Studying the effect of drought stress on enzymatic and non-enzymatic antioxidant system of some grape cultivar
Subject Areas : Plant physiologyMojtaba gholizadeh 1 , mehdi Haddadinejad 2 , علی عبادی 3 , Ali Mohammadi Torkashvand 4
1 - Department of Horticultural Science, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 - Horticulture of Department, Faculty of Crop Sciences, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
3 - استاد،گروه علوم باغبانی، دانشگاه تهران
4 - Professor, Islamic Azad University, Research Sciences Unit, Tehran
Keywords: proline, phenol, catalase, ascorbate-peroxidase ,
Abstract :
In order to investigate the effect of drought stress on the enzymatic and non-enzymatic antioxidant system of six grape varieties, a factorial experiment was conducted based on a completely randomized design with three replications under greenhouse conditions. In this experiment, the treatments included six grape varieties (Asgari, Khalili, Yaquti, Pikami, Turkmen 4 and Suzak) and four levels of drought stress (normal conditions (100% of the farm capacity), low stress (75% of the farm capacity), medium stress (50% of the farm capacity) and severe stress treatment (25% of the farm capacity). The results showed that the traits of proline, malondialdehyde, catalase enzymes and ascorbate peroxidase enzymes improved with increasing stress intensity. increased significantly. On the other hand, the content of total phenol decreased significantly with the increase of the intensity of stress. Among the cultivars studied, Yaqouti cultivar is more resistant to drought than other grape cultivars in terms of the studied indices. The highest amount of catalase enzyme activity was recorded in Yaqouti cultivar, so that its catalase enzyme activity at the levels of 75, 50 and 25% of the agricultural capacity increased by 13, 12 and 46% respectively compared to the 100% agricultural capacity. According to the results of this research, it seems that Yaghuti cultivar is more drought tolerant than other cultivars. Since this toleration mechanisms located in leaf of Yaghuti, it is necessary to carry out additional tests when using as rootstock.
1) اسدی و. رسولی م. غلامی م. و م، ملکی. 1396. بررسی برخی ویژگی¬های ریخت شناختی و فیزیولوژیک چهار رقم انگور (.Vitis vinifera L) در شرایط تنش خشکی. مجله علوم باغبانی ایران، 48(4): 990-997.
2) سوخت¬سرایی، ر.، عبادی، ع.، سلامی، س.ع. و ح، لسانی. 1396. بررسی شاخص¬های اکسیداتیو در سه رقم انگور (Vitis vinifera L.) در شرایط تنش خشکی. مجله علوم باغبانی ایران، 48: 98-85.
3) فهیم، س.، قنبری، ع.ر.، ناجی، ع.م.، شکوهیان، ع.ا. و ح، ملکی لجایر. 1401. تاثیر تنش خشکی روی صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی در برخی ارقام انگور ایرانی. فرآیند و کارکرد گیاهی، 11(47)، 249-266.
4) محسنی¬فرد، ا.، نجاتیان، م.ع.، حسینی¬سالکده، ق.، محمدپرست، ب. و ا، مویدی¬نژاد. 1398. تأثیر تنش خشکی بر برخی ویژگی¬های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی دو رقم انگور. فرآیند و کارکردهای گیاهی، 32: 377-390.
5) مهری، ح.ر.، قبادی، س.، بانی¬نسب، ب.، احسان زاده، پ و م، غلامی. 1393. بررسی برخی پاسخ¬های فیزیولوژیک و مورفولوژیک چهار رقم انگور ایرانی (Vitis vinifera L.) به تنش خشکی در شرایط درون شیشه¬ای. فرآیند و کارکرد گیاهی، 10(3)، 115-126.
6) Aebi, H. 1984. Catalase in vitro. Methods Enzymology, 105: 121-126.
7) Altinci, N.T. and R, Cangi, R. 2019. Drought tolerance of some wine grape cultivars under in vitro conditions. Journal of Agricultural Faculty of Gaziosmanpasa University, 36: 145-151.
8) Arora, A., Sairam, R.K. and G.C, Srivastava. 2002. Oxidative stress and antioxidant system in plants. Plant Physiology, 82: 1227-1237.
9) Beis A. and A, Patakas. 2015. Differential physiological and biochemical responses to drought in grapevines subjected to partial root drying and deficit irrigation. European Journal of Agronomy, 62: 90-97.
10) Bertamini, M., Zulini, L., Muthuchelian, K. and N, Nedunchezhian. 2006. Effect of water deficit on phostosynthetic and other physiological responses in grapevine (Vitis vinifera L. cv. Riesling) plants. Photosynthetica, 44: 151-154.
11) Choudhury, F.K., Rivero, R.M., Blumwald, E. and R, Mittler. 2017. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination. Physiology Plants, 90(5): 856-867.
12) Dacosta, M. and B, Huang. 2007. Changes in antioxidant enzyme activities and lipid pero×idation for bentgrass species in responses to drought stress. Journal of the American Society for Horticultureal Science, 132: 319-326.
13) Esmaeilizadeh, M., Lotfi, A., Mirdehghan, S.H. and M, Shamshiri. 2018. Effects of irrigation intervals on some physiological and biochemical characteristics in four Iranian grapevine cultivars. Crops Improvement, 20: 3-14.
14) Esmaeilizadeh, M., Lotfi, A., Mirdehghan, S.H. and M, Shamshiri. 2018. Effects of irrigation intervals on some physiological and biochemical characteristics in four Iranian grapevine cultivars. Crops Improvement, 20: 3-14.
15) Haider, M.S., Zhang, C. and M.M, Kurjogi. 2017. Insights into grapevine defense response against drought as revealed by biochemical, physiological and RNA-Seq analysis. Scientific reports, 7: 13134.
16) Hasanuzzaman, M., Bhuyan, M.H.M.B., Zulfiqar, F., Raza, A., Mohsin, S.M., Mahmud, J.A., Fujita, M. and V, Fotopoulos. 2020. Reactive Oxygen Species and Antioxidant Defense in Plants under Abiotic Stress: Revisiting the Crucial Role of a Universal Defense Regulator. Antioxidants (Basel), 9(8): 681.
17) Isfendiyaroglu, M. and E, Zeker. 2002. The relation between phenolic compound and seed dormancy in Pistacia spp. In: AKB E (ed.). 11 Grema Serr Pistachios and Almond. Chieres Optins Mediterraneenes, 232-277.
18) Jalili marandi, R., Hassani, A., Dolati baneh, H., Azizi, H. and R, Haji taghiloo. 2011. Effect of different levels of soil moisture on the morphological and physiological characteristics of three grape cultivars (Vitis vinifera L.). Journal of Horticultural Science, 42: 31-40.
19) Khochert, G. 1987. Carbohydrate determination by phenol- solphoric acid methods. In: Hellebust J. A. and Garigie J. S. (Eds.) pp. 95-97. Handbook of Physiological Methods, Cambridge University Press. UK.
20) Mhamdi, A., Queval, G., Chaouch, S., Vanderauwera, S., Breusegem, F. and G, Noctor. 2010. Catalase function in plants: a focus on Arabidopsis mutants as stress-mimic models. Journal of Experimental Botany, 61(15): 4179-4220.
21) Mishra, N., Jiang, Ch., Chen, L., Paul, A., Chatterjee, A. and G, Shen. 2023. Achieving abiotic stress tolerance in plants through antioxidative defense mechanisms. Frontiersin Plant Science, 14: 1110622. doi: 10.3389/fpls.2023.1110622.
22) Mukarram, M., Choudhary, S., Kurjak, D., Petek, A. and M.M.A, Khan. 2021. Drought: Sensing, signalling, effects and tolerance in higher plants. Physiology Plant, 172: 1291–1300.
23) Paquin, R. and P, Lechasseur. 1979. Observations sure one method de dosage de la proline libber dens les extra its de plants. Canadian Journal of Botany, 57: 1851-1854.
24) Ranieri, A., Castagna, J., Pacini, B., Baldan, A. and G.F, Mensuali Sodi. 2003. Soldatini Early production and scavenging of hydrogen peroxide in the apoplast of sunflowers plants exposed to ozone. Journal of Experimental Botany, 54: 2529-2540.
25) Singh, S.K., Sharma, H.S., Datta, S.B. and S.P, Singh. 2000. In vitro growth and leaf compsition of grapevine cultivars as affected by sodium chloride. Biologia Plantarum, 43: 283-286.
26) Sofo A., Dichio B., xiloyannis, C. and A, Masia. 2004. Effects of different irradiance levels on some antioxidant enzymes and on malondialdehyde content during rewatering in olive tree. Plant Science, 166(2): 293-302.
27) Sorori, Sh., Asgharzadeh, A., Marjani, A. and M, Samadi-Kazemi. 2022. Evaluation of Drought Stress Tolerance among some of Grape Cultivars Using Physiological and Biochemical Studies. Journal of Horticultural Science, 36(2): 373-388. http://doi.org/10.22067/JHS.2021.67767.1004
28) Tsugane, K., Kobayarabidopsis shi, K., Niwa, Y., Ohba, Y., Wada, K. and H, Kobayashi. 1999. A recessive Arabidopsis mutant that grows photoautotrophically under salt stress shows enhanced active oxygen detoxification. The Plant Cell, 11: 1195-1206.
29) Wang, F., Zeng, B., Sun, Z. and C, Zhu. 2009. Relationship between prolion and Hg2+ induced oxidative stress in a tolerant rice mutant. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 56(4): 723-731.
گیاه و زیست فناوری ایران Iranian Journal of Plant & Biotechnology (IJPB)
|
مقاله پژوهشی
|
مطالعه اثر تنش خشکی بر سیستم آنتیاکسیدانی آنزیمی وغیرآنزیمی برخی ارقام انگور (Vitis vinifera L.)
مجتبی قلیزاده1، مهدی حدادینژاد (نویسنده مسئول)2*، علی عبادی3، علی محمدیترکاشوند4
1- دانشجوی دکتری، گروه علوم باغی و زراعی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران،gholizadeh1352@gmail.com
2- استادیار، گروه علوم باغبانی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران، m.hadadinejad@sanru.ac.ir
3- استاد، گروه علوم باغبانی، دانشگاه تهران، کرج، ایران، aebadi@ut.ac.ir
4- استاد، گروه علوم باغی و زراعی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران،m.torkashvand54@yahoo.com
تاریخ دریافت: اسفند 1402 تاریخ پذیرش: خرداد 1403
Studying the effect of drought stress on enzymatic and non-enzymatic antioxidant system of some grape cultivars (Vitis vinifera L.)
Mojtaba Gholizadeh1, Mehdi Hadadinezhad (Corresponding author)2*, Ali Ebadi3, Ali Mohamadi Torkashvand4
1- Ph.D Student, Department of Horticultural and Agricultural Science, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, gholizadeh1352@gmail.com
2- Assistant Professor, Department of Horticultural Science, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran, m.hadadinejad@sanru.ac.ir
3- Professor, Department of Horticultural Science, University of Tehran, Karaj, Iran, aebadi@ut.ac.ir
4- Professor, Department of Horticultural and Agricultural Science, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, m.torkashvand54@yahoo.com
Received: March 2024 Accepted: June 2024
چکیده بهمنظور بررسی مطالعه اثر تنش خشکی بر سیستم آنتیاکسیدانی آنزیمی و غیرآنزیمی شش رقم انگور آزمایشی فاکتوریل بر پایۀ طرح کاملا تصادفی با سه تکرار تحت شرایط گلخانهای اجرا شد. در این آزمایش، تیمارها شامل شش رقم انگور (عسگری، خلیلی، یاقوتی، پیکامی، ترکمن 4 و سوزک) و چهار سطح تنش خشکی ((شرایط نرمال (100 درصد ظرفیت مزرعه)، تنش کم (75 درصد ظرفیت مزرعه)، تنش متوسط (50 درصد ظرفيت مزرعه) و تیمار تنش شدید (25 درصد ظرفیت مزرعه)) بودند. نتایج نشان داد که صفات پرولین، مالوندیآلدئید، آنزیمهای کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز با افزایش شدت تنش، بهطور معنیداری افزایش یافتند. در مقابل، محتوای فنول کل با افزایش شدت تنش، بهطور معنیداری کاهش یافت. در میان ارقام مورد مطالعه، رقم یاقوتی از حیث شاخصهای موردمطالعه نسبت به سایر ارقام انگور، مقاومت بیشتری نسبت به خشکی نشان داد. بیشترین میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در رقم یاقوتی ثبت شد؛ بهگونهای که فعالیت آنزیم کاتالاز آن در سطوح 75، 50 و 25 درصد ظرفیت زراعی بهترتیب 13، 12 و 46 درصد نسبت به ظرفیت زراعی 100 درصد افزایش یافت. با توجه به نتایج این تحقیق میتوان نتیجهگیری کرد که سامانه تحمل به تنش خشکی در برگ رقم یاقوتی نسبت به ارقام دیگر متحملتر است. کلمات کلیدی: آسکورباتپراکسیداز، پرولین، فنل، کاتالاز فصلنامه گیاه و زیست فناوری ایران تابستان 1403، دوره 19، شماره 2، صص 21-10 |
| Abstract In order to investigate the effect of drought stress on the enzymatic and non-enzymatic antioxidant system of six grape varieties, a factorial experiment was conducted based on a completely randomized design with three replications under greenhouse conditions. In this experiment, the treatments included six grape varieties (Asgari, Khalili, Yaquti, Pikami, Turkmen 4 and Suzak) and four levels of drought stress (normal conditions (100% of the farm capacity), low stress (75% of the farm capacity), medium stress (50% of the farm capacity) and severe stress treatment (25% of the farm capacity). The results showed that the traits of proline, malondialdehyde, catalase enzymes and ascorbate peroxidase enzymes improved with increasing stress intensity. increased significantly. On the other hand, the content of total phenol decreased significantly with the increase of the intensity of stress. Among the cultivars studied, Yaqouti cultivar is more resistant to drought than other grape cultivars in terms of the studied indices. The highest amount of catalase enzyme activity was recorded in Yaqouti cultivar, so that its catalase enzyme activity at the levels of 75, 50 and 25% of the agricultural capacity increased by 13, 12 and 46% respectively compared to the 100% agricultural capacity. According to the results of this research, it seems that Yaghuti cultivar is more drought tolerant than other cultivars. Keywords: Ascorbate-peroxidase, Catalase, Phenol, Proline
Iranian Journal of Plant & Biotechnology Summer 2024, Vol 19, No 2, Pp 10-21 |
خشکسالی یکی از مهمترین مشکلاتی است که کشاورزی را در سراسر جهان تهدید میکند. تنش خشکی بر جذب مواد مغذی، فتوسنتز، تنفس و متابولیسم انرژی در گیاهان تأثیر منفی میگذارد و در نتیجه رشد، نمو، عملکرد محصول وبهرهوری گیاهان را کاهش میدهد (Mishra et al., 2023). بسته شدن روزنهها طی تنش خشکی معمولاً تثبیت دیاکسید کربن را کاهش داده، زنجیره انتقال الکترون را مختل میسازد و باعث تولید مقادیر زیادی از گونههای واکنشگر اکسیژن در کلروپلاست و میتوکندری میشود (Sofo et al., 2004)، اما تولید بیش از حد آنها طی تنش خشکی به بروز تنش اکسایشی در گیاه منجر میگردد (Arora et al., 2002). تولید نامتعادل و تخریب گونههای اکسیداتیو فعال (ROS)، مانند پراکسید هیدروژن (H2O2)، رادیکالهای سوپراکسید (-O2) و رادیکالهای هیدروکسیل (HO)، باعث تجمع بیش از حد ROS تحت تنش خشکی میشود (Choudhury et al., 2017). ROS اضافی بهطور جدی به رنگدانههای فتوسنتزی، لیپیدهای غشا، پروتئینها، مولکولهای RNA و DNA آسیب میزند و منجر به مرگ برنامهریزیشده سلولی میشود (Mukarram et al., 2021). با گذشت زمان، گیاهان استراتژیهای مختلفی را برای مقابله با کمبود آب و در نتیجه حفظ رشد و نمو ایجاد کردهاند. تنظیم اسمزی رایجترین واکنش برای غلبه بر اثرات نامطلوب خشکسالی در نظر گرفته میشود. در شرایط خشکی، گیاهان با جذب مقادیر زیادی از املاح فعال اسمزی پتانسیل اسمزی را در سلولها کاهش میدهند و در نهایت باعث حفظ تورژسانس سلولی میشوند (Choudhury et al., 2017). علاوه بر این، ROS سمی تولید شده در طول تنش خشکی میتواند از طریق مکانیسمهای آنزیمی و غیر آنزیمی حذف شود. آنزیمهای آنتیاکسیدانی مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، پراکسیداز (POD)، کاتالاز (CAT) و آسکوربات پراکسیداز (APX)، میتوانند تحت تنش خشکی فعال شوند. اسید اسکوربیک (AsA)، گلوتاتیون (GSH)، توکوفرول و فنولیکها چندین آنتیاکسیدان غیر آنزیمی هستهای هستند (Hasanuzzaman et al., 2020؛ Mukarram et al., 2021). سیستم دفاعی آنتیاکسیدانی تقریباً در تمام سایتهای اصلی تولیدکننده ROS، مانند کلروپلاستها، میتوکندریها و هستهها وجود دارد و نقشی حیاتی در پاسخ به تنش خشکی ایفا میکند (Mukarram et al., 2021). آنتیاکسیدانهای آنزیمی و غیرآنزیمی هر دو به عنوان سیستمهای آنتیاکسیدانی متعارف شناخته میشوند زیرا بهطور خاص بر روی یک نوع ROS و مولکولهای منفرد عمل میکنند. توانایی گیاهان در از بین بردن گونههای واکنشگر اکسیژن و کاهش اثرات مضر آنها ممکن است با تحمل آنها در برابر تنش خشکی ارتباط داشته باشد (Tsugane et al., 1999). علاوه بر این، گیاهان بسته به شدت و طول دوره تنش، گونه گیاهی و مرحله نموی آن، واکنشهای متفاوتی در برابر تنش خشکی بروز میدهند (Dacosta and Huang, 2007). انگور (.Vitis vinifera L) یکی از مهمترین درختان میوه پس از پسته در جایگاه دومین محصول با سطح کشت بالا قرار گرفته است که سهم زیادی در صادرات غیرنفتی کشور ایفا میکند. با این حال، قابلیت دسترسی به آب مهمترین عامل محدودکننده تولید این محصول در کشور است (اسدی وهمکاران، 1396). مطالعات زیادی در مورد تأثیر خشکی در ارقام مختلف انگور گزارش شده است. Sorori و همکاران (2022) گزارش کردند که سازگاری گیاه انگور به تنش خشکی نتیجه تغییرات در بسیاری از مکانیسم های مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی است که باعث تغییر در محتوای پرولین، مواد جامد محلول، سرعت فتوسنتز، فعالیت های آنزیمی و غیره میشود. بهطوری که رقم گرمه با بیشترین میزان پراکسیداز و کاتالاز از مقاومترین ارقام معرفی گردید. Altinci و Cangi (2019) طی مطالعاتی کاهش صفات رشدی و افزایش فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان را طی تنش خشکی در ارقام مختلف انگور گزارش کردند. Singh و همکاران (2000) در بررسی ارقام انگور تحت تنش، کاهش میزان کلروفیل و افزایش میزان پرولین و کل قند محلول را با افزایش تنش گزارش کردند. فهمیم و همکاران (1401) گزارش کردند که با افزایش سطح تنش خشکی میزان نشت یونی، مالون دیآلدئید، کل قند محلول، پرولین و میزان فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدان در بیشتر ارقام انگور افزایش معنیداری پیدا کرد. در بررسی تأثیر تنش خشکی بر برخی ویژگیهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی دو رقم انگور توسط محسنیفرد و همکاران (1398) مشخص شد که تنش خشکی بهطور معنیداری فعالیت آنزیمهای کاتالاز، پراکسیداز و سوپراکسید دیسموتاز افزایش داد. طی تحقیقی توسط مهری و همکاران (1393) مشخص شد که افزایش تنش خشکی باعث کاهش صفات رشدی و میزان رطوبت نسبی آب برگ و افزایش معنیدار در میزان پرولین، مالون دیآلدئید و همچنین فعالیت آنزیم آنتیاکسیدان کاتالاز میشود. هدف از این پژوهش، بررسی سیستم آنتیاکسیدانی آنزیمی وغیرآنزیمی ژنوتیپهای کاندید انگور در تنش ملایم، متوسط و شدید بهمنظور شناسایی ژنوتیپهای متحملتر به خشکی است بهطوری که بتوان در برنامههای آینده بهنژادی از آنها استفاده کرد.
فرآیند پژوهش
این پژوهش در خراسان شمالی، شهرستان اسفراین (طول جغرافیایی56، عرض جغرافیایی36، ارتفاع از سطح دریا 1260 متر) در محیط گلخانه با میانگین دمای 27-30 درجه سانتیگراد، انجام گرفت. مواد گیاهی شامل (عسگری، خلیلی، یاقوتی، پیکامی، ترکمن 4 و سوزک) از شرکت کشت و صنعت جوین تهیه و سپس به صورت نهالهای ریشهدار یکساله، در گلدانهایی به قطر دهانه 30 سانتیمتر قرار گرفتند. براي كشت ارقام، مخلوطي از خاكهاي رس، ماسه و ماده آلي به ترتيب با نسبت 1:1:2 تهیه شدند. آزمایش بهصورت فاكتوريل در قالب طرح كاملاً تصادفي در فصل تابستان سال 98-99 انجام شد. این مطالعه شامل چهار تیمار آبیاری کامل (رطوبت خاک در حد ظرفیت مزرعه)، تنش کم (رطوبت خاک در حد 75 درصد ظرفیت مزرعه)، تنش متوسط (رطوبت خاک در حد 50 درصد ظرفیت مزرعه) و تنش شدید (رطوبت خاک در حد 25 درصد ظرفیت مزرعه) با سه تكرار و در هر تكرار سه واحد آزمايشي (گلدان30 در 50) اجرا شد. تنش رطوبتي بهوسيله وزن كردن روزانه گلدانها اعمال شد. بهطوري كه رطوبت گلدانهاي حاوي تيمار تنش کم در حد 75 درصد ظرفیت مزرعه، تنش متوسط در حدود 50 درصد ظرفيت مزرعه و تیمار تنش شدید، 25 درصد ظرفیت مزرعه حفظ شد. همچنین، درصد رطوبت در گلدانهاي بدون تنش در حد ظرفيت مزرعه حفظ شد. قابل ذكر است كه براي بدست آوردن ميزان آب لازم براي رسيدن به حد ظرفيت مزرعه از رابطه زير استفاده میگردد (Jalili Marandi et al., 2011):
100* وزن خاک خشک شده در آون / (وزن خاك خشك شده در آون- وزن خاك در ظرفيت مزرعه)
در اين آزمايش بهمنظور خارج كردن اثر افزايشي وزن گياه و كاهش خطا در تنظيم مقدار آب خاك بهروش وزني، از گلدانهاي فاقد گياه كه فقط حاوي خاك آزمايش و هم وزن با گلدانهاي اصلي هستند، استفاده شد تا اختلاف وزني گلدانهاي فاقد گياه و حاوي گياه، مقدار اثر وزن گياه را از آزمايش خارج كند و مقدار تنظيم رطوبت خاك گلدانها بر اساس روش وزني باشد. غلظت ترکیبات فنلی طبق روش Isfendiyaroglu و Zeker (2002) تعیین شد بدین صورت که 1/0 گرم نمونه برگی با ازت مایع هموژن شده و 1 میلیلیتر اتانول خالص به هر نمونه افزوده شد. بعد از سانتریوفیوژ با 3000 دور بهمدت 15 دقیقه، 25 میکرولیتر عصاره، 1 میلی لیتر آب مقطر و 50 میکرولیتر معرف فولین شیکالتو مخلوط و بعد از 5 دقیقه استراحت، 300 میکرولیتر کربناتسدیم 20 درصد به آن افزوده شد. پس از گذشت 30 دقیقه، جذب نمونهها در طول موج 765 نانومتر با دستگاه اسپکتوفتومتر قرائت شد. در راستای برآورد میزان پرولین، 5/0 گرم برگ تازه با 10 میلیلیتر اسیدسولفوسالیسیلیک 3/3 درصد سائیده و بهمدت 15دقیقه در 4000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شد . 2 میلی لیتر از عصاره حاصل با 2 میلیلیتر معرف ناین هیدرین و 2 میلیلیتر اسیداستیک خالص مخلوط گردیده و بهمدت یک ساعت در حمام آب جوش قرار گرفت. سپس نمونهها به داخل مخلوط آب و یخ منتقل شدند. در این مرحله با افزودن تولوئن به هر یک از لولههاي آزمایش، میزان جذب نور فاز فوقانی در طول موج 520 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتر قرائت شد (Paquin and Lechasseur,1979). در این مطالعه، میزان مالون دیآلدئید به روش Wang و همکاران (2009) تعییین شد (Wang et al., 2009). در این روش 2/0 گرم برگ تازه در 5 میلیلیتر تریکلرواستیک اسید (TCA) یک درصد ساییده شده، سپس به مدت 10 دقیقه در 8000 دور سانتریفیوژ شد. بعد از سانتریوفیوژ مجدد به مدت 5 دقیقه با 8000 دور، جذب در دو طول موج 532 و 600 نانومتر توسط دستگاه اسپکتوفتومتر اندازهگیری شد. به منظور سنجش فعالیت آنزیمهای کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز، ابتدا عصارهگیری از نمونهها در یک میلیلیتر بافر پتاسیم فسفات 50 میلی مولار (pH= 7.5)، حاوی 50 میلیمولار EDTA و پلی ونیل پیرولیدین یک درصد صورت گرفت (Aebi, 1984).
فعالیت آنزیم کاتالاز با روش Aebi (1984) تعیین شد. به طور خلاصه، محلول واکنش حاوی بافر 50 میلیمولار با pH= 4/7، 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی و 100 میکرولیتر آب اکسیژنه بود. تجزیه آب اکسیژنه یا کاهش جذب طی مدت 60 ثانیه در طول موج 240 نانومتر اندازهگیری شد و میزان فعالیت آنزیم از روی میزان تغییرات H2O2 تخمین زده شد. فعالیت آنزیم آسکورباتپراکسیداز با روش Ranieri و همکاران (2003) تعیین شد. بهطور خلاصه، مخلوط واکنش سنجش فعالیت آسکورباتپراکسیداز حاوي بافر پتاسیم فسفات 50 میلیمولار (pH= 5/7)، 100 میکرولیتر آسکوربات 5/0 میلیمولار، 200 میکرولیتر آب اکسیژنه 1 درصد، 100 میکرولیتر EDTA 1/0 میلیمولار و 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی بود. فعالیت آسکوربیکپراکسیداز براساس اکسیداسیون آسکوربیک اسید و کاهش در جذب در طول موج 290 نانومتر بهمدت 2 دقیقه اندازهگیری شد. برای تجزیه و تحلیل آماری دادهها از نرم افزار SAS استفاده شد. همچنین، مقایسه میانگین به روش آزمون چند دامنهای دانکن در سطح احتمال 5 درصد انجام شد.
نتایج و بحث
تجزیه واریانس دادهها آشکار ساخت که تغییرات معنیدار در محتوای فنول کل در اثر سطوح تنش در سطح پنج درصد وجود دارد. بر اساس مشاهدات حاصل از این مطالعه، با افزایش شدت تنش خشکی از ظرفیت زراعی 100% به ظرفیت زراعی 25%، محتوای فنول کل بهطور معنیداری در ارقام انگور کاهش یافت بهگونهای که فنول کل تا 50 درصد کاهش یافت (شکل 1). در توافق با مشاهدات پژوهش، Esmaeilizadeh و همکاران (2018) نشان دادند که کاهش آب آبیاری باعث کاهش سطح ترکیبات فنلی و افزایش آب آبیاری باعث افزایش ترکیبات فنلی در ژنوتیپهای انگور میشود. علت کاهش ترکیبات فنلی تحت شرایط خشکی در این پژوهش احتمالاً ناشی از کاهش فعالیت آنزیم فنیل آلانین آمونیالیاز میباشد. آنزیم فنیل آلانین آمونیالیاز در واقع آنزیم اصلی درگیر در تولید ترکیبات فنلی میباشد که فعالیت آن در پاسخ به تنش های غیرزیستی و به خصوص خشکی تغییر میکند و بهعنوان آنتیاکسیدان عمل نموده و رادیکالهاي آزاد اکسیژن را به دام میاندازد. کاهش فعالیت این آنزیم احتمالاً به بیان فاکتورهای رونویسی درگیر در بیان ژن کدکننده آن برمیگردد. در توافق با نتایج تحقیق، Haider و همکاران (2017) مشاهده کردند که خشکی باعث کاهش بیان فاکتورهای رونویسی میشود که در بیان ژن فنیل آلانین آمونیالیاز درگیر هستند و کاهش بیان آنها متعاقباً منجر به کاهش بیان فنیل آلانین آمونیالیاز و کاهش تولید ترکیبات فنلی میشود.
شکل 1- میزان فنول کل در ارقام مختلف انگور تحت شرایط آبی متفاوت
Fig 1- The total phenol in the grape’s varieties under different water conditions
نتایج تجزیه واریانس دادهها در این آزمایش گویای تغییرات معنیدار در محتواي پرولین در اثر ارقام و سطوح تنش در سطح یک درصد و اثر متقابل تنش خشکی و رقم انگور در سطح پنج درصد بود. با افزایش سطح تنش از ظرفیت زراعی 100% تا ظرفیت زراعی 25%، محتواي پرولین بهطور معنیداری در ارقام انگور افزایش پیدا کرد. کمترین میزان محتواي پرولین در سطح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% به ترتیب متعلق به رقم یاقوتی بود. با این حال، بیشترین میزان محتواي پرولین در سطح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% به ترتیب متعلق به رقم عسگری بود. بهگونهای که محتواي پرولین رقم عسگری در سطوح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% به ترتیب 45، 80 و 150 درصد نسبت به ظرفیت زراعی 100% (رژیم آبیاری بدون تنش خشکی) افزایش یافت (شکل 2). طی تنشهاي محیطی مثل خشکی، پرولین بهعنوان یک ترکیب اسمولیتی، تعدیل اسمزي را تحت تأثیر قرار میدهد. این اسمولیت به خنثی کردن رادیکالهاي آزاد، کاهش پتانسیل ردوکس (اکسیداسیون و احیاي سلولی) و ثبات ساختاري ریزسلولی در شرایط تنش کمک میکند (Beis and Patakas, 2015). طی کمبود آب و مواجه گیاه با آن، آنزیم گلوتامین کیناز جهت تبدیل گلوتامین به پرولین القا شده تا با این رویه علاوه بر حافظت از غشا و لیپید، با تشکیل پیوندهاي نوع هیدروژنی با دنباله خطی پروتئینها منجربه پایداري پروتئینها در سلول شوند. همراستا با نتایج پژوهش، فهیم و همکاران (1401) و Esmaeilizadeh و همکاران (2018) نشان دادند که میزان پرولین با وضعیت آبی خاک مزرعه در ژنوتیپهای انگور در ارتباط میباشد. بهطور مشابهی، اسدی و همکاران (1396) نشان دادند که با افزایش شدت تنش خشکی بر میزان پرولین افزوده میشود و این امر احتمالاً به دلیل افزایش بیان ژن درگیر در سنتز پرولین یعنی گلوتامین کیناز است. علیرغم اینکه رقم یاقوتی از حیث شاخصهای تحمل به خشکی، نسبت به سایر ارقام مورد بررسی در این مطالعه برتر بود، با این حال از میزان پرولین کمتری برخوردار بود که شاید دلیل این امر را بتوان به بیان کمتر گلوتامین کیناز به واسطه مشارکت کمتر فاکتورهای رونویسی درگیر در بیان گلوتامین کیناز دانست (Bertamini et al., 2006).
شکل 2- میزان پرولین در ارقام مختلف انگور تحت شرایط آبی متفاوت
Fig 2- The proline content in the grape’s varieties under different water conditions
یافتههای حاصل از تجزیه واریانس دادهها نشان داد که تغییرات معنیدار در محتواي مالونديآلدئید در اثر ارقام، سطوح تنش و اثر متقابل تنش خشکی و رقم انگور در سطح یک درصد وجود دارد. با افزایش سطح تنش از ظرفیت زراعی 100% تا 25%، محتواي مالونديآلدئید بهطور معنیداری در ارقام انگور افزایش پیدا کرد. مقایسه بین ارقام انگور تحت تنش خشکی نشان داد که کمترین میزان مالونديآلدئید در سطح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% متعلق به رقم عسگری بود. با این حال، بیشترین میزان مالونديآلدئید در سطح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% متعلق به رقم یاقوتی بود. بهطوریکه که محتواي مالونديآلدئید رقم یاقوتی در سطوح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% به ترتیب 8، 20 و 34 درصد نسبت به ظرفیت زراعی 100% افزایش یافت (شکل 3). مالونديآلدئید، محصول فرعی حاصل از پراکسیداس یونی لیپیدها در غشاي سلولی میباشد. غشاء سلولی اولین خسارات را طی خشکی دریافت مینماید بدین شکل که اسیدهاي چرب اشباع نشده واقع در غشاي سلولی بهراحتی با گونههاي فعال اکسیژن آزاد واکنش میدهند. محصول نهایی پراکسیداسیون این اسیدهاي چرب توسط گونههاي فعال اکسیژن آزاد، مالونديآلدئید خواهد بود. بنابراین، جهت پی بردن به تحمل یا حساسیت ژنوتیپهای گیاهی به تنش کم آبی، اندازه گیري مقدار مالونديآلدئید میتواند به مقدار زیادي تعیین کننده سطح مقاومت باشد (Khochert, 1987). بر مبنای تحقیقات گذشته، تجمع مالونديآلدئید در یک رقم گویای حساسیت بالاتر آن به تنشهاي کم آبی است. بالا بودن مالونديآلدئید در رقم یاقوتی میتواند به دلیل ظرفیت کمتر آن در سنتز پرولین طی شرایط خشکی باشد که این مشاهدات در پژوهشهاي اسدی و همکاران (1396)، سوختسرایی و همکاران (1396) و Esmaeilizadeh و همکاران (2018) گزارش شده است. با این حال، پژوهشگران دیگر نشان دادهاند که میزان تولید بتائینگلایسین در رقم یاقوتی بالاست و لذا، این متابولیت میتواند بهعنوان جایگزین پرولین در حفاظت از سلولها عمل کند (سوختسرایی و همکاران، 1396).
شکل 3- محتوای مالوندی آلدئید در ارقام مختلف انگور تحت شرایط آبی متفاوت
Fig 3- The MDA content in the grape’s varieties under different water conditions
یافتههای حاصل از تجزیه واریانس دادهها نشان داد که تغییرات معنیدار در فعالیت آنزیم کاتالاز در اثر ارقام و سطوح تنش در سطح یک و اثر متقابل تنش خشکی و رقم در سطح پنج درصد وجود دارد. با افزایش سطح تنش خشکی از ظرفیت زراعی 100% (بدون تنش) تا ظرفیت زراعی 25% (تنش شدید)، فعالیت آنزیم کاتالاز بهطور معنیداری در ارقام انگور افزایش یافت. کمترین میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در سطوح تنش ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% بهترتیب متعلق به ارقام پیکامی، سوزک، و سوزک بود. در مقابل، بیشترین میزان فعالیت آنزیم کاتالاز در رقم یاقوتی ثبت شد بهگونهای که فعالیت آنزیم کاتالاز آن در سطوح ظرفیت زراعی 75%، ظرفیت زراعی 25% و ظرفیت زراعی 25% به ترتیب 13، 12 و 46 درصد نسبت به ظرفیت زراعی 100% افزایش یافت (شکل 4). همان گونه که مشاهده میشود فعالیت این آنزیم آنتیاکسیدانت در تنش شدید خشکی، بهطور چشمگیری در رقم یاقوتی افزایش یافت که نشان از پتانسیل این رقم انگور در مقابله با تولید بالای گونههای فعال اکسیژن در شرایط شدید تنش کم آبی دارد. تجزیه واریانس داده های این آزمایش آشکار ساخت که تغییرات معنیدار بر اثر ارقام و سطوح تنش در فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز در سطح پنج درصد وجود دارد. یافتههای پيوهش نشان داد که با افزایش شدت تنش خشکی از ظرفیت زراعی 100% به ظرفیت زراعی 25%، فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز بهطور معنیداری افزایش یافت بهگونهای که فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز تا 53 درصد افزایش یافتند (شکل 4). تنش خشکی موجب بروز تنش اکسیداتیو در گیاهان میشود و تحت چنین شرایطی، انواع اکسیژن فعال تولید میشوند (Mhamdi et al., 2010). گونههاي فعال اکسیژن (ROS ها) به دلیل تاثیر منفی برDNA ، پروتئینها، چربیها و رنگدانهها، صدمات سلولی زیادي را موجب میشوند. در مقابله با این خسارات، فعالیت آنزیمهاي آنتی اکسیدان و ترکیبات با وزن مولکولی پایین، این توانایی را داردند که بدون آن که خود مورد تغییر قرار گرفته و به مواد مخرب رادیکال تبدیل شوند، ROSها را مهار کنند (Mhamdi et al., 2010). آنزیمهاي تجزیه کننده گونههاي فعال اکسیژن از جمله کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز از رایجترین مکانیسمها براي سمیت زدایی ROSهاي تولید شده در طول تنش هستند (Bertamini et al., 2006). مطابق با یافتههای پژوهش، افزایش فعالیت کاتالاز و آسکورباتپراکسیداز طی شرایط کمبود آب در انگور توسط فهیم و همکاران (1401)، اسدی و همکاران (1396)، سوختسرایی و همکاران (1396) و Esmaeilizadeh و همکاران (2018) گزارش شده است. تمام این محققان علت افزایش فعالیت کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز را به افزایش بیان ژنهای کدکننده آن در سلول نسبت دادهاند. با توجه به مشاهدات آنها، هر چه فعالیت این آنزیمهای آنتیاکسیدانتی در یک رقم بیشتر باشد، متعاقباً تنش اکسیداتیو به مقدار بیشتری کاهش مییابد که ضامن محافظت از سلول و فعالیت متابولیکی یا سوختوسازی آن میباشد. افزایش فعالیت آنزیم آنتیاکسیدانت کاتالاز در رقم یاقوتی گویای این موضوع است که به احتمال زیاد این رقم تحمل بیشتري به سطح بالاي خشکی نسبت به سایر ارقام مورد مطالعه در این پژوهش دارد. همان گونه که قبلا ذکر شده، رقم یاقوتی از پایداری غشاء بیشتری نسبت به دیگر ارقام انگور برخودار است که علت آن میتواند به فعالیت بیشتر آنزیمهای کاتالاز و آسکوربات پراکسیداز مرتبط باشد.
شکل 4- فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانت در ارقام مختلف انگور تحت شرایط آبی متفاوت
Fig 4- The antioxidant enzyme activates in the grape’s varieties under different water conditions
نتیجهگیری کلی
با توجه به یافتههای پيوهش، ژنوتیپهایی که تحت تنش خشکی، دارای فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانت و میزان فنول کل بالاتر میباشند، ظرفیت بیشتری در تحمل خشکی دارند. درنتیجه، به نظر میرسد که رقم یاقوتی نسبت به سایر ارقام انگور، تنش خشکی را به مراتب بهتر تحمل کند و لذا، براي کشت در مناطق با احتمال تنش خشکی توصیه میشود.
منابع
1) اسدی و. رسولی م. غلامی م. و م، ملکی. 1396. بررسی برخی ویژگیهای ریخت شناختی و فیزیولوژیک چهار رقم انگور (.Vitis vinifera L) در شرایط تنش خشکی. مجله علوم باغبانی ایران، 48(4): 990-997.
2) سوختسرایی، ر.، عبادی، ع.، سلامی، س ع. و ح، لسانی. 1396. بررسی شاخصهای اکسیداتیو در سه رقم انگور (Vitis vinifera L.) در شرایط تنش خشکی. مجله علوم باغبانی ایران، 48: 98-85.
3) فهیم، س.، قنبری، ع ر.، ناجی، ع م.، شکوهیان، ع ا. و ح، ملکی لجایر. 1401. تاثیر تنش خشکی روی صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی در برخی ارقام انگور ایرانی. فرآیند و کارکرد گیاهی، 11(47)، 249-266.
4) محسنیفرد، ا.، نجاتیان، م.ع.، حسینیسالکده، ق.، محمدپرست، ب. و ا، مویدینژاد. 1398. تأثیر تنش خشکی بر برخی ویژگیهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی دو رقم انگور. فرآیند و کارکردهای گیاهی، 32: 377-390.
5) مهری، ح.ر.، قبادی، س.، بانینسب، ب.، احسان زاده، پ و م، غلامی. 1393. بررسی برخی پاسخهای فیزیولوژیک و مورفولوژیک چهار رقم انگور ایرانی (Vitis vinifera L.) به تنش خشکی در شرایط درون شیشهای. فرآیند و کارکرد گیاهی، 10(3)، 115-126.
6) Aebi, H. 1984. Catalase in vitro. Methods Enzymology, 105: 121-126.
7) Altinci, N.T. and R, Cangi. 2019. Drought tolerance of some wine grape cultivars under in vitro conditions. Journal of Agricultural Faculty of Gaziosmanpasa University, 36: 145-151.
8) Arora, A., Sairam, R.K. and G.C, Srivastava. 2002. Oxidative stress and antioxidant system in plants. Plant Physiology, 82: 1227-1237.
9) Beis A. and A, Patakas. 2015. Differential physiological and biochemical responses to drought in grapevines subjected to partial root drying and deficit irrigation. European Journal of Agronomy, 62: 90-97.
10) Bertamini, M., Zulini, L., Muthuchelian, K. and N, Nedunchezhian. 2006. Effect of water deficit on phostosynthetic and other physiological responses in grapevine (Vitis vinifera L. cv. Riesling) plants. Photosynthetica, 44: 151-154.
11) Choudhury, F.K., Rivero, R.M., Blumwald, E. and R, Mittler. 2017. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination. Physiology Plants, 90(5): 856-867.
12) Dacosta, M. and B, Huang. 2007. Changes in antioxidant enzyme activities and lipid pero×idation for bentgrass species in responses to drought stress. Journal of the American Society for Horticultureal Science, 132: 319-326.
13) Esmaeilizadeh, M., Lotfi, A., Mirdehghan, S.H. and M, Shamshiri. 2018. Effects of irrigation intervals on some physiological and biochemical characteristics in four Iranian grapevine cultivars. Crops Improvement, 20: 3-14.
14) Esmaeilizadeh, M., Lotfi, A., Mirdehghan, S.H. and M, Shamshiri. 2018. Effects of irrigation intervals on some physiological and biochemical characteristics in four Iranian grapevine cultivars. Crops Improvement, 20: 3-14.
15) Haider, M.S., Zhang, C. and M.M, Kurjogi. 2017. Insights into grapevine defense response against drought as revealed by biochemical, physiological and RNA-Seq analysis. Scientific reports, 7: 13134.
16) Hasanuzzaman, M., Bhuyan, M.H.M.B., Zulfiqar, F., Raza, A., Mohsin, S.M., Mahmud, J.A., Fujita, M. and V, Fotopoulos. 2020. Reactive Oxygen Species and Antioxidant Defense in Plants under Abiotic Stress: Revisiting the Crucial Role of a Universal Defense Regulator. Antioxidants (Basel), 9(8): 681.
17) Isfendiyaroglu, M. and E, Zeker. 2002. The relation between phenolic compound and seed dormancy in Pistacia spp. In: AKB E (ed.). 11 Grema Serr Pistachios and Almond. Chieres Optins Mediterraneenes, 232-277.
18) Jalili marandi, R., Hassani, A., Dolati baneh, H., Azizi, H. and R, Haji taghiloo. 2011. Effect of different levels of soil moisture on the morphological and physiological characteristics of three grape cultivars (Vitis vinifera L.). Journal of Horticultural Science, 42: 31-40.
19) Khochert, G. 1987. Carbohydrate determination by phenol- solphoric acid methods. In: Hellebust J. A. and Garigie J. S. (Eds.) pp. 95-97. Handbook of Physiological Methods, Cambridge University Press. UK.
20) Mhamdi, A., Queval, G., Chaouch, S., Vanderauwera, S., Breusegem, F. and G, Noctor. 2010. Catalase function in plants: a focus on Arabidopsis mutants as stress-mimic models. Journal of Experimental Botany, 61(15): 4179-4220.
21) Mishra, N., Jiang, Ch., Chen, L., Paul, A., Chatterjee, A. and G, Shen. 2023. Achieving abiotic stress tolerance in plants through antioxidative defense mechanisms. Frontiersin Plant Science, 14: 1110622. doi: 10.3389/fpls.2023.1110622.
22) Mukarram, M., Choudhary, S., Kurjak, D., Petek, A. and M.M.A, Khan. 2021. Drought: Sensing, signalling, effects and tolerance in higher plants. Physiology Plant, 172: 1291–1300.
23) Paquin, R. and P, Lechasseur. 1979. Observations sure one method de dosage de la proline libber dens les extra its de plants. Canadian Journal of Botany, 57: 1851-1854.
24) Ranieri, A., Castagna, J., Pacini, B., Baldan, A. and G.F, Mensuali Sodi. 2003. Soldatini Early production and scavenging of hydrogen peroxide in the apoplast of sunflowers plants exposed to ozone. Journal of Experimental Botany, 54: 2529-2540.
25) Singh, S.K., Sharma, H.S., Datta, S.B. and S.P, Singh. 2000. In vitro growth and leaf compsition of grapevine cultivars as affected by sodium chloride. Biologia Plantarum, 43: 283-286.
26) Sofo A., Dichio B., xiloyannis, C. and A, Masia. 2004. Effects of different irradiance levels on some antioxidant enzymes and on malondialdehyde content during rewatering in olive tree. Plant Science, 166(2): 293-302.
27) Sorori, Sh., Asgharzadeh, A., Marjani, A. and M, Samadi-Kazemi. 2022. Evaluation of Drought Stress Tolerance among some of Grape Cultivars Using Physiological and Biochemical Studies. Journal of Horticultural Science, 36(2): 373-388.
28) Tsugane, K., Kobayarabidopsis shi, K., Niwa, Y., Ohba, Y., Wada, K. and H, Kobayashi. 1999. A recessive Arabidopsis mutant that grows photoautotrophically under salt stress shows enhanced active oxygen detoxification. The Plant Cell, 11: 1195-1206.
29) Wang, F., Zeng, B., Sun, Z. and C, Zhu. 2009. Relationship between prolion and Hg2+ induced oxidative stress in a tolerant rice mutant. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 56(4): 723-731.