اثر باکتری های محرک رشد، اسید سالیسیلیک و براسینواستروئید بر ویژگی های فیزیولوژیک خردل سیاه تحت تنش کادمیوم

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری اکولوژی گیاهان زراعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران،

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

3 استادیار گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

4 استاد گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی کادمیوم به دلیل جذب توسط گیاهان و ممانعت از رشد مناسب گیاه موجب کاهش کیفیت و کمیت محصولات زراعی شده است. گیاهان تیره شب بو از جمله خردل سیاه در شرایط آلودگی فلزات سنگین قدرت رشد بالایی دارند. برخی باکتری‌ها به تحرک فلزات سنگین در خاک کمک می‌کنند. تنظیم‌کننده‌های رشد نیز در القای واکنش گیاهان به بسیاری از تنش-های غیرزنده مانند فلزات سنگین نقش مهمی دارد. هدف از این آزمایش بررسی اثر باکتری های محرک رشد، اسید سالیسیلیک و براسینواستروئید بر کاهش اثرات تنش کادمیوم در خردل سیاه می‌باشد.
مواد و روش‌ها: به منظور بررسی اثر باکتری‌های محرک رشد و تنظیم‌کننده‌های رشد بر خصوصیات فیزیولوژیکی خردل سیاه در شرایط تنش کادمیوم، آزمایشی به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با چهار تکرار در گلخانه تحقیقاتی دانشگاه محقق اردبیلی اجرا شد. تیمارهای آزمایشی شامل دو سطح کادمیوم (0 و 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک)، سه سطح باکتری‌ (شاهد، آزوسپریلوم و سودوموناس) و سه سطح تنظیم کننده‌های رشد (شاهد، اسید سالیسیلیک و براسینواستروئید) بودند. بذرها قبل از کاشت با باکتری‌های مورد نظر تلقیح و تنظیم‌کننده‌های رشدی در دو مرحله طی دوره رشد، روی گیاه محلول‌پاشی گردیدند. پس از برداشت مقادیر مالون دی آلدئید، پرولین، قندهای محلول، رنگدانه‌های فتوسنتزی، شاخص پایداری غشا و متابولیت‌های ثانویه اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها: نتایج مقایسه میانگین نشان داد که کاربرد کادمیوم، با اثراتی از جمله القای تنش اکسیداتیو، مقادیر مالون دی آلدئید، پرولین ، قندهای محلول، فنل و فلاونوئید برگ را افزایش و مقادیر کلروفیل a و b، کاروتنوئید، پایداری غشای سلولی، محصول بوته و مقدار آنتوسیانین را کاهش داد. مقدارمالون دی آلدئید و پرولین تحت تاثیر کاربرد باکتری‌ها و تنظیم کننده‌های رشد به‌طور معنی‌داری کاهش و مقدار فنل، فلاونوئید و محصول بوته در هر دوسطح کادمیوم تحت تاثیر باکتری‌های محرک رشد افزایش یافت. این در حالی است که تنظیم کننده‌های رشد میزان کلروفیل‌ a و b، قندهای محلول، پایداری غشای سلولی، فنل، فلاونوئید، آنتوسیانین و محصول بوته و همچنین باکتری‌ها نیز میزان قندهای محلول، پایداری غشای سلولی و آنتوسیانین را به‌طور معنی‌داری افزایش دادند. لازم به ذکر است که بین براسینواستروئید و اسید سالیسیلیک از نظر تمام صفات مورد بررسی تفاوت معنی‌داری وجود نداشت و از نظر صفاتی چون شاخص پایداری غشا و محصول بوته، تلقیح سودوموناس در مقایسه با آزوسپریلوم برتری معنی‌داری را نشان داد.
نتیجه‌گیری: می‌توان نتیجه گرفت که تنش کادمیوم با القای تنش اکسیداتیو موجب تخریب غشای سلولی و افزایش مقدار مالون دی آلدئید گردیده و همچنین به کاهش مقدار کلروفیل می‌انجامد که این موضوع با افزایش سنتز پرولین در شرایط تنش ارتباط دارد. در اثر تنش کادمیوم، فعالیت آنزیم‌های ساخت کربوهیدرات بیشتر شد و منجر به افزایش قندهای محلول و به‌دنبال آن افزایش مقدار متابولیت‌های ثانویه گردید. با کاربرد باکتری‌ها و تنظیم کننده‌های رشد گیاه، اثرات تنش اکسیداتیو کاهش یافته و به افزایش پایداری غشا و کاهش مقدار مالون دی آلدئید منجر گردید. همچنین کاربرد این تیمارها موجب افزایش تولید کلروفیل و کاهش مقدار پرولین گردید. با افزایش مقدار کلروفیل در اثر این تیمارها مقدار تولید قندهای محلول نیز در گیاه افزایش یافت که نتیجه آن هم افزایش تولید متابولیت‌های ثانویه در گیاه بود. با توجه به این نتایج، کاربرد تنظیم‌کننده‌ها و باکتری‌های محرک رشد برای کاهش اثرات تنش کادمیوم بر خردل سیاه در خاک‌های آلوده به این فلز، توصیه می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of plant growth promoting rhizobacteria, salicylic acid and brassinosteroid on Physiological properties of Black Mustard in cadmium stress condition

نویسندگان [English]

  • Ali Barghi 1
  • Abdolghayoum Golipoori 2
  • Akbar Ghavidel 3
  • Mohammad Sedghi 4
1 Ph.D. Student of Agroe-Ecology, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Associate Prof., Dept. of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran,
3 Assistant Prof., Dept. of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran,
4 Professor, Dept. of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Cadmium contamination has decreased crops quality and quantity due to its uptake by plants and inhibition of its proper growth. Plants of Brassicacea family like black mustard have a high growth capacity in heavy metals polluted conditions. Some rhizobacteria can help to the movements of heavy metals in the soil. Plant growth regulators also have an important role in the induction of plant reactions to most of abiotic stresses such as heavy metals. The aim of this experiment was the evaluation of effect of growth promoting rhizobacteria, salicylic acid and brassinosteroid on reduction of cadmium stress effects in black mustard.
Materials and Methods: In order to study the effects of growth promoting rhizobacteria and plant growth regulators on physiological properties of black mustard under cadmium stress conditions, a factorial experiment was conducted based on randomized complete block design with four replications at research greenhouse of Mohaghegh Ardabili university. Experimental treatments included two cadmium levels (0 and 100 milligrams per kilograms of soil), three levels of rhizobacteria (control, Azospirillum, Pseudomonas) and three levels of growth regulators (control, Salicylic acid, Brasinosteroid). Before planting the seeds were inoculated with rhizobacteria and also growth regulators were sprayed in two stages during growth period on plants. After harvest some traits including MDA, proline, soluble sugars, photosynthetic pigments, membrane stability index and secondary metabolites were measured.
Results: Results of means comparisons indicated that cadmium application by some effects including oxidative stress induction, increased MDA, proline, soluble sugars, phenol and flavonoid contents of leaves and decreased chlorophyll a and b, carotenoids and anthocyanin contents, membrane stability index and plant yield. Malondialdehyde and proline contents were reduced significantly by rhizobacteria inoculation and growth regulators application and phenol and flavonoid contents as well as plant yield were enhanced in both cadmium levels by rhizobacteria. Whereas growth regulators spray increased chlorophylls a and b contents, soluble sugars, membrane stability index, phenol, flavonoid, anthocyanin and plant yield and also the rhizobacteria enhanced soluble sugars, anthocyanin content and membrane stability index significantly. In addition, there was no significant difference between salicylic acid and brassinosteroid in all traits and pseudomonas inoculation compared to azospirillum indicated a significant superiority regarding some traits including membrane stability index and plant yield.
Conclusion: It can be concluded that cadmium contamination via the oxidative stress induction leaded to cell membrane destruction and increasing malondialdehyde content and also it resulted decreasing chlorophyll content of plant that is associated with increasing proline synthesis under stress condition. As a result of cadmium contamination stress, the activity of carbohydrates synthesis enzymes was increased and resulted increasing soluble sugars content and consequently increasing secondary metabolites content. By the application of rhizobacteria and plant growth regulators, the effects of oxidative stress were decreased and it leaded to enhancing membrane stability and reducing malondialdehyde content. Additionally, these treatments increased chlorophyll production and decreased proline content. By increasing chlorophyll content affected by these treatments, soluble sugars production in plants was increased and it resulted increasing secondary metabolites production in plant. Considering these results, the application of growth regulators and growth promoting rhizobacteria in order to decrease cadmium stress effects on black mustard grown in contaminated soils is recommended.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flavonoid
  • Heavy metal
  • Mustard
  • plant growth regulator
  • Rhizobacteria

مراجع

1.Abdel-Basset, R., Issa, A.A. and Adam, M.S. 1995. Chlorophyllase activity: Effect of heavy metals and calcium. Photosynthetica. 31: 421-425.
2.Ahammed, G.J., Choudhary, S.P., Chen, S. and Xia, X. 2013. Role of brassinosteroids in alleviation of phenanthrene-cadmium cocontamination- induced N photosynthetic inhibition and oxidative Stress in tomato. J. Exp. Bot. 64: 199-213.
3.Ahmad, P., Abdel Latef, A.A., Abd_Allah, E.F., Hashem, A., Sarwat, M., Anjum, N.A. and Gucel, S. 2016. Calcium and potassium supplementation enhanced growth, osmolyte secondary metabolite prodjduction, and enzymatic antioxidant machinery in madmium-exposed chickpea (Cicer arietinum L.). Front. Plant Sci. 7: 513.
4.Apel, K. and Hirt, H. 2004. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction. Ann. Rev. Plant Bio. 55: 373-399.
5.Arnon, A.N. 1967. Method of extraction of chlorophyll in the plants. Agron. J.23: 112-121.
6.Bates, L.S., Waldren, R.P. and Teare, I.D. 1973. Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant Soil.
39: 205-207.
7.Broadley, M., Willey, M.J., Wilkins, J.C., Baker, A.J.M., Mead, A. and White, P.J. 2001. Phylogenetic variation in heavy metal accumulation in angiosperms. New Phytol. 152: 9-27.
8.Chen, Y., Yang, W., Chao, Y., Wang, S., Tang, Y. and Qiu, R. 2017. Metal-tolerant enterobacter sp. strain EG16 enhanced phytoremediation using Hibiscus cannabinus via siderophore-mediated plant growth promotion under metal contamination. Plant Soil. 413: 203-216.
9.Dell’Amico, E., Cavalca, L. and Andreoni, V. 2008. Improvement of Brassica napus growth under cadmium stress by cadmium-resistant rhizobacteria. Soil Bio. Biochem. 40: 74-84.
10.Devi, R., Munjral, N., Gupta, A.K. and Kaur, N. 2007. Cadmium induced changes in carbohydrate status and enzymes of carbohydrate metabolism, glycolysis and pentose phosphate pathway in pea. Environ. Exp. Bot.61: 167-177.
11.Dietz, K.J., Baier, M. and Kramer, U. 1999. Free radicals and reactive oxygen species as mediator of heavy metal toxicity in plants. In: Prasad, M. N. V. and Hagemeyer, J. heavy metal stress in plants. From molecules to ecosystem, eds. Springer-Verlag, Berlin. Pp: 73-89.
12.Dong, J., Fei-bo, W.U. and Guo-ping, Z. 2005. Effect of cadmium on growth and photosynthesis of tomato seedlings.
J. Zhejiang Univ. 6: 974-980.
13.Feng, J., Shi, Q., Wang, X., Wei, M., Yang, F. and Xu, H. 2010. Silicon supplementation ameliorated the inhibition of photosynthesis and nitrate metabolism by cadmium (Cd) toxicityin Cucumis sativus L. Sci. Hort.123: 521-530.
14.Gadallah, M.A.A. 1995. Effects of cadmium and kinetin on chlorophyll content, saccharides and dry matteraccumulation in sunflower plants. Biol. Plant. 37: 233-240.
15.Glick, B.R. 2010. Using soil bacteria to facilitate phytoremediation. Biotechnol. Adv. 28: 367-374.
16.Guo, R., Yuan, G. and Wang, Q. 2011. Effects of sucrose and mannitol accumulation of health promoting component and activity of metabolic enzyme in brocolli sprout. Sci. Hort. 128: 159-165.
17.Gururani, M.A., Venkatesh, J., Upadhyaya, C.P., Nookaraju, A., Pandey, S.K. and Park, S.W. 2012. Plant disease resistance genes: Current status and future directions. Physiol. Mol. Plant Pathol. 78: 51-65.
18.Hasegawa, P.M., Bressan, R.A., Zhu, J.K. and Bohnert, H.J. 2000. Plant cellular and molecular responses to high salinity. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 51: 463-499.
19.He, J.Y., Ren, Y.F., Lu, Y.F. andChang, H.Q. 2014. Cadmium impairs early seedling growth, mineral and carbohydrate mobilization during the germination of rice seeds. Adv. Mat. Res. 864: 243-247.
20.Horvath, E., Szalai, G. and Janda, T. 2007. Induction of abiotic stress tolerance by salicylic acid signaling. J. Plant Growth Reg. 26: 290-300.
21.Ibrahim, M.H., Ismail, A., Omar, H., Mohd Nadzir, M.N.H. and MohdZain, N.A. 2017. Primary, secondary metabolites, biochemical and antioxidant activity of Orthosiphon staminues Benth (Misai Kucing) under cadmium exposure. Ann. Res. Rev. Biol. 19: 1-14.
22.Ildiko, S.G., Klara, K.A., Marianna, T.M., Gnes, B.A., Zsuzsanna, M.B. and Balint, C. 2006. The effect of radio frequency heat treatment on nutritional and colloid-chemical properties of different white mustard (Sinapis alba L.) varieties. Innov. Food Sci. Emerging Technol. 7: 74-79.
23.Irfan, M., Hasan, S.A., Hayat, S. and Ahmad, A. 2015. Photosynthetic variation and yield attributes of two mustard varieties against cadmium phytotoxicity. Cog. Food Agric.1: 1106186.
24.Kim, Y.A., Kong, C.S., Um, Y.R., Lim, S.Y., Yea, S.S. and Seo, Y. 2009. Evaluation of Salicornia herbacea as a potential antioxidant and anti-inflammatory agent. J. Med. Food.12: 661-668.
25.Kuo, C.L., Chao, Y.Y. and Kao, C.H. 2011. Heat shock pretreatment suppresses cadmium induced ammonium ion accumulation and phenylalanine ammonia-lyase activityin rice seedling leaves. Bot. Stud.52: 471-478.
26.Küpper, H., Küpper, F. and Spiller, M. 1998. In situ detection of heavy metal substituted chlorophylls in water plants. Photosynthesis Res. 58: 123-133.
27.Liu, D.H., Jiang, W.S. and Hou, W.Q. 2006. Uptake and accumulation of cadmium by roots and shoots of maize (Zea mays L.). Pak. J. Bot. 38: 701-709.
28.Ma, Y., Rajkumar, M. and Freitas, H. 2009. Isolation and characterization of Ni mobilizing PGPB from serpentine soils and their potential in promoting plant growth and Ni accumulation by Brassica spp. Chemosphere. 75: 719-725.
29.Mancinelli, A.L. 1984. Photoregulation of anthocyanin synthesis. Plant Physiol. 75: 447-453.
30.Mishra, A., Benham, B.L. and Mostaghimi, S. 2006. Sediment and nutrient losses from field scale cropland plots treated with animal manure and nitrogen fertilizer. Water Air Soil Pollut. 175: 61-67.
31.Mysliwa-Kurdziel, B., Prasad, M.N.V. and Strzalka, K. 2004. Photosynthesis in heavy metal stressed plants. P 47–119, In: M.N.V. Prasad (Eds), Heavy metal stress in plants, from biomolecules to ecosystems. New Delhi, Springer-Verlag. Heidelberg, Narosa.
32.Nazarbeygi, E., Lari Yazdi, H., Naseri, R. and Soleimani, R. 2011. The effects of different levels of salinity on proline and A-, B- chlorophylls in canola. Am-Eur J. Agric. Environ. Sci. 10: 70-74.
33.Panda, S.K. 2003. Heavy metal phytotoxicity induces oxidative stress in a moss, Taxithellium sp. Curr. Sci.84: 631-633.
34.Rady, M.M. and Mohamed, G.F. 2015. Modulation of salt stress effects on the growth, physio-chemical attributes and yields of Phaseolus vulgaris L. plants by the combined application of salicylic acid and Moringa oleifera leaf extract. Sci. Hort. 193: 105-113.
35.Rafati Rahimzadeh, M., Rafati Rahimzadeh, M., Kazemi, S. and Moghadamnia, A.A. 2014. Current approaches of the management of mercury poisoning: need of the hour. DARU. 22: 46.
36.Rajkumar, M., Sandhya, S., Prasad, M.N.V. and Freitas, H. 2012. Perspectives of plant associated microbes in heavy metal phytoremediation. Biotechnol. Adv.30: 1562-1574.
37.Rizza, F., Crossatti, C., Stancan, M. and Cattevelli, L. 1994. Studies for assessing the influences of hardening on
cold tolerance of barley genotypes. Euphytica. 75: 131-138.
38.Sharma, A. and Dhiman, A. 2014. Nickel and cadmium toxicity in plants. J. Pharm. Sci. Innov. 2: 20-24.
39.Sheligl, H.Q. 1986. Die verwertung orgngischer souren durch chlorella lincht. Planta J. 47-51.
40.Shi, G.R., Cai, Q.S., Liu, Q.Q. andWu, L. 2009. Salicylic acid-mediated alleviation of cadmium toxicity in hemp plants in relation to cadmium uptake, photosynthesis, and antioxidant enzymes. Acta Physiol. Plant. 31: 969-977.
41.Siddiqui, M.H., Mohammad, F., Khan, M.M.A. and Al-Whaibi, M.H. 2011. Cumulative effect of nitrogen and sulphur on Brassica juncea L. genotypes under NaCl stress. Protoplasma.
42.Slinkard, K. and Singleton, V.L. 1977. Total phenol analyses: Automation and Comparison with Manual Methods. Am. J. Enol. Viticult. 28: 49-55.
43.Strzałka, K., Kostecka-Gugała, A. and Latowski, D. 2003. Carotenoids and environmental stress in plants: significance of carotenoid-mediated modulation of membrane physical properties. Russ. J. Plant Physiol.50: 168-173.
44.Szepesi, A. 2006. Salicylic acid improves the acclimation of Lycopersicon esculentum Mill. L. to high salinity by approximating its salt stress response to that of the wild species L. Pennellii”. Acta Biol. Szegediensis. 50: 177.
45.Upreti, K.K. and Sharma, M. 2016. Role of plant growth regulators in abiotic stress tolerance. Abiotic Stress Physiol. Hortic. Crops. 58: 19-47.
46.Vafadar, R., Ghavidel, A., Goli Kalanpa, E. and Soltani, A.A. 2017. The effectof Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas putida on some soil biological properties and plant growth indices of wheat under salt stress. J. agric. Sci. Sust. Prod. 27: 65-79.
47.Valentovic, P., Luxova, M., Kolarovi, L. and Gasparikora, O. 2006. Effect of osmotic stress on compatible solutes content, memberane stability and water relation in two maizes. Plant Soil Environ. 52: 186-191.
48.Vardhini, B.V. 2013. Brassinosteroids, role for amino acids, peptides and amines modulation in stressed plants- A review. P 300-316, In: N.A. Anjum, S.S. Gill and R. Gill (Eds.), Plant adaptation to environmental change: Significance of amino acids and their derivatives. International of Nosworthy Way, Wallingford OX10 8DE, United Kingdom.
49.Walker, V., Bertrand, C., Bellvert, F., Moënne-Loccoz, Y., Bally, R. and Comte, G. 2011. Host plant secondary metabolite profiling shows a complex, strain-dependent response of maize to plant growth-promoting rhizobacteria of the genus Azospirillum. New Phytol. 189: 494-506.
50.Walker, V., Couillerot, O., Von Felten, A., Bellvert, F., Jansa, J. and Maurhofer, M. 2012. Variation of secondary metabolite levels in maize seedling roots induced by inoculation with Azospirillum, Pseudomonas and Glomus consortium under field conditions. Plant Soil. 356: 151-163.
51.Xu, W., Peng, H., Yang, T., Whitaker, B., Huang, L. and Sun, J. 2014. Effect of calcium on strawberry fruit flavonoid pathway gene expression and anthocyanin accumulation. Plant Physiol. Biochem. 82: 289-298.
52.Zhang, Z., Xuequn, P., Yang, C., Ji, Z. and Jiang, Y. 2004. Purification and structural analysis of anthocyanins from litchi pericarp. Food Chem. 84: 601-604.
53.Zhang, F., Zhang, H., Xia, Y. and Wang, G. 2011. Exogenous application of salicylic acid alleviates cadmium toxicity and reduces hydrogen peroxide accumulation in root apoplasts of Phaseolus aureus and Vicia sativa. Plant Cell Reports. 30: 1475-1483.
54.Zhishen, J., Mengcheng, T. and Jianming, W. 1999. The determination of flavonoid contents in mulberry and their scavenging effects on superoxide radicals. Food Chem. 64: 555-559.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 28، شماره 1
فروردین 1400
صفحه 153-168

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار