بررسی میزان فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدان تحت شرایط تنش خشکی در برخی ژنوتیپ‌های پیشرفته گندم نان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده علوم و مهندسی کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.

2 مرکز تحقیقات غلات، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.

چکیده

مقدمه: گندم یکی از غلات اصلی از لحاظ سطح زیر کشت و میزان تولید در جهان به شمار می­رود. این محصول منبع اصلی کربوهیدرات و پروتئین در رژیم غذایی انسان به­شمار می­رود و تقریباً نیمی از زمین­های زراعی ایران نیز تحت کشت گندم قرار دارد. از طرفی، تنش خشکی طیف وسیعی از پاسخ­های گیاهی اعم از فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی تا مولکولی را تحریک می­کند و موجب صدمات اکسیداتیو در گیاهان می­شود و گیاهان از آنزیم­های ضد اکسنده برای مقابله با این تنش­ها بهره می­برند. از این رو، با توجه به نقش و اهمیت آنزیم­های ضد اکسنده، نحوه فعالیت این آنزیم­ها در شرایط دیم و آبی در برخی ژنوتیپ­های گندم بررسی شد.
مواد و روش ­ها: در این تحقیق به بررسی میزان فعالیت آنزیم­های پراکسیداز، کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز برای 20 ژنوتیپ پیشرفته گندم نان تحت شرایط تنش خشکی در قالب طرح بلوک­های کامل تصادفی با سه تکرار و در دو شرایط تنش کمبود آب (دیم) و بدون تنش پرداخته شد. تحقیق حاضر در مزرعه تحقیقاتی گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی اجرا گردید.
یافته ­ها: بر اساس نتایج حاصل از تجزیه واریانس ساده، ژنوتیپ‌ها از نظر فعالیت هر سه آنزیم پراکسیداز، کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز  و عملکرد دانه اختلاف معنی‌داری نشان دادند. همچنین در تجزیه واریانس مرکب برای صفات بیو‌شیمیایی، اثر محیط، اثر ژنوتیپ و اثر متقابل محیط × ژنوتیپ نیز برای فعالیت آنزیم کاتالاز، پراکسیداز، سوپراکسید دیسموتاز و عملکرد دانه معنی‌دار بود. در شرایط آبی بیشترین میزان فعالیت آنزیم پراکسیداز در ژنوتیپ 12، کاتالاز در ژنوتیپ 10 و سوپراکسید دیسموتاز در ژنوتیپ 15 مشاهده شد و کم‌ترین میزان فعالیت آنزیم پراکسیداز در ژنوتیپ 11، کاتالاز در ژنوتیپ 11 و سوپراکسیددیسموتاز در ژنوتیپ 7 بود. همچنین در شرایط دیم بیشترین میزان فعالیت آنزیم پراکسیداز در ژنوتیپ‌ 6، کاتالاز در ژنوتیپ 2 و سوپراکسیددیسموتاز در ژنوتیپ 15 مشاهده شد و کم‌ترین میزان فعالیت آنزیم پراکسیداز در ژنوتیپ 4، کاتالاز در ژنوتیپ 8 و سوپراکسیددیسموتاز در ژنوتیپ 1 بود. از نظر صفت عملکرد دانه نیز بیشترین میزان در شرایط آبی مربوط به ژنوتیپ­های 10، 7 و 8 و کمترین میزان عملکرد مربوط به ژنوتیپ­های 12، 13 و 11 بود. در شرایط دیم بیشترین میزان عملکرد مربوط به ژنوتیپ‎های 4، 10 و 17 و کمترین میزان مربوط به ژنوتیپ 9 بود.  
نتیجه­ گیری: نتایج نشان داد که میزان فعالیت آنزیم­های پراکسیداز، کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز در محیط دیم بیشتر از آبی است و ژنوتیپ­های مختلف، پاسخ­های متفاوتی به تنش خشکی نشان می­دهند. در واقع می­توان گفت گیاهان برای مقابله با تنش خشکی و از بین بردن اکسیژن­های رادیکال­های آزاد و مقابله با تنش اکسیداتیو حادث شده، فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدانت خود را افزایش می­دهند و با صرف انرژی بر میزان عملکرد دانه تأثیر می­گذارند. بر این اساس، با شناخت بیشتر عوامل ضد اکسنده و عوامل مؤثر بر آن­ها می­توان راهکار­های مفیدی را برای مواجه با تنش خشکی در گیاهان اتخاذ نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of antioxidant enzymes activity under drought stress conditions in some bread wheat advanced genotypes

نویسندگان [English]

  • Atefeh Esmaeili 1
  • Alireza Zebarjadi 1 2
  • Abdolah Nadjaphy 1 2
  • Mohsen Saeidi 1 2
1 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agricultural Sciences and Engineering, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi University, Kermanshah, Iran.
2 Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Science and Agricultural Engineering, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi University. Kermanshah, Iran.|Cereal Research Center, Razi University, Kermanshah, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Wheat is one of the main cereals in cultivated areas and production rate worldwide. This product is the primary source of carbohydrates and protein in the human diet, and almost half of Iran's agricultural land is under wheat cultivation. On the other hand, drought stress stimulates a wide range of plant responses, from physiological and biochemical to molecular, and causes oxidative damage in plants. Plants use antioxidant enzymes to deal with these stresses. Regarding the role and importance of antioxidant enzymes, the activity of these enzymes in irrigation and drought conditions was investigated in some wheat genotypes.
Materials and methods: In this research, the activity of peroxidase, catalase, superoxide dismutase enzymes and grain yield for 20 advanced bread wheat genotypes under drought stress conditions was carried out. The experiment was laid out in a randomized complete block design with three replications in two conditions, irrigated and rainfed conditions. The present research was carried out in the Research Field of the Department of Plant Production and Genetics, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi university.
Results: Based on the simple analysis of variance, genotypes showed significant differences in the activity of all three enzymes, peroxidase, catalase, and superoxide dismutase. The effect of environment, genotype, and the interaction effect of environment × genotype were significant for catalase, peroxidase, and superoxide dismutase enzyme activity, where the data were analyzed in the form of combined analysis. In irrigation conditions, the highest activity of peroxidase enzyme was observed in Genotype 12, catalase in Genotype 10 and superoxide dismutase in Genotype 15. In this condition, the lowest activity of peroxidase enzyme was observed in Genotype 11, catalase in Genotype 11 and superoxide dismutase in Genotype 7. Also, in dryland conditions, the highest level of peroxidase enzyme activity was observed in Genotypes 6, catalase in Genotype 2 and superoxide dismutase in Genotype 15, and the lowest level of peroxidase enzyme activity was observed in Genotypes 4, catalase in Genotype 8 and superoxide dismutase in Genotype 1. In terms of seed yield trait, the highest amount in irrigation conditions is related to Genotypes 10, 7, and 8, and the lowest amount is related to Genotypes 12, 13, and 11. In dryland conditions, the highest yield is related to Genotypes 4, 10, and 17, and the lowest level is related to Genotype 9.
Conclusion: The results showed that the activity level of peroxidase, catalase, and superoxide dismutase enzymes is higher in drought environment than in irrigated conditions, and different genotypes show different responses to drought stress. In fact, the activity of antioxidant enzymes increased with drought stress. In fact, plants increase the activity of their antioxidant enzymes to deal with drought stress, eliminate oxygen free radicals, and deal with the oxidative stress that has occurred and affects the grain yield by spending energy. Based on this, knowing more about antioxidant factors and the factors affecting them, valuable solutions can be adopted to deal with drought stress in plants.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Active Oxygen
  • Dry condition
  • Catalase

مراجع

Abdoli, M., Saeidi, M., Jalali-Honarmand, S., Mansourifar, S., & Ghobadi, M. E. 2013. Evaluation of some physiological and biochemical traits and their relationships with yield and its components in some improved wheat cultivars under post-anthesis water deficit. Environmental Stresses in Crop Sciences, 6 (1), 47-63. [In Persian].
Adriano, S., Bartolomeo, D., Cristos, X., & Andras, M. 2005. Antioxidant defenses in olive trees during drought stress: changes in activity of some antioxidant enzymes. Functional Plant Biology, 32, 45-53.  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32689110/
Akbarian, A., & Arzani, A. 2015. Effects of drought stress on antioxidant enzymes activity in triticale lines. Journal of Crop Breeding, 7 (16), 158-167. [In Persian].  http://jcb.sanru.ac.ir/article-1-512-en.html
Alghamdi, A.A. 2009. Evaluation of oxidative stress tolerance in two wheat (Triticum aestivum) cultivars in response to drought. International Journal of Agriculture Biology, 11, 7-12. http://www.fspublishers.org/
Amini Z., Moalemi N.A., & saadati, S. 2014. Effects of water deficit on proline content and activity of antioxidant enzymes among three olive (Olea europaea L.) cultivars. Journal of Plant Research, 27 (2), 156-167. https://plant.ijbio.ir/article_348.html
Bahrololomi, S. M. J., Raeini Sarjaz, M., & Pirdashti, H. 2019. The effect of drought stress on the activity of antioxidant enzymes, malondialdehyde, soluble protein and leaf total nitrogen contents of soybean (Glycine max L.). Environmental Stresses in Crop Sciences, 12(1), 17-28. [In Persian]. http://dx.doi.org/10.22077/escs.2018.1243.1252
 Beauchamp, C., & Fridovich, I. 1971. Superoxide dismutase: improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry, 44, 276–287. https://doi.org/10.1016/0003-2697(71)90370-8
Blokhin, O., Virolainen, E., & Fagerstedt, K. V. 2003. Antioxidant, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany, 91, 179-194. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12509339/
Bradford, S., & Letey, J. 1992. Simulation effects of water table and irrigation scheduling as factor in cotton production. Irrigation Science, 13, 101-107. https://doi.org/10.1007/BF00191051
Chance, B., & Maehly, A. C. 1995. Assay of catalase and peroxidases. Methods Enzymology, 2, 764-775. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13193536/
Gillham, D., & Dodge, A. 1987. Chloroplast superoxide and hydrogen peroxide scavenging systems from pea leaves: Seasonal variations. Plant Science, 50, 105–109. https://doi.org/10.1016/0168-9452(87)90145-2
 Huseynova, M. I. 2012. Photosynthetic characteristics and enzymatic antioxidant capacity of leaves from wheat cultivars exposed to drought. Biochemical et Biophysical Acta, 1817, 1516–1523. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.02.037
Jabbari, H., Akbari, A., Khosh kholgh Sima, N. A., Alahdadi, I., Shirani rad, A. H., Tabatabaee, S. A., & Hamed, A. Comparison of antioxidant enzymes and proline roles in drought tolerance of rapeseed (Brassica napus L.). Journal of Oil Plants Production, 1 (1), 15-31. [In Persian]. http://yujs.yu.ac.ir/jopp/article-1-26-en.html
 Jin, J., Ningwei, Sh., Jinhe, B., & Junping, G. 2006. Regulation of ascorbate peroxides at the transcript level is involved in tolerance to post harvest water deficit stress in the cut rose (Rose hybrida L.) cv. Samantha. Journal Agriculture Science Technology, 7, 90-103. https://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=US201300744614
 Kavas, M., Baloglu, C. B., Akca, O., Kose, F. S., & Gokcay, D. 2013. Effect of drought stress on oxidative damage and antioxidant enzyme activity in melon seedlings. Turkish Journal of Biology, 37, 491-498. https://doi.org/10.3906/biy-1210-55
Khademian, R., Ghorbani Nohooji, M., & Asghari, B. 2019. Effect of jasmonic acid on physiological and phytochemical attributes and antioxidant enzymes activity in safflower (Carthamus tinctorius L.) under water deficient. Journal of Medicinal Plants, 18 (72), 122-134. [In Persian]. http://jmp.ir/article-1-2707-en.html
Mafakheri, Kh., Valizadeh, V., & Mohammadi, S. A. 2022. Banding patterns activity of antioxidant enzymes and physiological indices in the maize (Zea mays L.) genotypes under water deficit stress. Journal of Crop Breeding, 14 (43), 64-75. [In Persian]. http://jcb.sanru.ac.ir/article-1-1296-en.html
 Mallick, N., & Mohn, F. H. 2000. Reactive oxygen species: response of algal cells. Journal of Plant Physiology, 157 (2), 183-193. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(00)80189-3
Mittler, R., Vanderauwera, S., Gollery, M., & Breusegem, F.V. 2004. Reactive oxygen gene network of plants. Trends in Plant Science, 9, 490-498. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2004.08.009
Moayedinezhad, A., Mohammadparast, B., Hosseini Salekdeh, Gh., Mohseni fard, E. & Ali Nejatian, M. 2020. Effects of drought stress on total phenolic, phenolic acids, polyamines and some organic acids in two important Iranian grapevine cultivars. Journal of Plant Process and Function, 8 (34), 19-26. http://jispp.iut.ac.ir/article-1-1199-en.html
 Ramachandra. R., chaitanya, K. V., Jutur, P. P., & Sumithra, K.  2004. Differential antioxidative response to weather stress among five mulberry cultivars. Environmental and Experimental Botany, 50 (1), 33-42. https://www.infona.pl/resource/bwmeta1.element.elsevier-72c9fb04-0e32-377b-ac19-8b44e852d065
Renu, K. C., & Devarshi, S. 2007. Acclimation to drought stress generates oxidative stress tolerance in drought-resistant than susceptible wheat cultivar under field conditions. Environmental and Experimental Botany, 60 (2), 276–283. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2006.11.004
Saeidi, M., Ardalani, Sh., Jalali-Honarmand, S., Ghobadi, M. E., & Abdoli, M. 2018. Antioxidant enzyme responses and crop yield of wheat under drought stress and re-watering at vegetative growth period. Iranian Journal of Plant Physiology, 8 (1), 2257-2267. https://ijpp.saveh.iau.ir/article_539069_7061cf4f24cb266393f6fc69e0c9241b.pdf
Sayfzadeh, S., & Rashidi, M. 2010. Effect of drought stress on antioxidant enzyme activities and root yield of sugar beet (Beta vulgaris). American-Eurasian Journal Agriculture and Environment Science, 9 (3), 223-230. https://www.idosi.org/aejaes/jaes9(3)/1.pdf
Seleiman, M. F., Al-Suhaibani, N., Ali, N., Akmal, M., Alotaibi, M., Refay, Y., Dindaroglu, T., Haleem Abdul-Wajid, H., & Leonardo Battaglia, M. 2021. Drought stress impacts on plants and different approaches to alleviate its adverse effects. Plants (Basel), 10 (2), 1-25. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7911879/
Shao, H. B., Liang, Z.S., & Shao, M. A. 2005. Changes of some anti-oxidative enzymes under soil water deficits among 10 wheat genotypes at maturation stage. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 45, 7–13. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2005.02.007 
Sharma, P., & Dubey, R. S. 2005. Drought induces oxidative stress and enhances the activities of antioxidant enzymes in growing rice seedlings. Plant Growth Regulation, 46, 209- 221. https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10725-005-0002-2.pdf
Sinha, A. K. 1972. Colorimetric assay of catalase. Analytical Biochemistry, 47 (2), 389-394. https://doi.org/10.1016/0003-2697(72)90132-7
Taleahmad, S., & Hadad, R. 2010. Effect of silicon on antioxidant enzymes activities and osmotic adjustment contents in two bread wheat genotypes under drought stress conditions. Seed & Plant Production, 26 (2), 207-225. [In Persian]. http://www.ikiu.ac.ir/public-files/profiles/items/1303035322.pdf
 Yang, J., & Zhang, J. 2006. Grain filling of cereals under soil drying. New Phytologist, 169, 223–236. https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/j.1469-8137.2005.01597.x
 Yang, F., Zhang, J., Liu, Q., Liu, H., Zhou, Y., Yang, W., Ma, W. 2022. Improvement and re-evolution of tetraploid wheat for global environmental challenge and diversity consumption demand. International Journal of Molecular Sciences, 23, 1-23. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8878472/
 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار