اثر نیکل بر متابولیسم نیتروژن و رشد کلزا تغذیه شده با منابع مختلف نیتروژن در کشت محلول

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار پژوهش مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی قم، سازمان تحقیقات، ترویج و آموزش کشاورزی، ایران

2 استاد گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

3 استاد گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران،

4 استادیار مؤسسه تحقیقات خاک و آب، سازمان تحقیقات، ترویج و آموزش کشاورزی، ایران

چکیده

سابقه و هدف: اطلاعات بسیار اندکی درباره تأثیر تغذیه نیکل بر متابولیسم نیتروژن در شرایط حضور و عدم حضور اوره و اسیدهای آمینه‌ مختلف در گیاهان وجود دارد. مصرف مقادیر بالای اوره در مزارع کلزا، لزوم بررسی اثر نیکل در بهبود کارآیی متابولیسم نیتروژن در این شرایط را نشان می‌دهد. هدف از اجرای این پژوهش، بررسی اثر نیکل در حضور و عدم حضور اوره و سه نوع اسیدآمینه هیستیدین، آرجنین و تریپتوفان بر رشد و متابولیسم نیتروژن کلزا در کشت محلول بود.
مواد و روش‌ها: این پژوهش گلخانه‌ای به صورت کاملاً تصادفی در آرایش کرت‌های خرد شده فاکتوریل و در سه تکرار در محیط کشت محلول بر روی کلزا (رقم هایولا-401) انجام شد. کرت اصلی آزمایش شامل محلول غذایی حاوی اوره و محلول غذایی فاقد اوره، و کرت فرعی شامل نیکل در سه سطح صفر، 5 و 10 میکرومولار از منبع سولفات نیکل و اسیدآمینه در چهار سطح شامل عدم کاربرد اسیدآمینه و کاربرد اسیدهای آمینه تریپتوفان، آرجنین و هیستیدین با غلظت 100 میکرومولار بودند. در پایان آزمایش، وزن خشک شاخساره و ریشه، غلظت و جذب نیکل و برخی ترکیبات نیتروژنی از جمله نیتروژن، نیترات، آمونیم، اوره و اسید آمینه شاخساره و ریشه و همچنین فعالیت آنزیم اوره‌آز این دو بخش، اندازه‌گیری شد.
یافته‌ها: به‌طورکلی، صرف نظر از سطوح نیکل و اسیدآمینه، وزن خشک شاخساره در محلول غذایی حاوی اوره، به‌صورت قابل ‌توجه و معنی‌دار، کم‌تر از محلول غذایی فاقد اوره بود. در محلول حاوی اوره، مصرف 5 میکرومولار نیکل به همراه هیستیدین، سبب افزایش معنی‌دار وزن خشک شاخساره گردید. همین نتایج در محلول فاقد اوره نیز مشاهده شد. در محلول غذایی حاوی اوره، با حضور اسیدهای آمینه، تأثیر مثبت نیکل بر رشد شاخساره گیاه افزایش یافت. همچنین، حضور نیکل به همراه اسیدهای آمینه سبب افزایش فعالیت آنزیم اوره‌آز برگ شد اگرچه فعالیت اوره‌آز در بوته‌های تغذیه شده با اوره به مراتب بیشتر از بوته‌های رشد کرده در محلول غذایی فاقد اوره بود.
نتیجه‌گیری: تأثیر مثبت کاربرد نیکل بر متابولیسم نیتروژن و رشد گیاه به سطح نیکل و حضور یا عدم حضور اوره و اسیدهای آمینه بستگی داشت. کاربرد 5 میکرومولار نیکل، تأثیر مثبتی بر متابولیسم نیتروژن و رشد کلزا در شرایط تغذیه با اوره داشت در حالی که در شرایط بدون اوره تأثیری بر رشد گیاه نداشت. در محلول غذایی حاوی اوره، با حضور اسیدهای آمینه به ویژه هیستیدین، تأثیر مثبت نیکل بر رشد ریشه گیاه افزایش یافت. صرف نظر از تیمار اوره، سطح 10 میکرومولار نیکل برای کلزا سمیت ایجاد کرد اگرچه حضور اسیدهای آمینه به کاهش سمیت منجر شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Nickel Application on Growth and Nitrogen Metabolism in Rapeseed Supplied with Different Sources of Nitrogen

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hadi Mirzapour 1
  • Ahmad Golchin 2
  • Amir Hosein Khoshgoftarmanesh 3
  • Mohammad Mahdi Tehrani 4
1 Ph.D. Student, Dept. of Soil Science and Engereening, Faculty of Agriculture, Zanjan University, Zanjan, Iran
2 2Professor, Dept. of Soil Science and Engereening, Faculty of Agriculture, Zanjan University, Zanjan, Iran,
3 Professor, Dept. of Soil Science, Faculty of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
4 Assistant Prof., Soil and Water Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Very little information is available about the effect of Ni nutrition on nitrogen metabolism in plants in the presence and absence of urea and various amino acids. Consumption of high amounts of urea in rapeseed fields shows the necessity of study the effect of nickel on improving the efficiency of nitrogen metabolism in this condition.The purpose of this nutrient solution culture expriment study was to investigate the effect of nickel in the presence and absence of urea and three types of amino acids including histidine (His), arginine (Arg), and tryptophan (Tri) on growth and metabolism of nitrogen in rapeseed.
Materials and Methods: This greenhouse experiment was conducted in a completely randomized design in factorial arrangement of split plots and three replications in solution culture on rapeseed (Hyola-401 variety). The main plots of the experiment consisted of nutrient solution with urea and urea-free nutrient solution, and subplots consisting of nickel at three levels of zero, 5 and 10 micromoles of nickel sulfate and amino acid at four levels including non-use of amino acid and the use of tryptophan, arginine and histidine amino acids At a concentration of 100 μM. At the end of the experiment, dry weight of the shoots and roots, the concentration and uptake of nickel and some nitrogen compounds such as nitrogen, nitrate, ammonium, urea and amino acids of the shoots and roots as well as the activity of the urease enzyme in these two parts, was measured.
Results: Regardless of Ni concentration and amino acid treatment, shoot dry weight of plants in the urea-based nutrition solution was significantly lower than those in the urea-free nutrient solution. In the urea-based nutrient solution, application of 5 µM Ni in combination with histidine significantly increased the shoot dry weight. Similar results were observed in the urea-free nutrient solution. In the urea-based nutrient solution, the positive effect of Ni on the shoot growth of the plant increased in the presence of amino acids. The presence of Ni in combination with amino acids increased the leaf activity of urease; although the urease activity in the plants grown in the urea-based nutrint solution was far higher than those grown in the non-urea solution.
Conclusion: The effect of Ni application on nitroent metabolism and plant growth was dependent on the applied level of Ni and the presence or absence of urea and amino acids. Nickel at the 5 µM level positively affected nitrogen metabolism and growth of plants supplied with urea while it had no effect on the plants unsupplied with urea. In the urea-based nutrint solution, the presence of amino acids particularly, His had stimulative effect on the plant root grwoth. Regardless of urea treatment, Ni at the 10 µM Ni level was toxic for rapeseed; although the presence of amino acids led to significant decrease of Ni toxicity effect.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Argenine
  • Urea
  • Urease
  • Tryptophan
  • Histidine

مراجع

1.Bekkari, N.B. and Pizzelle, G. 1992. In vivo urease activity in Robinia pseudoacacia. Plant Physiol. Biochem. 30: 2. 187-192.
2.Brinza, M. and Iapichino, G. 2015. The effect of nickel on seed germination and plant sprouting in the case of some Alyssum species. Abs/J. Biotech. 208: 60.
3.Brown, P.H., Welch, R.M. and Cary, E.E. 1987a. Nickel: a micronutrient essential for higher plants. Plant Physiol. 85: 801-3.
4.Brown, P.H., Welch, R.M., Cary, E.E. and Checkai, R.T. 1987b. Beneficial effects of nickel on plant growth. J. Plant Nutr. 10: 2125-35.
5.Callahan, D.L., Baker, A.J.M., Kolev, S.D. and Wedd, A.G. 2006. Metal ion ligands in hyperaccumulating plants. Biol. Inorg. Chem. 11: 2-12.
6.Cataldo, D.A., Maroon, M., Schrader,L.E. and Youngs, V.L. 1975. Rapid colorimetric determination of nitrate in plant tissue by nitration of salicylic acid. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 6: 1. 71-80.
7.Ciurli, S. 2001. Electronic structure of the nickel ions in the active site of urease. Chem. (Easton) 6: 99-100.
8.Dalir, N. and Khoshgoftarmanesh, A.H. 2014. Symplastic and apoplastic uptake and root to shoot translocation of nickel in wheat as affected by exogenous amino acids. J. Plant Physiol. 171: 531-536.
9.Dixon, N.E., Gazzola, C., Blakeley, R.L. and Zerner, B. 1975. A Jack bean urease (EC 3.5.1.5.) metalloenzyme. A simple biological role for nickel. J. Am. Chem. Soc. 97: 14. 4131-4133.
10.Eskew, D.L., Welch, R.M. and Norvall, W.A. 1984. Nickel in higher plants. Further evidence for an essential role. Plant Physiol. 76: 691-3.
11.Fageria, N.K. and Stone, L.F. 2006. Physical, chemical and biological changes in the rhizosphere and nutrient availability. J. Plant Nutr. 29: 1327-56.
12.Frankenberger, W.T. and Tabatabai, M.A. 1982. Amidase and urease activity in plants. Plant Soil. 64: 153-166.
13.Gerendàs, J. and Sattelmacher, B. 1997. Significance of Ni supply for growth, urease activity and the concentrations of urea, amino acids and mineral nutrients for urea-grown plants. Plant Soil.190: 153-162.
14.Gerendàs, J., Polacco, J., Freyermuth, S. K. and Sattelmacher, B. 1999. Significance of nickel for plant growth and metabolism. J. Plant Nutr. Soil Sci.162: 241-56.
15.Ghasemi, S., Khoshgoftarmanesh, A.H., Afyuni, M. and Hadadzadeh, H. 2013. Zinc-amino acid complexes are more stable than free amino acids in saline and washed soils. Soil Bio. Biochem. 63: 73-79.
16.Gordon, W.R., Schwemmer, S.S. and Hillman, W.S. 1978. Nickel and the metabolism of urea by Lemna paucicostata Hegelm. Planta. 140: 265-268.
17.Hoagland, D.R. and Arnon, D.I. 1950. The water-culture method for growing plants without soil. Berkeley, California: University of California, College of Agriculture, Agricultural Experiment Station, 347p.
18.Jones, D.L. and Hodge, A. 1999. Biodegradation kinetics and sorption reactions of three differently charged amino acids in soil and their effects on plant organic nitrogen availability. Soil Biol. Biochem. 31: 1331-1342.
19.Jones, D.L., Hodge, A. and Kuzyakov, Y. 2004. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytol. 163: 459-80.
20.Keeney, D.R. and Nelson, D.W. 1982. Nitrogen – inorganic forms. In: Page, A.L. (Ed.), Methods of Soil Analysis. Agronomy Monograph 9. Part 2, 2nd ed. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp. 643-698.
21.Khoshgoftarmanesh, A.H., Hosseini, F. and Afyuni, M. 2011. Nickel supplementation effect on the growth, urease activity and urea and nitrate concentrations in lettuce supplied with different nitrogen sources. Sci. Hort. 130: 381-5.
22.Khoshgoftarmanesh, A.H. and Bahmanziari, H. 2012. Stimulating and toxicity effects of nickel on growth, yield and fruit quality of cucumber supplied with different nitrogen sources. J. Plant Nutr. Soil Sci. 175: 474-81.
23.Koksal, A.L. and Dumanoglu, H. 1999. The effects of different amino acid chelate foliar fertilizers on yield, fruit quality, shoot growth and Fe, Zn, Mn content of leaves in williams pear cultivar (Pyrus Communis L.). J. Agr. Forest. 23: 651-658.
24.Kupper, H., Kupper, F. and Spiller, M. 1998. In situ detection of heavy metal substituted chlorophylls in water plants. Photosynth. Res. 58: 123-133.
25.Kutman, B., Kutman, U. and Cakmak,I. 2013. Nickel-enriched seed and externally supplied nickel improve growth and alleviate foliar urea damage in soybean. Plant Soil. 363: 61-75.
26.Lang, B. and Kaiser, W.M. 1994. Solute and energy status of roots of barley plants cultivated at different pH on nitrate or ammonium nitrogen. New Phytol. 128: 451-459.
27.Marschner, H. 1995. Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd Edition, Academic Press, London, 645p.
28.Mobley, H.L. and Hausinger, R.P. 1989. Microbial urease: Significance regulation and molecular characterization. Microbiol. Rev. 53: 85-108.
29.Mobley, H.L. 1996. Virulence of Proteus mirabilis, In: Urinary tract infection, molecular pathogenesis and clinical management. Warren, J. W. editor. Washington, D.C., ASM. Press.
30.Molas, J. 2002. Changes of chloroplast ultrastructure and total chlorophyll concentration in cabbage leaves caused by excess of organic Ni II complexes. Environ. Exp. Bot. 47: 115-126.
31.Mulrooney, S.B. and Hausinger, R.P. 2003. Nickel uptake and utilizationby microorganisms. Microbiol Rev.27: 239-61.
32.Nowack, B., Schulin, R. and Robinson, B.H. 2006. A critical assessment of chelant-enhanced metal Phytoextraction. Environ. Sci. Technol. 40: 5225-32.
33.Panday, N. and Sharma, C.P. 2002. Effect of heavy metals Co2+, Ni2+, and Cd2+ on growth and metabolism of cabbage. Plant Sci. 163: 753-758.
34.Paschalidis, A.K. and Roubelakis-Angelakis, A.K. 2005. Sites and regulation of polyamine catabolism in the tobacco plant. Correlation with cell division/expansion, cell cycle progression and vascular development. Plant Physiol. 138: 2174-2184.
35.Polacco, J.C. 1976. Nitrogen metabolism in soybean tissue culture. Plant Physiol. 58: 350-357.
36.Rosen, H. 1957. A modified Ninhydrin colorimetric analysis for amino acids. Arch. Biochem. Biophysics. 67: 10-15.
37.Seregin, I.V. and Kozhevnikova, A.D. 2006. Physiological role of nickel and its toxic effects on higher plants. Russ.
J. Plant Physiol. 53: 257-277.
38.Shimada, N. and Ando, T. 1980. Role of Nickel in Plant Nutrition. Effect of nickel on the assimilation of urea by plants. Jap. J. Soil Sci. Plant Nutr.51: 493-496.
39.Tan, X.W., Ikeda, H. and Oda, M. 2000. Effect of nickel concentration in the nutrient solution on the nitrogen assimilation and growth of tomato seedling in hydroponic culture supplied with urea or nitrate as the sole nitrogen source. Sci. Hort. 84: 265-273.
40.Thomson, A.J. 1982. Proteins containing nickel. Nature. 298: 602-3.
41.Walsh, C.T. and Orme-Johnson,W.H. 1987. Nickel enzymes. Biochem. 26: 4901-6.
42.White, M. 2016. Rapeseed: Chemical Composition, Production and Health Benefits. Nova Science Publishers, Inc., New York, USA, 125p.
43.Yu, Z., Zhang, Q., Kraus, T.E.C., Dahlgren, R.A., Anastasio, C. and Zasoski, R.J. 2002. Contribution of amino compounds to dissolved organic nitrogen in forest soils. Biogeochem.61: 173-198.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 27، شماره 4
اسفند 1399
صفحه 77-98

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار