ارزیابی کمی میزان مشارکت برخی صفات بیوشیمیایی گیاه کینوا در مقاومت به خشکی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری اکولوژی کشاورزی، گروه زراعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه زراعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

3 دانشیار گروه زراعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 استادیار گروه زیست‌شناسی، دانشکده زیست‌شناسی، دانشگاه دامغان، دامغان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: در شرایط تنش اکسیداتیو، کمیت برخی صفات بیوشیمیایی از جمله آنتی‌اکسیدان‌ها در گیاه افزایش می‌یابد. اکنون این سؤال مطرح است که تغییر افزایشی در این صفات می‌تواند همواره باعث افزایش مقاومت به خشکی (زیست توده بیشتر) در شرایط واجد تنش خشکی شود؟ در این خصوص نتایج ضد و نقیضی منتشر شده است که تقریباً اکثراً مبتنی بر ضریب همبستگی آنها می‌باشد. هدف از این مطالعه، تأملی عمیق‌تر از گذشته بر این پیچیدگی‌ها در کینوا بود؛ به‌طوری‌ که با استفاده از رگرسیون غیرخطی چندگانه مبتنی بر گزینش گام به گام، روابط غیرخطی، هم‌افزا (سینرژیسم) و متضاد (آنتاگونیسم) چند صفت بیوشیمیایی با وزن زیست توده بررسی گردید و نهایتاً، تابع رگرسیونی حاصله به‌حداکثر رسانی شد.
مواد و روش‌ها: آزمایشی به صورت اسپلیت‌پلات بر پایه طرح بلوک‌های کامل تصادفی در سه تکرار و دو مکان (دامغان و دیباج) به اجرا درآمد. فاکتورها شامل سطوح کم‌آبیاری {شاهد (آبیاری به میزان 100% نیاز آبی گیاه)، کم‌آبیاری متوسط (70%)، و کم‌آبیاری شدید (40%)} در کرت‌های اصلی، و محلول‌پاشی نیتروفنولات سدیم {شاهد (پاشش آب معمولی بر روی گیاه)، محلول‌پاشی در زمان ساقه‌روی و محلول‌پاشی به‌هنگام گلدهی} در کرت‌های فرعی بود. داده‌های مربوط به زیست توده (متغیر وابسته؛ Y یا مقاومت به خشکی) و چند رگرسور (سوپراکسید دیسموتاز، آنتوسیانین، قندهای محلول، پرولین، کاروتنوئید، سوپراکسید دیسموتاز، آسکوربات-پراکسیداز و کاتالاز؛ X یا متغیرهای مستقل) در شرایط کم‌آبیاری شدید برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفتند.
یافته‌ها: نتایج حاصل از تجزیه رگرسیون نشان داد که رابطه کاروتنوئید، کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز و آنتوسیانین با مقاومت به خشکی رابطه‌ای درجه دو بود، با این حال این رابطه، تفاوت زیادی داشت. به طوری‌که از لحاظ آماری، اثر مثبت کاتالاز، آنتوسیانین و آسکوربات پراکسیداز در غلظت‌ (فعالیت)های کم معنی‌دار نبود (با افزایش غلظت، تغییری در مقاومت به خشکی ایجاد نشد) ولی اثر غلظت‌های بالاتر کاتالاز و آنتوسیانین اثری کاهنده، و اثر غلظت‌های بالاتر آسکوربات پراکسیداز به عنوان اثری افزاینده شناخته شد. در مقابل، هم تأثیر غلظت‌های کم و هم تأثیر غلظت‌های بالاتر کاروتنوئید افزاینده بود؛ به انضمام این‌که، اثر مثبت غلظت‌های بالاتر کاروتنوئید اندکی بیشتر از اثرِ غلظت‌هایِ کمِ آن به‌دست آمد. پرولین و کاتالاز بالاترین تأثیر را بر مقاومت به خشکی به جای گذاردند به شرطی که افزایش آنها توأمان در نظر گرفته می‌شد (رابطه سینرژیست). اثر قندهای محلول، منفی به‌دست آمد؛ به ویژه اینکه افزایش توأمان قندهای محلول با پرولین منجر به کاهش شدید مقاومت به خشکی ‌گردید (رابطه آنتاگونیست)؛ از این رو به نظر می‌رسد افزایش این دو نباید مد نظر اصلاح‌گران قرار بگیرد.
نتیجه‌گیری: نتایج بهینه‌سازی (به‌حدکثر رسانی) تابع رگرسیونی حاکی از آن بود که ترکیبی از Unit SOD.g-1FW600 سوپراکسید دیسموتاز، μmol ascorbate min-1.mg-1.FW58/8 آسکوربات پراکسیداز، μmol H2O2.min-1.mg-1FW28/2 کاتالاز، mg.g-1FW 65/6 قندهای محلول، mg.g-1FW 15/2 آنتوسیانین، mg.g-1FW 79/6 پرولین، و mg.g-1FW 8/18 کاروتنوئید منجر به افزایش زیست توده به میزان 9% بالاتر از بیشترین مقدار مشاهده شده زیست توده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Quantitative evaluation of some biochemical traits participation to drought resistance in quinoa

نویسندگان [English]

  • shima sepasi 1
  • Manoochehr Gholipoor 2
  • Hamid Abbasdokht 3
  • Mehdi Khorshidi 4
1 Ph.D. Student in Crop Ecology, Dept. of Agronomy, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Agronomy, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
3 Associate Prof., Dept. of Agronomy, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
4 . Assistant Prof., Dept. of Biology, Faculty of Biology, Damghan University, Damghan, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Under oxidative stress conditions, the quantity of some biochemical traits, including antioxidants, increases in the plant. Now this question is raised that incremental change in these traits can always increase drought resistance (higher biomass) in drought-stressed conditions? In this regard, conflicting results have been published, which are mostly based on their correlation coefficient. The purpose of this study was a deeper contemplation into these complexities in quinoa; so, the nonlinear, synergistic, and antagonistic relationships of several biochemical traits with biomass were investigated, using multiple nonlinear regression based on stepwise selection. Finally, the resulting regression function was maximized (optimized).
Materials and Methods: The split-plot experiment based on a randomized complete block design was carried out in three replications and two locations (Damghan and Dibaj). Factors were deficit irrigation levels [control (Supplying 100% of the plant's water requirements), moderate deficit irrigation (70%), and severe deficit irrigation (40%)] in the main plots and sodium nitrophenolate spraying levels [the control (spraying tap water on the plant), foliar spraying at the stem elongation stage and foliar spraying at the flowering stage] in the subplots. The data of biomass (dependent variable; Y or drought resistance) and several regressors (superoxide dismutase, anthocyanin, soluble sugars, proline, carotenoid, superoxide dismutase, ascorbate-peroxidase, and catalase; X or independent variables), obtained under severe deficit irrigation conditions, were used for the present analysis.
Results: The results of the regression analysis showed that the relation of carotenoid, catalase, anthocyanin, and ascorbate peroxidase with drought resistance was quadratic, however, the mentioned relationship was very different. Over low concentrations (activities), the effect of catalase, anthocyanin, and ascorbate peroxidase was statistically not significant (with increasing concentration, drought resistance showed no change), but over higher concentrations, their impact was decreasing; the effect of ascorbate peroxidase appeared to be increasing just over its higher concentrations. On the contrary, over both low and high concentrations, the effect of carotenoid was positive; the positive effect of higher carotenoid concentrations tended to be slightly stronger than that of low concentrations. Proline and catalase had the highest effect on drought resistance when their increase was considered simultaneously (synergistic relationship). The effect of soluble sugars was negative; particularly, the simultaneous increase in soluble sugars and proline concentrations led to a sharp decrease in drought resistance (antagonistic relationship); hence, it seems that the simultaneous increase of these two traits should not be used for breeding purposes.
Conclusion: The results regarding optimization (maximization) of the regression function indicated that a combination of 600 Unit SOD.g-1FW superoxide dismutase, 8.58 μmol ascorbate min-1.mg-1FW ascorbate peroxidase, 2.28 μmol H2O2.min-1FW catalase, 6.65 mg.g-1FW soluble sugars, 2.15 mg.g-1FW anthocyanin, 6.79 mg.g-1FW proline, and 18.8 mg.g-1FW carotenoids could be led to an increase in biomass by 9% higher than the maximum observed value of biomass.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Synergism
  • Antagonism
  • Optimization
  • Regression
  • Quinoa
1.Lin, P. H. & Chao, Y. Y. (2021). Different drought-tolerant mechanisms in quinoa (Chenopodium quinoa Willd) and djulis (Chenopodium formosanum Koidz.) based on physiological analysis. Plants, 10, 2279-2292.
2.Hinojosa, L., González, J. A., Barrios-Masias, F. H., Fuentes, F. & Murphy, K. M. (2018). Quinoa abiotic stress responses: a review. Plants, 7, 106-117.
3.Reguera, M., Conesa, C. M., Gil-Gómez, A., Haros, C. M., Pérez-Casas, M. Á., Briones-Labarca, L., Bolaños, L., Bonilla, I., Álvarez, R. & Pinto K. (2018). The impact of different agroecological conditions on the nutritional composition of quinoa seeds. Peer Journal, 19, 1-22.
4.Vega-Gálvez, A., Miranda, M., Vergara, J., Uribe, E., Puente, L. & Martínez, E.A. (2010). Nutrition facts and functional potential of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.), an ancient Andean grain: a review. Journal of the Science of Food and Agriculture, 90, 2541-2547.
5.Soares, A. M. S., Souza, T. F., Jacinto, T. & Machado, O. L. T. (2010). Effect of methyl jasmonate on antioxidative enzyme activities and on the contents of ROS and H2O2 in Ricinus communis leaves. Brazilian Journal of Plant Physiology, 22, 151-158.
6.Tabarzad, A., Ayoubi, B., Riasat, M., Moucheshi, A. S. & Pessarakli, M. (2017). Perusing biochemical antioxidant enzymes as selection criteria under drought stress in wheat varieties. Journal of Plant Nutrition, 40, 2413-2420.
7.Hoseini, S. S., Cheniany, M., Lahouti, M. & Ganjeali, A. (2016). Evaluation of resistance to drought stress in seedlings of two lines of triticale (Triticosecale × Wittmack) with emphasis on some enzymatic and non-enzymatic antioxidants. Journal of Plant Biology, 30, 27-42. [In Persian]
8.Snider, J. L., Oosterhuis, D. M., Skulman, B. W. & Kawakami, E. M. (2009). Heat stress-induced limitations to reproductive success in Gossypium hirsutum. Physiologia Plantarum, 137, 125-138.
9.Rahimi, J., Rashidi, V., Shahbazi, H., Moghaddam-Vahed, M. & Khalilvand-Behrouzyar, E. (2021). Evaluation of activity of antioxidant enzymes and grain yield in barley (Hordeum vulgare L.) cultivars under salinity stress. Environmental Stresses in Crop Sciences, 14, 783-791. [In Persian]
10.Jabari, F., Ahmadi, A., Poustini, K. & Alizadeh, H. (2016). Relationship between some antioxidant enzymes activities and cell membrane and chlorophyll stability in drought-tolerant and succeptible wheat cultivars. Journal of Agricultural Science, 37, 307-316. [In Persian]
11.Espanani, S., Majidi, M. M., Alaei, H., Saeidi, G. & Farhadi, F. (2020). Physiological changes in flowering stage due to drought stress in F4 lines derived from inter-specific hybridization of safflower. Journal of Plant Process and Function, 9, 125-147. [In Persian]
12.Ahmadi, K. & Omidi, H. (2019). Evaluation of morphological properties, yield components and catalase enzyme in Lallemantia royleana Benth. populations under drought stress. J. Agric. Ecol. 2, 757-774. [In Persian]
13.Soleimani-Fard, A. & Naseri, R. (2020). Evaluation of relationships between grain yield and agro-physiological traits of bread wheat genotypes under rainfed conditions. Environmental Stresses in Crop Sciences, 13, 701-714. [In Persian]
14.Mhamdi, A., Queval, G., Chaouch, S., Vanderauwera, S., Breusegem, F. V. & Noctor, G. (2010). Catalase function in plants: a focus on arabidopsis mutants as stress-mimic models. Journal of Experimental Botany, 61, 4197-4220.
15.Pan, Y., Wu, L. J. & Yu, Z. L. (2006). Effect of salt and drought stress on antioxidant enzymes activities and SOD isoenzymes of liquorice (Glycyrrhiza uralensis Fisch). Plant Growth Regulation, 49, 157-165.
16.Beauchamp, C. & Fridovich, M. (1971). Superoxide dismutase: improved assays and assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry, 44, 276-287.
17.Mita, S., Murano, N., Akaike, M. & Nakamura, K. (1997). Mutants of Arabidopsis thaliana with pleiotropic effects on the expression of the gene for beta-amylase and on the accumulation of anthocyanin that is inducible by sugars. Plant Journal, 11, 841-851.
18.Irigoyen, J. J., Emerich, D. W. & Sanchez-Dias, M. (1992). Water stress induced changes in concentrations of proline and total soluble sugars in nodulated alfalfa (Medicago Sativa) plants. Plant Physiology, 84, 55-60.
19.Bates, L. S., Waldren, R. P. & Teare, I. D. (1973). Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil, 39, 205-207.
20.Hiscox, J. D. & Israelstam, G. F. (1979). A method for the extraction of chlorophyll from leaf tissue without maceration. Canadian Journal of Botany, 57, 1332-1334.
21.Giannopolitis, C. N. and Ries, S. K. (1977). Superoxide dismutases I. occurrence in higher plants. Plant Physiology, 59, 309-314.
22.Nakano, Y. & Asada, K. (1981). Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell Physiology, 22, 867-880.
23.Havir, E. A. & Mchale, N. A. (1987). Biochemical and developmental characterization of multiple forms of catalase in tobacco leaves. Plant Physiology, 84, 450-455.
24.Sarker, U. & Oba, S. (2018). Catalase, superoxide dismutase and ascorbate-glutathione cycle enzymes confer drought tolerance of Amaranthus tricolor. Scientific Reports, 8, 1-12.
25.Franco, A. C., Matsubara, S. & Orthen, B. (2007). Photoinhibition, carotenoid composition and the co-regulation of photochemical and non-photochemical quenching in neotropical Savanna trees. Tree Physiol. 27: 717-725.
26.Thomas, C. E., Morehouse, L. A. & Aust, S. D. (1985). Ferritin and superoxide-dependent lipid peroxidation. Journal of Biological Chemistry, 260, 3275-3280.
27.Poli, Y., Nallamothu, V., Balakrishnan, D., Ramesh, P., Desiraju, S., Mangrauthia, S. K., Voleti, S. R. & Neelamraju, S. (2018). Increased catalase activity and maintenance of photosystem II distinguishes high-yield mutants from low-yield mutants of rice var. Nagina22 under low-phosphorus stress. Frontiers in Plant Science, 9, 1543-1556.
28.Sofo, A., Scopa, A., Nuzzaci, M. & Vitti, A. (2015). Ascorbate peroxidase and catalase activities and their genetic gegulation in plants subjected to drought and salinity stresses. International Journal of Molecular Sciences, 9, 13561-13578.
29.Bharti, K., Pandey, N., Shankhdhar, D., Srivastava, P. C. & Shankhdhar, S. C. (2014). Effect of different zinc levels on activity of superoxide dismutases and acid phosphatases and organic acid exudation on wheat genotypes. Physiology and Molecular Biology of Plants, 20, 41-48.
30.Bartwal, A., Mall, R., Lohani, P., Guru, S. K. & Arora, S. (2013). Role of secondary metabolites and brassinosteroids in plant defense against environmental stresses. Journal of Plant Growth Regulation, 32, 216-232.
31.Parihar, P., Singh, S., Singh, R., Singh, V. P. & Prasad, S. M. (2015). Effect of salinity stress on plants and its tolerance strategies: a review. Environmental Science and Pollution Research, 22, 4056-4075.
32.Cirillo, V., D’Amelia, V., Esposito, M., Amitrano, C., Carillo, P., Carputo, D. & Maggio, A. (2021). Anthocyanins are key regulators of drought stress tolerance in tobacco. Biology, 10, 139-151.