فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدان در ژنوتیپ‌های برنج تحت اسپورزایی بیمارگر بلاست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان. رشت ، ایران

2 گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان. رشت ، ایران.

3 گروه گیاهپزشکی، دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان. رشت ، ایران

4 گروه تحقیقات علوم زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش منابع کشاورزی زنجان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی (AREEO)، زنجان. ایران

10.22126/cbb.2024.11171.1084

چکیده

مقدمه: برنج (Oryza sativa L.) تأمین­کننده غذای اصلی بیش از نیمی از جمعیت دنیا می­باشد. در بین تنش­های زیستی مختلف، بیمارگر بلاست به عنوان مخرب­ترین بیمارگر برنج شناخته می­شود و عملکرد آن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. میزان خسارت آن به عوامل محیطی متعددی بستگی دارد که منجر به از دست دادن 10 تا 30 درصد از عملکرد جهانی برنج می­شود. زمانی که گیاهان تحت تنش قرار دارند، سطح گونه­های فعال اکسیژن در سلول افزایش می­یابد که باعث آسیب سلولی و منجر به مرگ می­شود. گیاهان جهت مهار و کنترل میزان سطح گونه­های فعال اکسیژن به هنگام تنش، از سازوکار­هایی مانند سیستم­های دفاع آنتی­اکسیدانی آنزیمی و غیر آنزیمی استفاده می­کنند. بررسی واکنش ژنوتیپ­های مختلف از لحاظ فعالیت آنزیم­های آنتی­اکسیدانی و تغییرات آن­ها می­تواند در شناسایی ارقام از لحاظ میزان مقاومت به بیماری کمک کننده باشد. بر این اساس تحقیق حاضر طراحی شد.
مواد و روش‌ها: به منظور بررسی تغییرات فعالیت آنزیم­های آنتی­اکسیدان تحت اسپورزایی بیمارگر بلاست، در ژنوتیپ­های برنج در زمان­های مختلف نمونه­برداری، پژوهش حاضر در سال 1401 و در گلخانه گروه گیاه­پزشکی دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان اجرا شد. مواد گیاهی آزمایش 19 ژنوتیپ برنج شامل 13 رگه خویش­آمیخته نوترکیب انتخاب شده از یک جمعیت F11 مشتق از تلاقی ارقام شاه‎پسند و IR28 بودند، که به همراه والدین جمعیت و ارقام درفک، صدری و هاشمی به همراه یک ژنوتیپ هوازی IR 82639-B-B-140-1  (18A) مورد ارزیابی قرار گرفتند.
یافته‌ها: نتایج تجزیه واریانس نشان داد اسپور بیمارگر بلاست روی فعالیت آنزیم­ها و همچنین رنگیزه­های فتوسنتزی اثر معنی­داری داشت. نتایج مقایسه میانگین­ها، حاکی از افزایش فعالیت آنزیم­های پراکسیداز و کاتالاز در اکثر ژنوتیپ­های مورد مطالعه تحت تنش ناشی از اسپورپاشی بیمارگر بلاست بود. حداکثر فعالیت آنزیم­های پراکسیداز و کاتالاز متعلق به رقم IR28 به ترتیب با 46/81 و 74/433 واحد بر میلی­گرم پروتئین در دقیقه در زمان پیش از اعمال تنش به دست آمد. همچنین تنش در بازه­های متفاوت زمانی در اغلب ژنوتیپ­های مقاوم و نیمه مقاوم به بلاست، باعث افزایش فعالیت آنزیم فنیل­آلانین آمونیا­لیاز شد، درحالی­که ژنوتیپ­های حساس به بلاست، رفتارهای متفاوت از یکدیگر را نشان دادند. بیش­ترین فعالیت آنزیم فنیل­آلانین آمونیا­لیاز مربوط به رگه L132 (64/2658 واحد بر میلی­گرم پروتئین در دقیقه) در زمان پیش از اعمال تنش بود. تنش در ژنوتیپ­های مقاوم سبب کاهش فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز شد، در ژنوتیپ­های نیمه مقاوم، رفتاری متفاوت مشاهده شد و در ژنوتیپ­های حساس نیز موجب افزایش فعالیت آنزیمی در بازه­های زمانی مختلف در مقایسه با زمان پیش از اعمال تنش شد. همچنین تنش حاوی اسپورهای بیمارگر بلاست، باعث کاهش محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی در ژنوتیپ­های مقاوم، نیمه مقاوم و حساس شد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد تنش ناشی از اسپورپاشی بیمارگر بلاست سبب فعال­شدن سیستم آنتی­اکسیدان در ژنوتیپ­های برنج مورد مطالعه شد. اگرچه فعالیت آنزیم­های پراکسیداز و کاتالاز در اکثر ژنوتیپ­های برنج افزایش یافت، اما تغییر فعالیت اکثر آنزیم­های مورد مطالعه در ژنوتیپ­های مختلف در مراحل نمونه­برداری مختلف متفاوت بود که نشان­دهنده  سازوکار­های پیچیده و در عین حال مختلف و متنوع ژنوتیپ­های برنج در واکنش به بیمارگر بلاست می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Activity of antioxidant enzymes in rice genotypes under blast pathogen sporulation

نویسندگان [English]

  • Reza Jalalifar 1
  • Atefeh Sabouri 2
  • Sedigheh Mousanejad 3
  • Ahmad Reza Dadras 4
1 Department of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Department of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
3 Department of Plant Protection, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
4 Agricultural and Horticultural Sciences Research Department, Zanjan Agricultural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Zanjan, Iran
چکیده [English]

Introduction: Rice (Oryza sativa L.) is the primary food source for more than half of the world's population. Among the various biological stresses, the blast pathogen is recognized as the most destructive for rice, significantly reducing its yield. The extent of its damage depends on various environmental factors, leading to a 10-30% loss in global rice yield. Under stress, plants experience increased levels of reactive oxygen species (ROS), causing cellular damage and potentially death. Plants utilize enzymatic and non-enzymatic antioxidant defense systems to mitigate ROS levels during stress.  Investigating the responses of different genotypes in terms of antioxidant enzyme levels and changes can help identify disease-resistant varieties. This research was designed based on this premise.
Materials and methods: to investigate the changes in the activity of antioxidant enzymes during blast pathogen sporulation in rice genotypes in different sampling times, the present research was conducted in 2022 in the greenhouse of the Department of Plant Protection, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan. The experimental plant materials were 19 rice genotypes, including 13 recombinant inbred lines selected from an F11 population derived from the crossing of Shahpasand and IR28 varieties, which, together with the parents of a population and Dorfak, Sadri and Hashemi varieties along with an aerobic rice genotype IR 82639-B-B- 1-140 (18A) were evaluated.
Results: The analysis of variance showed that blast pathogen spore had a significant effect on the activity of enzymes and photosynthetic pigments. The mean comparison results indicated the increase in the activity of peroxidase and catalase enzymes in most of the studied genotypes under stress induced by blast pathogen sporulation. The highest peroxidase and catalase activities were observed in IR28, with 81.46 and 433.74 units/mg of protein per minute, respectively, before stress. Also, the stress in different sampling times in most blast-resistant and semi-resistant genotypes increased the activity of the phenylalanine ammonia-lyase enzyme. While blast disease sensitive genotypes showed different behaviors from each other. Before stress, the highest phenylalanine ammonia-lyase activity was in line L132 (2658.64 units/mg protein. min). In resistant genotypes, stress decreased superoxide dismutase activity, while semi-resistant genotypes showed varied responses and sensitive genotypes exhibited increased enzyme activity at different sampling times than before stress. Furthermore, stress containing blast pathogen spores reduced the content of photosynthetic pigments in resistant, semi-resistant, and sensitive genotypes.
Conclusion: The results indicated that the stress induced by blast pathogen sporulation activated the antioxidant system in the studied rice genotypes. While the activities of peroxidase and catalase enzymes increased in most genotypes, the changes in enzyme activities varied across different genotypes and sampling times. This suggests complex and diverse mechanisms by which rice genotypes respond to blast pathogen.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : Pathogen
  • Peroxidase
  • Photosynthetic pigments
  • Catalase
  • Reactive oxygen species

مراجع

Aebi, U., Cohn, J., Buhle, L., & Gerace, L. 1986. The nuclear lamina is a meshwork of intermediate-type filaments. Nature, 323, 560-564. https://doi.org/10.1038/323560a0.
Alipour, S., Nasibi, F., & Farahmand, H. 2014. Effect of different concentrations of sodium nitroprusside on physiological characteristics and the vase-life of cut flowers of tuberose (Polianthes tuberosa L.). Plant Research Journal (Iranian Biology Journal), 27 (5), 904-914. https://doi.org/27514. [In Persian]
Anushree, P. U., Naik, R. M., Satbhai, R. D., Gaikwad, A. P., & Nimbalkar. C. A. 2016. Differential biochemical response of rice (Oryza sativa L.) genotypes against rice blast (Magnaporthe oryzae). Cogent Biology, 2, 1-15. https://doi.org/10.1080/23312025.2016.1264162.
Ashry, A. N., & Mohamed, I. H. 2011. Impact of secondary metabolites and related enzymes in flax resistance and or susceptibility to powdery mildew. World Journal of Agricultural Sciences, 7 (1), 78–85.
Bradford MM. 1976. A rapid and sensitive method for quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding. Analytical Biochemistry, 72, 248-254. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999.
Chance, B., & Maehly, A. C. 1955. Assay of catalase and peroxidases. Methods in Enzymology, 11, 764-775. http://dx.doi.org/10.1016/S0076-6879(55)02300-8.
Cristina Filipp, M., Barata da Silva, G., Lemes da Silva-Lobo, V., Fernandes Viana, H., Vinicius de Carvalho Barros Cortes, M., & Sitarama Prabhu, A. 2014. Induction of resistance to rice leaf blast by avirulent isolates of Magnaporthe oryzae. Amazonian Journal of Agricultural and Environmental Sciences, 4, 388-395. http://dx.doi.org/10.4322/rca.1673.
D’cunha, G. B., Satyanarayan, V., & Nair, P. M. 1996. Purification of phenylalanine ammonialyase from Rhodotorulag lutinis. Phytochem, 42 (1), 17-20. https://doi.org/10.1016/0031-9422(95)00914-0.
Devanna, B. N., Sucharita, S., Sunitha, N. C., Anilkumar, C., Singh, P. K., Pramesh, D., Samantaray, S., Behera, L., Lal Katara, J., Parameswaran, C., Rout, P., Sabarinathan, S., Rajashekara, H., & Raj Sharma, T. 2024. Refnement of rice blast disease resistance QTLs and gene networks through meta‑QTL analysis. Scientific Reports, 14 (16458), 1-17. https://doi.org/10.1038/s41598-024-64142-0.
Ebadi Almas, D., Navabpour, S., Yamchi, A., Zaynali Nezhad, K., Moumeni, A., & Mirzaghaderi, G. 2019. Evaluation of several important defense enzyme activities in mutant rice resistant to blast disease.  Journal of Nuclear Science and Technology, 39 (86), 100-108. https://doi.org/10.24200/nst.2019.236. [In Persian]
Ehsani-moghaddam, B., Therese Charles, M., carisse, O., & Khanizadeh, S. 2008. Regulation of superoxide dismutase isoforms in resistant and susceptible strawberry cultivars subjected to leaf spot disease. Archives of Phytopathology and Plant Protection, 41 (7), 492-500. https://doi.org/10.1080/03235400600833738.
Feiziasl, V., Fotovat, A., Astaraei, A., Lakzian, A., & Jafarzadeh, J. 2019. Determination of chlorophyll content and nitrogen status using SPAD in dryland wheat (triticum aestivum L.) genotypes. Iranian Journal of Field Crops Research, 17 (2), 221-240. https://doi.org/10.22067/gsc.v17i2.68973. [In Persian]
Giannopolitis, C.N., & Ries, S. K. 1977. Superoxide dismutase. I. Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 59, 309-314. https://doi.org/10.1104/pp.59.2.309.
Haddad, R., & Salek Jalali, M. 2009. Protein changes and antioxidant enzymes activity on barley inbred lines under water shortage. Plant Production Technology, 9 (2), 1-10.  [In Persian]
Huang, H., Ullah, F., Zhou, D. X., Yi. M., & Zhao. Y. 2019. Mechanisms of ROS regulation of plant development and stress responses. Frontiers in Plant Science, 10, 1-10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00800.
Kalboush, Z. A. 2019. Resistance of rice genotypes to the blast fungus and the associated biochemical changes. Egyptian Journal of Agricultural Research, 97 (1), 39- 56. https://dx.doi.org/10.21608/ejar.2019.68552.
Khayatnezhad, M., Gholamin, R., Jamaati-e-Somarin, SH., & Zabihi-eMahmoodabad, R. 2011. The leaf chlorophyll content and stress resistance relationship considering in Corn cultivars (Zea Mays). Advances in Environmental Biology, 5 (1), 118-122.
Kumar D. 2020. Plant immune response strategies against pathogens. Plant Archives, 20 (1), 1169-1174.
Kumar Gupta, S., Kumar Rai, A., Singh Kanwar, SH., Chand, D., Kumar Singh, N., & Raj Sharma, T. 2012. The single functional blast resistance gene Pi54 activates a complex defence mechanism in rice. Journal of Experimental Botany, 63 (2), 757–772. https://doi.org/10.1093/jxb/err297.
Liu, G., Su, X., Guan, L., & Hu. F. 2019. Comparison of defensive enzyme activities in the leaves of seven oriental lily hybrids after inoculation with Botrytis elliptica. Journal of the American Society for Horticultural Science, 144 (1), 55–62. https://doi.org/10.21273/JASHS04511-18.
McCouch. S. 2004. Diversifying selection in plant breeding. PLoS Biology, 2 (10), 1507-1512. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0020347
Mandal, N., Adak, S., Das, D. K., Sahoo, R. N., Mukherjee, J., Kumar, A., Chinnusamy, V., Das, B., Mukhopadhyay, A., Rajashekara, H., & Gakhar, SH. 2023. Spectral characterization and severity assessment of rice blast disease using univariate and multivariate models. Frontiers in Plant Science, 14, 1-21. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1067189.
Nasiri, M., Meskarbashi, M., Hassibi, P., & Pirdashti, H. 2020. Evaluation and selection of drought tolerant rice genotypes using fluorometric methods. Journal of Plant Production Research, 27 (3), 1-21. https://doi.org/10.22069/jopp.2020.14475.2296. [In Persian]
Gupta, D.R.,  Khanom, S., Rohman, Md. M., Hasanuzzaman, M., Zahan Surovy, M., Mahmud, N. U., Islam,  Md. R., Shawon, A. R., Rahman, M., Abd-Elsalam, K. A., & Islam. T. 2021. Hydrogen peroxide detoxifying enzymes show different activity patterns in host and non-host plant interactions with Magnaporthe oryzae Triticum pathotype. Physiology and Molecular Biology of Plants 27 (9), 2127–2139. https://doi.org/10.1007/s12298-021-01057-4.
Rostami, M., Tarighi, S. Taheri, P. & Rahimian, H. 2018. Study of lipoxygenase and phenylalanine ammonia-lyase gene expression and activity of related enzymes in rice under stress of Rhizoctonia solani, the causal agent of sheath blight disease, antagonistic and inducer bacteria in combination with potassium silicate. Biocontrol in Plant Protection, 6 (1), 59-67. https://doi.org/10.22092/bcpp.2018.119377. [In Persian]
Sabouri, A., Dadras, A. R., Azari, M., Saberi Kouchesfahani, A., Taslimi, M., & Jalalifar, R. 2022. Screening of rice drought‑tolerant lines by introducing a new composite selection index and competitive with multivariate methods. Scientific Reports, 12 (2163), 1-14. https://doi.org/10.1038/s41598-022-06123-9.
Santos, C. D., & Franco, O. L. 2023. Pathogenesis-related proteins (PRs) with enzyme activity activating plant defense responses. Plants, 12 (2226), 1-13. https://doi.org/10.3390/plants12112226.
Yang, Y., Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, ZH., Zhang, J., Yang, J., Gao, X., Chen, R., Huang, ZH., Xu, ZH., & Li, L. 2023. Isolation of Bacillus siamensis B-612, a strain that is resistant to rice blast disease and an investigation of the mechanisms responsible for suppressing rice blast fungus. International Journal of Molecular Sciences. 24 (10), 1-15. https://doi.org/10.3390/ijms24108513.
Yanting, L., Bingkui, W., Mengchao, ZH., Jing, Y., & Shenghai, Y. 2024. Sensitivity of genotypically diverse rice varieties to radiation and the related changes to antioxidant enzyme activities. International Journal of Radiation Biology, 100 (3), 453-456. https://doi.org/10.1080/09553002.2023.2290293.
Zaefyzadeh, M., Alakbar Quliyev, R., Mashalla Babayeva, S., & Ali Abbasov, M. 2009. The effect of the interaction between genotypes and drought stress on the superoxide dismutase and chlorophyll content in durum wheat landraces. Turkish Journal of Biology, 33 (1), 1-7. https://doi.org/10.3906/biy-0801-12.
Zakariazadeh, A., Shahryari, F., Ebadi, A., & Khoshkdaman, M. 2023. Induction of resistance in rice against Pyricularia oryzae by two plant growth promoting rhizobacteria. Plant Protection (Scientific Journal of Agriculture), 45 (4), 134-147. https://doi.org/10.22055/ppr.2023.17996. [In Persian].

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار