اثر کاربرد سیلیکون و نانوسیلکون بر برخی صفات گندم (C3) و سورگوم (C4) تحت تنش شوری

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

2 نویسنده مسئول، استاد گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

3 دانشیار گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

4 استادیار گروه علوم پایه، دانشکده علوم دامی و شیلات، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: تنش شوری یکی از عواملی است که رشد و عملکرد گیاهان زراعی را تهدید می‌کند. پاسخ‌ گیاهان C3 و C4 به تنش شوری و تخفیف احتمالی اثرات این تنش با کاربرد سیلیکون و نانوسیلیکون در این گیاهان ممکن است متفاوت باشد. از این رو این پژوهش با هدف مقایسه پاسخ‌ گندم به عنوان یک گیاهC3 و سورگوم به عنوان یک گیاه C4، به تاثیر کاربرد سیلیکون و نانوسیلیکون بر تخفیف تنش‌ شوری انجام شد.
مواد و روشها: دو آزمایش در قالب طرح کاملاً تصادفی و به صورت فاکتوریل در گلدان در دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی ساری در سال 1398 انجام شد. فاکتور شوری شامل تیمارهای شوری شاهد (صفر میلی‌مولار) و 100 میلی‌مولار کلرید سدیم و تیمارهای سیلیکون شامل سیلیکون صفر، 2 میلی‌مولار سیلیکات پتاسیم و 2 میلی‌مولار نانوسیلیکون بود. هر دو شکل سیلیکون به صورت برگ‌پاشی مورد استفاده قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که شوری در هر دو گیاه گندم و سورگوم موجب کاهش معنی‌دار وزن تر و خشک گیاهان شد. کاربرد سیلیکون در گندم و کاربرد نانوسیلیکون در سورگوم موجب افزایش معنی‌دار وزن تر و خشک گیاهان تحت شوری شد. کاربرد سیلیکون و نانوسیلیکون اثر معنی‌داری در میزان هدایت روزنه‌ای و تعرق گیاهان گندم و سورگوم تحت شوری نداشت. در گیاهان گندم، محلول‌پاشی سیلیکون سبب افزایش معنی‌دار میزان فتوسنتز تحت شوری شد، ولی نانوسیلیکون اثر معنی‌داری نداشت. برعکس در سورگوم، کاربرد سیلیکون اثر معنی‌داری در میزان فتوسنتز گیاهان تحت شوری نداشت، ولی نانوسیلیکون سبب افزایش فتوسنتز این گیاهان شد. در گیاه سورگوم در شرایط شوری استفاده از سیلیکون و نانوسیلیکیون میزان پراکسیدهیدروژن را به ترتیب به میزان 21 و 30 % و میزان پراکسیداسیون لیپید را به ترتیب در حدود 13 و 23 % کاهش دادند. هرچند کاربرد سیلیکون و نانوسیلیکیون اثر معنی‌داری در میزان پراکسیدهیدروژن و پراکسیداسیون لیپید گیاهان گندم تحت شوری نداشت. کاربرد سیلیکون در گیاه گندم موجب افزایش 58 % وزن تر کل و 68 % خشک کل گیاهان تحت شوری شد، هرچند کاربرد نانوسیلیکون اثر معنی‌داری نداشت. استفاده از سیلیکون و نانوسیلیکون موجب افزایش وزن تر و خشک کل گیاهان سورگوم تحت شوری شد، ولی اثر افزایشی نانوسیلیکون بیشتر بود، به طوری که وزن خشک کل گیاهان سورگوم تحت شوری در تیمار نانوسیلیکون 75 % بیشتر از گیاهان فاقد این تیمار بود.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که استفاده از سیلیکون در گیاهان گندم تحت شوری موجب بهبود فتوسنتز شده و از این طریق اثرات شوری در رشد را تا حدودی کاهش داد، ولی نانوسیلیکون در این گیاه چنین اثری نداشت. برعکس در گیاهان سورگوم تحت شوری، استفاده از نانوسیلیکون با کاهش میزان پراکسیدهیدروژن و پراکسیداسیون لیپید، تنش اکسیداتیو ناشی از شوری را کم و میزان فتوسنتز گیاه را زیاد کرد که موجب رشد بیشتر گیاهان تحت تنش شوری شد. چنین مواردی با کاربرد سیلیکون مشاهده نشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of silicon and nano silicon application on wheat (C3) and sorghum (C4) under salinity stress

نویسندگان [English]

  • Mahboobeh Zarooshan 1
  • Ahmad Abdolzadeh 2
  • Hamid Reza Sadeghipour 3
  • Pooyan Mehrabanjoubani 4
1 Ph.D. Student, Dept. of Biology, Faculty of Science, Golestan University, Gorgan, Iran.
2 Corresponding Author, Professor, Dept.of Biology, Faculty of Science, Golestan University, Gorgan, Iran
3 Associate Prof., Dept. of Biology, Faculty of Science, Golestan University, Gorgan, Iran
4 Assistant Prof., Dept. of Basic Science, Faculty of Animal Science and Fisheries, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran. E-mail: p.mehraban@sanru.ac.ir
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Salinity stress is one of the factors that reduced the growth and yield of crops. The response of C3 and C4 plants to salinity stress and possible mitigation of the effects of this stress with the application of silicon and nanosilicon may be different according to the photosynthetic pathway of these plants. Therefore, this study was conducted to compare the response of wheat as a C3 plant and sorghum as a C4 plant to the effect of silicon and nanosilicon application on salinity stress mitigation.
Materials and methods: Two experiments were conducted in a completely randomized design with factorial arrangement in pots filled with soil at Sari University of Agriculture and Natural Resources in 1398. The salinity factor was at two levels included 0 and 100 mM NaCl and the silicon factor was at three levels included 0 and 2 mM potassium silicate and 2 mM nanosilicon (SiO2)). Both forms of silicon were applied as foliar application. Plant photosynthesis-related traits were measured after 13 days of treatments the next day the plants were harvested for growth measurement and other biochemical assays.
Results: The results of this study showed that salinity caused a significant reduction in fresh and dry weight of plants in both wheat and sorghum plants. Application of silicon in wheat and application of nanosilicon in sorghum caused a significant increase in fresh and dry weight of plants under salinity. Application of silicon and nanosilicon had no significant effect on stomatal conductance and transpiration of wheat and sorghum plants under salinity. In wheat plants, silicon foliar application significantly increased photosynthesis rate under salinity, but nanosilicon had no significant effect. On the contrary in sorghum, the use of silicon had no significant effect on the photosynthesis rate under salinity, but nanosilicon increased the photosynthesis rate of sorghum plants. In sorghum plant, under salinity conditions, the use of silicon and nanosilicon reduced the amount of hydrogen peroxide contents by 21 and 30%, respectively, and the amount of lipid peroxidation by about 13 and 23%, respectively. However, the use of silicon and nanosilicon did not indicated a significant effect on the content of hydrogen peroxide the amount of lipid peroxidation wheat plants grown under saline condition. The application of silicon in wheat plants increased 58% of the total fresh weight and 68% of the total dry weight of plants under salinity, although the application of nanosilicon had no significant effect. The use of silicon and nanosilicon increased the fresh and dry weight of sorghum plants under salinity, but the additive effect was greater by application nanosilicon, so that the total dry weight of sorghum plants under salinity in nanosilicon treatment were 75% higher than plants without this treatment.
Conclusion: This study showed that the use of silicon in wheat plants under salinity improved photosynthesis and thus reduced the effects of salinity on growth to some extent, but nanosilicon in this plant did not have such an effect. Conversely, in sorghum plants under salinity, the use of nanosilicon by reducing the amount of hydrogen peroxide and lipid peroxidation, reduced the oxidative stress caused by salinity and increased the photosynthesis rate of the plant, which led to more growth of plants under salinity stress. Such cases were not observed with the use of silicon.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanosilicon
  • Oxidative stress
  • photosynthetic parameters
  • Salinity
  • silicon
1.Gupta, B. and Huang B. 2014. Review Article Mechanism of Salinity Tolerance in Plants: Physiological, Biochemical, and Molecular Characterization. Orporation. Int. J. Genom. 14: 1-19.
2.Munns, R. and Tester, M. 2008. Mechanisms of Salinity Tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59: 651-681.
3.Orhun, G.E. 2016. Biotechnological Methods for the Improvement Cereals. Inter. J. Food Eng. 2: 2. 128-131.
4.Bräutigam, A. and Gowik, U. 2016. Photorespiration connects C3 and C4 photosynthesis. J. Exp. Bot. 67: 2953-2962.
5.Stepien, P. and Klobus, G. 2005. Antioxidant defense in the leaves of C3 and C4 plants under salinity stress. Physiol. Plant. 125: 1. 31-40.
6.Jothiramshekar, S., Benjamin, J.J., Krishnasamy, R., Pal, A.K., George, S., Swaminathan, R. and Parida, A.K. 2018. Responses of selected C3 and C4 halophytes to elevated CO2 concentration under salinity. Curr. Sci. 115: 1. 129-135.
7.Feldman, S.R., Bisaro, V., Biani, N.B. and Prado, D.E. 2008. Soil salinity determines the relative abundance of C3/C4 species in Argentinean grasslands. Glob. Ecol. Biogeogr. 17: 6. 708-714.
8.Ma, J.F. and Yamaji, N. 2006. Silicon uptake and accumulation in higher plants. Trends Plant Sci. 11: 8. 392-397.
9.Abdel-Haliem, M.E., Hegazy, H.S., Hassan, N.S. and Naguib, D.M. 2017. Effect of silica ions and nano silica on rice plants under salinity stress. Ecol. Eng. 99: 282-289.
10.Siddiqui, M.H., Al-Whaibi, M.H., Faisal, M. and Al Sahli, A.A. 2014. Nano-silicon dioxide mitigates the adverse effects of salt stress on Cucurbita pepo L. Environ. Toxicol. Chem. 33: 2429-2437.
11.Haghighi, M. and Pessarakli, M. 2013. Influence of silicon and nano-silicon on salinity tolerance of cherry tomatoes (Solanum lycopersicum L.) at early growth stage. Sci. Hort. 61: 111-117.
12.Hashemi, A., Abdolzadeh, A. and Sadeghipour, H.R. 2010. Beneficial effects of silicon nutrition in alleviating salinity stress in hydroponically grown canola, Brassica napus L., plants. Soil Sci. Plant Nutr. 56: 2. 244-253.
13.Soleimannejad, Z., Abdolzadeh, A. and Sadeghipour, H.R. 2019. Beneficial effects of silicon application in alleviating salinity stress in halophytic Puccinellia distans plants. Silicon. 11: 2. 1001-1010.
14.Yuvakkumar, R., Elango, V., Rajendran, V., Kannan, N.S. and Prabu, P. 2011. Influence of nanosilica powder on the growth of maize crop (Zea mays L.). Int. J. Green Nanotechnol. 3: 180-190.
15.Hurtado, A.C., Chiconato, D.A., de Mello Prado, R., Junior, G.D.S.S. and Felisberto, G. 2019. Silicon attenuates sodium toxicity by improving nutritional efficiency in sorghum and sunflower plants. Plant Physiol. Biochem. 142: 224-233.
16.Tuna, A.L., Kaya, C., Higgs, D., Murillo-Amador, B., Aydemir, S. and Girgin, A.R. 2008. Silicon improves salinity tolerance in wheat plants. Environ. Exp. Bot. 62: 1. 10-16.
17.Mushtaq, A., Jamil, N., Riaz, M., Hornyak, G.L., Ahmed, N., Ahmed, S.S., Shahwani, M.N. and Malghani, M.N.K. 2017. Synthesis of Silica Nanoparticles and their effect on priming of wheat (Triticum aestivum L.) under salinity stress. Biol. Forum. 1: 150-157.
18.Tahir, M.A., Rahmatullah, T., Aziz, M., Ashraf, S., Kanwal, S. and Maqsood, M.A. 2006. Beneficial effects of silicon in wheat (Triticum aestivum L.) under salinity stress. Pak. J. Bot.38: 5. 1715-1722.
19.Nabati, J., Kafi, M., Masoumi, A. and Zare Mehrjerdi, M. 2013. Effect of salinity and silicon application on photosynthetic characteristics of sorghum (Sorghum bicolor L.) Int. J. Agric. Sci. 3: 483-492.
20.Liu, P., Yin, L., Wang, S., Zhang, M., Deng, X., Zhang, S. and Tanaka, K. 2015. Enhanced root hydraulic conductance by aquaporin regulation accounts for silicon alleviated salt-induced osmotic stress in Sorghum bicolor L. Environ. Exp. Bot. 111: 42-51.
21.Rios, J.J., Martínez-Ballesta, M.C., Ruiz, J.M., Blasco, B. and Carvajal, M. 2017. Silicon-mediated improvement in plant salinity tolerance: the role of aquaporins. Front. Plant Sci. 8: 948.
22.Qados, A. and Moftah, A.E. 2015. Influence of silicon and nano-silicon on germination, Growth and yield of faba bean (Vicia faba L.) under salt stress conditions. Am. J. Exp. Agric. 5: 509-524.
23.Lichtenthaler, H.K. 1987. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol.
148: 350-382.
24.Sergive, I., Alexieva, V. and Karanov, E. 1997. Effect of spermine, atrazine and combination between them on some endogeneus protective systems and stress markers in plants. Comptes Rendus de Academie Bulg. Des. 51: 121-124.
25.Liu, X. and Huang, B. 2000. Heat stress injury in relation to membrane lipid peroxidation in creeping. Crop Sci.
40: 503-510.
26.Bradford, M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 72: 248-254.
27.Kar, M. and Mishra, D. 1976. Catalase, Peroxidase and polyphenolxidase activities during rice leaf senescence. Plant Physiol. 57: 315-319.
28.Liang, Y.C. 1998. Effects of silicon on leaf ultrastructure, chlorophyll content and photosynthetic activity in barley under salt stress. Pedosphere. 8: 289-296.
29.Liang, Y., Chen, Q.I.N., Liu, Q., Zhang, W. and Ding, R. 2003. Exogenous silicon (Si) increases antioxidant enzyme activity and reduces lipid peroxidation in roots of salt-stressed barley (Hordeum vulgare L.). J. Plant Physiol. 160: 1157-1164.
30.Mali, M. and Aery, N.C. 2008. Influence of silicon on growth, relative water contents and uptake of silicon, calcium and potassium in wheat grown in nutrient solution. J. Plant Nutr. 31: 11. 1867-1876.
31.Yin, L., Wang, S., Li, J., Tanaka, K. and Oka, M. 2013. Application of silicon improves salt tolerance through ameliorating osmotic and ionic stresses in the seedling of Sorghum bicolor. Acta Physiol Plant. 35: 11. 3099-3107.
32.Karimi, J. and Mohsenzadeh, S. 2016. Effects of silicon oxide nanoparticles on growth and physiology of wheat seedlings. Russ. J. Plant Physiol. 3: 1. 119-123.
33.Shakeri, E., Emam, Y., Pessarakli, M. and Tabatabaei, S.A. 2020. Biochemical traits associated with growing sorghum genotypes with saline water in the field. J. Plant Nutr. 43: 8. 1136-1153.
34.Matoh, T., Kairusmee, P. and Takahashi, E. 1986. Salt-Induced Damage to Rice Plants and Alleviation Effect of Silicate. Soil Sci. Plant Nutr. 32: 295-304.
35.De Oliveira, R.L.L., de Mello Prado, R., Felisberto, G. and Cruz, F.J.R. 2019. Different sources of silicon by foliar spraying on the growth and gas exchange in sorghum. Soil Sci. Plant Nutr. 19: 4. 948-953.
36.Jamil, M., Lee, K.J., Kim, J.M., Kim, H.S. and Rha, E.S. 2007. Salinity reduced growth PSII photochemistry and chlorophyll content in radish. Sci. Agric. 64: 2. 111-118.
37.Gowayed, M.H., Al-Zahrani, H.S. and Metwali, E.M. 2017. Improving the salinity tolerance in potato (Solanum tuberosum) by exogenous application of silicon dioxide nanoparticles. Int. J. Agric. Biol. 19: 183-194.
38.Moameri, M., Alijafari, E. and Ghorbani, A. 2020. Effect of some growth facilitators on the growth parameters Onobrychis sativa Lam. in greenhouse. J. Plant Res. 32: 4. 886-895.
39.Azevedo Neto, A.D., Prisco, J.T. and Gomes-Filho, E. 2009. Changes in soluble amino-N, soluble proteins and free amino acids in leaves and roots of salt-stressed maize genotypes. J. Plant Interac. 4: 137-144.
40.Alzahrani, Y., Kuşvuran, A., Alharby, H.F., Kuşvuran, S. and Rady, M.M., 2018. The defensive role of silicon in wheat against stress conditions induced by drought, salinity or cadmium. Ecotoxicol. Environ. Saf. 154: 187-196.
41.Farhangi-Abriz, S. and Torabian, S. 2018 Nano-silicon alters antioxidant activities of soybean seedlings under salt toxicity. Protoplasma. 255: 3. 953-962.
42.Tripathi, D.K., Singh, S., Singh, V.P., Prasad, S.M., Chauhan, D.K. and Dubey, N.K. 2016. Silicon nanoparticles more efficiently alleviate arsenate toxicity than silicon in maize cultiver and hybrid differing in arsenate tolerance. Front. Environ. Sci. 4: 46-5.