، وزن خشک ساقه، وزن خشک ریشه و در نهایت عملکرد بیولوژیک‌تر و خشک اندازه گیری شد. بعد از مشاهده اختلاف بین دو والد در واکنش به مسمومیت به سرب، 94 لاین اینبرد نوترکیب حاصل از تلاقی Dom و Rec در قالب طرح کاملا تصادفی با 3 تکرار در گلدان‌هایی به قطر بیست سانتی‌متر کاشته شدند. سپس، گیاهچه‌ها در مرحله 2 تا 3 برگی تحت تیمار با نیترات سرب به غلظت صفر (شاهد) و 2000 پی پی ام قرار گرفتند و ویژگی‌های فیزیولوژی و مورفولوژی در هر دو شرایط تنش و نرمال اندازه‌گیری شد.
یافته‌ها:
نتایج مرحله اول آزمایش نشان داد که بین دو رقمRec و Dom در غلظت 2000پی پی ام از نظر میزان مقاومت به سرب اختلاف معنی‌داری وجود داشت و رقم Dom مقاومت‌تر نسبت به والد دیگر بود. طول ساقه، تعداد برگ، وزن خشک ساقه، عملکرد بیولوژیک‌تر و خشک بیشتر از سایر ویژگی‌های تحت تاثیر سرب قرار گرفت.
نتایج مرحله دوم آزمایش نشان داد که در تمام ویژگی‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک اندازه‌گیری شده، بین لاین‌ها تفاوت معنی-داری در سطح احتمال یک درصد وجود داشت. بر مبنای همبستگی ژنوتیپی، رابطه مثبت و معنی‌داری بین میزان فتوسنتز با میزان تعرق، هدایت روزنه‌ای، co2زیر روزنه‌ای و سبزینگی گیاه وجود داشت. همچنین همبستگی مثبت و معنی‌داری بین عملکرد بیولوژیک‌تر و خشک با ارتفاع ساقه، طول ریشه، وزن‌تر ساقه، وزن‌تر ریشه، وزن خشک ریشه و تعداد برگ سبز وجود داشت. با استفاده از تجزیه کلاستر، اینبرد لاین‌های جو بر اساس ویژگی‌های مورد مطالعه در محیط نرمال به 3 کلاستر و در شرایط تنش، به 4 گروه تقسیم شدند. ژنوتیپ‌های 40،41،80،24،78،44 و 48 با بیشترین میانگین در ویژگی‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک در کلاستر 3 تحت شرایط تنش قرار گرفتند که جزء ژنوتیپ‌های مقاوم به سرب می‌باشند و ژنوتیپ‌های 1،8،15،25،7،21،50با کمترین میانگین در ویژگی‌های مورفولوژیک و فیزیولوژیک در کلاستر 2 تحت شرایط تنش قرار داشتند و جزء ژنوتیپ‌های حساس به سرب بودند.
نتیجه‌گیری:
از آن‌جایی‌که تنش با فلزات سنگین باعث اختلالات مهمی در گیاهان می‌شود، بنابراین شناخت ویژگی‌هایی که تحت تاثیر این‌گونه تنش‌ها قرار می‌گیرند و هم‌چنین روابط موجود بین این ویژگی‌های لازم و ضروری است. در این مطالعه فتوسنتز، تعرق، هدایت روزنه‌ای، طول ساقه، تعداد برگ زرد، وزن‌تر و خشک ساقه، عملکرد بیولوژیک‌تر و خشک بیشتر از سایر ویژگی‌های، تحت تاثیر تنش با سرب قرار گرفتند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Physiological and morphological responses of two barley varieties and their progenies to toxic effects of Lead

نویسندگان [English]

  • Azadeh rahmani 1
  • Ali Asghari 2
  • Hosein Jafary 3
  • omid sofalian 2
1 Ph.D. Student of Biometrical Genetics, Dept. of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Associate Prof., Dept. of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
3 Associate Prof. of Agriculture and Natural Resources Research Center of Zanjan Province, Zanjan, Iran
چکیده [English]

Background and objectives:
Heavy metal contamination in soil caused by human activities, such as mining and industrial activities. Is a serious problem all over the world. Lead (Pb) is one of the major heavy metals that tend to accumulate in the surface ground layer and its concentration decreases with soil depth. Soils contaminated with Pb cause sharp decreases in crop productivity thereby posing a serious problem for agriculture.Toxic effects of lead on plants can be attributed chlorosis, reduced growth, blackening of root system, upsets mineral nutrition and water balance, changes in hormone status and effects on the structure and permeability of the membrane. This study was conducted to evaluate several morphological and physiological traits of barely genotypes under lead contamination stress.

Material and methods:
In this research, morphological effects of three different densities of lead nitrate (1000,1500,2000ppm) and a control sample on two barley genotypes (Rec and Dom) were investigated in a completely randomized design with five replications. Traits of stem length, root length, leaf number and number of yellow leaves shoot fresh weight, root fresh weight, stem dry weight, root dry weight and ultimately the dry and fresh biological performances for the control and different treatments were measured. After observing the difference between the two parents in response to lead poisoning, on October 16, 2017, 94 inbred lines from Dom and Rec were planted in a completely randomized design with three replications in towenty-cm diameter pots. Then at 2- to 3-leaf stage, seedlings were treated by 0-2000 ppm density lead nitrate.

Results and Discussion:
The results showed that there was a significant difference between Rec and Dom genotype in 2000ppm density respecting the lead resistance, and Dom showed a higher resistance compared to another parent. Stem length, leaf number, number of yellow leaves, stem dry weight; dry and fresh biological performances were affected by lead more than the other traits.
The results of the experiment showed that in all morphological and physiological traits, there was a significant difference between the lines in the probability level of 1%.
Based on genotypic correlation, there was a positive and significant correlation between photosynthesis and transpiration traits, stomatal conduction, CO2 Concentration, and plant greenness. In addition, there was a positive and significant correlation between fresh and dry biological performance and stem height, root length, shoot fresh weight, root fresh weight, root dry weight, and the number of green leaves. Based on the studied traits and by using cluster analysis, barley inbred lines were divided into 3 and 4 clusters under normal and stress conditions, respectively.
The lines 24, 40, 41, 44, 78, 80 with the highest mean of morphological and physiological traits, were placed in cluster 3 under stress condition. These genotype sareamong the lead resistant genotypes. The lines 1, 7, 8, 15, 21, 25, 50, with the lowest mean of morphological and physiological traits, were put in cluster 2 under stress condition and were considered as the genotypes sensitive to lead.
Conclusions:
Since tension with heavy metals causes’ significant disruption to plants, so it is essential to understand the traits that are affected by this tensions and relationships existing between them. In this study, photosynthesis, transpiration, stomatal conductance, stem length, number of yellow leaves, fresh and dry stem weight, fresh and dry Biological yield, affected by stress than other traits.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster Analysis
  • Intercellular concentration
  • Inberred lines
  • Transpiration
  • Resistance and sensitivity

مراجع

1.Abdolahzadeh, N., Fotovat, R., Shekari, F. and Alavi-siney, S.M. 2016. Evaluation and selection of barley Hordum Vulgare L. doubled haploid genotypes based on root traits in seedling stage. J. Environ. Crop. Sci. Stre.9: 395-405. (In Persian)
2.Ahmadi, A. and Beiker, D.A. 2000. Stomatal and non stomatal limitationsof wheat plant. Iranian. J. Agric. Sci.31: 813-825. (In Persian)
3.Alavi-siney, S.M., Saba, J., Nasiri, J.and Soleimani, K. 2013. Analysis of physiologies traits in beard wheat genotypes under dry land conditions.J. Seed Plant Improv. 29: 537-659.(In Persian)
4.Atafar, Z., Mesdaghinia, A., Nouri,J., Homaee, M., Yunesian, M., Ahmadimoghaddam, M. and Mahvi, A. H. 2010. Effect of fertilizer application on soil heavy metal concentration. Environ. Monit. Assess. 160: 83-89. (In Persian)
5.Bromandjozei, S.H., Ranjbar, M. and Lariyazdi, H. 2011. Investigation of the destructive effects of lead metal on rapeseed growth parameters and the effect of salicylic acid on reduction of the destructive effects of lead metal. Quartrl. Fin. Sci. 8: 281-294. (In Persian)
6.Chen, F., Dong, J., Wang, F., WU, F., Zhang, G., LI, G., Chen, Z., Chen, J.and Wei, K. 2007. Identification ofbarley genotypes with low grain Cd accumulation and its interaction withfour microelements. Chemosph. J-E.6: 2082-2088.
7.Costa, J.M., Corey, A., Hayes, P.M., Jobet, C., Kleinhofts, A., Kopisch-Obusch, A., Karmer, S.F., Kurna, D.L., Riera-Lizarazu, M.O., Sato, K., Szucs, P., Toojinda, T., Vales, M.I. and Wolfe,R.I. 2001. Molecular mapping of the Oregon. Wolfe barleys: A phenotypically polymorphic doubled-haploid population. Theor. Appl. Genet. J. 103: 415-424.
8.Davari, M., Homayi, M. and Khodaverdilo, H. 2010. Modeling Phytoremediation of Ni and Cd from contaminated soils using macroscopic transpiration reduction functions. J.Water Soil Sci. Isfahan Univ. 52: 75-85. (In Persian)
9.Gharebaghi, N., Jafari, H., Saidnematpor, F., Taheri, M. and Sohrabi, E. 2012. Locating related genes is an effective physiological indicator of tolerance to cadmium in the Hordeum Vulgare. Proceedings of 1th National conference
on plant abiotic stress. Isfahan Univ.(In Persian)
10.Ghasemisiani, N., Fallah, S.A. and Rostaminejad, A. 2017. Comparision between toxicity effects of ZnO nanoparticles and their bulk on Fenugreek (Trigonella foenumgraceum) growth under greenhouse environment. J. Plant Prod. Res. 24: 2. 23-42.(In Persian)
11.Ghelich, S., Zarinkamar, F. and Niknam, V. 2013. Lead accumulation and its effects on peroxidase activity phenolic and flavonoid compounds in seedling of Medicago sativa L. Iran. J. Plant Res. 28: 164-174. (In Persian)
12.Goedeke, S., Hensel, G., Kapusi, E., Gahrtz, M. and Kumlehn, J. 2007. Transgenic barley in fundamental research and biotechnology. Transgen. Plant J. 1: 1. 104-117.
13.Gupta, P.K. 2000. Soil, plant, water and fertilizer analysis. Agrobios, New Dehli, India. 438p.
14.Hung, S.H., Yu, C.W. and Lin, C.H. 2006. Hydrogen peroxide functions as a stress signal in plants. Bot. Stud. Bull. Acad. J. 46: 1-10.
15.Ikenaka, Y., Nakayama, S.M.M., Muzandu, K., Choongo K., Teraoka, H., Mizuno, N. and Ishizauka, M. 2010. Heavy metal contamination of soil and sediment in Zambia. Afr. J. Environ. Sci. 4: 11. 729-739.
16.Jobson, Y. 2012. Applied multivariate data analysis. Volum II: Categorical and multivariate methods springer science and Business media. Pp: 131-207.
17.Karimi, R. 2006. Plants for contaminated soils, cadmium Lead and Nickel. Proceedings of 3th National symposium .Esfahan. Iran. Pp: 203-222. (In Persian)  
18.Karimi, N., Khanahmadi, M. and Moradi, B. 2013. The effects of lead on some physiological parameters of Artichoke. J. Plant Prod. 20: 1. 49-62.(In Persian)
19.Kaznina, N.M., Titov, A.F., Topchieva, L.V., Batova, Y.V. and Laidinen, G.F. 2013. The Content of HvHMA2 and HvHMA3 Transcripts in Barley Plants Treated with Cadmium. Russion, J. Plant Physiol. 61: 3. 355-359.
20.Khoshgoftarmanesh, A.H., Sharifi, H.R., Afiuni, D. and Schulin R., 2012. Classification of wheat genotypes by yield and densities of grain zincand iron using cluster analysis. J. Geochem. Exp. 121: 49-54. (In Persian)
21.Kopittke, M., Asher, P.J. and Mensies, N. 2007. Toxic effect of Pb2+on growth of cowpea (Vigna unguiculata). J. Environ. Pollut. Pp: 1-8.
22.Mahdavian, K., Ghaderian, S.M. and Torkzadeh Mahani, M. 2016. The effect of different concentrations of Lead on some physiological parameters in two populations of Harmal Peganum harmala L. J. Cell Tiss. Res. 20: 543-555.
23.Maiti, S.K. and Kumar, A. 2016. Energy plantations, medicinal and Aromatic plants on contaminated soil. P 29-47,
In: M.N.V Prasad (eds), Bioremdiation and Bioeconomy, Departement ofplant Sciences, University of Hyderbad, Telangana, India.
24.Marchiol, L., Assolari, S., Fellet, G. and Zerbi, G. 2006. Germination and seedling growth of indian mustard exposed to cadmium and chromium. Ital. J. Agron. 1: 1. 45-50.
25.Nakbanpote, W. and Meesungnoen, O. 2016. Potential of ornamental plantsfor phytoremdiation of heavy metals
and income generatin. P 170-217,In: M.N.V Prasad (eds), Bioremdiation and Bioeconomy, Departement of plant Sciences, University of Hyderbad, Telangana, India.
26.Pallavi, S. and Rama, S.D. 2005. Lead toxicity in plants. Braz J. Plant Physiol. 17: 1. 15-22.
27.Pourmoghadas, H. and Zafarzadeh, A. 2017. Effect of Appling chemical fertilizers on concentration of Cd, Pb and Zn in Agricultural soils. J. Environ. Health Engin. 4: 2. 126-138. (In Persian)
28.Salehi, M. 2014. QTL mapping of cadmium toxicity in barley resistance. M.Sc. thesis , Faculty of Agricuture. University of Zanjan, Iran. (In Persian)
29.Schnurbusch, T., Hayes, Y., Hrmova, M., Baumann, U.A., Ramesh, S.D., Tyerman, S., Langridge, P. and Sutton, T. 2010. Boron toxicity tolerance in Barely through reduced expression of the multifunctional aquaporin HVNIP2:1. Plant Physiol. 153: 1706-1723.
30.Sharma, P. and Dubey, R.S. 2005. Lead toxicity in plants. Braz. J. Plant Physiol. 17: 35-52.
31.Sharma, R.K., Agrawal, M.S. and Agrawal, B. 2008. Interactive effects of cadmium and zinc on carrots: growth and biomass accumulation. J. Plant Nutr. 31: 19-34.
32.Sheng, T., Qian, Q., Dali, Z., Yasufumi, K., Kan, F., Danian, H. and Lihuang, Z. 2004. Qtl analysis of leaf photosynthetic rate and related physiological traits in rice Oryza Sativa L. Euphytica. 135: 1-70.
33.Vassilev, A. 2002. Physiological and agroecological aspects of cadmium interactions with barley plants. J. Cent Eur Agric. 4: 1. 66-68.
34.Verona, C. and Calcagn, F. 1991. Study of stomatal parameters for selection of drought resistant varieties in Triticum durum. Euphytica. 57: 275-283.
35.Vollen Weider, S., Cosio, C. and Keller, C. 2006. Localization and effects of cadmium of cadmium- tolerant willow Salix viminalis I. macrolocalization and phytotoxic effects of cadmium. Environ. Exp. Bot. J. 58: 64-74.
36.Wang, F., Chen, F., Cai, Y., Zhang, G. and Wu, F. 2011. Modulation of exogenous glutathione in ultrastructure and photosynthetic performance against Cd stress in two barley genotypes differing Cd tolerance. Biol. Trace Elem. Res. 144: 1-3. 1275-88.
37.Yaghobian, Y., Siadat, S.A., Moradi Talavat, M.R. and Pirdashti, H.A. 2016. Quantify the response of growth and chlorophyll flourence parameters of lemon balm (Melissa officinalis L.) plant to cadmium concentration in the soil,
J. Plant Prod. Res. 23: 2. 165-185.(In Persian)
38.Yang, Q., Zhang, D. and Xu, M.2012. A sequential quantitative trait locus Fine - mapping strategy using recombinant - Derived Progeny: J. Integr. Plant Biol. 54: 4. 228-237.
39.YU, D., Yan, X., Wang, H. and Wang, F. 2006. Response of submergedplant Vallisneria Espinulosa clones to lead stress in the heterogeneous soil. Chemosphere. 63: 1459-1465.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 27، شماره 3
آذر 1399
صفحه 205-227

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار