نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه اکوفیزیولوژی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز
2 گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Abstract
Background and Objective: The objective of this research was to assess the effect of nickel (Ni) toxicity on rotated barley and faba bean characteristics under chemical and biological nitrogenous fertilizers.
Materials and Methods: A greenhouse experiment with factorial arrangement based on randomized complete block design with three replications was conducted in two years of 2016-2017 at the Faculty of Agriculture, University of Tabriz. In the first part, barley seeds were sown using 36 pots with Ni levels of 0, 10, 100 and 200 mg.kg-1 and nitrogen (N) fertilizer (control, urea and Nitroxin). In the second part, faba bean seeds were cultivated in 72 pots. In this part, the crop rotation factor was applied in addition to N fertilizer and Ni treatments.
Results: The results indicated that increasing Ni levels in soil markedly decreased plant height, leaf water content, chlorophyll content index, and root and shoot dry matters, but increased electrolyte leakage of barley and faba bean plants. The high level of Ni (100 and 200 mg.kg-1) was led to soil toxicity. While, the low nickel concentration (10 mg.kg-1) improved the growth of plants.
Conclusion: It can be concluded that application of N fertilizer improved the growth conditions of plants under Ni stress. Cultivation of barley significantly decreased Ni toxicity in the soil, leading to an improvement in faba bean performance in rotation.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
صنعتی شدن کشورها و افزایش جمعیت جهان طی قرن بیستم منجر به آلودگی خاک، آب و هوا توسط آلاینده‌های خطرناکی مانند فلزات سنگینو متعاقباً سبب آسیب به سلامتی انسانها و ناپایداری اکوسیستم‌های طبیعی و زراعی گردیده است (ژانگ و همکاران 2007). آلودگی زیستگاهها به فلزات سنگین در جهان به یک مشکل بسیار مهم تبدیل شده است. چون نیمه‌عمر بیولوژیکی این فلزها بالاست، انباشتگی آنها در بدن میتواند به مرزهای زیانباری رسیده و موجب بیماری در جانداران شود (بوهن و همکاران 1985). نیکل یکی از فلزات سنگین موجود در فاضلابهای صنایعی مثل آبکاری فلز، رنگسازی، میناکاری چینی و غیره میباشد (سرجین و کوژونیکوا 2006). نیکل بهعنوان یک ریزمغذی در غلظتهای کم برای رشد گیاه و همچنین فعالیت برخی آنزیمهای فلزی ضروری است (شنگ و همکاران 2008). با این وجود این عنصر در غلظتهای بالا برای گیاهان سمی میباشد (پاندی و شارما 2002). بهطورکلی، سطح سمیت بحرانی نیکل برای گیاهان حساس بیش از 10 میلیگرم در کیلوگرم ماده خشک، برای گیاهان با حساسیت متوسط بیش از 50 میلیگرم در کیلوگرم ماده خشک و برای گیاهان مقاوم بیش از 1000 میلیگرم در کیلوگرم ماده خشک گیاهی گزارش شده است (چن و همکاران 2009).
سمیت نیکل بهعنوان یک تنش غیرزیستی با برهم زدن تعادل بین تولید و تخریب، منجر به انباشتگی رادیکالهای آزاد اکسیژن و ایجاد خسارت اکسیداتیو نظیر اکسیداسیون لیپیدهای غشاء و تخریب پروتئینها، آنزیمها، رنگدانهها، مولکول کلروفیل و DNA شده و با مختل کردن عملکرد غشاء، مقدار آب بافتهای سلولی را کاهش میدهد. غلظتهای سمی نیکل سبب کاهش جوانهزنی بذر، کاهش رشد گیاه، جلوگیری از توسعه سیستم ریشه، ایجاد کلروز و بافت مردگی برگ، تخریب مولکول کلروفیل و کاهش فتوسنتز و تنفس گیاه میشود (بهمن زیاری و همکاران 2013). گیاهان کلم رشد یافته در شرایط تتش نیکل دچار کاهش 40 درصدی سطح برگ شدند (بیشنوی و همکاران 1993). حضور بیش از حد نیکل در بافت برگی گیاه لوبیا سبز باعث بالا رفتن میزان ABA و در نتیجه بسته شدن روزنه گردید (مولاس 1997). محققان گزارش کردهاند که کاهش فتوسنتز توسط نیکل به دلیل اختلال در ساختار کلروپلاست، کلروفیل، انتقال الکترون، جلوگیری از فعالیت آنزیمهای چرخه کلوین و کاهش نفوذ CO2 به دلیل بسته شدن روزنه میباشد (سرجین و ایوانو 2001). خطیب و همکاران (2008) گزارش کردند که گیاهان جعفری رشد یافته تحت تنش نیکل کاهش معنیداری در سطح برگ و وزن تر و خشک گیاه نشان دادند.
قرار گرفتن گیاهان در تناوب باعث افزایش فعالیت باکتریها میشود که زیست فراهمی فلزات سنگین را کاهش میدهد (فاماگالی و همکاران2014). افزایش جمعیت ریزجانداران مفید میتواند مقاومت گیاه به تنش‌های مختلف محیطی مانند کمبود آب، عناصر غذایی و سمّیت فلزات سنگین را کاهش دهد (وو و همکاران 2010). کاربرد مقادیر مناسب کودهای حاوی عناصر اصلی (نیتروژن، فسفر و پتاسیم) و کودهای زیستی میتواند اثرات سودمندی بر زیست فراهمی فلزات سنگین داشته باشد (وی و همکاران 2008). کودهای زیستی با مکانیسمهای متعددی ازجمله تثبیت نیتروژن، کمک به آزاد شدن عناصر غذایی در خاک، تولید هورمونهای محرک رشد گیاه و افزایش کارآیی جذب ریشه، موجب بهبود رشد و عملکرد گیاه میشوند (باشو و همکاران 2008). سمیت ناشی از غلظتهای بالای نیکل از یک سو و ضرورت وجود آن برای رشد گیاهان از سویی دیگر، نشان دهنده اهمیت شناخت علائم مسمومیت این عنصر در گیاه و همچنین اطلاع از میزان جذب آن توسط گیاهانی که در شرایط وجود غلظت های مختلف نیکل رشد داده شده اند، می باشد. بر همین اساس در این پژوهش کوشش میشود که اثر نیکل بر صفات گیاهان جو و باقلا تحت تناوب با کاربرد کودهای نیتروژنی نیتروکسین واوره مورد ارزیابی قرار گیرد.
موادوروشها
این پژوهش در گلخانه گروه اکوفیزیولوژی گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز در سالهای 1395 و 1396 انجام پذیرفت. مشخصات خاک مورد استفاده آزمایش در جدول 1 ارائه شده است.
جدول 1- برخی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک مورد استفاده
|
pH |
رس (%) |
سیلت (%) |
شن (%) |
بافت |
کربن آلی (%) |
نیتروژن کل (%) |
هدایت الکتریکی (dS. m-1) |
نیکل کل (mg. Kg-1) |
فسفر قابل جذب (mg. Kg-1) |
پتاسیم قابل جذب (mg. Kg-1) |
نیکل قابل جذب (mg. Kg-1) |
|
|
1/8 |
25 |
26 |
49 |
لوم رسی شنی |
94/0 |
042/0 |
68/0 |
87/16 |
5/33 |
719 |
61/0 |
|
آزمایش به صورت فاکتوریل بر پایه طرح بلوکهای کامل تصادفی با سه تکرار اجرا شد. در بخش اول گیاه جو با استفاده از 36 گلدان (36 گلدان بهصورت نکاشت باقی ماند) کشت شد. عامل اول شامل غلظت نیکل در چهار سطح 0، 10، 100 و 200 میلیگرم بر کیلوگرم خاک از منبع سولفات نیکل ((NiSo4, 6H2O و عامل کودی در سه سطح شامل عدم استفاده از کود، استفاده از کود زیستی نیتروژنی ( نیتروکسین ) و استفاده از کود شیمیایی نیتروژنی( اوره ) بود. در بخش دوم گیاه باقلا با استفاده از 72 گلدان (36 گلدان با تناوب جو و 36 گلدان بدون تناوب) کشت شد. در این بخش علاوه بر فاکتورهای نیکل و کود، عامل تناوب زراعی در دو سطح شامل (بدون کشت – کشت باقلا و کشت جو - کشت باقلا) اعمال شد.
هر گلدان حاوی 4 کیلوگرم خاک بود. نمونههای خاک پس از هوا خشک شدن در کیسههای نایلونی ریخته شد و سطوح نیکل در رطوبت ظرفیت مزرعه (FC) به آن اضافه و بهطور متناوب بهم زده شدند و سه چرخه مرطوب کردن (تا رطوبت FC) و خشک کردن (تا رطوبت هواخشک) جهت اختلاط کامل نیکل با خاک، اعمال شد. سپس نمونههای خاک در گلدانها ریخته و آماده کشت شد. کود زیستی مورد استفاده در این تحقیق از نوع نیتروکسین بود که دارای مجموعهای از مؤثرترین باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن از جنس ازتوباکترو آزوسپریلیوم میباشد که توسط مؤسسه فنآوری زیستی آسیا تولید شده است. سهم هر یک از جنسهای باکتری در هر میلیلیتر نیتروکسین به تعداد (CFU) 108 سلول زنده است. نحوهی مصرف این کود بهصورت تلقیح با بذور جو و باقلا (100 میلی ایتر به ازای بذر مصرفی) میباشد. کود شیمیایی مصرفی از نوع کود اوره (1 گرم در هر گلدان) بود که بهصورت پیش کاشت به خاک گلدانها اضافه شد. رقم جو مورد استفاده نیمروز بود که از موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر خوزستان تهیه شد. همچنین برای باقلا از رقم محلی استان گیلان استفاده شد. پس از کاشت بذور و انجام عملیات تنک، تعداد 8 بوته جو و 6 بوته باقلا در گلدانها نگه داشته شد. در طول دوره رشد، رطوبت گلدانها در حدود ظرفیت مزرعه نگهداری شد.
برای تعیین درصد آب برگ (LWC)، در مرحله زایشی و قبل از آبیاری گیاهان، از هر گلدان 5 برگ جوان توسعه یافته از یک بوته جدا شد و در داخل کیسه پلاستیکی قرار گرفت و بلافاصله پس از انتقال به آزمایشگاه توزین گردید (وزن تر، FW). سپس به مدت 48 ساعت در آونی با دمای 75 درجه سانتیگراد قرار داده شد و وزن خشک(DW) نمونهها به دست آمد. در نهایت درصد آب برگ از فرمول LWC = (FW - DW) / FW) × 100 محاسبه گردید. شاخص کلروفیل برگ در مرحله گلدهی با استفاده از دستگاه کلروفیل سنج (CCM-200) اندازهگیری شد. درصد نشت یونی (EL) به روش تاس و باسار (2009) اندازهگیری شد. بدین منظور برگهای تازه بهطور دقیق با آب مقطر شسته شدند. از هر برگ، دیسکهای 2 سانتیمتری تهیه گردید و درون ارلنهای حاوی 20 میلیلیتر آب مقطر منتقل شد و در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد) روی شیکر قرار گرفت و پس از 24 ساعت هدایت الکتریکی آب داخل ارلن (EC1) به وسیله EC متر، اندازهگیری شد. سپس نمونهها بهمدت یک ساعت درون اتوکلاو در دمای 120 درجه سانتیگراد قرار گرفتند و مجدداً هدایت الکتریکی (EC2) اندازهگیری شد. در نهایت مقادیر نشت الکترولیت با استفاده از رابطه زیر محاسبه گردید:
EL = (EC1 / EC2) × 100
اندازهگیری ارتفاع بوته در مرحله رسیدگی از قسمت یقه تا نوک ساقه، به صورت تصادفی در 3 بوته اانجام گرفت. جهت بهدست آوردن وزن خشک ریشه و اندامهای هوایی، بعد از برداشت و خارج کردن بوتهها، نمونههای گیاهی با آب مقطر شسته شده و در آون با درجه حرارت 75 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت قرار داده شدند و سپس وزن آنها اندازهگیری شد. تجزیه واریانس به صورت آزمایش فاکتوریل در قالب طرح بلوکهای کامل تصادفی انجام گرفت و مقایسه میانگین داده‌ها با استفاده از آزمون چند دامنه‌ای دانکن در سطح احتمال 5 درصد انجام شد. محاسبات آماری با استفاده از نرم‌افزارهای MSTAT-C و SPSS و رسم نمودارها به کمک نرم‌افزار EXCEL انجام شد.
نتایجوبحث
نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر سطوح مختلف نیکل، کود نیتروژنی و اثر متقابل آنها بر ارتفاع بوته جو معنیدار بود (جدول 2). افزایش غلظت نیکل در خاک منجر به کاهش ارتفاع بوته جو شد، بهطوریکه این کاهش در تیمارهای 100 و 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک نسبت به تیمار شاهد بهترتیب 16 و 33 درصد بهدست آمد. کاربرد کود اوره و نیتروکسین باعث افزایش در ارتفاع بوته در سطوح 0 و 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک نسبت به تیمار شاهد شد، اگرچه این افزایش برای نیتروکسین قابلتوجه نبود. بیشترین ارتفاع بوته جو در تیمار10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد کود اوره حاصل شد (جدول 3). فلزات سنگین با اختلال در عمل هورمونهایی مانند اکسین، کاهش در رشد گیاه را درپی دارند. تأثیر مستقیم فلزات در متابولیسم سلولی اندام هوایی، ممکن است منجر به کاهش ارتفاع بوته و سایر صفات رشدی در گیاهان تحت تاثیر تنش این فلزات شود (پوترز و همکاران 2007). مطالعات نشان میدهد که فلزات سنگین مانند نیکل منجر به ناهنجاریهای کروموزومی شده و در نتیجه باعث کاهش رشد گیاه میگردد (میکایلس و همکاران 1986). یانگ و همکاران (1996) با مطالعه بر روی جو و برنج گزارش کردند که طول ریشه و اندام هوایی این گیاهان با افزایش غلظت نیکل کاهش مییابد.
جدول 2- نتایج تجزیه واریانس اثر تیمارهای مختلف نیکل و کود بر صفات جو
|
میانگین مربعات |
|
|
|||||
|
وزن خشک اندام هوایی |
وزن خشک ریشه |
نشت الکترولیت |
درصد آب برگ |
شاخص کلروفیل برگ |
ارتفاع بوته |
درجه آزادی |
منابع تغییر |
|
01/0 |
44/0 |
02/0 |
17/0 |
43/0 |
25/2 |
2 |
تکرار |
|
**7/211 |
**77/7 |
**8/2233 |
**8/190 |
**4/1217 |
**9/849 |
3 |
نیکل |
|
**56/7 |
ns71/0 |
**65/3 |
*38/2 |
*17/2 |
**42/6 |
2 |
کود |
|
**91/6 |
ns01/0 |
**37/0 |
*84/1 |
**95/5 |
*46/3 |
6 |
نیکل×کود |
|
41/0 |
21/0 |
01/0 |
52/0 |
58/0 |
11/1 |
22 |
خطا |
|
1/3 |
61/13 |
71/0 |
85/0 |
26/2 |
02/2 |
- |
ضریب تغییرات (%) |
ns ، * و **به ترتیب غیر معنیدار و معنیدار در سطح احتمال 5 و 1 درصد می باشد.
شاخص کلروفیل برگ جو بهطور معنیداری تحت تأثیر تیمارهای نیکل و کود نیتروژنی قرار گرفت. اثر متقابل نیکل × کود نیز برای این صفت معنیدار بود (جدول 2). با افزایش غلظت نیکل به 100 و 200 میلیگرم بر کیلوگرم خاک، کاهش قابلتوجهی در شاخص کلروفیل برگ مشاهده شد. از طرفی کاربرد کودهای اوره و نیتروکسین منجر به بهبود این شاخص در سطوح پایین نیکل شد. براین اساس، بیشترین مقدار شاخص کلروفیل برگ مربوط به تیمار شاهد نیکل با کاربرد کود اوره بود (جدول 3).
جدول 3- مقایسه میانگین ترکیبات تیماری نیکل و کود بر ارتفاع بوته، شاخص کلروفیل برگ، درصد آب برگ، نشت الکترولیت ووزن خشک اندام هوایی جو
|
وزن خشک اندام هوایی (g.pot-1) |
نشت الکترولیت (%) |
درصد آب برگ |
شاخص کلروفیل برگ |
ارتفاع بوته (cm) |
کود نیتروژنی |
سطوح نیکل (mg.kg-1) |
|
89/21b |
8/5i |
86/87b |
63/41c |
56/58c |
عدم کاربرد |
|
|
83/25a |
4/5j |
83/89a |
85/44a |
50/61ab |
اوره |
0 |
|
33/25a |
1/5k |
63/89a |
65/44a |
10/60bc |
نیتروکسین |
|
|
73/22b |
13/7g |
73/87b |
08/41c |
80/59bc |
عدم کاربرد |
|
|
50/26a |
2/6h |
26/88b |
76/43ab |
26/62a |
اوره |
10 |
|
93/25a |
7g |
63/88ab |
21/43b |
96/59bc |
نیتروکسین |
|
|
56/18c |
25d |
26/83d |
02/31d |
23/51d |
عدم کاربرد |
|
|
18c |
23f |
63/84c |
75/29de |
53/50de |
اوره |
100 |
|
43/17c |
66/23e |
13/84cd |
17/29e |
16/49e |
نیتروکسین |
|
|
83/15d |
43/39a |
70/79e |
87/19f |
73/40f |
عدم کاربرد |
|
|
86/14d |
38c |
40/79e |
43/18g |
03/40f |
اوره |
200 |
|
70/14d |
5/38b |
03/78f |
20/19fg |
40/39f |
نیتروکسین |
حروف غیرمشابه نشانگر اختلاف معنیدار در سطح احتمال 5 درصد است.
علت اصلی کاهش شاخص کلروفیل، بازدارندگی بیوسنتز کلروفیل تحت تأثیر فلزات سنگین است (استوبارت و همکاران 1985). عناصر سنگین از طریق بازدارندگی در فعالیت دو آنزیم گاما آمینولوولینیک اسید دهیدروژناز (Gamma- aminolevulinic acid dehydrogenase) و پروتوکلروفیل ردوکتاز (protochlorophyllide reductase)، باعث کاهش بیوسنتز کلروفیل و تجزیه زیستی آن میگردند (اوزونیدو و همکاران 1995 و موستاکاس و همکارن 1997). کاهش سطح کلروفیل تحت تنش عناصر سنگین، تنها به علت ممانعت از بیوسنتز کلروفیل نیست، بلکه جانشینی منیزیم موجود در ساختار کلروفیل بهوسیله عناصر سنگین از عمدهترین اثرات تخریبی این عناصر بر ساختار کلروفیل محسوب میگردد (کوپر و همکاران 1996). پاندی و شارما (2003) نشان دادند که غلظتهای بالای نیکل، کادمیوم و کبالت منجر به کاهش قابلتوجه در غلظت کلروفیل گیاه کلم شده است. گاجیوسکا و همکارن (2006) گزارش کردند که تنش نیکل باعث کاهش محتوای کلروفیل گندم شد. بهبود شاخص کلروفیل در اثر کودهای نیتروژنی بهطور عمده میتواند به حضور چهار اتم نیتروژن در ساختار مولکول کلروفیل مربوط باشد (مارشنر 2003). نیتروژن بهعنوان یک عنصر ساختاری مولکول‌های کلروفیل بر تشکیل کلروپلاست و تجمع کلروفیل در آن تأثیر میگذارد (دوقتری و همکاران 2000).
درصد آب برگ جو بهطور معنیداری تحت تأثیر تیمارهای نیکل و کود نیتروژنی قرار گرفت. اثر متقابل نیکل × کود نیز برای این صفت معنیدار بود (جدول 2). افزایش غلظت نیکل در خاک منجر به کاهش درصد آب برگ شد، بهطوری که این کاهش در تیمارهای 100 و 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک نسبت به تیمار شاهد بهترتیب 6 و 11 درصد بهدست آمد. کاربرد کودهای اوره و نیتروکسین به جزء در سطح 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک، باعث افزایش درصد آب برگ شد. بیشترین و کمترین درصد آب برگ به ترتیب در تیمار شاهد نیکل با کاربرد اوره و تیمار 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد نیتروکسین مشاهد شد (جدول 3). تنش فلزات سنگین میتواند اثرات مختلفی بر محتوای نسبی آب گیاهان داشته باشد. این تنش میتواند منجر به تولید اکسیژن فعال و آسیب به غشاءها و نشت شیره سلولی به واسطه پراکسیداسیون لیپید شود (پاندی و گواتام 2009). محققان گزارش کردند که کاهش درصد آب برگ تحت غلظتهای بالای نیکل میتواند بهدلیل کاهش در پتانسیل اسمزی شیره سلولی (روچینسکا-سوبکویاک 2016)، کاهش اندازه و سطح برگ و کاهش تعداد روزنه‌های سالم در هر واحد سطح برگ (گرگر و جوهانسون 1992)، باشد. رازر و دمبروف (1981) گزارش کردند که قرار گرفتن در معرض سطوح بالای نیکل، افت زیادی را در پتانسیل آب برگ لوبیای سفید ایجاد میکند.
با توجه به نتایج تجزیه واریانس مشاهده میشود که اثر تیمارهای نیکل، کود نیتروژنی و اثر متقابل آنها بر نشت الکترولیت برگ جو در سطح احتمال یک درصد معنیدار میباشد (جدول 2). با افزایش غلظت نیکل در خاک، میانگین نشت الکترولیت برگ جو بهطور معنیداری افزایش یافت. در مقابل، کاربرد کودهای اوره و نیتروکسین باعث کاهش این صفت شد. غلظتهای 10، 100 و 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک بهترتیب به افزایش 20، 77 و 85 درصدی نشت الکترولیت برگ منجر شدند. بیشترین مقدار نشت الکترولیت برگ در تیمار 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک تحت عدم کاربرد کود حاصل شد (جدول 3). این نتایج نشان میدهد که نیکل متناسب با افزایش غلظت در خاک، تخریب دیوارهی سلولی را تحریک میکند و این تخریب منجر به افزایش تراوش الکترولیت میشود (آزودو و همکاران 2005). افزایش نشت الکترولیت در معرض سطوح بالای نیکل ممکن است در نتیجه افزایش تشکیل گونههای اکسیژن فعال ROS، افزایش پراکسیداسیون لیپید و در نتیجه آسیب غشای سلولی باشد ( باکوچ و همکاران 1998). گاجیوسکا و همکارن (2013) گزارش کردند که قرار گرفتن در معرض نیکل (50 میکرو مولار) منجر به افزایش نشت الکترولیت برگ گندم نسبت به تیمار شاهد شد.
اثر سطوح مختلف نیکل بر وزن خشک ریشه گیاه جو در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود (جدول 2). با افزایش علظت نیکل به 100 و 200 میلیگرم بر کیلوگرم خاک، وزن خشک ریشه کاهش قابل ملاحضهای یافت بهطوریکه این کاهش برای این تیمارها به ترتیب 23 و 46 درصد نسبت به تیمار شاهد بود. بیشترین وزن خشک ریشه مربوط به تیمار 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک بود که بیانگر اثرات مثبت نیکل در سطوح پایین بر رشد گیاه جو میباشد، هرچند اختلاف معنیداری با تیمار شاهد نداشت (شکل 1).
کاهش رشد گیاه را میتوان بهعنوان یک شاخص مفید برای نشان دادن میزان سمیت فلزات سنگین دانست (ارنست و همکاران 1992). کاهش معنی دار در وزن خشک ریشه ناشی از اثر سمیت نیکل در این اندام است. بهدلیل اینکه ریشه اولین اندامی است که در معرض سمیت قرار دارد و بیش از سایر اندامها در معرض آسیب عوامل بیرونی قرار میگیرد، در واقع میتوان بیان نمود که ریشه بهطور مستقیم در معرض سمیت نیکل قرار دارد، اما سمیت در سایر قسمتهای گیاه بهطور غیرمستقیم میباشد. یکی از علل بازدارندگی رشد ریشه در غلظتهای بالای فلزات سنگین، حساسیت زیاد مریستم آپیکال ریشه به این فلزات است (پینروس و همکاران 1998). غلظتهای سمی نیکل از طریق تغییر در ساختار غشای سلولهای ریشه و کاهش سطوح جذب کننده آب، منجر به کاهش پتانسیل آب گیاه میشود که تأثیر منفی بر فرآیندهای فیزیولوژیکی نظیر تعرق، تنفس، فتوسنتز و در نهایت کاهش رشد گیاه و بیوماس را به دنبال دارد (فوئنتس و همکاران 2006). محققین نشان دادند که فلزات سنگین از جمله نیکل باعث کاهش وزن خشک ریشه و بخش هوایی گیاهان و بهطورکلی سبب کاهش بیوماس گیاهی میشوند (پاریدا و همکارن 2003).
شکل 1- مقایسه میانگین وزن خشک ریشه جو تحت تأثیر سطوح مختلف نیکل
نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر تیمارهای نیکل، کود نیتروژنی و اثر متقابل آنها بر وزن خشک اندام هوایی گیاه جو در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود (جدول 2). وزن خشک اندام هوایی در سطوح بالای نیکل کاهش قابلتوجهی نسبت به تیمارهای شاهد و 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک نشان داد. کاربرد کودهای اوره و نیتروکسین منجر به بهبود این صفت در تیمارهای شاهد و 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک شد که در این میان تأثیر اوره بیشتر از نیتروکسین بود. وزن خشک اندام هوایی در تیمار 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد اوره بیشترین و در تیمار 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد نیتروکسین کمترین مقدار را به خود اختصاص داد (جدول 3). در غلظتهای بالای فلزات سنگین گیاهان بیشتر انرژی خود را صرف بقاء در این محیط مینمایند و انرژی کمتری صرف رشد کلی گیاه میشود. کاهش توده بخش هوایی با افزایش غلظت عناصر سنگین ممکن است به علت حساسیت آنزیمهای چرخه‌ی احیای کربن فتوسنتزی به نیکل باشد (شئوران و همکاران 1990). در تحقیقی مشاهده شد که با افزایش غلظت نیکل به 300 تا 400 میلیگرم بر کیلوگرم خاک، وزن خشک اندام هوایی گیاهان آفتابگردان و سورگوم کاهش یافت، بهطوریکه آفتابگردان تأثیر بیشتری از وجود نیکل در خاک پذیرفت (محمدزاده و همکاران 2017).
اثر تناوب، سطوح مختلف نیکل و کود نیتروژنی بر ارتفاع بوته گیاه باقلا در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود. همچنین اثرات متقابل تناوب × نیکل و نیکل × کود برای این صفت معنیدار شد (جدول 4). بدون در نظر گرفتن فاکتورهای تناوب و کود ، ارتفاع بوته باقلا تحت غلظتهای 100 و 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک نسبت به تیمار شاهد به ترتیب کاهش 6 و 17درصدی نشان داد. اجرای تناوب و کاربرد کودهای نیتروژنی باعث افزایش ارتفاع بوته شد (جدول 5). مقایسه میانگینهای ترکیبات تیماری تناوب و نیکل برای ارتفاع بوته باقلا نشان میدهد که اجرای تناوب در سطوح بالای نیکل منجر به افزایش ارتفاع بوته شد، درحالیکه این افزایش در سطوح پایین قابلتوجه نبود (شکل 2الف). همچنین با توجه به مقایسه میانگینهای ترکیبات تیماری نیکل و کود، کاربرد کودهای نیتروژنی باعث بهبود ارتفاع بوته در تمامی سطوح نیکل شد (شکل 2ب).
کاهش طول اندام هوایی در نتیجه حضور فلزات سنگین میتواند بهدلیل تأثیر بازدارنده این فلزات بر رشد طولی ریشه و کاهش جذب مواد معدنی باشد (واسیلوو یوردانوو 1997). محققین دریافتند که عناصر سنگینی که به بخش هوایی گیاه منتقل میشوند به علت اختلال در سوخت و ساز سلولی بخش هوایی، ارتفاع گیاه را کاهش میدهند (ژو و همکارن، 2004). افزایش ارتفاع بوته از طریق کاربرد کودهای نیتروژنی میتواند مربوط به دسترسی بیشتر گیاه به آب و عناصر غذایی کافی به ویژه نیتروژن باشد که بر روی تقسیم و بزرگ شدن سلولها مؤثر است. محققین افزایش ارتفاع بوته در نتیجه کاربرد کودهای زیستی را ناشی از سنتز و ترشح مواد محرک رشد گیاه مانند انواع هورمونهای تنظیم کننده رشد از جمله اکسینها، اسید آمینههای مختلف و انواع آنتی‌بیوتیکها میدانند که با تحریک رشد گیاه و افزایش طول میانگره در نهایت باعث افزایش ارتفاع گیاه میشود (تیلاک و همکاران 2005).
جدول 4- تجزیه واریانس اثر تیمارهای تناوب، نیکل و کود بر صفات باقلا
|
میانگین مربعات |
|
|
|||||
|
وزن خشک اندام هوایی |
وزن خشک ریشه |
نشت الکترولیت |
درصد آب برگ |
شاخص کلروفیل برگ |
ارتفاع بوته |
درجه آزادی |
منابع تغییر |
|
10/1 |
004/0 |
32/1 |
94/0 |
44/0 |
03/0 |
2 |
تکرار |
|
**71/8 |
**41/0 |
*70/4 |
**84/37 |
**61/17 |
**22/22 |
1 |
تناوب |
|
**8/899 |
**86/10 |
**9/4457 |
**9/283 |
**5/1391 |
**4/821 |
3 |
نیکل |
|
**38/2 |
**03/0 |
ns01/1 |
ns76/0 |
ns14/0 |
*74/3 |
3 |
تناوب×نیکل |
|
**003/7 |
**09/0 |
**02/5 |
**34/3 |
**85/14 |
**86/12 |
2 |
کود |
|
63/0ns |
**16/0 |
ns04/0 |
ns09/0 |
ns29/0 |
ns05/0 |
2 |
تناوب×کود |
|
**7/1 |
**08/0 |
*87/1 |
**04/1 |
**91/7 |
*63/2 |
6 |
نیکل×کود |
|
**85/2 |
**01/0 |
ns14/0 |
ns52/0 |
ns07/0 |
ns06/0 |
6 |
تناوب×نیکل×کود |
|
36/0 |
005/0 |
71/0 |
30/0 |
33/0 |
06/1 |
46 |
خطا |
|
11/2 |
5/2 |
23/4 |
65/0 |
53/1 |
33/1 |
- |
ضریب تغییرات (%) |
ns، * و **به ترتیب غیر معنیدار و معنیدار در سطح احتمال 5 و 1 درصد می باشد.
اثر تناوب، سطوح مختلف نیکل، کود نیتروژنی و اثر متقابل نیکل × کود بر شاخص کلروفیل برگ گیاه باقلا در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود (جدول 4). شاخص کلروفیل در غلظتهای بالای نیکل کاهش قابلتوجهی نسبت به تیمار شاهد و تیمار 10 میلیگرم بر کیلوگرم خاک نشان داد. همبستگی مثبتی بین اجرای تناوب و کاربرد کودهای نیتروژنی با شاخص کلروفیل مشاهده شد (جدول 5). مقایسه میانگینهای ترکیبات تیماری نیکل و کود نشان میدهد که کاربرد کودهای نیتروژنی باعث بهبود شاخص کلروفیل باقلا در سطوح نیکل میشود (شکل 3). از آنجایی که برخی از ویژگیهای نیکل شبیه یونهای کلسیم، منیزیوم، منگنز، آهن، مس و روی است، بنابراین ممکن است با این فلزات در فرآیندهای جذب و ترشح رقابت کند. در نتیجه این رقابت، نیکل در غلظتهای بالا ممکن است جذب و غلظت این فلزات را کاهش داده و منجر به کمبود آنها در گیاه شود و به تبع آن باعث کاهش غلظت کلروفیل شود (ست و همکاران 2008). مونی و همکاران (2001) نشان دادند میزان کلروفیل در برگهای گیاهان لوبیا چیتی که در تیمار با شکل معدنی نیکل رشد کرده بودند کاهش یافته است.
شکل 2- مقایسه میانگین ارتفاع بوته باقلا تحت تحت تأثیر متقابل تناوب و نیکل (الف) و نیکل و کود (ب)
جدول 5- مقایسه میانگین اثر تیمارهای تناوب، نیکل و کود بر ارتفاع بوته،
شاخص کلروفیل برگ، درصد آب برگ و نشت الکترولیت باقلا
|
نشت الکترولیت (%) |
درصد آب برگ |
شاخص کلروفیل برگ |
ارتفاع بوته (cm) |
تیمار |
|
|
|
|
|
تناوب |
|
15/20a |
08/83b |
43/37b |
b93/76 |
بدون تناوب |
|
64/19b |
54/84a |
42/38a |
a04/78 |
تناوب جو-باقلا |
|
|
|
نیکل |
||
|
25/6d |
08/87a |
51/45a |
4/82a |
0 |
|
68/7c |
06/87a |
82/44a |
24/82a |
10 |
|
80/26b |
11/82b |
01/34b |
31/77b |
100 |
|
87/37a |
99/78c |
36/27c |
99/67c |
200 |
|
|
|
کود نیتروژنی |
||
|
40/20a |
57/83b |
16/37b |
b65/76 |
عدم کاربرد کود |
|
50/19b |
24/84a |
87/37ab |
a81/77 |
اوره |
|
80/19ab |
61/83b |
73/38a |
a02/78 |
نیتروکسین |
حروف غیرمشابه نشانگر اختلاف معنیدار در سطح احتمال 5 درصد است.
شکل 3- مقایسه میانگین شاخص کلروفیل برگ باقلا تحت تأثیر متقابل نیکل و کود
نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر تناوب، سطوح مختلف نیکل و کود نیتروژنی بر درصد آب برگ گیاه باقلا در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود. همچنین اثر متقابل نیکل × کود برای این صفت معنیدار شد (جدول 4). افزایش غلظت نیکل در خاک منجر به روند نزولی در درصد آب برگ گیاه باقلا شد. در مقابل، اجرای تناوب و کاربرد کودهای نیتروژنی باعث بهبود این صفت شد (جدول 5). با توجه به مقایسه میانگینهای ترکیبات تیماری نیکل و کود، کاربرد کودهای نیتروژنی باعث افزایش درصد آب برگ در سطوح مختلف نیکل به جزء تیمار شاهد شد، هرچند این افزایش فقط برای تیمار 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد اوره قابلتوجه بود (شکل 4). در بسیاری از مطالعات ثابت شده که گیاهان تنش دیده با منفی کردن هرچه بیشتر پتانسیل اسمزی در شیرهی سلولی برگ باعث تنظیم اسمزی میشوند (ساریتا و همکارن 2008 و آلسوکاری و آلدسکیو2011).
شکل 4- مقایسه میانگین درصد آب برگ باقلا تحت تأثیر متقابل نیکل و کود
نشت الکترولیت برگ گیاه باقلا بهطور معنیداری تحت تأثیر تیمارهای تناوب، نیکل و کود نیتروژنی قرار گرفت. اثر متقابل نیکل × کود نیز برای این صفت معنیدار شد (جدول 4). افزایش سطوح نیکل در خاک منجر به افزایش نشت الکترولیت برگ شد، در مقابل، اجرای تناوب و کاربرد کودهای نیتروژنی این صفت را کاهش داد (جدول 5). مقایسه میانگینهای اثر متقابل نیکل × کود برای نشت الکترولیت برگ گیاه باقلا نشان میدهد که کاربرد کودهای نیتروژنی باعث کاهش این صفت در تمامی سطوح نیکل شد. بیشترین مقدار نشت الکترولیت در تیمار 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک تحت عدم کاربرد کود حاصل شد (شکل 5). در آزمایشی بر روی خردل هندی گزارش شد که با افزایش غلظت کادمیوم در خاک تراوش الکترولیتها افزایش یافت (ایقبال و همکاران 2010).
شکل 5- مقایسه میانگین نشت الکترولیت برگ باقلا تحت تأثیر متقابل نیکل و کود
اثر تیمارهای تناوب، نیکل، کود نیتروژنی و اثرات متقابل دوگانه و سهگانه آنها برای وزن خشک ریشه گیاه باقلا در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود (جدول 4). وزن خشک ریشه باقلا همبستگی منفی با افزایش سطوح نیکل در خاک تحت هر دو شرایط تناوب و بدون تناوب نشان داد. در مقابل، اجرای تناوب و کاربرد کودهای نیتروژنی همبستگی مثبتی با این صفت داشت. بالاترین مقدار وزن خشک ریشه باقلا مربوط به تیمار شاهد نیکل با کاربرد کود اوره تحت شرایط تناوب بود (جدول 6). افزایش وزن خشک گیاه باقلا تحت تناوب جو-باقلا میتواند در نتیجه افزایش ماده آلی خاک و بهبود ساختار خاک از طریق تجزیهی بقایای گیاه جو در خاک باشد. کاهش رشد تحت تنش فلزات سنگین ممکن است بهطور کلی به دلیل از دست رفتن اتساع سلولی، کاهش فعالیت میتوزی و یا مهار طویل شدن سلولها باشد (شاه و همکاران 2008). نتایج این آزمایش با گزارشهایی مبنی بر کاهش معنیدار وزن خشک گیاه برنج تحت تیمار غلظت فلز نیکل نیز مطابقت دارد (مولاس و باران 2004). آمیانا و آمال (2012) گزارش کردند که وزن خشک ریشه گیاه ذرت با افزایش سطح مس درخاک، کاهش مییابد.
جدول 6- مقایسه میانگین ترکیبات تیماری تناوب، نیکل و کود بر وزن خشک ریشه و
وزن خشک اندام هوایی باقلا
|
وزن خشک اندام هوایی (g/pot) |
وزن خشک ریشه (g/pot) |
|
|
||
|
تناوب |
بدون تناوب |
تناوب |
بدون تناوب |
کود نیتروژنی |
سطوح نیکل (mg/kg) |
|
41/34ab |
49/32c |
58/3cd |
41/3fg |
عدم کاربرد |
|
|
87/34ab |
82/34ab |
90/3a |
73/3b |
اوره |
0 |
|
88/32c |
71/32c |
84/3ab |
35/3g |
نیتروکسین |
|
|
99/33b |
60/32c |
47/3defg |
45/3efg |
عدم کاربرد |
|
|
22/35a |
21/34ab |
61/3c |
50/3cdef |
اوره |
10 |
|
84/34ab |
34/34ab |
85/3ab |
55/3cde |
نیتروکسین |
|
|
35/27d |
41/28d |
46/2j |
62/2hi |
عدم کاربرد |
|
|
46/28d |
34/28d |
73/2h |
60/2i |
اوره |
100 |
|
94/27d |
93/27d |
71/2hi |
46/2j |
نیتروکسین |
|
|
99/17fg |
94/18f |
04/2L |
19/2k |
عدم کاربرد |
|
|
44/20e |
29/18fg |
23/2k |
94/1L |
اوره |
200 |
|
65/20e |
61/17g |
01/2L |
82/1m |
نیتروکسین |
|
حروف غیرمشابه نشانگر اختلاف معنیدار در سطح احتمال 5 درصد است.
نتایج تجزیه واریانس نشان داد که وزن خشک اندام هوایی گیاه باقلا بهطور معنیداری تحت تأثیر تناوب، نیکل، کود و اثرات متقابل تناوب × نیکل، نیکل × کود و تناوب × نیکل × کود قرار گرفت (جدول 4). افت شدیدی در وزن خشک اندام هوایی باقلا در غلظتهای بالای نیکل تحت هر دو شرایط تناوب و عدم تناوب حاصل شد. بیشترین و کمترین مقدار وزن خشک اندام هوایی باقلا به ترتیب در تیمار 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد اوره تحت تناوب و تیمار 200 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک با کاربرد نیتروکسین تحت شرایط بدون تناوب بهدست آمد (جدول 6). فلزات سنگین از یک طرف با کاهش تورژسانس سلولی موجب کاهش تقسیم سلولی و مهار رشد سلول میشوند و از طرف دیگر با انباشت در دیواره سلولی و ورود به سیتوپلاسم و ایجاد اختلال در متابولیسم طبیعی سلول منجر به کاهش رشد میگردند (سعیدی سار و همکارن 2005). وانگ و همکارن (2010) مشاهد کردند که اثر مقادیر زیاد نیکل در گندم منجر به کاهش رشد اندام هوایی میگردد. جادیا و فولکار (2008) مشاهده کردند که افزایش غلظت نیکل به 40 و 50 میلیگرم در خاک منجر به کاهش معنیداری در وزن خشک ریشه و اندام هوایی گیاه آفتابگردان در مقایسه با تیمار شاهد شد.
با توجه به نتایج حاصل از این پژوهش تمامی صفات مورد مطالعه گیاهان جو و باقلا به طور قابل توجهی تحت تاثیر غلظت های بالای نیکل قرار گرفتند. غلظت 10 میلیگرم نیکل بر کیلوگرم خاک بر عکس غلظتهای 100 و 200 که باعث ایجاد سمیت شدند، منجر به بهبود رشد گیاهان شد. کاربرد کودهای نیتروژنی باعث بهبود شرایط رشد و مقاومت گیاهان تحت تنش نیکل شد. تجزیه بقایای گیاه جو در خاک در اثر اجرای تناوب جو- باقلا منجر به افزایش جمعیت میکروبی خاک و در نتیجه باعث بهبود شرایط رشد گیاه باقلا شد. بهعبارت دیگر، گیاه جو قابلیت دسترسی به نیکل در خاک را برای گیاه باقلا کاهش داد.
سپاسگزاری
از همکاران محترم آقای دکتر کاظم قاسمی گلعذانی، دکتر نصرت اله نجفی و آقای مهندس سجاد شاکر کوهی که در مراحل مختلف اجرای آزمایش، نگارش و تهیه مقاله از هیچ کوششی مضایقه نکردند، صمیمانه تشکر و قدردانی می کنیم.
)