ویژگی‌های روزنه‌ای، فلورسانس کلروفیل و پاسخ‎های فیزیولوژیک و فیتوشیمیایی سه رقم گل گندم (Centaurea cyanus) به تابش پرتو فرابنفش آ و ب

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، ایران

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، ایران

3 استاد گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، ایران.

4 استادیار گروه مهندسی علوم باغبانی و فضای سبز، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ملایر، ایران.

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: امروزه کاهش ضخامت لایه اوزون به دلیل افزایش ترکیبات آلوده کننده اتمسفر، باعث افزایش میزان پرتو فرابنفش در سطح زیست کره شده و مشکلاتی را برای موجودات زنده به وجود آورده است. اثرات تابش فرابنفش بر گیاهان به علت نیاز دائمی آن‌ها به نور خورشید، غیرقابل اجتناب است. پژوهش حاضر به‌منظور بررسی تاثیر پرتوهای فرابنفش (آ و ب) بر ویژگی‌های روزنه‌ای، فلورسانس کلروفیل و صفات فیزیولوژیک و فیتوشیمیایی سه رقم گل گندم انجام شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش به‌صورت کرت‌های خرد شده در قالب طرح پایه‌ی کاملاً تصادفی اجرا شد. پرتو فرابنفش در چهار سطح به عنوان عامل اول (شاهد، پرتو فرابنفش-آ ، پرتو فرابنفش-ب و پرتو فرابنفش-آ+ب) و سه رقم گل گندم به‌ عنوان فاکتور دوم در نظر گرفته شدند. پس از رسیدن نشاها به مرحله رشدی چهار برگ حقیقی، تیماردهی توسط لامپهای فرابنفش ساخت شرکت کیو لب آمریکا شروع شد. در اواخر دوره رشد گیاهان صفات فیزیولوژیک و بیوشیمیایی مختلف شامل محتوای نسبی آب برگ، نشت الکترولیتی، پراکسیداسیون لیپیدهای غشا، میزان کلروفیل‌های آ، ب و کاروتنوئید، فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی کاتالاز و پراکسیداز، ویژگی‌های روزنه‌ای شامل تراکم و شاخص روزنه‌ای، طول و عرض سلول‌های محافظ روزنه، فلورسانس کلروفیل در برگها و همچنین صفات فیتوشیمیایی شامل محتوای فنول و فلاونویید کل، آنتوسیانین برگ و خاصیت آنتی اکسیدانی عصاره مورد ارزیابی قرار گرفتند. تجزیه واریانس داده‌ها بر اساس طرح آزمایش مورد استفاده و مقایسه میانگین تیمار‌ها با آزمون حداقل تفاوت معنی‌دار در سطح پنج درصد با استفاده از نرم‌افزار مینی تب انجام گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که میزان مالوندیآلدهید، نشت الکترولیتی و آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان کاتالاز و پراکسیداز تحت تأثیر پرتو فرابنفش-ب افزایش نشان داد. تابش پرتو فرابنفش-ب باعث کاهش مقدار کلروفیل برگ و افزایش کاروتنویید شد. با این حال فرابنفش-آ هیچ تأثیری بر کلروفیل نداشت، اما باعث افزایش کاروتنویید گردید. فلورسانس حداکثر، فلورسانس متغیر و حداکثر کارایی کوانتومی فتوسیستم ІІ تحت تیمار فرابنفش کاهش یافت. بر خلاف این تیمار پرتو فرابنفش باعث افزایش فلورسانس حداقل شد. پرتو فرابنفش-ب و آ+ب باعث افزایش عرض سلول محافظ روزنه، تراکم روزنه و شاخص روزنه‌ای و کاهش طول سلول محافظ روزنه در گل گندم شد. میزان فلاونویید، فنول کل، آنتوسیانین و فعالیت آنتی اکسیدانی گل گندم در نتیجه تابش پرتو فرابنفش-ب افزایش یافت. بین ارقام گل گندم مورد مطالعه، رقم کورنبلوم بلو دارای مقادیر بالاتر فنول کل، فلاونویید کل و آنتوسیانین بود و از فعالیت آنتی اکسیدانی بیشتری نیز برخوردار بود.
نتیجه‎گیری: در این مطالعه تابش فرابنفش-ب و تابش همزمان فرابنفش-آ و ب منجر به پاسخ‌های فیزیولوژیک و فیتوشیمیایی گسترده‌تری در ارقام گل گندم شد. با توجه به نتایج حاصل می‌توان گفت که پرتو فرابنفش-ب اثرات تخریبی شدیدتری نسبت به پرتو فرابنفش-آ روی گل گندم دارد. در مقایسه بین ارقام نیز مشخص گردید که رقم کورنبلوم بلو به دلیل ترکیبات فیتوشیمیایی و فعالیت بیولوژیک بالاتر جهت کاربرد دارویی مناسب‌تر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Stomatal characteristics, chlorophyll fluorescence, and physiological and phytochemical responses of three Cornflower cultivars (Centaurea cyanus) to ultraviolet A and B

نویسندگان [English]

  • Mehdi Rastegar 1
  • Hasan Mumivand 2
  • Abdolhossein Rezaeinejad 3
  • Alireza Shayganefar 4
1 M.Sc. Graduate of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Iran.
3 Professor, Dept. of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Iran.
4 Assistant Prof., Dept. of Horticultural and Green Space Engineering, Faculty of Agriculture, Malayer University, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Nowdays, because of human industrial activities, ozone layer depletion increases the amount of ultraviolet (UV) irradiation that reaches Earth’s surface; creating problems for living organisms. Since plants always need sunlight, the effects of UV radiation on plants are inescapable. The present study was conducted to evaluate the physiological, phytochemical and chlorophyll fluorescence responses and stomatal characteristics of three cornflower cultivars to UV radition in 2018.
Materials and Methods: The experiment was performed as a split plot in a completely randomized design. Ultraviolet light was considered as the first factor in four levels (control, ultraviolet A, ultraviolet B and ultraviolet A + B) and three cornflower cultivars as the second factor. When seedlings had four real leaves, the UV treatments were started by ultraviolet lamps made by Q-Lab company of the USA. At the end of experiment, physiological and phytochemichal traits including relative water content, electrolyte leakage, lipid peroxidation, chlorophyll a and b, carotenoid content, catalase and peroxidase activity, stomatal gurad cell length and width, stomatal index, stomatal density, chlorophyll fluorescence, phenol and flavonoid contents, anthocyanin, and antioxidant activity of extract were assayed. The analysis of variance was done using Minitab software according to the experimental desing. Mean comparison was performed using LSD test method at 0.05.
Results: The results showed that the amount of malondialdehyde, electrolyte leakage and antioxidant enzymes activity was increased under UV-B radiation. UV-B radiation decreased leaf chlorophyll content, but increased carotenoids. UV A had no significant effect on chlorophyll, while, increased carotenoids. Maximum fluorescence, variable fluorescence and maximum quantum efficiency of photosystem ІІ were reduced under UV treatment. In contrast, UV radiation increased the minimum of fluorescence. UV-B and UV-A+B radiation increased width of stomatal gurad cell, and stomatal index and density, but decreased length of stomatal gurad cell in cornflower. The amount of flavonoids, total phenol, anthocyanin and antioxidant activity of cornflowers increased by UV radiation. Among the cornflower cultivars studied, Kornblume blau cultivar had shown the highest values of total phenol, total flavonoids and anthocyanins as well as antioxidant activity.
Conclusion: In the present study, UV-B radiation and simultaneous UV-A+B radiation led to more extensive physiological and phytochemical responses in cornflower cultivars. Based on the results obtained in this study, it can be concluded that UV-B has more destructive effects than UV-A on cornflower. In the comparison between cultivars, it was found that Kornblume blau cultivar is more suitable for medicinal use due to its higher phytochemical compounds and biological activity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Chlorophyll fluorescence
  • Stomata
  • Antioxidant activity
  • Antioxidant enzymes
  • Flavonoids
1.Buchholz, G., Ehmann, B. & Wellman, E. (1995). Ultraviolet light inhibition of phytochorome-induced flavonoid biosynthesis and DNA photolyase formation in mustard cotyledones (Synapis alba L.). Plant physiology, 108, 227-234.
2.Paul, N. D. & Gwynn-Jones, D. (2003). Ecological roles of solar ultraviolet radiation: towards an integrated approach. Trends in Ecology and Evolution, 18, 48-55.
3.Ulm, R. & Jenkins, G. (2015). Q & A: How do plants sense and respond to UV-B radiation? BMC Biology, 13, 1-6.
4.Li, F. R., Peng, S. L., Chen, B. M. & Hou, Y. P. (2010). A meta-analysis of the responses of woody and herbaceous plants to elevated ultraviolet-B radiation. Acta Oecologica, 36, 1-9.
5.Searles, P. S., Flint, S. D. & Caldwell, M. M. (2001). A meta analysis of plant field studies simulating stratospheric ozone depletion. Oecologia, 127, 1-10.
6.Mumivand, H., Shayganfar, A., Tsaniklidis, G., Emami Bistgani, Z., Fanourakis, D. & Nicola, S. (2022). Pheno-Morphological and Essential Oil Composition Responses to UVA Radiation and Protectants: A Case Study in Three Thymus Species. Horticulturae, 8, 31.
7.Kataria, S. & Guruprasad, K. N. (2014). Exclusion of solar UV components improves growth and performance of Amaranthus tricolor varieties. Scientia Horticulturae, 174, 36-45.
8.Kakani, V. G., Reddy, K. R., Zhao, D. & Sailaja, K. (2003). Field crop responses to ultraviolet-B radiation: a review. Agricultural and Forest Meteorology, 120, 191-218.
9.Lutz, C., Schonauer, E. & Neuner, G. (2005). Physiological adaptation to early spring conditions in green overwintering leaves of some alpine plants. Phyton; annales rei botanicae, 45 (3), 139-156.
10.Hollosy, F. (2002). Effects of ultraviolet radiation on plant cells. Micron. 33, 179-197.
11.Foyer, C. H., Delgado, H., Dat, J. F. & Scott, I. (1997). Hydrogen peroxide and glutathioneassociated mechanisms of acclamatory stress tolerance and signaling. Physiologia plantarum, 100, 240-254.
12.Mumivand, H., Ebrahimi, A., Morshedloo, M. R. & Shayganfar, A. (2021a). Water deficit stress changes in drug yield, antioxidant enzymes activity and essential oil quality and quantity of Tarragon (Artemisia dracunculus L.). Industrial Crops and Products, 164, 113381.
13.Dias, M. C., Pinto, D. C., Freitas, H., Santos, C. & Silva, A. M. (2020). The antioxidant system in Olea europaea
to enhanced UV-B radiation also depends on flavonoids and secoiridoids. Phytochemistry, 170, 112199.
14.Khudyakova, A. Y., Kreslavski, V. D., Shmarev, A. N., Lyubimov, V. Y., Shirshikova, G. N., Pashkovskiy, P. P., Kuznetsov, V. V. & Allakhverdiev, S. I. (2019). Impact of UV-B radiation on the photosystem II activity, pro-antioxidant balance and expression of light-activated genes in Arabidopsis thaliana hy4 mutants grown under light of different spectral composition. Journal of Photochemistry and Photobiology, 194, 14-20.
15.Chen, Y., Li, T., Yang, Q., Zhang, Y., Zou, J., Bian, Z. & Wen, X. (2019). UVA radiation is beneficial for yield and quality of indoor cultivated lettuce. Frontiers in plant science, 10, 1563.
16.Mozaffarian, V. (2015). Recognition of medicinal and aromatic plants of Iran. Farhang Moaser Publications. [In Farsi]
17.Kus, P. M., Jerkovic, I., Tuberoso, C. I., Marijanovic, Z. & Congiu, F. (2014). Corn-flower (Centaurea cyanus L.) honey quality parameter s: chromato-graphic fingerprints, chemical biomarkers, antioxidant capacity and others. Food Chem. 142, 8-12.
18.Yamasaki, S. & Dillenburg, L. C. (1999). Measurements of leaf relative water content in Araucaria angustifolia. Revista Brasilian Fisiologia Vegetal, 11, 69-75.
19.Lutts, S., Kinet, J. M. & Bouharmont, J. (1996). NaCl-inducedsenescence in leaves of rice (Oryza sativa L.) cultivars differingin salinity resistance. Annals of Botany, 78, 389-398.
20.Buege, J. A. & Aust, S. D. (1978). Microsomal lipid peroxidation. Methods Enzyme, 52, 302-310.
21.Lichtenthder, H. K. (1987). Chlorophylls and carotenoids pigments of photosynthetic biomemberanes. Methods Enzymol. 148, 350-382.
22.Burits, M., Asres, K. & Bucar, F. (2001). The antioxidant activity of the essential oils of Artemisia afra, Artemisia abyssinica and Juniperus procera. Phytotherapy Research, 15, 103-108.
23.Benzie, I. & Strain, J. (1996). The ferric reducing ability of plasma (FRAP) as a measure of "antioxidant power": the FRAP assay. Analytical Biochemistry; 239, 70-76.
24.Chance, B. & Maehly, A. C. (1955). Assay of catalases and peroxidases” Methods in Enzymologist, 11, 764-775.
25.Mc-Adam, J. W., Nelson, C. J. & Sharp, R. E. (1992). Peroxidase activity in the leaf elongation zone of tall fescue. Plant Physiol. 99, 872-878.
26.Wagner, G. J. (1979). Content and vacuole/extra vacuole distribution of neutral sugars, free amino acids, and anthocyanins in protoplast. Plant Physiology, 64, 88-93.
27.Mc-Donald, S., Prenzler, P. D., Autolovich, M. & Robards, K. (2001). Phenolic Content and Antioxidant activity of olive Extracts. Food Chemistry, 73, 73-84.
28.Quettier-Deleu, C., Gressier, B., Vasseur, J., Dine, T., Brunet, C. & Luyckx, M. (2000). Phenolic compounds and antioxidant activities of buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) hulls and flour. Journal of Ethnopharmacology, 72, 35-42.
29.Shayganafar, A., Azizi, M. & Rasouli, M. (2017). Investigation of the effects of different levels of ultraviolet light with the application of different antioxidant compounds on the morphological, phenological, physiological and phytochemical reactions of three species of thyme. PhD thesis. Horticultural Sciences, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad. [In Farsi]
30.Mollai, Sh., Abedini, M. & Daei Hassani, B. (2014). The effect of UV radiation on some physiological parameters of parsley (Petroselinum crispum). Thesis for Master's Degree. Plant Science, Plant Physiology, Payame Noor University of Tabriz. [in Farsi]
31.Eraslan, F., Inal, A., David, J. & Gunes, A. (2008). Interactive effects of salicylic acid and silicon on oxidative damage and antioxidant activity in spinach (Spinacia oleracea L. cv. Matador) grown under boron toxicity and salinity. Plant Growth Regulation, 55, 207-219.
32.Booji-James, I. S., Dube, S. K., Jansen, M. A. K., Edelman, M. & Mattoo, A. K. (2000). Ultraviolet-B radiation impacts light-mediated turnover of the photosystem IΙ reaction center heterodimer in Arabidopsis mutant altered in phenolic metabolism. Plant physiology, 124, 1275-1284.
33.Rao, M. V., Paliyath, G. & Ormrod, D. P. (1996). Ultraviolet-B and ozone-induced biochemical changes in antioxidant enzymes of Arabidopsis thaliana. Plant Physiology, 110, 125-136.
34.Scandalios, J. G. (1993). Oxygen stress and superoxide dismutases. Plant Physiology, 101, 7-12.
35.Kargar-Khorrami, S., Jamei, R. & Hosseini-sarghin, S. (2013). Changes in physiological and anatomical characteristics of okra (Hibiscus esculentus L.) under different bands of ultraviolet radiations. Iranian Plant Biology, 5, 13-26. [In Farsi]
36.Nasibi, F., Manouchehri-Kalantari, K. & Rashidi-Ravari, M. (2003). Investigation of physiological and morphological changes in some growth parameters due to UV-A, UV-B and UV-C ultraviolet radiation in rapeseed (Brassica napus). Journal of Research and Construction in Agriculture and Horticulture, 60, 97-103. [In Farsi]
37.Mumivand, H., Ebrahimi, A., Shayganfar, A. & Khoshro, H. H. (2021b). Screening of tarragon accessions based on physiological and phytochemical responses under water deficit. Scientific reports, 11, 1-12.
38.Takshak, S. & Agrawal, S. B. (2014). Secondary metabolites and phenylpropanoid pathway enzymes as influenced under supplemental ultraviolet-B radiation in Withania somnifera Dunal, an indigenous medicinal plant. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 140, 332-343.
39.Hosseini-Sarghin, S., Karaptian, J. & Khara, J. (2009). Investigation of the effect of UV radiation on some structural and ultrastructural parameters in Capsicum Longum. Kharazmi University Journal of Science, 9, 485-502. [In Farsi]
40.Liu, L. X., Shou-Min, X. & Woo, K. C. (2005). Solar UV-B radiation on growth photosynthesis and the xanthophyll cycle in tropical Acacias and Eucalyptus. Environmental and Experimental Botany, 54, 121-130.
41.Dai, Q., Peng, S., Chavez, A. Q. & Vergara, B. S. (1995). Effects of UVB radiation on stomatal density and opening in rice (Oryza sativa L.). Annals of botany, 76, 65-70.
42.Nogues, S., Allen, D. J., Morison, J. I. & Baker, N. R. (1999). Characterization of stomatal closure caused by ultraviolet-B radiation. Plant Physiology, 121, 489-496.
43.Keiller, D. R. & Holmes, M. G. (2001). Effects of long-term exposure to elevated UV-B radiation on the photosynthetic performance of five broad-leaved tree species. Photosynthesis Research, 67, 229-40.
44.Dehghan-Nayeri, F., Saffari, V. R. & Maghsoudmood, A. A. (2016). The effect of salicylic acid on photosynthetic and fluorescence pigments of chlorophyll in marigold under salinity stress. Iranian Journal of Horticultural Science and Technology, 17, 77-88. [In Farsi]
45.Hassani, Z., Pir Dashti, H., Yaghoubian, Y. & Nouri, M. (2014). Application of chlorophyll fluorescence technique
to identify cold and water tolerant genotypes in rice plant (Oryza sativa L.). Journal of Cell and Tissue (Scientific-Research), 5, 195-206. [in Farsi]
46.Roosta, H. R. & Sajjadinia, A. (2010). Studying the effect of cold stress on green basil, violet basil, tomato and lettuce using chlorophyll fluorescence technique. Environmental Stresses In Crop Sciences, 3, 1-8. [In Farsi]
47.Darvish Balouchi, M., Paknejad, F., Kashani, A., Ardakani, M. et al. (2010). Effect of water stress and foliar spraying of trace elements on chlorophyll fluorescence parameters, chlorophyll content, relative water content, membrane stability and yield of corn. Iranian Journal of Crop Science (Iranian Agricultural Sciences), 41, 531-543. [In Farsi]
48.Mumivand, H., Khanizadeh, P., Morshedloo, M. R., Sierka, E., Żuk-Gołaszewska, K., Horaczek, T. & Kalaji, H. M. (2021). Improvement of growth, yield, seed production and phytochemical properties of Satureja khuzistanica jamzad by foliar application of boron and zinc. Plants, 10(11), 2469.
49.Kumari, R., Singh, S. & Agrawal, S. B. (2009). Effects of supplemental ultraviolet-B radiation on growth and physiology of Acorus calamus L. (sweet flag). Acta Biol. Cracoviensia, Series botanica, 51, 19-27.
50.Morshedloo, M. R., Amani Machiani, M., Mohammadi, A., Maggi, F., Aghdam, M. S., Mumivand, H. & Javanmard, A. (2021). Comparison of drying methods for the extraction of essential oil from dragonhead (Dracocephalum moldavica L., Lamiaceae). Journal of Essential Oil Research, 33(2), 162-170.
51.Mumivand, H., Izadi, Z., Amirizadeh, F., Maggi, F. & Morshedloo, M. R. (2023). Biochar amendment improves growth and the essential oil quality and quantity of peppermint (Mentha× piperita L.) grown under waste water and reduces environmental contamination from waste water disposal. Journal of Hazardous Materials, 446, 130674.
52.Park, J. S., Choung, M. G., Kim, J. B., Hahn, B. S., Kim, J. B., Bae, S. C., Roh, K. H., Kim, Y. H., Cheon, C. I., Sung, M. K. & Cho, K. J. (2007). Genes up-regulated during red coloration in UV-B irradiated lettuce leaves. Plant Cell Report. 26, 507-516.