تغییرات فیزیولوژیک و بیوشیمیایی در نهال‌های گلابی وحشی (Pyrus boisseriana) در پاسخ به تغییرات آبیاری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته مقطع دکتری گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشیار گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس

3 استادیار گروه مهندسی بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده مهندسی انرژی و فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی

4 استاد گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس.

5 استادیار گروه مهندسی علوم زیستی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران.

چکیده

بهترین راه مقابله با خشکی همراهی با آن می­باشد که در این بین استفاده از ژنوتیپ­های وحشی از اهمیت ویژه­ایی برخوردار است. هدف تحقیق حاضر، درک عمیق از مکانیسم­های ژرم پلاسم وحشی گلابی (Pyrus biosseriana) در پاسخ به تنش قطع آبیاری و ارزیابی قدرت بازیابی آن می­باشد. در همین راستا بعد از قطع آبیاری به مدت 18 روز، مصادف با علائم پژمردگی برگ، شاخص های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی در برخی از نهال­ها ارزیابی شد و با آبیاری دوباره­ی نهال­های باقی مانده به مدت یک هفته، قدرت بازیابی گیاه مورد مطالعه قرار گرفت. همزمان با ظهور پژمردگی برگ، محتوی نسبی رطوبت برگ با حدود 58% کاهش در مقایسه با نهال های کنترل، در حد بحران و حیاتی (35%) اندازه گیری شد که البته بعد از آبیاری، گیاه توانست خود را تا حد قابل قبولی بازیابی کند. پتانسیل آبی گیاه در آوند چوبی در انتهای آزمایش تا 22/2- مگاپاسکال کاهش پیدا کرد و دوباره با جذب آب از ریشه، به شرایط کنترل نزدیک شد. به منظور تعدیل اسمزی در سلول گیاهی، مقدار پرولین آزاد و گلوکز حدود 6-5% در مقایسه با نهال­های کنترل افزایش یافت. نتایج نشان داد که افزایش محتوی کارتنوئید یکی از مکانیسم آنتی اکسیداتیو در این ژرم پلاسم وحشی می­باشد چرا که حضور اکسیژن­های آزاد نتوانسته است محتوی کلروفیل را کاهش دهد. از طرفی دیگر، محتوی مالون دی آلدئید و پراکسید هیدروژن به ترتیب بعنوان شاخص­های پراکسیداسیون لیپید و تنش اکسیداتیو افزایش بسیار جزئی و غیر معنی­داری داشت. در نهایت می­توان اذعان کرد که افزایش پرولین بعنوان یکی از اسمولیت‌های محلول و کارتنوئید بعنوان یکی از مکانیسم آنتی اکسیداتیو، سازوکار این گیاه برای مقابله با کم آبی است. بنظر می­رسد که ژرم پلاسم وحشی گلابی در سنین اولیه تا حدود 18 روز می­تواند بی­آبی را تحمل کند و علائم پژمردگی برگ شاخص مناسبی برای تشخیص میزان مقاومت آن به خشکی می­باشد.   

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Physiological and Biochemical properties of wild pear seedlings (Pyrus biosseriana) in response to different watering regimes

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Zarafshar 1
  • Moslem Akbarinia 2
  • Hosain Asgari 3
  • Saeed mohsen Hosaini 4
  • mehdi rahaee 5

چکیده [English]

One of the best solutions to overcome drought stress is the use of wild germplasm. We aim to understand how wild pear (Pyrus boisseriana) conserves water and recovers water potential after drought. After 18 days without water, which coincides with leaf rolling, we surveyed physiological and biochemical parameters of pear seedlings and were re-surveyed them again after a week of re-watering. After signs of leaf rolling, the relative water content decreased to a critica level (35%).In contrast to the control, RWC declined by 58% and recovered acceptably. By the end of the experiment, xylem water potential declined -2.22 Mpa, but increased watering. For osmosis adjustment in the plant cell, free proline and glucose content was increased about 5-6%. The finding showed that increasing carotenoid content is one of the strategies in response to oxidative stress, because active oxygen species could not decrease chlorophyll content. On the other hand, MDA and H2O2 content as lipid peroxidation and oxidative stress indicator respectively narrowly increased. Finally it can be concluded that increasing the carotenoid and proline content are the important mechanism for water limiting stress. It seems that this wild pear germplasm can tolerate lack of water for about 18 days. Moreover, leaf rolling sign is a good indicator of drought resistance potential.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drought
  • wild pear
  • leaf rolling sign
  • Oxidative stress
  • osmosis adjustment

احمدی موسوی، ع. ا.، منوچهری کلانتری، خ.، ترکزاده، م. (1384). اثر نوعی براسینواستروئید بر مقدار تجمع مالون دآلدئید، پرولین، قند و رنگیزه های فتوسنتزی در گیاه کلزا تحت تنش کم آبی. مجله زیست‌شناسی ایران. جلد 18 شماره (4): 295-306.

آخوندی، م.، صفرنژاد، ع.، لاهوتی، م. (1385). اثر تنش خشکی بر تجمع پرولین و تغییرات عناصر در یونجه های یزدی، نیکشهری و رنجبر (Medicago sative). علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. جلد 10 شماره (1): 165-174.

آقائی سربرزه، م.،  رجبی ، ر.، حقپرست، ر.، محمدی، ر. (1388). مطالعه تغییر محتوی پرولین، خسارت غشاء سلولی و تحمل به تنش خشکی در ژنوتیپ‌های  گندم دوروم         (Triticum turgidum var. durum) در شرایط کنترل شده. مجله به زراعی نهال و بذر. جلد 2 شماره (3): 347-354.

جوادی، ت. و بهرام نژاد، ب. (1389) محتوای نسبی آب و تبادلات گازی سه ژنوتیپ وحشی گلابی در شرایط تنش آبی، نشریه علوم باغبانی. جلد 24 شماره (2): 223-233.

جوادی، ت.، ارزانی، ک. و ابراهیم زاده، ح. (1383) بررسی میزان کربوهیدراتهای محلول و پرولین در نه ژنوتیپ گلابی آسیایی (Pyrus seratonia) تحت تنش خشکی، مجله زیست‌شناسی ایران. جلد 17 شماره (4):12- 24.

حیدری شریف آباد، ح.  (1379) .گیاه خشکی و خشکسالی. مؤسسه تحقیقات جنگلها و مراتع. 102 صفحه.

راد، م.ه.، عصاره، م. ح.، سلطانی، م.، شریعت، آ. (1391). تاثیر تنش خشکی خاک بر روابط آبی اکالیپتوس (Eucalyptus camaldulensis). مجلة جنگل ایران، انجمن جنگلبانی ایران. جلد4 شماره (2): 89-99.

شریعت، آ.، عصاره، م. ح. (1387). اثر تنش خشکی بر رنگیزه‌های گیاهی، پرولین، قندهای محلول و پارامترهای رشد چهار گونه از اکالیپتوس. مجله پژوهش و سازندگی در منابع طبیعی. جلد 78:139-148.

نیاکان، م.، قربانلی، م. ل. (1386). اثر تنش خشکی بر شاخص‌های رشد، فاکتورهای فتوسنتزی، میزان پروتئین و محتوی یونی در بخش‌های هوایی و زیرزمینی دو رقم سویا. مجله رستنیها. جلد 8 شماره (1):17-32.

Al-Ghamdi, A. (2009). Evolution of oxidative stress tolerance in two wheat (Triticum aestivum) cultivars in response to drought. Int. J. Agr. Biol. (11): 7-12.

Ames, B.M., Shigena, M.K. and Hagen, T.M. (1993). Oxidants, antioxidants and the degenerative diseases of aging. Proc Natl Acad Sci. U.S.A. 90: 7915-7922.

Arndt, S.K., Wanek, W., Clifford, S.C., Popp, M. (2000). Contrasting adaptations to drought stress in field-grown Ziziphus mauritiana and Prunus persica trees: Water relations, osmotic adjustment and carbon isotope composition. Aust J Plant Physiol. 27:985–996.

Arnon, D. I. (1949) Copper enzymes in isolated chloroplasts: Polyphenoloxidase in Beta vulgaris, Plant Physiol. 24: 1-15.

Asada, K. (1999). The water-water cycle in chloroplasts: scavenging of active oxygens and dissipation of excess photons. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 50: 601–639.

Ashraf, M. and Karimi, F. (1991). Screening for some cultivar/line of black gram for resistance to water stress, J Trop Agr. 68:57-62.

Ashraf, M. and M.R. Foolad. (2007). Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environ. Exp. Bot. 59: 206-216.

Bao, L., Chen, K.S., Zhang, D., Cao, Y.F., Yamamoto, T. and Teng, Y.W. (2007). Genetic diversity and similarity of pear cultivars native to East Asia revealed by SSR (Simple Sequence Repeat) markers. Genet. Resour. Crop Evol. 54:959-971.

Bates, L., Waldren, R. P. and Teare, I. D. (1973). Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil. 39: 205-207.

Blum, A., Ebercon, A. (1976). Genotypic responses in sorghum to drought stress. III. Free proline accumulation and drought resistance. Crop Sci. 16:428–431.

Blum A, Munns R, Passioura JB, Turner N.C. (1996). Genetically engineered plants resistant to soil drying and salt stress: how to interpret osmotic relations? Plant Physiol. 110: 1051-1053.

Bogeat-Triboulot MB, Brosché M, Renaut J, Jouve L, Le Thiec D, Fayyaz P, Vinocur B, Witters E, Laukens K, Teichmann T.  (2007) Gradual soil water depletion results in reversible changes of gene expression, protein profiles, ecophysiology, and growth performance in Populus euphratica, a poplar growing in arid regions. Plant Physiol.143: 876–89

Bohnert, H.J., Nelson, D.E. and Jensen, R.G. (1995). Adaptations to environmental stresses. Plant Cell. 7: 1099-1111.

Chaves, M. M., Maroco, J. P. and Pereira, J. S. (2003) Understanding plant responses to drought—from genes to the whole plant. Funct Plant Biol. 30: 239–264.

Filippou, P., Bouchagier, P., Skotti, E., Fotopoulos, V. (2014). Proline and reactive oxygen/nitrogen species metabolism is involved in the tolerant response of the invasive plant species Ailanthus altissima to drought and salinity. Environ. exp. bot. 97:1-10.

Echevarrı´a-Zomen˜o., S., Ariza, D., Jorge, I., Lenz, C., DelCampo, A., Jorrı ´n, J.V., Navarro, R. M. (2009). Changes in the protein profile of Quercus ilex leaves in response to drought stress and recovery. J Plant Physiol. 166:233—245.

Foyer, C.H., Descourvieres, P. and Kunert, K.J. (1994). Protection against oxygen radicals: An important defense mechanism studied in transgenic plants. Plant, Cell Environ.17: 507-523.

Gazanchian, A., Hajheidari, M., Sima, N.K. and Salekdeh, G.H. (2007). Proteome response of Elymus elongatum to severe water stress and recovery. J Exp Bot., 58: 291-300.

Hanson, A.D., C.E. Nelsen, A.R. Pedersen and E.H. Everson. (1979). Capacity for proline accumulation during water stress in barley and its implications for breeding for drought resistance. Crop Sci., 19: 489-493.

Hao, L., Houguo, L., Zongling W., Xinmin L. (1999). Effect of water stress and rewateing on turnover and gene expression of photosystemaII reaction center polypeptide D1 in Zea mays. Funct Plant Biol: 26(4): 375-378.

Hare, P.D., Cress, W.A., van Staden, J. (1999). Proline synthesis and degradation: a model system for elucidating stress-related signal transduction. J Exp Bot. 50: 413–434.

Hasegawa, P.M., R.A. Bressan, J.K. Zhu and H.J. Bohnert. (2000). Plant cellular and molecular responses to high salinity. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 51: 463-499.

Heath, R.L. and L. Packer. (1968). Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Arch. Biochem. Biophys. 125: 189-198.

Ho, S.L., Chao, Y.C., Tong, W.F and Yu, S.M. (2001). Sugar coordinately and differentially regulates growth- and stress-regulated gene expression via a complex signal transduction network and multiple control mechanisms. Plant Physiol. 125: 877– 890.

Ingram, J., and D. Bartels. (1996). The molecular basis of dehydration tolerance in plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 47:377-403.

Inze, J., Montagu, M.V. (2000). Oxidative stress in plants. TJ International Ltd, Padstow, Carnawell. Great Britain. 321 p.

Jiang G, Wang, Z., Shang, H., Yang, W., Hu, Z., Phillips, J., Deng, X. (2007). Proteome analysis of leaves from the resurrection plant Boea hygrometrica in response to dehydration and rehydration. Planta. 225:1405–1420.

Kaiser, W. M. (1987) Effect of water deficit on photosynthetic capacity, Physiol Plantarum 71:142-144.

Kao, C.H. (1981). Senescence of rice leaves. VI. Comparative study of the metabolic changes of senescing turgid and water stressed excised leaves. Plant cell physiol. 22:683-685.

Kuznetsov, Vl.V., Shevyakova, N.I. (1999). Proline under stress: biological role, metabolism, and regulation, Russ J Plant Physiol.46: 274-289.

Maricle, B.R., D.R. Cobos and C.S. Campbell. (2007). Biophysical and morphological leaf adaptations to drought and salinity in salt marsh grasses. Environ Exp Bot. 60:458–467

Martin, G.B., Brommonschenkel, S.H, Chunwongse, J., Frary, A., Ganal, M.W., Spivey, R., Wu, T., Earle, E.D., Tanksley, S.D. (1993). Map-based cloning of a protein kinase gene conferring disease resistance in tomato. Science. 262: 1432-1436.

Martin, M., Micell, F., Morgan, J.A., Scalet, M., Zebi, G. (1993) Synthesis of osmotically active substances in winter wheat leaves as related to drought resistance of different genotypes. J Agron Crop Sci, 171: 176-184.

Martínez, JP., Silva, H., Ledent, J.F. and Pinto, M. (2007) Effect of drought stress on the osmotic adjustment, cell wall elasticity and cell volume of six cultivars of common beans (Phaseolus vulgaris L.), Eur J Agron. 26: 30-38.

Masinde P.W., Stützel, H., Agong, S.G. and Frickle, A. (2005). Plant growth, water relations and transpiration of spider plant (Gynandropsis gynandra (L.) Briq) under water limited conditions. J Amer Soc Hort Sci. 130(3): 469-477.

Mattioni, C., N.G. Lacerenza., A. Troccoli., A.M. De Leonardis., and N. Di Fonzo. (1997). Water and salt stress-induced alterations in proline metabolism of Triticum durum seedlings. Physiol Plantarum. 101:787– 792.

Mittler, R. (2002). Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Sci 9, 405-410.

Morales, C.G., Pino, M.T. del Pozo, A. (2013). Phenological and physiological responses to drought stress and subsequent rehydration cycles in two raspberry cultivars. Sci Horticulturae. 162:234–241.

Noctor,  G.,  Foyer, C.H. (1998). Ascorbate and glutathione: keeping active oxygen under control. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 49:249–279.

Oncel, I., Keles, Y., and Ustun, A.S. (2000). Interactive effects of temperature and heavy metal stress on the growth and some biochemical compounds in wheat seedlings. Environ Pollut. 107: 315–320.

Oneill, P. M., Shanahan, J. F. and Schepers, J. S. (2006) Use of chlorophyll fluorescence assessments to differentiate corn hybrid response to variable water conditions, Crop Sci, Plant Physiol. 24:1-15

Orcutt, D.M., Nilsen, E.T. (2000). The physiology of plants under stress—soil and biotic factors. New York: John Wiley & Sons. 684 pp

Pessarakli, M. (Ed.). (1999). Handbook of Plant and Crop Stress, 2nd Edition, Revised and Expanded, Marcel Dekker, Inc., New York, 1254 p.

Rontein, D., Basset, G,. Hanson, A.D. (2002). Metabolic Engineering of Osmoprotectant Accumulation in Plants. Metab Eng. 4: 49–56.

Sairam, R.K., K.V. Roa and G.C. Srivastava. (2002). Differential response of wheat genotypes to long term salinity stress in relation to oxidative stress, antioxidant activity and osmolyte concentration. Plant Sci. 163: 1037-1046.

Sairam, R.K., P.S. Deshmukh and D.C. Saxena. (1998). Role of antioxidant systems in wheat genotypes tolerant to water stress. Biol Plantarum. 41: 387-394.

Salekdeh, G.H., J. Siopongco, L.J. Wade, B. Ghareyazie and J. Bennett. (2002). Proteomic analysis of rice leaves during drought stress and recovery. Proteomics, 2: 1131-1145.

Sarkar, S., Azad, A.K., and Hopper, A.K. (1999). Nuclear tRNA aminoacylation and its role in nuclear export of endogenous tRNAs in Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl Acad Sci. USA 96, 14366– 14371.

Schwanz, P., C. Picon, P. Vivin, E. Dreyer, J.M. Guehl and A. Polle. (1996). Responses of antioxidative systems to drought stress in pendunculate oak and maritime pine as modulated by elevated CO2. Plant Physiol. 110: 393-402.

 Serraj, R., Sinclair, T.R. (2002). Osmolyte accumulation: can it really help increase crop yield under drought conditions?. Plant, Cell Environ. 25(2): 333-341.

Shalata, A. and M. Tal. (1998). The effect of salt stress on lipid peroxidation and antioxidants in the leaf of the cultivated tomato and its wild salt-tolerant relative Lycopersicon pennelli. Physiol Plantarum., 104: 169-174.

Shao, H.B., Z.S. Liang and M.A. Shao. (2005). Changes of some anti-oxidative enzymes under soil water deficits among 10 wheat genotypes at maturation stage. Colloids Surf. B: Biointerfaces, 45: 7–13

Siemens, J. A. and Zwiazek, J. J. (2003) Effects of water deficit stress and recovery on the root water relations of trembling aspen (Populus tremuloides) seedlings, Plant Sci. 165 :113-120.

Stewart, C.R., Boggess, S.F., Aspinall, D., Paleg, G. (1977). Inhibition of proline oxidation by water stress. Plant Physiol. 59: 930-932.

Van Breusegem, F., Vranova, E., Dat, J.F., and Inze, D. (2001). The role of active oxygen species in plant signal transduction. Plant Sci. 131: 405–414.

Vavilov, V. (1994) Origin and geography of cultivated plants. D. Love (translator). Cambridge university press. Cambridge. England.

Velikova, V., Loreto, F. (2005). On the relationship between isoprene emission and thermotolerance in Phragmites australis leaves exposed to high temperatures and during the recovery from a heat stress. Plant Cell Environ. 28:318-327.

Volk, G.M., Richards, C.M., Henk, A.D., Reilley, A.A., Bassil, N.V., Postman, J.D. (2006). Diversity of wild Pyrus communis based on microsatellite analysis. J Amer Soc Hort Sci. 131: 408-417.

Winter, S.R., J.T. Musick, and K.B. Porter. (1988). Evaluations of screening techniques for breeding drought-resistant winter wheat. Crop Sci. 28: 512-516.

Yardanov, V., and Tsoev, T. (2000). Plant Responses to Drought, Acclimation and Stress Tolerance. Photosynthica, 38(1): 171-186.

Zhang, J., Nguyen, H.T., Blum, A. (1999). Genetic analysis of osmotic adjustment in crop plants. J. Exp. Bot., 50:291–302.