اثر محلول‌پاشی پرولین و گلایسین‌بتائین بر شاخص‌های رشد، میزان پرولین و فعالیت آنزیمی گیاه شمعدانی معطر (Pelargonium graveolens) تحت تنش کم‌آبی

محورهای موضوعی : خشکسالی در هواشناسی و کشاورزی

مجید خدابخش ¹ , الهام دانائی ²

1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه علوم باغبانی، واحد گرمسار، دانشگاه آزاد اسلامی، گرمسار، ایران.
2 - گروه علوم باغبانی، واحد گرمسار، دانشگاه آزاد اسلامی، گرمسار، ایران

تاریخ دریافت : 1401/02/22 تاریخ پذیرش : 1401/05/07 تاریخ انتشار : 1401/07/01

کلید واژه: سوپراکسید دیسموتاز, پراکسیداز, آنتوسیانین, کلروفیل,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: شمعدانی معطر گیاهی چندساله زینتی است که اسانس آن در صنایع عطرسازی، آرایشـی و بهداشتی، غذایی و داروسازی کاربرد دارد. کمبود آب، یکی از مهم‌ترین تنش‌های محیطی محدود کننده رشد و عملکرد گیاهان می‌باشد که تأثیر زیادی بر خصوصیات مورفوفیزیولوژیک، بیوشیمیایی و آنزیمی گیاهان داشته و شانس نمو و بقای آنها را محدود می‌کند. استفاده از اسمولیت‌های آلی مانند پرولین و گلایسین‌بتائین از طریق افزایش ظرفیت و سرعت فتوسنتز، جذب برخی یون‌ها مانند منیزیم و پتاسیم، جلوگیری از تخریب ترکیب‌های رنگیزه-پروتئین و حفظ رنگریزه‌های گیاهی، تقویت سیستم آنتی‌اکسیدانی، نقش مؤثری در مهار اثرات منفی کم‌آبی در گیاهان دارد. لذا هدف از پژوهش تعیین بهترین ماده و غلظت مؤثر در بهبود کیفیت و گلدهی شمعدانی معطر تحت تنش کم‌آبی می‌باشد.مواد و روش: قلمه‌های شمعدانی معطر در گلخانه ای تجاری با دمای حدود 17 تا 20 درجه سانتی‌گراد، رطوبت نسبی 60 تا 70 درصد و شدت نور 50 تا 60 میکرومول بر مترمربع در ثانیه در شهرستان کرج نگهداری شد. تغذیه با محلول هوگلند نیز یک‌بار در هفته صورت گرفت و به‌منظور اندازه‌گیری رطوبت خاک از سیستم توزین گلدان‌ها، استفاده و آبیاری بر اساس تغییر وزن خاک گلدان‌‌ها نسبت به ظرفیت زراعی تعیین شده، انجام شد. محلول‌پاشی گیاهان با پرولین و گلایسین‌بتائین (صفر، 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر) دو هفته پس از استقرار قلمه‌ها در گلدان و پس از 24 ساعت سطوح مختلف تنش کم‌آبی (25، 50، 75 و 100 درصد ظرفیت زراعی) به مدت یک ماه اعمال گردید. پس از اتمام اعمال تیمارها، برداشت نمونه‌ها و ارزیابی صفاتی مانند وزن ترو خشک اندام هوایی و ریشه، آنتوسیانین گلبرگ‌ها، محتوای کلروفیل کل برگ، پرولین و فعالیت آنزیم‌های سوپراکسید دیسموتاز و پراکسیداز انجام شد. آزمایش به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح آماری کاملاً تصادفی با دو عامل اعمال تنش کم‌آبی و محلول‌پاشی با پرولین و گلایسین‌بتائین و اثر متقابل آن ها در سال 1398 اجرا ‎گردید. سپس آنالیز داده‌ها با نرم‌افزار SPSS، مقایسه میانگین‌ها با آزمون چند دامنه‌ای دانکن و رسم نمودارها در Excel انجام شد.یافته‌ها: مقایسه میانگین داده‌ها نشان داد که بیش‌ترین وزن ترو خشک اندام هوایی با 25/67 و 53/8 گرم و بیش‌ترین وزن ترو خشک ریشه با 62/15 و 45/3 گرم در تیمار ظرفیت زراعی 100 درصد (شاهد) و کم‌ترین وزن ترو خشک اندام هوایی با 76/44 و 45/4 گرم و کم‌ترین وزن تر و خشک ریشه با 57/10 و 17/1 گرم در تیمار ظرفیت زراعی 25 درصد (بدون محلول‌پاشی) بود. هم‌چنین بیش‌ترین و کم‌ترین آنتوسیانین گلبرگ با 8925/2 و 5376/1 میلی‌گرم در گرم وزن تر و کلروفیل کل برگ با 3735/15 و 1632/11 میلی‌گرم در گرم وزن تر در تیمار ظرفیت زراعی 100 درصد (شاهد) و تیمار ظرفیت زراعی 25 درصد (بدون محلول‌پاشی) بود. بیش‌ترین و کم‌ترین میزان پرولین با 84/3 و 67/1 میلی‌گرم در گرم وزن تر در تیمار ظرفیت زراعی 25 درصد (بدون محلول‌پاشی) و تیمار ظرفیت زراعی 75 درصد+ پرولین 100 میلی‌گرم در لیتر بود. بیش‌ترین فعالیت آنزیم‌های سوپراکسید دیسموتاز و پراکسیداز با 97/2 و 52/16 واحد آنزیم در گرم وزن تر در تیمار ظرفیت زراعی 75 درصد+ گلایسین‌بتائین 100 میلی‌گرم در لیتر و کم‌ترین با 12/1 و 93/12 واحد آنزیم در گرم وزن تر در ظرفیت زراعی 25 درصد (بدون محلول‌پاشی) بدست آمد.نتیجه‌گیری: نتایج پژوهش نشان داد که وزن تر و خشک اندام هوایی و ریشه با افزایش تنش کم‌آبی، کاهش یافت که این کاهش در ظرفیت زراعی 25 درصد بیشتر بود و محلول‌پاشی گیاهان با گلایسین‌بتائین و پرولین موجب مهار اثرات منفی تنش شد که این اثرات در غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر هر دو ترکیب نمایان‌تر بود. آنتوسیانین گلبرگ و کلروفیل کل برگ در گیاه شمعدانی با افزایش تنش کم‌آبی، کاهش یافت و تیمار گیاهان با گلایسین‌بتائین و پرولین نقش مؤثری در بهبود رنگریزه‌های گیاهی داشت. هم‌چنین تنش کم‌آبی موجب افزایش میزان پرولین گردید. بیش‌ترین فعالیت آنزیمی در ظرفیت زراعی 75 درصد بود و با افزایش میزان تنش کم‌آبی، فعالیت آنزیمی کاهش یافت. محلول‌پاشی گیاهان با گلایسین‌بتائین و پرولین 100 میلی‌گرم در لیتر توانست اثر منفی تنش کم‌آبی را در ظرفیت زراعی 50 و 75 درصد نسبت به ظرفیت زراعی 25 درصد، کاهش دهد. بنابراین با توجه به نتایج حاصل از پژوهش می‌توان کاربرد اسمولیت‌های آلی از جمله گلایسین‌بتائین و پرولین را برای کاهش اثرات منفی تنش کم‌آبی در گیاهان زینتی توصیه نمود.

چکیده انگلیسی:

Background and Aim:  Aromatic geranium is an ornamental perennial plant which its essential oil is used in perfumery, cosmetics, food and pharmaceutical industries. Water scarcity is one of the most important environmental stresses limiting plants’ growth and yield, which greatly impacts the morphophysiological, biochemical and enzymatic properties of plants and limits their development and survival. Using organic osmolytes such as proline and glycine-betaine increase the capacity and speed of photosynthesis, absorb ions such as magnesium and potassium, prevent the degradation of pigment-protein compounds, maintain plant pigments, strengthen the antioxidant system, and impact in inhibiting the adverse effects of water scarcity in plants. Thus, the aim of this study is to determine the best substance and effective concentration improving the quality and aromatic geraniums flowering under water scarcity stress.Methods: Aromatic geranium cuttings were kept in commercial greenhouses with a temperature of about 17 to 20 Cᵒ, 60 to 70% relative humidity and light intensity of about 50 to 60 µm/m2S in Karaj city. Feeding with Hoagland solution was done once a week and in order to measure the soil moisture, the potting system was used, and irrigation was carried out based on the soil weight change according to the determined field capacity (FC). Foliar spraying with proline and glycine betaine (0, 50 and, 100 mg/l) was applied for a month after two weeks of placing the cuttings in pots and  24 hours of being at different levels of low scarcity stress (25, 50, 75 and, 100% field capacity), sequently. After completing the treatments, sampling and evaluating of traits such as fresh and dry weight of shoots and roots, petals anthocyanin, total leaf chlorophyll, proline and activity of superoxide dismutase and peroxidase enzymes were performed. The experiment was performed in 2019 as a factorial experiment in a completely randomized statistical design with two factors of applying water scarcity stress and spraying with proline and glycine-betaine and their interaction. Then, data were analyzed using SPSS, the means were compared with Duncan's multiple domain and graphs were drawn in Excel.Results: Data means comparison showed that the highest fresh and dry weight of shoots with 67.25 and 8.53 g and the highest fresh and dry weight of roots with 15.62 and 3.45 g were observed in 100% FC (control) and the lowest shoot fresh and dry weight with 44.76 and 4.45 g and the lowest fresh and dry weight of roots with 10.57 and 1.17 g, were in 25% FC treatment (without foliar application). Also, the highest and lowest petals anthocyanin with 2.8925 and 1.5775 mg/g FW and total leaf chlorophyll with 15.3735 and 11.1632 mg/g FW were in 100% FC (control) and 25% FC treatment (without foliar application). The highest and lowest proline levels were 3.84 and 1.67 mg/g of FW in 25% FC treatment (without foliar application) and 75% FC treatment + 100 mg/l of proline. The highest activity of superoxide dismutase and peroxidase enzymes with 2.97 and 16.52 UE/g of FW in 75% FC + glycine-betaine 100 mg/l treatment and the lowest with 1.12 and 12.93 UE/g FW in 25% FC treatment (without foliar application), was obtained.Conclusion: The results demonstrate that the fresh and dry weight of shoots and roots decreased with increasing water scarcity stress, which this reduction was in 25% or more of field capacity and foliar application of plants with glycine betaine and proline inhibited the negative effects of stress at a concentration of 100 mg/l, both combinations were more visible. Petal anthocyanin and total leaf chlorophyll dropped with rising water scarcity stress and, treatment of plants with glycine betaine and proline had an effective role in ameliorating plant pigments. In addition, proline levels are increased by water scarcity stress. The highest enzyme activity was in 75% FC and with increasing water scarcity stress, enzyme activity reduced. Foliar application of plants with glycine betaine and 100 mg/l proline reduced the negative effect of water stress in 50 and 75% FC compared to 25% FC. Hence, according to the research results, the use of organic osmolytes such as glycine betaine and proline can be recommended to decrease the negative effects of water scarcity stress in ornamental plants.

منابع و مأخذ:

Alipour, S., Farahmand, F., & Nasibi, F. (2016). Influence of proline treatment on some physiological morphological characteristics and postharvest life of cut tuberose (Polianthes tuberosa

L.). Plant Process and Function, 4 (14): 114-106. DOI: 20.1001.1.23222727.1394.4.14.3.7.

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

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

Bayer, W.F., & Fridovich, I. (1987). Assaying for superoxide dismutase activity: some large consequences of minor changes in condition. Annals Biochemistry, 161: 559–566.

Biglouie, M.H., Assimi, M.H., & Akbarzadeh, A. (2010). Effect of water stress at different stages on quantity and quality traits of Virginia (flue cured) tobacco type. Plant Soil Environment, 2; 67-75.  DOI.org/10.17221/163/2009-PSE.

Danaee, E., & Abdossi, V. (2021). Effects of silicon and nano-silicon on some morpho-physiological and phytochemical traits of peppermint (Mentha piperita L.) under salinity stress. Iranian Journal of Medicinal and Aromatic Plants Research, 37(1): 98-112. DOI: 10.22092/ijmapr.2021.343340.2810. [In Persian]

Darvizheh, H., & Zavareh, M. (2018). Effects of proline foliar application on alleviation of water deficit in German chamomile. Agroecology Journal, 51(1): 33-43. DOI: 10.22034/aej.2018.541280. [In Persian]

Ebrahimi, M., Zamani, Gh. R., & Alizadeh, Z. (2017). A study on the effects of water deficit on physiological and yield-related traits of pot marigold (Calendula officinalis L.). Iranian Journal of Medicinal and Aromatic Plants, 33(3): 492-508. DOI: 10.22092/ijmapr.2017.105627.1734. [In Persian]

Ezhilmathi, K., Singh, V., Arora, P., & Sairam, R.K. (2007). Effect of 5-sulfocalicylic acid on antioxidant in relation to vase life of gladiolus cut flower. Plant Growth Regulation, 51, 99-108.

Ghaffari, H., & Religion, M.R. (2019). Effect of foliar application of proline and salicylic acid on some physiological parameters of soybean (Glycine max L.) under saline irrigation conditions. Journal of plant process and function, 8(29), 125-138. DOI: 20.1001.1.23222727.1398.8.29.5.7. [In Persian]

Hassanzadeh Fard, Sh., & Arvin, M.J. (2013). The role of glycine betaine and proline in increasing drought resistance by emphasizing its functional aspects. The first national conference on agricultural sciences with emphasis on abiotic stresses. Payame Noor University. [In Persian]

Idress, M., Nadeem. M., & Hassan, M.M. (2010). Investigation of conduction and relaxation phenomena in La Fe, Ni,O₃ by impedance spectroscopy. Journal of Physics D Applied Physics, 43(9): 155401. DOI: 10.1088/0022-3727/43/15/155401.

Islami, S.V., Behdani, M.A., Siyarizhan, M.H., & Hope, M. (2011). The effect of glycine-betaine on germination and vegetative growth stages of sunflower (Helianthus annuus L.) and soybean (Glycine max L.) plants under salinity, drought and cold stress conditions. Master Thesis. Birjand University. [In Persian]

karimi, S., Zahedi, B., & Mumivand, H. (2020). Evaluation of the effect of drouth stress on growth, esential oil and some physiological traits of four Basil (Ocimum basilicum L.) cultivars. Journal of plant production research, 27 (2): 201-213. DOI: 10.22059/ijhs.2019.269897.1541.

Lei, Y., Yin, C., Ren, J., & Li, C. (2007). Effect of osmotic stress and sodium nitroprusside pretreatment on proline metabolism of wheat seedlings. Biologia Plantarum, 516: 386-390. Corpus ID: 201028313.

Meng, X., & Wang, X. (2004). Relation of flower development and anthocyanin accumulation in Gerbera hybride. Horticulture Science Biotechnology, 79, 131-137.

Mirzaei, M., Ladan Moghadam, A., Hakimi, L., & Danaee, E. (2020). Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) improve plant growth, antioxidant capacity, and essential oil properties of lemongrass (Cymbopogon citratus) under water stress. Iranian Journal of Plant Physiology, 10 (2): 3155-3166. DOI: 10.22034/ijpp.2020.672574.

Mohammadi, Z., Azadi, P., Ghanbari Jahromi, M., & Galebi, S. (2019). Evaluation of resistance to low water stress in dahlia (Verbascum Thapsus) and its introduction as an ornamental plant in urban green space. Journal of Plant Production Research, 26 (4): 243-227. DOI: 10.22069/jopp.2019.15884.2439. [In Persian]

Mortezaei Nejad, F., & Jerziyadeh, A. (2017). Effects of Water stress on Morphological and Physiological Indices of Cichorium intybus L. for introduction in urban landscapes. Journal of plant process and function, 6 (21): 279-290. DOI: 20.1001.1.23222727.1396.6.21.27.9. [In Persian]

Petropoulos, S.A., Dimitra, D., Polissiou, M.G., & Passam, H.C. (2008). The effect of water deficit stress on the growth, yield and composition of essential oils of parsley. Scientia Horticulturae, 115: 393-397.

Putter, J. (1974). In: Methods in enzymatic analysis, 2 (Ed Bergmeyer, A) Academic press. New York, P. 685.

Rahbarian, R., Khavari-Nejad, R.A., Ganjeali, A., Bagheri, A., & Najafi, F. (2011). Drought stress effects on photosynthesis, chlorophyll fluorescence and water relations in tolerant and susceptible chickpea (Cicer arietinum L.) genotypes. Acta Biologica Cracoviensia Series Botanica, 53: 47-56. DOI: 10.2478/v10182-011-0007-2.

Ramroodi, M., Rezaieenia, N., Gloeie, M., & Frozandeh, M. (2017). The effect of biological fertilizers on physiological properties and nutrients uptake of Cichorium intibus under drought stress. Iranian Journal of Field Crops Research, 15 (4): 25-32. https://jcesc.um.ac.ir/.../59774.

Rastegar, S., Zakeri,O., & Zakeri, B. (2015). Effects of drought stress on vegetative growth and biochemical changes of six ornamental species in tropical. Journal of plant process and function, 5(16): 157-164. [In Persian]

Rostami, Gh., Moghaddam, M., Saeedi Pooya, E., & Ajdanian, L. (2019). The effect of humic acid foliar application on some morphophysiological and biochemical characteristics of spearmint (Mentha spicata L.) in drought stress conditions. Enviromental Stresses in Crop Sciences, 12 (1): 95-110. DOI: 10.22077/escs.2018.1296.1264.

Sanjari Mijani, M., Sirousmehr, A., & Fakheri, B. (2015). Effect of drought stress and humic acid on some physiological characteristics of (Hibiscus sabdarifa). Agriculture Cultivate, 17 (2): 414-403. DOI: 10.22059/jci.2015.55189.

Savari, A., Fotokian, M., & Barzali, M. (2009). Evaluation of glycine betaine effects on some agronomic traits of cotton (Gossypium hirsutum L.) cultivars under water-droughts stress. Journal of Daneshvar Agronomy Sciences, 1(1): 67-76.

Sharkey, T.D., Carl, J.B., Graham, D.F., & Singsaas, E.L. (2007). Fitting photosynthetic carbondioxide response curves for C₃ leaves. Plant Cell Environ, 30, 1035-1040. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2007.01710.x.

Sodaii Zadeh, H., Shamsaie, M., Tajamoliyan, M., Mirmohammady Maibody, A.M., & Hakim Zadeh, M. A. (2016). The Effects of Water Stress on Some Morphological and Physiological Characteristics of Satureja Hortensis. Journal of Plant Process and Function Iranian Society of Plant Physiology, 5 (15): 1-12.

Soroori, S., Danaee, E., Hemmati, KH., & Ladan Moghadam, A.R. (2021). Effect of Foliar Application of Proline on Morphological and Physiological Traits of Calendula officinalis L. under drought Stress. Journal of Ornamental Plants, 11(1): 13-30. DOI: 20.1001.1.22516433.2021.11.1.1.8.

Taghdisi Sayyar, M., Enteshari, Sh,. & Daneshmand, F. (2015). The interaction of exogenous glycine betaine and water deficit on some physiologic characteristic of tomato (Lycopersicun esculentum Mill.) plants. Journal of plant process and function, 5(17): 109-120. DOI: 20.1001.1.23222727.1395.5.17.3.0.  [In Persian]

Vahid Dastgerdi, M., & Ehsanpour, A.A. (2020). The effect of exogenous glycinebetaine on proline and salt tolerance of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plant under in vitro culture. Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology), 32(4): 815-825. DOI: 20.1001.1.23832592.1398.32.4.7.6. [In Persian]

Yazdani, A., & Pighambari, S.M. (2019). A review of the biological properties of Pelargonium. First national conference on natural resources, medicinal plants and traditional medicine. Faculty of Veterinary Medicine, University of Tehran. [In Persian]

Zekavati, H.R., Shoor, M., Rohani, H., Fazeli kakhki, S.F., & Ganji Moghadam, E. (2019). Impact of Trichoderma (65 Fungus) on Morphological and Biochemical Traits of Tuberose under Drought Stress. Journal of Agricultural Crops Production, 21(1): 62-72. [In Persian]