بررسی تاثیر کاربرد برگی نانوکیتوزان بر رنگیزه های فتوسنتزی و برخی آنتی اکسیدان های آنزیمی

محورهای موضوعی : فیزیولوژی گیاهی

سیده نسرین وقار موسوی ¹ , سارا سعادتمند ² , رشید جامعی ³ , رضا درویش زاده ⁴

1 - دانشجوی دکتری، گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - دانشیار، گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 - استاد، گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
4 - استاد، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

تاریخ دریافت : 1403/07/06 تاریخ پذیرش : 1403/08/14 تاریخ انتشار : 1403/10/18

کلید واژه: آنتی اکسیدان, کاربرد برگی, کشاورزی سازگار, کیتوزان, نانوذرات,

چکیده مقاله :

این مطالعه برای ارزیابی تغییرات فیزیولوژیک دراثر اسپری برگی گیاه ذرت با نانوکیتوزان  اجرا شد. در این تحقیق، گیاهان ذرت با نانوکیتوزان اسپری شدند و تغییرات در سیستم آنتی اکسیدانی آنزیمی و رنگیزه های  فتوسنتزی مورد بررسی قرار گرفت. گیاهچه های ذرت ده روزه با نانوکیتوزان در غلظت های 50 و 100 میلی گرم در لیتر به مدت پنج روز متوالی اسپری شدند. کاربرد برگی نانوکیتوزان در هر دو غلظت منجر به افزایش معنی دار وزن تر برگ نسبت به گروه شاهد شد. افزایش معنی دار وزن تر ریشه نیز از اسپری برگی با نانوکیتوزان نتیجه شد. محلول‌پاشی برگی نانوکیتوزان همراه با افزایش معنی‌دار غلظت رنگیزه‌های فتوسنتزی شامل کلروفیل Chl a، Chl b و کاروتنوئیدها بود. اسپری برگی با نانوکیتوزان منجر به تحریک قابل ملاحظه فعالیت کاتالاز نسبت به گروه شاهد شد. فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز بدنبال اسپری برگی با نانوکیتوزان نیز روند صعودی نسبت به شاهد داشت. فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز نیز در اثر کاربرد نانوکیتوزان نسبت به شاهد افزایش معنی داری را نشان داد. در روندی مشابه، نانوکیتوزان اثر تحریکی بر فعالیت آنزیم گلوتاتیون ردوکتاز در مقایسه با گروه شاهد داشت. براساس نتایج این تحقیق، کاربرد برگی نانوکیتوزان به طور قابل توجهی همراه با افزایش رنگیزه های فتوسنتزی و آنتی اکسیدان های آنزیمی است که از آن طریق موجب بهبود رشد و مقاومت دربرابر تنش ها می شود.

چکیده انگلیسی:

This study evaluated the physiological responses of corn seedlings following the foliar application of chitosan nanoparticles (CSNPs). The CSNPs-mediated changes in enzymatic antioxidants and photosynthetic pigments were investigated. Ten-day-old corn seedlings were sprayed with CSNPs at concentrations of 0 (control), 50 and 100 mg/L for five consecutive days. Foliar application of CSNPs at both concentrations significantly increased leaf fresh weight compared to the control group. A significant increase in the root fresh weight also resulted from the foliar application of CSNPs. Foliar spraying with CSNPs was associated with a significant increase in the concentration of photosynthetic pigments, including chlorophylls (Chl a and Chl b), and carotenoids. Compared to the control group, the foliar utilization of CSNPs led to a significant stimulation in catalase activity. The activity of the polyphenol oxidase enzyme had an upward trend in response to the application of CSNPs. The activity of the superoxide dismutase enzyme also showed a significant increase due to the use of CSNPs compared to the control. In a similar trend, CSNPs had a stimulating effect on glutathione reductase enzyme activity compared to the control group. According to the results of this research, the foliar application of CSNPs is significantly associated with an increase in photosynthetic pigments and induction in enzymatic antioxidants, thereby improving plant growth and resistance to stresses.

منابع و مأخذ:

Abuelsoud, W., Saleh, A.M., Mohammed, A.E., Alotaibi, M.O. and AbdElgawad, H., 2023. Chitosan nanoparticles upregulate C and N metabolism in soybean plants grown under elevated levels of atmospheric carbon dioxide. International Journal of Biological Macromolecules, 252, p.126434.
Ali, E.F., El-Shehawi, A.M., Ibrahim, O.H.M., Abdul-Hafeez, E.Y., Moussa, M.M. and Hassan, F.A.S., 2021. A vital role of chitosan nanoparticles in improvisation the drought stress tolerance in Catharanthus roseus (L.) through biochemical and gene expression modulation. Plant Physiology and Biochemistry, 161, pp.166-175.
Arya, S.S., Rookes, J.E., Cahill, D.M. and Lenka, S.K., 2022. Chitosan nanoparticles and their combination with methyl jasmonate for the elicitation of phenolics and flavonoids in plant cell suspension cultures. International Journal of Biological Macromolecules, 214, pp.632-641.
Attaran Dowom, S., Karimian, Z., Mostafaei Dehnavi, M. and Samiei, L., 2022. Chitosan nanoparticles improve physiological and biochemical responses of Salvia abrotanoides (Kar.) under drought stress. BMC Plant Biology, 22(1), p.364.
Balusamy, S.R., Rahimi, S., Sukweenadhi, J., Sunderraj, S., Shanmugam, R., Thangavelu, L., Mijakovic, I. and Perumalsamy, H., 2022. Chitosan, chitosan nanoparticles and modified chitosan biomaterials, a potential tool to combat salinity stress in plants. Carbohydrate Polymers, 284, p.119189.
Chun, S.C. and Chandrasekaran, M., 2019. Chitosan and chitosan nanoparticles induced expression of pathogenesis-related proteins genes enhances biotic stress tolerance in tomato. International Journal of Biological Macromolecules, 125, pp.948-954.
El Amerany, F., Meddich, A., Wahbi, S., Porzel, A., Taourirte, M., Rhazi, M. and Hause, B., 2020. Foliar application of chitosan increases tomato growth and influences mycorrhization and expression of endochitinase-encoding genes. International journal of molecular sciences, 21(2), p.535.
Esyanti, R.R., Dwivany, F.M., Mahani, S., Nugrahapraja, H. and Meitha, K., 2019. Foliar application of chitosan enhances growth and modulates expression of defense genes in chilli pepper ('Capsicum annuum'L.). Australian Journal of Crop Science, 13(1), pp.55-60.
Geng, W., Li, Z., Hassan, M.J. and Peng, Y., 2020. Chitosan regulates metabolic balance, polyamine accumulation, and Na+ transport contributing to salt tolerance in creeping bentgrass. BMC Plant Biology, 20, 506. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02720-w
Hassan, F.A.S., Ali, E., Gaber, A., Fetouh, M.I. and Mazrou, R., 2021. Chitosan nanoparticles effectively combat salinity stress by enhancing antioxidant activity and alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus (L.) G. Don. Plant Physiology and Biochemistry, 162, pp.291-300.
Lichtenthaler, H.K., 1987. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. In Methods in enzymology (Vol. 148, pp. 350-382). Academic Press.
Li, K.C., Zhang, X.Q., Yu, Y., Xing, R.E., Liu, S. and Li, P.C., 2020. Effect of chitin and chitosan hexamers on growth and photosynthetic characteristics of wheat seedlings. Photosynthetica, 58(3), 816-826. DOI: 10.32615/ps.2020.021
Liu, Z., Liu, T., Liang, L., Li, Z., Hassan, M.J., Peng, Y. and Wang, D., 2020. Enhanced photosynthesis, carbohydrates, and energy metabolism associated with chitosan‐induced drought tolerance in creeping bentgrass. Crop Science, 60(2), pp.1064-1076.
Malerba, M. and Cerana, R., 2020. Chitin-and chitosan-based derivatives in plant protection against biotic and abiotic stresses and in recovery of contaminated soil and water. Polysaccharides, 1(1), pp.21-30.
Mejdoub‐Trabelsi, B., Touihri, S., Ammar, N., Riahi, A. and Daami‐Remadi, M., 2020. Effect of chitosan for the control of potato diseases caused by Fusarium species. Journal of Phytopathology, 168(1), pp.18-27.
Mohammed, K.A., Hussein, H.M. and Elshamly, A.M., 2024. Monitoring plant responses in field-grown peanuts exposed to exogenously applied chitosan under full and limited irrigation levels. Scientific Reports, 14(1), p.6244.
Pirbalouti, A.G., Malekpoor, F., Salimi, A. and Golparvar, A., 2017. Exogenous application of chitosan on biochemical and physiological characteristics, phenolic content and antioxidant activity of two species of basil (Ocimum ciliatum and Ocimum basilicum) under reduced irrigation. Scientia Horticulturae, 217, pp.114-122.
Sadeghipour, O., 2021. Chitosan application improves nickel toxicity tolerance in soybean. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 21(3), pp.2096-2104.
Sharif, R., Mujtaba, M., Ur Rahman, M., Shalmani, A., Ahmad, H., Anwar, T., Tianchan, D. and Wang, X., 2018. The multifunctional role of chitosan in horticultural crops; a review. Molecules, 23(4), p.872.
Turk, H., 2019. Chitosan-induced enhanced expression and activation of alternative oxidase confer tolerance to salt stress in maize seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 141, pp.415-422.
Zhang, G., Wang, Y., Wu, K., Zhang, Q., Feng, Y., Miao, Y. and Yan, Z., 2021. Exogenous application of chitosan alleviates salinity stress in lettuce (Lactuca sativa L.). Horticulturae, 7(10), p.342.
Zhao, J., Pan, L., Zhou, M., Yang, Z., Meng, Y. and Zhang, X., 2019. Comparative physiological and transcriptomic analyses reveal mechanisms of improved osmotic stress tolerance in annual ryegrass by exogenous chitosan. Genes, 10(11), p.853.

متن کامل:



واحد گرمسار

گیاه و زیست فناوری ایران Iranian Journal of Plant & Biotechnology (IJPB)

 

DOI: 10.71829/BIOLOGY-2024-1185255

نوع مقاله: پژوهشی

 

 بررسی تاثیر کاربرد برگی نانوکیتوزان بر رنگیزه‌های فتوسنتزی و برخی آنتی اکسیدان‌های آنزیمی ذرت (Zea mays)

سیده نسرین وقار موسوی1، سارا سعادتمند2، رشید جامعی (نویسنده مسئول)3* و رضا درویش‌زاده4

1- دانشجوی دکتری، گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران، [e-mail]

2- دانشیار، گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران، [e-mail]

3- استاد، گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران، [e-mail]

4- استاد، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران، [e-mail]

تاریخ دریافت: مهر 1403 تاریخ پذیرش: آذر 1403

Investigating the effect of foliar application of chitosan nanoparticles on photosynthetic pigments and some enzymatic antioxidants (Zea mays)

Seyede Nasrin Veghar Moosavi1, Sara Saadatmand2, Rashid Jamei (Corresponding author)3* and Reza Darvishzadeh4

1- Ph.D. Student, Department of Biology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, [e-mail]

2- Associated Professor, Department of Biology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, [e-mail]

3- Professor, Department of Biology, Faculty of Science, Urmia University, Urmia, Iran, [e-mail]

4- Professor, Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran, [e-mail]

Received: October 2024 Accepted: December 2024

چکیده این مطالعه برای ارزیابی تغییرات فیزیولوژیک در اثر محلول‌پاشی برگی گیاه ذرت با نانوکیتوزان اجرا شد. در این تحقیق، گیاهان ذرت با نانوکیتوزان محلول‌پاشی شدند و تغییرات در سیستم آنتی‌اکسیدانی آنزیمی و رنگیزه‌های فتوسنتزی بررسی شد. گیاهچه‌های ذرت ده روزه با نانوکیتوزان در غلظت‌های 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر به مدت پنج روز متوالی محلول‌پاشی شدند. کاربرد نانوکیتوزان در هر دو غلظت منجر به افزایش معنی‌دار وزن تر برگ نسبت به گروه شاهد شد. وزن تر ریشه نیز در اثر محلول‌پاشی با نانوکیتوزان افزایش معنی‌داری نشان داد. محلول‌پاشی نانوکیتوزان همراه با افزایش معنی‌دار غلظت رنگیزه‌های فتوسنتزی شامل کلروفیل Chl a، Chl b و کاروتنوئیدها بود. محلول‌پاشی با نانوکیتوزان منجر به تحریک قابل ملاحظه فعالیت کاتالاز نسبت به گروه شاهد شد. فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز بدنبال محلول‌پاشی با نانوکیتوزان نیز روند صعودی نسبت به شاهد داشت. فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز نیز در اثر کاربرد نانوکیتوزان نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری را نشان داد. در روندی مشابه، نانوکیتوزان اثر تحریکی بر فعالیت آنزیم گلوتاتیون ردوکتاز در مقایسه با گروه شاهد داشت. براساس نتایج این تحقیق، کاربرد برگی نانوکیتوزان به‌طور قابل توجهی همراه با افزایش رنگیزه‌های فتوسنتزی و آنتی اکسیدان‌های آنزیمی است که از آن طریق موجب بهبود رشد و مقاومت در برابر تنش‌ها می‌شود. کلمات کلیدی: آنتی‌اکسیدان، کشاورزی سازگار، کیتوزان، نانوذرات فصلنامه گیاه و زیست فناوری ایران  پاییز 1403، دوره 19، شماره 3، صص 10-1

Abstract This study evaluated the physiological responses of corn seedlings following the foliar application of chitosan nanoparticles (CSNPs). The CSNPs-mediated changes in enzymatic antioxidants and photosynthetic pigments were investigated. Ten-day-old corn seedlings were sprayed with CSNPs at concentrations of 0 (control), 50 and 100 mg/L for five consecutive days. Foliar application of CSNPs at both concentrations significantly increased leaf fresh weight compared to the control group. A significant increase in the root fresh weight also resulted from the foliar application of CSNPs. Foliar spraying with CSNPs was associated with a significant increase in the concentration of photosynthetic pigments, including chlorophylls (Chl a and b) and carotenoids. Compared to the control group, the foliar utilization of CSNPs led to a significant stimulation in catalase activity. The activity of the polyphenol oxidase enzyme had an upward trend in response to the application of CSNPs. The activity of the superoxide dismutase enzyme also showed a significant increase due to the use of CSNPs compared to the control. In a similar trend, CSNPs had a stimulating effect on glutathione reductase enzyme activity compared to the control group. According to the results of this research, the foliar application of CSNPs is significantly associated with an increase in photosynthetic pigments and induction in enzymatic antioxidants, thereby improving plant growth and resistance to stresses. Keywords: Antioxidants, Chitosan, Nanoparticles, Sustainable agriculture Iranian Journal of Plant & Biotechnology Autumn 2024, Vol 19, No 3, Pp 1-10

 

 

مقدمه و کلیات

تنش‌های بیوتیک (حمله پاتوژن و گیاهخواران)، غیرزیستی (کمبود یا زیاد آب، دمای کم یا زیاد، شوری زیاد، اشعه ماوراء بنفش، فلزات سنگین، آلاینده های مختلف سمی) و به ویژه ترکیب غیرقابل پیش بینی تنش های مختلف برای گیاه بسیار مضر است. با توجه به تقاضای فزاینده غذایی جمعیت رو به رشد جهان، افزایش تحمل گیاهان در برابر چند تنش ضروری است. تاکنون روش های مختلفی برای افزایش مقاومت گیاه در برابر تنش ها آزمایش شده است. به طور خاص، مقاومت فزاینده ای با استفاده از مواد شیمیایی مختلف مانند آفت کش ها، کودها و تنظیم کننده های گیاهی به دست آمده است. با این حال، استفاده گسترده از این مواد شیمیایی در کشاورزی، با تجمع در خاک، آب و موجودات زنده، اثرات زیست محیطی زیادی دارد. این امر جستجوی مکانیسم های سازگار با محیط زیست را برای مدیریت تنش های گیاهی برانگیخته است (Malerba and Cerana, 2020). کیتین، یک پلی ساکارید با وزن مولکولی بالا با زنجیره بلند و طبیعی متشکل از N-استیل-D-گلوکوزامین و D-گلوکزامین، جزء اصلی اسکلت بیرونی بندپایان و دیواره سلولی قارچی و کیتوزان مشتق غیر استیل شده آن، ابزار امیدوارکننده ای برای حل این مشکل به نظر می رسد (Malerba and Cerana, 2020). با توجه به ضرورت ارتقا تولید مواد غذایی و کشاورزی پایدار، استفاده از پلیمر زیستی کیتوزان، به عنوان مشتق N-دی استیله کیتین، توجه زیادی را به عنوان یک روش سازگار به خود جلب کرده است. خواص منحصر به فرد آن، مانند زیست تخریب پذیری، زیست سازگاری، هزینه، اثربخشی، عملکردهای ضد میکروبی و آنتی اکسیدانی (Sharif et al., 2018) دلایلی هستند که این ترکیب توجه زیادی را در بین متخصصان به خود جلب نموده است. این مسئله تایید شده است که کاربرد خارجی بیوپلیمر کیتوزان قادر به بهبود رشد گیاه است (Li et al., 2020; Zhang et al., 2021) و تغییراتی را در فرآیندهای بیولوژیکی مهم مانند فتوسنتز (Li et al., 2020)، جذب نیتروژن (Geng et al., 2020)، متابولیسم ثانویه (Pirbalouti et al., 2017) و سیستم آنتی اکسیدانی (Chun et al., 2019) القا می کند. محلول پاشی کیتوزان رشد را در گیاه فلفل (Capsicum annuum) بهبود بخشید ((Esyanti et al., 2019. به طور مشابه، کیتوزان بیماری های ناشی از قارچ فوزاریوم را در سیب زمینی (Solanum tuberosum) کاهش داد (Mejdoub‐Trabelsi et al., 2020). بگارگیری همزمان میکوریزا و کیتوزان به مقدار قابل توجهی موجب بهبود رشد و متابولیسم در گیاه گوجه فرنگی شد (El Amerany et al., 2020). علاوه بر این، گزارش شده است که کاربرد کیتوزان موجب بهبود تحمل گیاهان در برابر تنش‌های فیزیکوشیمیایی مختلف مانند فلزات سنگین (Sadeghipour, 2021)، خشکی (Mohammed et al., 2024) و شوری (Zhang et al., 2021) شده است. به همین ترتیب، نانوذرات کیتوزان (CSNPs) مقاومت گیاهان را در برابر تنش‌هایی مانند خشکی (Attaran Dowom et al., 2022)، شوری (Hassan et al., 2021; Balusamy et al., 2022) و زیستی (Chun and Chandrasekaran, 2019) بهبود بخشیدند. در بین محصولات زراعی، ذرت (Zea mays) توجه زیادی را از سوی محققان به دلیل اهمیت کشاورزی-اقتصادی آن به خود جلب کرده است. این مطالعه برای ارزیابی تغییرات فیزیولوژیک دراثر محلول‌پاشی برگی گیاه ذرت با نانوکیتوزان اجرا شد. در این تحقیق، گیاهان ذرت با نانوکیتوزان محلول‌پاشی شدند و تغییرات در سیستم آنتی اکسیدانی آنزیمی و رنگیزه های  فتوسنتزی مورد بررسی قرارگرفت.

فرآیند پژوهش

در این تحقیق، ماده نانوکیتوزان CSNPs با قطر 20 تا 50 نانومتر از شرکت پیشگامان نانومواد ایران (مشهد، ایران) تهیه شد. دانه های ذرت با استفاده از هیپوکلریت سدیم 1 درصد به مدت 5 دقیقه ضد عفونی شدند و به خوبی با آب شسته شدند و به مدت 72 ساعت در ظرف پتری برای جوانه زنی در انکوباتور نگهداری شدند. بذرهای جوانه زده در عمق 5 سانتی‌متری در گلدان های حاوی 5/2 کیلوگرم محیط بدون خاک متشکل از ماسه و پرلیت (2:1) کاشته شدند. در هفته اول، آبیاری گیاهان یک روز در میان با استفاده از محلول هوگلند و آب مقطر انجام شد. دانه رست ها در هفته های بعد با استفاده از این محلول غذایی به صورت روزانه آبیاری شدند. گیاهچه های ذرت ده روزه با CSNPs در غلظت های 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر به مدت پنج روز متوالی محلول‌پاشی شدند. دو هفته پس از اعمال اخرین محلول‌پاشی، نمونه ها برای ارزیابی صفات مختلف فیزیولوژیک برداشت شدند.

رنگیزه­های فتوسنتزی (کلروفیل­ها و کاروتنوئیدها): برای اندازه­گیری محتوای رنگیزه­ها از روش Lichtenaler (1987) استفاده شد. 5/0 گرم از بافت تر برگ­ها وزن شد و با 50 میلی­لیتر استون 100% له شد و سپس با تنظیف صاف گردید و عصاره حاصل به مدت 10 دقیقه در داخل سانتریفوژ با دور g 2500 گذاشته شد. برای تعیین محتوای کلروفیل (Chl) a و b، جذب عصاره حاصل توسط دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 662 نانومتر و 645 نانومتر، برای تعیین کاروتنوئید کل (CX+ C) جذب آن در طول موج 470 نانومتر اندازه‌گیری شد. برای محاسبه محتوای کلروفیل a، b و همچنین کاروتنوئید کل از فرمول Lichtenaler, 1987)) استفاده گردید.

Chla = 11.75 A662 – 2.350 A645

Chlb = 18.61 A645 – 3.960 A662

Carotenoids= 1000 A470 – 2.270 Chla -81.4 Chlb /227

فعالیت آنزیم گلوتاتیون ردوکتاز (GR): سنجش فعالیت گلوتاتیون ردوکتا (GR) با استفاده از روش Foyer  و  Halliwell (1976) با اندکی تغییرات انجام شد. اساس سنجش کاهش جذب نمونه­ها طی 1 دقیقه در طول موج 340 نانومتر  به علت اکسیداسیون NADPH بود. مخلوط واکنش شامل بافر فسفات 50 میلی­مولار، کلریدمنیزیم 5/2 میلی­مولار،  NADPH2/0 میلی­مولار،GSSG  5/0 میلی­مولار و 3/0 میلی­لیتر عصاره­ی استخراجی بود. برای سنجش میزان فعالیت از ضریب خاموشی (mM-1cm-12/6) و فرمول زیر استفاده شد.

Units (mM/min) =

فعالیت آنزیم سوپراکسید­دیسموتاز (SOD, EC 1.15.1.1): برای استخراج عصاره­ی گیاهی 1 گرم از بافت تر ریشه، ساقه و برگ به همراه 4 میلی­لیتر بافر پتاسیم-فسفات (7 pH=) محتوی پلی­وینیل پیرولیدون 1 درصد و 1/0 میلی­مولار اتیلن­د­ی­آمین­تترا استیک اسید(EDTA)  در هاون سرد ساییده شد. سپس هموژنات به مدت 30 دقیقه در دمای 4 درجه سانتی‌گراد و در g 10000 سانتریفوژ شد. محلول رویی برای سنجش فعالیت آنزیمی مورد استفاده قرار گرفت. سنجش فعالیت SOD با استفاده از روش Beauchamp و Fridovich (1971) انجام شد. اساس سنجش مهار فتوشیمیایی نیتروبلوتترازولیوم (NBT) بود. مخلوط واکنش شامل 3 میلی­لیتر بافر سدیم- فسفات 50 میلی­مولار با (8/7 pH=) محتوی 17/0 میلی­مولار نمک NBT، 130 میلی­مولار متیونین، 1/0 میلی­مولار EDTA، 20 میکرومولار ریبو­فلاوین 5 میلی مولار (ریبوفلاوین در آخرین مرحله اضافه شد) و 1 میلی­لیتر عصاره­ی استخراج شده بود. مخلوط واکنش به مدت 45 دقیقه زیر دو لامپ مهتابی40 وات و دمای 30 درجه­ی سانتی­گراد گذاشته شد. بعد از مدت زمان یاد شده جذب نمونه­ها در طول موج 560 نانومتر خوانده شد. (Units) یک واحد فعالیت آنزیم SOD مقدار آنزیمی در نظر گرفته شد که منجر به مهار50 درصد احیای نوری NBT شود. سنجش فعالیت SOD با استفاده از فرمول­­ زیر محاسبه شد. 

فعالیت آنزیم پلی فنل اکسیداز (PPO, EC 1.10. 3.1): سنجش فعالیت آنزیم PPO با استفاده از روش Siriphanich و Kader (1985) با اندکی تغییرات انجام شد. 1 گرم از بافت تر برگ به همراه 9 میلی­لیتر بافر فسفات 1/0 مولار (8/6=pH ) در هاون سرد ساییده شد. هموژنات حاصل با استفاده از پارچه تنظیف 4 لایه صاف و به مدت 20 دقیقه در دمای 4 درجه­ سانتی­گراد و در g 10000 سانتریفوژ شد، سپس عصاره­ی استخراج شده برای سنجش مورد استفاده قرارگرفت. مخلوط سنجش فعالیت آنزیم محتوی 95/1 میل­ لیتر بافر فسفات (8/6pH = )، 1 میلی­لیتر کافئیک اسید 20 میلی­مولار و50 میکرولیتر عصاره­ی استخراج شده بود. جذب نمونه­ها پس از اضافه کردن عصاره طی 1 دقیقه در طول موج نانومتر 420 خوانده شد. برای سنجش میزان فعالیت آنزیم از ضریب خاموشی (m M-1 cm-1 9/24( استفاده شد.

Units (mM/min) =

تجزیه و تحلیل آماری: این مطالعه بر اساس طرح کاملاً تصادفی انجام شد. تمامی داده ها با استفاده از نرم افزار GraphPad مورد ارزیابی آماری قرارگرفتند. خروجی ها به صورت میانگین و انحراف معیار (SD) سه تکرار بیان شد. میانگین تفاوت‌ها بر اساس آزمون چند دامنه ای توکی مورد ارزیابی آماری قرارگرفت.

نتایج و بحث

کاربرد برگی CSNPs در هر دو غلظت منجر به افزایش معنی دار وزن تر برگ نسبت به گروه شاهد شد. همچنین تفاوت بین دو گروهCSNPs50  و CSNPs100 نیز معنی دار بود (شکل 1a). افزایش معنی دار وزن تر ریشه نیز از محلول‌پاشی برگی با CSNPs نتیجه شد. بیشترین وزن تر ریشه در گروه تیماری CSNPs50 ثبت شد (شکل 1b).

 

 

 

شکل 1- تغییرات در وزن تر برگ (a) و وزن تر ریشه (b) تحت تاثیر محلول‌پاشی برگی CSNPs در دو غلظت 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر (حروف متفاوت روی ستون‌ها دلالت بر تفاوت معنی‌دار میانگین‌ها براساس آزمون توکی است)

Fig 1- Changes in leaf fresh weight (a) and root fresh weight (b) following foliar application of CSNPs at two concentrations, including 50 and 100 mg/L (different letters on the columns indicate significant mean differences based on Tukey's test)

 

کاربرد برگی CSNPs در هر دو غلظت منجر به افزایش معنی دار رنگیزه فتوسنتزی کلروفیلی نسبت به گروه شاهد شد. اما تفاوت بین دو گروهCSNPs50  و CSNPs100 معنی دار نبود (شکل 2a,b). افزایش معنی دار غلظت کاروتنوئیدها نیز از محلول‌پاشی برگی با CSNPs حاصل شد. بیشترین وزن تر ریشه در گروه تیماری CSNPs100 ثبت شد (شکل 2c).

 

 

شکل 2- تغییرات در chl a (a)، chl b (b) و کاروتنوئید (c) تحت تاثیر محلول‌پاشی برگی با CSNPs در دو غلظت 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر(حروف متفاوت روی ستون‌ها دلالت بر تفاوت معنی‌دار میانگین‌ها براساس آزمون توکی است)

Fig 2- Changes in chl a (a), chl b (b), and carotenoid (c) in response to the foliar application of CSNPs at two concentrations, including 50 and 100 mg/L (different letters on the columns indicate a significant mean difference based on the Tukey's test)

 

محلول‌پاشی برگی با CSNPs منجر به تحریک قابل ملاحظه فعالیت CAT نسبت به گروه شاهد شد (شکل 3a). فعالیت آنزیم PPO بدنبال محلول‌پاشی برگی با CSNPs  نیز روند صعودی نسبت به شاهد داشت (شکل 3b). فعالیت آنزیم SOD نیز در اثر کاربرد CSNPs نسبت به شاهد افزایش معنی داری را نشان داد(شکل 3c). در روندی مشابه، CSNPs اثر تحریکی بر فعالیت آنزیم GR در مقایسه با گروه شاهد داشت (شکل 3d). تفاوت بین دو گروه CSNPs50  و CSNPs100 معنی دار نبود.

 

شکل 3- تغییرات در فعالیت برخی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان شامل کاتالاز (a)،  پلی فنل اکسیداز (b)، سوپراکسید دیسموتاز (c) و گلوتاتیون ردوکتاز (d) بدنبال محلول‌پاشی برگی گیاه ذرت با CSNPs در دو غلظت 50 و 100 میلی‌گرم در لیتر (حروف متفاوت روی ستون‌ها دلالت بر تفاوت معنی‌دار میانگین‌ها براساس آزمون توکی است)

Fig 3- Changes in the activity of some antioxidant enzymes, including catalase (a), polyphenol oxidase (b), superoxide dismutase (c), and glutathione reductase (d) following foliar spraying of corn plants with CSNPs at two concentrations, including 50 and 100 mg/L. Different letters on the columns indicate a significant mean difference based on Tukey's test

 

کاربرد برگی CSNPs در هر دو غلظت منجر به افزایش معنی داررنگیزه های فتوسنتزی، وزن تر برگ و وزن تر ریشه شد که دلالت بر بهبود شاخص‌های رشدی گیاه دارد. علاوه بر این، بررسی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی نشان داد که کاربرد CSNPs منجر به تحریک قابل ملاحظه سیستم آنتی‌اکسیدانی آنزیمی شامل CAT، PPO، SOD و GR شده است. بیان شده است که استفاده از CSNPs در غلظت‌های بهینه با بهبود شاخص‌های مربوط به رشد (Balusamy et al., 2022)، افزایش کارایی فتوسنتز (Abuelsoud et al., 2023)، تغییر متابولیسم اسید آمینه (Balusamy et al., 2022)، تقویت سیستم آنتی‌اکسیدانی (Hassan et al., 2021)، افزایش متابولیسم ثانویه (Arya et al., 2022)، تعدیل برنامه ترانسکریپتومیک (Ali et al., 2021)، فعال کردن سیستم دفاعی (Chun et al., 2019) و ایجاد تحمل تنش (Zhang et al., 2021) همراه بود. همسو با نتایج این تحقیق، گزارش های علمی از قدرت بالای کیتوزان (Turk, 2019؛ Zhao et al., 2019) و CSNPs (Balusamy et al., 2022) در بهبود مقاومت گیاهان مختلف در برابر تنش شوری (Hassan et al., 2021; Zhang et al., 2021; Balusamy et al., 2022) و شرایط خشکی (Liu et al., 2020) حمایت می کنند. نتایج ما با یافته های Geng  و همکاران (2020) مطابقت دارد که گزارش کرده اند که تیمار کیتوزان با افزایش در بیان ژن های HKT1، NHX4، NHX5 و NHX6 در گیاهان در معرض شوری همراه بود. آنها همچنین تغییرات با واسطه کیتوزان را در فتوسنتز (متابولیسم کربن)، آنتی اکسیدان های آنزیمی، پلی آمین ها، اسید آمینه بوتیریک (GABA) و متابولیسم اسیدهای آمینه (به ویژه گلوتامات) ثبت کردند، در نتیجه کیتوزان مقاومت به شوری را در گیاه علف خزنده بهبود بخشید (Geng et al., 2020). مطالعات قبلی نشان می دهد که کاربرد کیتوزان می تواند با تغییرات سلولی در سطح مولکولی، از جمله تغییرات در بیان برخی از ژن ها همراه باشد. به عنوان مثال، استفاده از نانوکیتوزان در گوجه‌فرنگی، مقاومت گیاه را در برابر قارچ Fusarium andiyazi  از طریق تحریک رونویسی چندین ژن دفاعی مانند کیتیناز، PR1، β-1،3-گلوکاناز، و PR-10 بهبود بخشید. CSNP ها بیان چندین ژن از جمله geissoschizine synthase (GS)، پراکسیداز 1 (PRX1)، deacetylvindoline-4-O-acetyltransferase (DAT) و strikosidine synthase (STR) را تقویت کردند که از طریق آن باعث افزایش تحمل به خشکی در گیاه Catharanthus roseus شد. CSNP ها با القای ژن هایی از جمله ORCA3، MAPK3 و geissoschizine synthase) GS) مقاومت گیاه Catharanthus roseus را در برابر شوری بهبود بخشیدند (Hassan et al., 2021). به نظر می رسد که CSNP ها با تأثیر بر متابولیسم پرولین (Balusamy et al., 2022)، تحریک سیستم آنتی اکسیدانی (Chun et al., 2019) حفظ یکپارچگی غشاء (Ali et al., 2021)، تغییر بیان ژن ها (Hassan et al., 2021)، و متابولیسم ثانویه (Arya et al., 2022) در جهت تحمل تنش مزایایی دارند. مطالعات رونویسی جامع آینده برای شناسایی شبکه های سیگنالینگ اصلی بالادست و پایین دست مورد نیاز است. علاوه بر این، این مطالعه در محدوده غلظت باریکی از CSNPها و شرایط کنترل‌شده به طور کوتاه‌مدت انجام شد و نیاز به آزمایش‌های مزرعه‌ای طولانی‌مدت در گونه‌های مختلف زراعی برای بهینه‌سازی روش‌های عملکردی کارآمد را مورد تاکید است.

نتیجه‌گیری کلی

براساس نتایج این تحقیق، کاربرد برگی CSNPs به طور قابل توجهی همراه با افزایش رنگیزه‌های فتوسنتزی و آنتی اکسیدان‌های آنزیمی است که از آن طریق موجب بهبود رشد و مقاومت در برابر تنش‌ها می‌شود. طراحی تحقیقاتی با غلظت‌های مختلف و روش تیماری متفاوت در گونه‌های مختلف گیاهی برای شناخت بیشتر مکانیسم‌های پاسخ گیاهان به تیمار کیتوزان ضروری است تا از طریق آن دانش ما برای کاربرد عملی CSNPs در ترکیب کودها و آفت کش‌ها ارتقا یابد.

منابع 

1)       Abuelsoud, W., Saleh, A.M., Mohammed, A.E., Alotaibi, M.O. and H, AbdElgawad. 2023. Chitosan nanoparticles upregulate C and N metabolism in soybean plants grown under elevated levels of atmospheric carbon dioxide. International Journal of Biological Macromolecules, 252: 126434.

2)       Ali, E.F., El-Shehawi, A.M., Ibrahim, O.H.M., Abdul-Hafeez, E.Y., Moussa, M.M. and F.A.S, Hassan. 2021. A vital role of chitosan nanoparticles in improvisation the drought stress tolerance in Catharanthus roseus (L.) through biochemical and gene expression modulation. Plant Physiology and Biochemistry, 161: 166-175.

3)       Arya, S.S., Rookes, J.E., Cahill, D.M. and S.K, Lenka. 2022. Chitosan nanoparticles and their combination with methyl jasmonate for the elicitation of phenolics and flavonoids in plant cell suspension cultures. International Journal of Biological Macromolecules, 214: 632-641.

4)       Attaran Dowom, S., Karimian, Z., Mostafaei Dehnavi, M. and L, Samiei. 2022. Chitosan nanoparticles improve physiological and biochemical responses of Salvia abrotanoides (Kar.) under drought stress. BMC Plant Biology, 22(1): p.364.

5)       Balusamy, S.R., Rahimi, S., Sukweenadhi, J., Sunderraj, S., Shanmugam, R., Thangavelu, L., Mijakovic, I. and H, Perumalsamy. 2022. Chitosan, chitosan nanoparticles and modified chitosan biomaterials, a potential tool to combat salinity stress in plants. Carbohydrate Polymers, 284: 119189.

6)       Beauchamp, C. and I, Fridovich. 1971. Superoxide dismutase: improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical biochemistry, 44(1): 276-287.

7)       Chun, S.C. and M, Chandrasekaran. 2019. Chitosan and chitosan nanoparticles induced expression of pathogenesis-related proteins genes enhances biotic stress tolerance in tomato. International Journal of Biological Macromolecules, 125: 948-954.

8)       El Amerany, F., Meddich, A., Wahbi, S., Porzel, A., Taourirte, M., Rhazi, M. and B, Hause. 2020. Foliar application of chitosan increases tomato growth and influences mycorrhization and expression of endochitinase-encoding genes. International journal of molecular sciences, 21(2): p.535.

9)       Esyanti, R.R., Dwivany, F.M., Mahani, S., Nugrahapraja, H. and K, Meitha. 2019. Foliar application of chitosan enhances growth and modulates expression of defense genes in chilli pepper ('Capsicum annuum 'L.). Australian Journal of Crop Science, 13(1): 55-60.

10)       Foyer, C.H. and B, Halliwell. 1976. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts: a proposed role in ascorbic acid metabolism. Planta, 133: 21-25.

11)       Geng, W., Li, Z., Hassan, M.J. and Y, Peng. 2020. Chitosan regulates metabolic balance, polyamine accumulation, and Na+ transport contributing to salt tolerance in creeping bentgrass. BMC Plant Biology, 20: 506. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02720-w.

12)       Hassan, F.A.S., Ali, E., Gaber, A., Fetouh, M.I. and R, Mazrou. 2021. Chitosan nanoparticles effectively combat salinity stress by enhancing antioxidant activity and alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus (L.) G. Don. Plant Physiology and Biochemistry, 162: 291-300.

13)       Lichtenthaler, H.K. 1987. Chlorophyll fluorescence signatures of leaves during the autumnal chlorophyll breakdown. Journal of plant physiology, 131: 101-110.

14)       Li, K.C., Zhang, X.Q., Yu, Y., Xing, R.E., Liu, S. and P.C, Li. 2020. Effect of chitin and chitosan hexamers on growth and photosynthetic characteristics of wheat seedlings. Photosynthetica, 58(3): 816-826.

15)       Liu, Z., Liu, T., Liang, L., Li, Z., Hassan, M.J., Peng, Y. and D, Wang. 2020. Enhanced photosynthesis, carbohydrates, and energy metabolism associated with chitosan‐induced drought tolerance in creeping bentgrass. Crop Science, 60(2): 1064-1076.

16)       Malerba, M. and R, Cerana. 2020. Chitin-and chitosan-based derivatives in plant protection against biotic and abiotic stresses and in recovery of contaminated soil and water. Polysaccharides, 1(1): 21-30.

17)       Mejdoub‐Trabelsi, B., Touihri, S., Ammar, N., Riahi, A. and M, Daami‐Remadi. 2020. Effect of chitosan for the control of potato diseases caused by Fusarium species. Journal of Phytopathology, 168(1): 18-27.

18)       Mohammed, K.A., Hussein, H.M. and A.M, Elshamly. 2024. Monitoring plant responses in field-grown peanuts exposed to exogenously applied chitosan under full and limited irrigation levels. Scientific Reports, 14(1): p.6244.

19)       Pirbalouti, A.G., Malekpoor, F., Salimi, A. and A, Golparvar. 2017. Exogenous application of chitosan on biochemical and physiological characteristics, phenolic content and antioxidant activity of two species of basil (Ocimum ciliatum and Ocimum basilicum) under reduced irrigation. Scientia Horticulturae, 217: 114-122.

20)       Sadeghipour, O. 2021. Chitosan application improves nickel toxicity tolerance in soybean. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 21(3): 2096-2104.

21)       Sharif, R., Mujtaba, M., Ur Rahman, M., Shalmani, A., Ahmad, H., Anwar, T., Tianchan, D. and X, Wang. 2018. The multifunctional role of chitosan in horticultural crops; a review. Molecules, 23(4): p.872.

22)       Siriphanich, J. and A.A, Kader. 1985. Effects of CO2 on cinnamic acid-4-hydroxylase in relation to phenolic metabolism in lettuce tissue. Journal of the American Society for Horticultural Science, 110(3): 333-335.

23)       Turk, H. 2019. Chitosan-induced enhanced expression and activation of alternative oxidase confer tolerance to salt stress in maize seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 141: 415-422.

24)       Zhang, G., Wang, Y., Wu, K., Zhang, Q., Feng, Y., Miao, Y. and Z, Yan. 2021. Exogenous application of chitosan alleviates salinity stress in lettuce (Lactuca sativa L.). Horticulturae, 7(10): p. 342.

25)       Zhao, J., Pan, L., Zhou, M., Yang, Z., Meng, Y. and X, Zhang. 2019. Comparative physiological and transcriptomic analyses reveal mechanisms of improved osmotic stress tolerance in annual ryegrass by exogenous chitosan. Genes, 10(11): p.853.