بررسی اثر تنش غرقاب در مراحل نموی مختلف بر محتوای آنزیم‏های آنتی اکسیدانی، رنگیزه‏ های فتوسنتزی و عملکرد دانه گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری در رشته زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 استاد، گروه زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دانشیار، گروه زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: تنش‌های محیطی همواره یکی از مهم‏ترین عوامل کاهش‌دهنده عملکرد و تولید گیاهان زراعی به شمار می‏روند. زمانی‌که گیاهان با تنش غرقابی مواجه می‏شوند، غلظت گونه‌های اکسیژن فعال در آن‏ها افزایش می‏یابد. افزایش این ترکیبات می‌تواند به چندین واکنش متابولیک سلولی مثل یکپارچگی غشا، فتوسنتز و کارایی فتوسیستم II، خسارت وارد نمایند. به دنبال این رویدادها، پیری زودرس برگ و کاهش سطح برگ ممکن است منجر به افت تثبیت کربن در گیاه شود. گیاهان برای مقابله با گونه‏های اکسیژن فعال به تولید آنتی‏اکسیدانت‏ها می‏پردازند که منجر به تخفیف اثرات تنش می‏شود. بر این اساس، این پژوهش به منظور بررسی اثرات تنش غرقابی در مراحل پنجه‏زنی و ساقه‌رفتن گندم در دو رقم مروارید وکوهدشت بر محتوای آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی، رنگیزه‌های فتوسنتزی و ارتباط آن‏ها با عملکرد دانه انجام شد.
مواد و روش‏ها: برای انجام این پژوهش، یک آزمایش گلدانی به صورت فاکتوریل درقالب طرح کاملا تصادفی در دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان در دو سال 1394و 1395 به صورت دو ساله اجرا شد. تیمارهای آزمایشی شامل طول دوره تنش در پنج سطح (0، 7، 14، 21 و 28 روز) به عنوان عامل اول، زمان اعمال غرقاب بر اساس مرحله نمو گندم (پنجه‏زنی و ساقه رفتن) به عنوان عامل دوم و رقم (ارقام مروارید و کوهدشت) به عنوان عامل سوم در نظر گرفته شد. به منظور اعمال تنش غرقاب، گلدان‏های مربوط به هر تیمار به نحوی درون یک حوضچه پر از آب قرار داده شدند که تا ارتفاع 2سانتی‏متر از ساقه‌ها در زیر آب بود. پس از اعمال تیمارهای تنش صفاتی مانند محتوای آنزیم‌های کاتالاز و سوپراکسیددیسموتاز، آسکوربیک اسید، کلروفیل a، کلروفیل b، کارتنویید و عملکرد دانه اندازه‏گیری شدند. همچنین، برای توصیف روابط موجود میان صفات مورد اندازه‌گیری و طول دوره غرقاب از توابع خطی استفاده شد.
یافته‏ها: نتایج این تحقیق نشان داد که خسارت تنش غرقاب در گندم به مدت زمان قرارگیری بوته‏ها در معرض تنش، مرحله نموی که تنش همگام با آن رخ می‏دهد و نیز نوع رقم مورد استفاده بستگی داشت. به طور کلی، در این پژوهش با افزایش طول دوره غرقاب، صفاتی مثل محتوای آنزیم‏های کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز و نیز محتوای آسکوربیک اسید، به طور معنی‏داری (به صورت خطی) افزایش یافت، ولی میزان رنگیزه‏های فتوسنتزی به طور معنی‏داری (به صورت خطی) کاهش یافت. از طرف دیگر، میزان افزایش آنزیم‏های کاتالاز و سوپر اکسید دیسموتاز در رقم کوهدشت بیشتر از رقم مروارید بود. همچنین، میزان کاهش کلروفیل a و b در رقم مروارید بیشتر ازرقم کوهدشت بود، اما میزان کارتنویید در رقم کوهدشت کاهش بیشتری نسبت به رقم مروارید داشت. در نهایت، عملکرد دانه گندم به ازای هر روز آب ماندگی در رقم کوهدشت و مروارید به ترتیب 16/3 و 20/3 درصد کاهش یافت. در هر دو رقم اعمال تنش غرقاب در مرحله ساقه رفتن عملکرد دانه را به طور معنی‏داری بیش از مرحله پنجه‏زنی کاهش داد.
نتیجه‏گیری: تنش غرقاب نقش بسیار مهمی در کاهش عملکرد دانه گندم داشت. در این راستا، طول دوره تنش مهم‏ترین عامل موثر بر عملکرد بود و پس از آن مرحله نموی که تنش در آن رخ داد و رقم به ترتیب در درجه دوم و سوم اهمیت قرار گرفتند. افزایش محتوای آنزیم کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز با کاهش عملکرد دانه همراه بود، زیرا این آنزیم‏ها در پاسخ به تولید گونه‏های اکسیژن فعال (تنش اکسیداتیو) در تنش غرقاب صورت می‏گیرد.. کاهش محتوای رنگیزه‏های فتوسنتزی نیز به معنای کاهش ظرفیت فتوسنتزی گیاه در طی تنش غرقاب بود. مجموع این تغییرات باعث کاهش خطی عملکرد دانه در هر دو رقم و هر دو مرحله نموی شد. کاهش شدیدتر عملکرد دانه در شرایطی که غرقاب در مرحله ساقه رفتن رخ داد، نشان‏دهنده حساسیت بیشتر این مرحله نموی به تنش بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the effects of flooding stress in different developmental stages on the content of antioxidant enzymes, photosynthetic pigments and grain yield of wheat

نویسندگان [English]

  • hosein shahkoomahali 1
  • serollah Galeshi 2
  • Afshin Soltani 2
  • Ebrahim Zeinali 3
1 Ph.D. student of gorgan university of agricultural and natural recorses
2 Department of Agronomy, Gorgan University of Agricultural Science and Natural Resources
3 Department of Agronomy, Gorgan University of Agricultural Science and Natural Resources
چکیده [English]

Introduction: Environmental stresses are always one of the most important factors in reducing the crops yield and production. When plants encountered with flooding stress, the concentration of active oxygen species increases. Increasing these compounds can damage to several cellular metabolic responses, such as Membrane integrity, photosynthesis and photosystem II efficacy. Following these events, early leaf aging and leaf area reduction may result in the loss of carbon fixation in the plant. Plants, in order to Confront with activated oxygen species, produce antioxidants, which reduces the effects of stress. Accordingly, this research was carried out to investigate the effects of flooding stress during tillering and stem elongation in two Koohdasht and Morvarid wheat cultivars on the content of antioxidant enzymes, photosynthetic pigments and their relationship with grain yield.
Materials and method: To conduct this research, a factorial experiment was conducted in a completely randomized design at Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources in two years, 1394 and 1395. The experimental treatments consisted of the length of the stress period at five levels (0, 7, 14, 21 and 28 days) as the first factor, the time of flooding based on the development stage of wheat (tillering and stem elongation) as the second factor and cultivar (Koohdasht and Morvarid) were considered as the third factor. In order to apply flood stress, the pots for each treatment were somehow placed in a water-filled pond that plants stem at a height of 2 cm was below the water. After applying stress treatments, traits such as content of catalase and superoxide dismutase enzymes, ascorbic acid, chlorophyll a, chlorophyll b, cartenoied and grain yield were measured. Also, linear models were used to describe the relationships between measured traits and flooding duration.
Results: The results of this study showed that the damages of flooding stress in wheat depend on the time of plant placement under stress, the developing stage that stress associated with it, and the type of cultivar. In general, in this study, with increasing flooding duration, traits such as content of catalase and superoxide dismutase enzymes as well as ascorbic acid content increased significantly (linearly), but the amount of photosynthetic pigments (linearly) decreased significantly. On the other hand, the rate of increase of catalase and superoxide dismutase enzymes in Koohdasht was more than Morvarid. Also, the reduction of chlorophyll a and chlorophyll b in Morvarid was higher than in Koohdasht, but the reduction of cartenoied in Koohdasht was higher than in Morvarid cultivars. Finally, with increasing the duration of flooding period, the grain yield of Koohdasht and Morvarid cultivars decreased by 3.67 and 3.20 percent per day, respectively. In both cultivars, flood stress during stem elongation stage decreased seed yield significantly more than the tillering stage.
Conclusion: Flooding stress has a very important role in reducing wheat grain yield. In this regard, the duration of the stress period was the most important factor affecting the yield, and then the developmental stage where the stress occurred during it and the cultivar were ranked second and third, respectively. Increased content of catalase and superoxide dismutase enzymes was associated with reducing the grain yield, as the production of these enzymes occured in response to increased active oxygen species (oxidative stress) during the flooding. Reduce the content of photosynthetic pigments also means a reduction in plant photosynthetic capacity during flooding stress. The total of these changes led to a linear decrease in grain yield in both cultivars and both developmental stages. The more severe reduction in grain yield, when flooding occurred at the stem elongation stage, indicates the greater sensitivity of this developmental stage to stress.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Developmental stage
  • Flooding period
  • yield loss
  1. Ahmed, S., Nawata, E., Hosokawa, M., Domae, Y., and Sakuratani, T. 2002. Alterations in photosynthesis and some antioxidant enzymatic activities of mungbean subjected to waterlogging. Plant Sci. 163: 1. 117-123.
  2. Akhtar, I., and Nazir, N. 2013. Effect of waterlogging and drought stress in plants. Int J. Water Resour. Environ Sci. 2: 2. 34-40.
  3. Amri, M., Elouni, M.H., and Salem, M.B. 2014. Waterlogging affect the development, yield and components, chlorophyll content and chlorophyll fluorescence of six bread wheat genotyoes (Triticum aestivum). Bulg J. Agric Sci. 20: 3. 647-657.
  4. Ardakani, M., Nadur, A. 2009. Principles and techniques for plant scientists. Tehran University 270 p. (Translated in Persian).
  5. Arnon, D.I. 1949. Copper enzymes in isolated chloroplasts: polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol. 24: 1. 1-24
  6. Aroca, R., Porcel, R., and Ruiz-Lozano, J.M. 2012. Regulation of root water uptake under abiotic stress conditions. J. Exp Bot. 63: 1. 43-57.
  7. Ashraf, M., and Rehman, H. 2005. Interactive effects of nitrate and long-term waterlogging on growth, water relations, and gaseous exchange properties of maize (Zea mays L.). Plant Sci.144: 1. 35-43.
  8. Ashraf,.A., Ahmad, M.S.A., Ashraf, M., Al-Qurainy, F., and Ashraf, M.Y. 2011. Alleviation of waterlogging stress in upland cotton (Gossypium hirsutum L.) by exogenous application of potassium in soil and as a foliar spray. Crop Pasture Sci. 62: 1. 25-38.
  9. Ashraf, M.A. Waterlogging stress in plants: A review. Afr J. Agric Res. 7: 13. 1976-1981.
  10. Collaku,, and Harrison, S.A. 2002. Losses in Wheat Due to Waterlogging. Crop Sci. 42: 2. 444-450.
  11. Colmer, T.D., and Voesenek, L.A.C.J. 2009. Flooding tolerance: suites of plant traits in variable environments. Funct Plant Biol. 36: 8. 665-681.
  12. Dazy, M., Jung, V., Ferard, J.F., Masfaraud, J.F. 2008. Ecological recovery of vegetation on a coke-factory soil: role of plant antioxidant enzymes and possible implication in site restoration. Chemosphere. 74: 1. 57-63.
  13. 2018. Food and Agriculture Organization of United Nation.
  14. Fukao, T., Kennedy, R.A., Yamasue, Y., and Rumpho, M.E. 2003. Genetic and biochemical analysis of anaerobically inducat enzyms during seed germination of Echinochloa crus-galli varieties tolerant and intolerant of anoxia. J. Exp Bot. 54: 386. 1421-1429.
  15. Galeshi, S., Torabi, B., Resam, GH., Rahemi Karizaki, A., and Barzegar, A. 2009. Stress management in plants. Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources Press. 307 p. (In Persian)
  16. Ghobadi, M.E., Ghobadi, M., and Zebarjadi, A. 2011. The response of winter wheat to flooding. Int J. Biol. Food. Vet Agric Eng. 5: 6. 38-40.
  17. Giannopolitis, C.N., and Ries, S.K. 1977. Superoxide dismutases I. Occurrence in higher plants. Plant Physiol. 59: 2. 309-14.
  18. Gupta, K.J., Stoimenova, M., and Kaiser, W.M. In higher plants, only root mitochondria, but not leaf mitochondria reduce nitrite to NO, in vitro and in situ. J. Exp Bot. 56: 420. 2601-2609
  19. Hossain, A., and Uddin, S.N. 2011. Mechanisms of waterlogging tolerance in wheat: Morphological and metabolic adaptations under hypoxia or anoxia. Aust. J. Crop Sci. 5: 9. 1094-1101
  20. Jackson,B., and Colmer, T.D. 2005. Response and adaptation by plants to flooding stress. Ann. Bot. 96: 4. 501-505
  21. Jiang, D., Fan, X., Dai, T., and Cao, W. 2008. Nitrogen fertiliser rate and post-anthesis waterlogging effects on carbohydrate and nitrogen dynamics in wheat. Plant Soil. 304: 301-314.
  22. Jiang, Z., Song, X.F., Zhou, Z.Q., Wang, L.K., Li, J.W., Deng, X.Y., Fan, H.Y. 2010. Aerenchyma formation: programmed cell death in adventitious roots of winter wheat (Triticum aestivum) under waterlogging. Funct Plant Biol. 37: 8. 748-755.
  23. Kafi, M., Borzoee, A., Salehi, M., Kamandi, A., Masoumi, A., Nabati, J. 2010. Physiology of Environmental Stresses in Plants. JDM Press, 504 p. (In Persian)
  24. Kar, M., and Mishra, D. 1976. Catalase, peroxidase and plolyphenl oxidase activities during rice leaf senescence. Plant Physiol. 57: 2. 315-319.
  25. Khadempir, M., Galeshi, S., Soltani, A., Ghaderifar, F., and Mazlum, M. 2014. Effect of temperature and flooding on growth and physiological activities of canola seedling. Crop Physiol. 6: 22. 69-88.
  26. Malekmohammadi, F., Manuchehri klantari, K.H., and Torkzade, M. 2005. Flooding effects on the induction of oxidative stress concentrations in pepper plants (Capsicum annum). J. Biol. Ir. 18: 2. 110-119. (In Persian)
  27. Marashi, S.k. 2014. A comparative study of grain yield and yield components of wheat (Triticum aestivum) in response to waterlogging condition. J. Biodivers. Environ Sci. 5: 3. 347-353.
  28. Mauchamp, A., and Methy, M. 2004. Submergence-induced damage of photosynthetic apparatus in phragmite australis. Environ. Bot. 51: 227-235.
  29. Moller, I.M., Jensen, P.E., and Hansson, A. 2007. Oxidative modifications to cellular components in plants. Ann Rev. Plant Biol. 58: 459-481.
  30. Rasoli, F., Galeshi, S., Pirdashti, H., and Zeinali, E. 2011. Physiological reaction to the reaction of rapeseed (Brassica napus) to be flooded. Proceedings of the First Conference of strategies to achieve sustainable agriculture. Ahvaz.
  31. Sairam, R.K., Kumutha, D., Chinnusamy, V., and Meena, R,C. 2009. Waterlogging-induced increase in sugar mobilization, fermentation, and related gene expression in the roots of mung bean (Vigna radiata). J. Plant Physiol. 166: 6. 602- 616.
  32. Seefeldt, S.S., Kidwell, K.K., and Waller, J.E. 2002. Base growth temperatures, germination rates and growth response of contemporary spring wheat (Triticum aestivum L.) cultivars from the US Pacific Northwest. Field Crop Res. 75: 47-52.
  33. Setter, T.L., and Waters, I. 2003. Review of prospects for germplasm improvement for waterlogging tolerance in wheat, barley and oats. Plant Soil. 253: 1-34.
  34. Shabala, S. 2010. Physiological and cellular aspects of phytotoxicity tolerance in plants: the role of membrane transporters and implications for crop breeding for waterlogging tolerance. New Phytol. 190: 2. 289-298.
  35. Sheikh, F., Arabi, M.K., Soghi, H., Bazi, M.T., and Abroudi, A.M. 2008. The effect of water logging stress at filling stage on yield and yield components of wheat (Triticum aestivum). Electron J. Plant Prod. 1: 1. 38-53. (In Persian)
  36. Shewry, P.R. 2009. Wheat. J. Exp Bot.60: 6. 1537-1553.
  37. Tanou, G., Molassiotis, A., and Diamantidis, G. 2009. Induction of reactive oxygen species and necrotic death-like destruction in strawberry leaves by salinity. Environ. Exp Bot. 65: 2-3. 270-281.
  38. Tiryakioglui, M., Karanlik, S., and Arslalan, M. 2014. Response of bread-wheat seedlings to waterlogging stress. Turk J. Agric. Forest. 39: 5. 807-816.
  39. Yavas, I., Unay, A., and Aydin, M. 2012. The waterlogging tolerance of wheat varieties in western of turkey. The Sci World J. 2: 1-7.
  40. Yordanova, R., Christork, K., and popora, L.P. 2003. Antioxidative oenzymes in barley plants subjected to soil flooding. Exp Bot. 51: 2. 93-101.
  41. Yordanova, R.Y. and Popova, L.P. 2011. Photosynthetic response of barley plants to soil flooding. Photosynthetica. 39: 4. 515-520.
  42. Yordanova, R.Y., Christov, K.N., and Popova, L.P. 2014. Antioxidative enzymes in barley plants subjected to soil flooding. Exp Bot. 51: 2. 93-101.
  43. Zhang, H., Jing, L., Kui, W., Xinzhen, D., and Quanmin, L. 2009. A simple and sensitive assay for ascorbate using potassium ferricyanide as spectroscopic probe regent. Anall Biochem. 388: 1. 40-46.