اثر دمای پایین بر عملکرد، کیفیت و خواص آنتی‌اکسیدانی میوه عروسک پشت‌پرده تحت محلول‌پاشی برگی اسیدهای آمینه و سلنیوم

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

2 دانشجوی دکتری گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

3 نویسنده مسئول، دانشیار گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: دمای پایین تأثیر زیادی بر بقا و توزیع جغرافیایی گیاهان دارد و به عنوان یک عامل محیطی مهم، بهره‌وری گیاهان را تحت تاثیر قرار می‌دهد. عروسک پشت‌پرده (Physalis peruviana L.) از خانواده سولاناسه و از گیاهان گرمسیری و نیمه گرمسیری می‌باشد که تحت تاثیر دماهای پایین در ابتدا و انتهای فصل رشد قرار می‌گیرد. این میوه‌ها به دلیل داشتن ترکیبات تغذیه‌ای و زیست فعال (آنتی‌اکسیدان‌ها، ویتامین‌های A، B، C، E و K1، آلکالوئیدها، فلاونوئیدها و کاروتنوئیدها) برای سلامتی انسان بسیار مفید هستند، بنابراین برای کشت در سراسر جهان مورد توجه قرار گرفته است. اسیدهای آمینه (ال-فنیل آلانین و سیستئین) و سلنیوم نقش مهمی در مقاومت گیاه به دمای پایین دارد. با این حال، نقش فنیل‌آلانین (Phe)، سیستئین (Cys) و سلنیوم (Se) در تنظیم تحمل به سرما و بهبود کیفیت میوه عروسک پشت‌پرده هنوز ناشناخته است. در این مطالعه اثر فنیل‌آلانین، سیستئین و سلنیوم بر کیفیت و ظرفیت آنتی‌اکسیدانی میوه عروسک پشت‌پرده تحت تنش دمای پایین مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: پژوهش حاضر به‌صورت طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار اجرا گردید. تیمارهای آزمایش شامل اسیدهای آمینه فنیل‌آلانین در سطوح (75/0 و 5/2 میلی‌مولار)، سیستئین (5/0 و 1 و میلی‌مولار)، سلنیوم (5/0 و 75/0 میلی‌گرم در لیتر سلنات سدیم) و شاهد محلول‌پاشی با آب مقطر در مزرعه بود. بذرها در گلخانه با شرایط دمایی 2±25 درجه ‌سانتی‌گراد در روز و 2±20 درجه ‌سانتی‌گراد در شب کشت گردید. تیمار اسیدهای آمینه و سلنیوم در مرحله 5-4 برگ حقیقی انجام شد و سپس به‌منظور اعمال تنش دمای پایین نشاها به مدت 48 ساعت در دمای 1±4 درجه سانتی‌گراد در سردخانه قرار گرفتند و گیاهان شاهد همراه با اعمال تنش سرما و فاقد تنش سرمایی بودند. سپس نشاها به مزرعه منتقل شدند. گیاهان سه بار در مرحله رویشی، شروع گلدهی و میوه‌دهی با اسیدهای آمینه و سلنیوم تیمار شدند. پس از مواجه شدن گیاهان با سرمای پاییزه در مزرعه، میوه‌ها در مرحله تغییر رنگ کاسبرگ و تغییر رنگ میوه از سبز به نارنجی برداشت شدند و صفات ارتفاع بوته، عملکرد میوه و صفات کیفی میوه شامل محتوای کارتنوئید، شاخص پایداری غشاء، اسید قابل تیتراسیون، ترکیبات فنلی و فعالیت آنتی‌اکسیدانی ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که تنش دمای پایین، مقدار عملکرد میوه، محتوای کاروتنوئید و شاخص پایداری غشاء را کاهش داد و میزان اسید قابل تیتراسیون، محتوای فلانوئید و فنل کل میوه و فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، پراکسیداز، فنیل‌آلانین آمونیالیاز و سوپراکسید دیسموتاز را افزایش داد. تیمار گیاهان با اسید‌های آمینه فنیل‌آلانین، سیستئین و سلنیوم تحت تنش دمای پایین باعث افزایش معنی‌دار عملکرد میوه، فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی، محتوای کاروتنوئید، شاخص پایداری غشاء، اسید قابل تیتراسیون، محتوای فلانوئید و فنل کل میوه شد. بیشترین میزان شاخص پایداری غشاء (46/38 و 01/36) در میوه‌های حاصل از گیاهان تیمار شده با هر دو غلظت 25/0 و 5/0 میلی‌گرم در لیتر سلنیوم مشاهده گردید. بیشترین مقدار فنل (08/8 و 83/7 میلی‌گرم بر گرم وزن‌تر) در میوه گیاهان تحت تنش دمای پایین تیمار شده با فنیل‌آلانین 75/0 میلی‌مولار و سیستئین 25/0 میلی‌مولار مشاهده شد. بیشترین میزان ظرفیت آنتی‌اکسیدانی در گیاهان تیمار شده با فنیل‌آلانین 75/0و 5/1 میلی‌مولار (8/60 درصد)، سیتئین 25/0 میلی‌مولار (26/60 درصد) و سلنیوم 5/0 میلی‌گرم در لیتر تحت شرایط تنش دمای پایین و کمترین میزان (5/50 درصد) آن در گیاهان شاهد فاقد تنش سرما بدست آمد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که تیمار اسیدهای آمینه بخصوص سطوح 75/0 و 5/2 میلی‌مولار فنیل آلانین و 5/0 میلی‌گرم در لیتر سلنیوم بر گیاه عروسک پشت پرده در مرحله نشاء و رشد در مزرعه، باعث افزایش معنی‌دار عملکرد میوه گردید، همچنین فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی و ترکیبات فنلی، شاخص پایداری غشاء میوه‌های مواجه شده با سرمای پاییزه را افزایش داد و باعث بهبود کیفیت میوه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of low temperature on fruit yield, quality and antioxidant properties of physalis under foliar spray of amino acids and selenium

نویسندگان [English]

  • Vali Rabiei 1
  • Arezoo Akbari 2
  • Taher Barzegar 3
1 Professor, Dept. of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
2 Ph.D. Student, Dept. of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran
3 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Horticultural Sciences, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
چکیده [English]

Background and Objectives: Low temperature has a major influence on survival and geographical distribution of plants and as an important environmental factor, it affects plant productivity. Physalis (Physalis peruviana L.) belongs to the Solanaceae family and is a tropical and subtropical plant that is affected by low temperatures at beginning and end of the growing season. These fruits are highly beneficial to human health due to their nutritional and bioactive compounds (antioxidants, vitamins A, B, C, E and K1, flavonoids and carotenoids), so it has gained attention for cultivation worldwide. Amino acids (L-Phenylalanine and cysteine) or selenium play important roles in plant resistance to low temperature. However, the role of L-phenylalanine (Phe) and cysteine (Cys) or selenium (Se) in regulating chilling tolerance and improve fruit quality of physalis is still unknown. In this study, the effects of Phe, Cys and Se on quality and antioxidant capacity of physalis fruit under low-temperature stress were investigated.
Materials and Methods: The experiment was conducted in a randomized complete block design with three replicates. The seeds of physalis (Physalis peruviana L.) were sown in seedling trays containing peat moss under optimal conditions of 25±2°C during the day and 20±2°C at night. Different concentrations of L-phenylalanine (0.75, 1.5, and 2.5 mM, Phe), L-cysteine (0.25, 0.5, and 0.75 mM, Cys), or sodium selenate (0.25, 0.5, and 1 mg L-1, Se) were sprayed on the seedlings at the 4–5th true leaf stage. Distilled water was used as the control treatment. To induce chilling stress, plants with the basically same growth were transferred to a 4 °C climate chamber for 48 hours. The control group was grown under optimal conditions. After applying the chilling stress, the plants were returned to optimal growth conditions for 24 hours. Plants transplanted to the field and foliar sprayed three times (growth stage, flowering and fruit set stages) with amino acids and Se. After exposed plants to autumn chilling, fruits harvested during calix and fruit color change from green to orange stage, and plant height, yield and the quality characteristics of the fruit including carotenoid content, membrane stability index, titratable acidity, phenolic compounds and antioxidant activity were evaluated.
Results: The results showed that low temperature stress significantly decreased fruit yield, carotenoids content and membrane stability index (MSI), and increased titratable acidity, phenols and flavonoids content and phenylalanine ammonia-lyase (PAL), superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) activities. Foliar spray of Physalis plants with Phe, Cys and Se under cold stress significantly increased plant height, fruit yield, antioxidant enzymes activity, MSI, carotenoids, phenolic compound and TA. The highest value of MSI (38.46 and 36.1) was obtained in fruit of plants treated with Se 0.25 and 0.5 mg L-1 under low temperature condition. The maximum phenol content (8.08 and 7.83 mg L-1) of fruit was observed with application of Phe 0.75 mM and Cys 0.25 mM in plants exposed to cold stress. Also, the highest antioxidant capacity was obtained in plant fruits treated with Phe 0.75 and 1.5 mM (60.8%), Cys 0.25 mM (60.26%) and Se 0.5 mg L-1, respectively under low temperature condition, and the lowest antioxidant capacity (50.5%) was observed in control plant fruits.
Conclusion: The results of research showed that the foliar application of Phe, Cys or Se treatments, especially the levels of Phe 0.75 and 1.5 mM and Se 0.5 mg L-1 during seedling and field growing periods caused a significant increase in fruit yield, also increased the activity of antioxidant enzymes, phenolic compounds and the membrane stability index of fruits exposed to autumn cold and led to improvement of fruit quality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antioxidants enzymes
  • Chilling injury
  • Flavonoid
  • Membrane stability index
1.Moura, P. H. A., Coutinho, G., Pio, R., Bianchini, F. G., & Curi, P. N. (2016). Plastic covering, planting density, and prunning in the production of Cape gooseberry (Physalis peruviana L.) in subtropical region. Revista Caatinga.29 (2), 367-374.2.Muniz, J., Kretzschmar, A. A., Rufato, L., Pelizza, T. R., Rufato, A. D. R., & Macedo, T. A. D. (2014). General aspects of physalis cultivation. Ciência Rural.44 (6), 964-970.3.Wang, F., Chen, S., Liang, D., Qu, G. Z., Chen, S., & Zhao, X. (2020). Transcriptomic analyses of Pinus koraiensis under different cold stresses. BMC genomics. 21 (1), 1-14.4.Sanghera, G. S., & Wani, S. H. (2008). Innovative approaches to enhance genetic potential of rice for higher productivity under temperate conditions of Kashmir. Journal of Plant Research. 24, 99-113.5.Mesa, T., Polo, J., Arabia, A., Caselles, V., & Munné-Bosch, S. (2022). Differential physiological response to heat and cold stress of tomato plants and its implication on fruit quality. Journal of Plant Physiology. 268, 153581. https://doi.org/ 10.1016/j.jplph.2021.153581.6.Thomas, J., Mandal, A., Raj Kumar, R., & Chordia, A. (2009). Role of biologically active amino acid formulations on quality and crop productivity of tea (Camellia sp.). International Journal of Agricultural Research. 4, 228-36.7.Xu, J., Zhang, Y., Guan, Z., Wei, W., Han, L., & Chai, T. (2008). Expression and function of two dehydrins under environmental stresses in Brassica juncea L. Molecular Breeding. 21, 431-438.8.Hayat, S., Hayat, Q., Alyemeni, M. N., Wani, A. S., Pichtel, J., & Ahmad, A. (2012). Role of proline under changing environments: a review. Plant Signaling & Behavior. 7 (11), 1456-1466.9.Tzin, V., & Galili, G. (2010). New insights into the shikimate and aromatic amino acids biosynthesis pathways in plants. Molecular Plant. 3 (6), 956-972.10.Portu, J., López-Alfaro, I., Gómez-Alonso, S., López, R., & Garde-Cerdán, T. (2015). Changes on grape phenolic composition induced by grapevine foliar applications of phenylalanine and urea. Food Chemistry. 180, 171-180.11.Alvarez, C., Ángeles Bermúdez, M., Romero, L. C., Gotor, C., & García, I. (2012). Cysteine homeostasis plays an essential role in plant immunity. New Phytologist. 193 (1), 165–177.12.Ali, S., Khan, A. S., & Malik, A. U. (2016). Postharvest L-cysteine application delayed pericarp browning, suppressed lipid peroxidation and maintained antioxidative activities of litchi fruit. Postharvest Biology and Technology. 121, 135-142.13.Zhang, H., Pu, J., Liu, H., Wang, M., Du, Y., Tang, X., Luo, X., Wang, Y., & Deng, Q. (2023). Effects of L-cysteine and γ-aminobutyric acid treatment on postharvest quality and antioxidant activity of loquat fruit during storage. International Journal of Molecular Sciences. 24, 10541. https://doi.org/10. 3390/ijms24131054.14.Zhu, Z., Zhang, Y., Liu, J., Chen, Y., & Zhang, X. (2018). Exploring the effects of selenium treatment on the nutritional quality of tomato fruit. Food Chemistery. 252, 9-15.15.Malorgio, F., Diaz, K. E., Ferrante, A., Mensuali Sodi, A., & Pezzarossa, B. (2009). Effects of selenium addition on minimally processed leafy vegetables grown in a floating system. Journal of the Science of Food and Agriculture.89 (13), 2243-2251.16.Puccinelli, M., Malorgio, F., & Pezzarossa, B. (2017). Selenium enrichment of horticultural crops. Molecules. 22 (6), 933.17.Aghdam, M. S., Moradi, M., Razavi, F., & Rabiei, V. (2019). Exogenous phenylalanine application promotes chilling tolerance in tomato fruits during cold storage by ensuring supply of NADPH for activation of ROS scavenging systems. Scientia Horticulturae.246, 818-825.18.Arnon, D. I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant physiology.24 (1), 1-15.19.Ezhilmathi, K., Singh, V. P., Arora, A., & Sairam, R. K. (2007). Effect of 5-sulfosalicylic acid on antioxidant activity in relation to vase life of Gladiolus cut flowers. Plant Growth Regulation. 51 (2), 99-108.20.AOAC. 2000. Official method of analysis of the association of official analytical chemists. Washington D.C. 12, 377-378.21.Nguyen, T. B. T., Ketsa, S., & Van Doorn, W. G. (2003). Relationship between browning and the activities of polyphenoloxidase and phenylalanine ammonia lyase in banana peel during low temperature storage. Postharvest Biology and Technology. 30 (2), 187-193.22.Zhang, X., Shen, L., Li, F., Meng, D., & Sheng, J. (2013). Amelioration of chilling stress by arginine in tomato fruit: Changes in endogenous arginine catabolism. Postharvest Biol. Technol. 76, 106-111.23.Singleton, V. L., & Rossi, J. A. (1965). Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic- phosphotungstic acid reagents. American Journal of Enology and Viticulture. 16 (3), 144-158.24.Kaijv, M., Sheng, L., & Chao, C. 2006. Antioxidation of flavonoids of Green Rhizome. Journal of Food Science. 27, 110-115.25.Dehghan, G., & Khoshkam, Z. (2012). Tin (II)-quercetin complex: Synthesis, spectral characterization and antioxidant activity. Food Chemistery. 131, 422-427.26.Botta, A. 2012. Enhancing plant tolerance to temperature stress with amino acids: an approach to their mode of action. In I World Congress on the Use of Biostimulants in Agriculture. 1009, 29-35.27.Sayyari, M., Ghanbari, F., Fatahi, S., & Bavandpour, F. (2013). Chilling tolerance improving of watermelon seedling by salicylic acid seed and foliar application. Notulae Scientia Biologicae. 5 (1), 67-73.28.Schiavon, M., dall’Acqua, S., Mietto, A., Pilon-Smits, E. A., Sambo, P., Masi, A., and Malagoli, M. (2013). Selenium fertilization alters the chemical composition and antioxidant constituents of tomato (Solanum lycopersicon L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 61 (44), 10542-10554.29.Cheng, B., Lian, H. F., LIU, Y. Y., Yu, X. H., Sun, Y. L., Sun, X. D., Shi, Q. H., & Liu, S. Q. (2016). Effects of selenium and sulfur on antioxidants and physiological parameters of garlic plants during senescence. Journal of Integrative Agriculture. 15 (3), 566-572.30.Seregina, I. I., Nilovskaya, N. T., & Ostapenko, N. O. (2001). The role of selenium in the formation of the grain yield in spring wheat. Agrochimica. 44, 248-250.31.Shekari, G., & Javanmardi, J. (2017). Effects of foliar application pure amino acid and amino acid containing fertilizer on Broccoli (Brassica oleracea L. var. italica) Transplants. Advances in Crop Science and Technology. 5 (3), 1-4.32.El-Din, K., & El-Wahed, M. (2005). Effect of some amino acids on growth and essential oil content of chamomile plant. International Journal of Agriculture and Biology. 376-380.33.Sarojnee, D. Y., Navindra, B., & Chandrabose, S. (2009). Effect of naturally occurring amino acid stimulants on the growth and yield of hot peppers (Capsicum annum L.). Journal of Animal and Plant Sciences.5 (1), 414-424.34.Radyuk, M. S., Domanskaya, I. N., Shcherbakov, R. A., & Shalygo, N. V. (2009). Effect of low above-zero temperature on the content of low-molecular antioxidants and activities of antioxidant enzymes in green barley leaves. Russian Journal of Plant Physiology. 56, 175-180.35.Pakkish, Z., & Mohammadrezakhani, S. (2021). Quality characteristics and antioxidant activity of the mango (Mangifera indica) fruit under arginine treatment. Journal of Plant Physiology and Breeding. 11 (1), 63-74.36.Palma, F., Carvajal, F., Ramos, J. M., Jamilena, M., & Garrido, D. (2015). Effect of putrescine application on maintenance of zucchini fruit quality during cold storage: Contribution of GABA shunt and other related nitrogen metabolites. Postharvest Biology and Technology. 99, 131-140.37.Heidari, P., Reza Amerian, M., & Barcaccia, G. (2021). Hormone profiles and antioxidant activity of cultivated and wild tomato seedlings under low-temperature stress. Agronomy Journal. 11, 1146.38.Chongchatuporn, U., Ketsa, S., & van Doorn, W. G. (2013). Chilling injury in mango (Mangifera indica) fruit peel: Relationship with ascorbic acid concentrations and antioxidant enzyme activities. Postharvest Biology and Technology. 86, 409-417.39.Filek, M., Gzyl-Malcher, B., Zembala, M., Bednarska, E., Laggner, P., & Kriechbaum, M. (2010). Effect of selenium on characteristics of rape chloroplasts modified by cadmium. Journal of plant physiology.
167 (1), 28-33.40.Bidaki, S., Tehranifar, A., & Khorassani, R. (2018). Post-harvest Shelf-life extension of fruits of two strawberry (Fragaria× ananassa Duch.) cultivars with amino acids application in soilless culture system. Journal of Soil and Plant Interactions. 9 (2), 1-10. [In Persian]
41.Tavarini, S., Degl’Innocenti, E., Remorini, D., Massai, R., & Guidi, L. (2008). Antioxidant capacity, ascorbic acid, total phenols and carotenoids changes during harvest and after storage of Hayward kiwifruit. Food Chemistery. 107 (1), 282-288.42.Xu, Q. Q., Sami, A., Zhang, H., Jin, X. Z., Zheng, W. Y., Zhu, Z. Y., Wu, L. L., Lei, Y. H., Chen, Z. P., Li, Y., & Yu, Y. (2022). Combine influence of low temperature and drought on different varieties of rapeseed (Brassica napus L.). The South African Journal of Botany. 147, 400-414.43.Bahadur, A., Singh, D. P., Sarma, B. K., & Singh, U. P. (2012). Foliar application of l-phenylalanine and ferulic acids to pea plants: induced phenylalanine ammonia lyase activity and resistance against Erysiphe pisi. Archives of Phytopathology and Plant Protection. 45 (4), 398-403.44.Erdal, S. (2012). Androsterone-induced molecular and physiological changes in maize seedlings in response to chilling stress. Plant Physiology and Biochemistry. 57, 1-7.45.Choudhary, P., & Jain, V. (2018). Effect of post-harvest treatments of selenium on physico-chemical quality in guava (Psidium guajava L.) fruit. Horticulture International Journal. 2 (2), 40-43.46.Businelli, D., D'Amato, R., Onofri, A., Tedeschini, E., & Tei, F. (2015). Se-enrichment of cucumber (Cucumis sativus L.), lettuce (Lactuca sativa L.) and tomato (Solanum lycopersicum L. Karst) through fortification in pre-transplanting. Scientia Horticulturae. 197, 697-704.47.Sairam, R. K., Rao, K. V., & Srivastava, G. C. (2002). Differential response of wheat genotypes to long-term
salinity stress in relation to oxidative stress, antioxidant activity and osmolyte concentration. Plant Sciences. 163, 1037-1046.48.Zhang, Q., Zhang, J. Z., Chow, W. S., Sun, L. L., Chen, J. W., Chen, Y. J., & Peng, C. L. (2011). The influence of low temperature on photosynthesis and antioxidant enzymes in sensitive banana and tolerant plantain (Musa sp.) cultivars. Photosynthetica. 49 (2), 201.49.Zapata, P. J., Martínez-Espla, A., Guillén, F., Díaz-Mula, H. M., Martínez-Romero, D., Serrano, M., & Valero, D. (2014). Preharvest application of methyl jasmonate (MeJA) in two plum cultivars. 2. Improvement of fruit quality and antioxidant systems during postharvest storage. Postharvest Biology and Technology. 98, 115-122.50.Sanikhani, M., Akbari, A., & Kheiry, A. (2020). Effect of phenylalanine and tryptophan on morphological and physiological characteristics in colocynth (Citrullus colocynthis L.). Journal of Plant Process and Function. 9 (35), 317-328. [In Persian]
51.Zhou, R., Kong, L., Yu, X., Ottosen, C. O., Zhao, T., Jiang, F., & Wu, Z. (2019). Oxidative damage and antioxidant mechanism in tomatoes responding to drought and heat stress. Acta Physiologiae Plantarum. 41, 1-11.52.Barzegar, T., Fateh, M., & Razavi, F. (2018). Enhancement of postharvest sensory quality and antioxidant capacity of sweet pepper fruits by foliar applying calcium lactate and ascorbic acid. Scientia Horticulturae. 241, 293-303.53.Huang, C., Qin, N., Sun, L., Yu, M., Hu, W., & Qi, Z. (2018). Selenium improves physiological parameters and alleviates oxidative stress in strawberry seedlings under low-temperature stress. International Journal of Molecular Sciences. 19 (7), 1913.