بررسی اثرات ترکیب اکسید روی و نانوذرات اکسید روی بر روی ویژگیهای مورفولوژیکی، آناتومیکی، بیوشیمیایی و مولکولی گیاه توتون
اکرم مردی
علوم طبیعی
۱۴۰۱
۱۴۹ص.
سی دی
دکتری
زیست شناسی گیاهی، گرایش سلولی تکوینی
۱۴۰۱/۰۹/۳۰
نانوذرات ترکیباتی هستند که اندازه آنها حداقل در یک سطح بین 100-1 نانومتر بوده و این اندازه کوچک آنها سبب افزایش نسبت سطح به حجم و در نتیجه افزایش واکنشپذیری و ویژگیهای خاص فیزیکوشیمیائی و کاربرد فراوان آنها در زمینههای مختلف صنعتی، کشاورزی، داروئی و ... شده است. افزایش کاربرد نانوذرات باعث ورود آنها به محیط زیست و پیکره گیاهان و زنجیره غذائی انسانها شده است و نگرانی در مورد اثرات سمی احتمالی آنها منجر به افزایش تحقیقات در مورد سمیت زیست محیطی آنها گردیده است. نانوذرات بعنوان یک تنش اکسیداتیو برای گیاهان محسوب میشوند که سبب تولید گونه های اکسیژن واکنشگر در سلول ها و افزایش فعالیت سیستم آنتیاکسیدانی آنزیمی و غیرآنزیمی می گردند. در میان انواع مختلف نانوذرات معدنی، نانوذرات اکسیدروی از نظر تولید جهانی، سومین رتبه را داشته و از آنجائی که روی به عنوان یک عنصر ضروری در رشد و متابولیسم گیاه محسوب میشود، کاربرد اشکال مختلف این عنصر به دلیل داشتن ویژگیهای فیزیکوشیمیایی خاص، میتواند تاثیرات متفاوتی در گیاهان ایجاد نماید. هدف از مطالعه حاضر بررسی و مقایسه تاثیر نانوذرات اکسید روی با ابعاد تقریبی۳۰ نانومتر و حالت بالک آن با ابعاد کوچک تر از ۱۰۰۰ نانومتر بر شاخصهای مورفولوژیکی، تشریحی، فیزیولوژیکی، بیوشیمیائی و مولکولی گیاه توتون بود. آزمایشات در شرایط کنترل شده گلخانهای و در قالب طرح کاملا تصادفی با ۳ تکرار طراحی شد و گیاهان به مدت ۲۱ روز تحت تیمار ترکیبات اکسیدروی در حالت نانو و بالک با غلظتهای مختلف (۰، ۲۵، ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ میلی گرم بر لیتر) قرار گرفتند. نتایج نشان داد که تیمار گیاهان با این ترکیبات در غلظت 25 میلی گرم بر لیتر بیشترین اثر مثبت را بر شاخص های رشدی گیاهان تیمار شده از قبیل ارتفاع، وزن تر و وزن خشک اندام ها، غلظت رنگیزه های فتوسنتزی من جمله کلروفیل a و b و پورفیرین ها و بیان ژن های CHL I، LHC a/b و RSSU که مرتبط با مسیر سنتز رنگیزه ها و فتوسنتز هستند، نسبت به گیاهان شاهد داشت. همچنین غلظت هورمونهای اکسین و جیبرلیکاسید نیز در این غلظت بیشترین بود. بااین وجود افزایش غلظت اکسید روی در هر دو حالت بخصوص در غلظت 200 میلی گرم بر لیتر، مقادیر شاخص های ذکر شده را کاهش داد. با افزایش غلظت تیمارها، افزایش قابل توجهی در فعالیت آنتیاکسیدان های آنزیمی (آنزیم های کاتالاز، پراکسیداز، آسکوربات پراکسیداز و سوپراکسیددیسموتاز) و غلظت رنگیزه های کارتنوئیدی و آنتوسیانین و متابولیتهائی نظیر فنول کل، محتوای فلاونوئیدی، MDA، H2O2، اسید آمینه پرولین، قندها و هورمون آبسیزیکاسید مشاهده شد. در اغلب موارد ذکر شده، تاثیر حالت نانوذرهای بیشتر از حالت بالک مشاهده شد. مطالعه صفات تشریحی و میکروسکوپی این گیاه توسط میکروسکوپ نوری نیز حاکی از افزایش ضخامت دیواره های سلولی بافت های چوبی در ناحیه کلانشیم ساقه و آوندهای چوبی ساقه و ریشه، با افزایش غلظت این ترکیبات خصوصا در حالت استفاده از نانوذره بود. میتوان چنین نتیجه گیری نمود که حالت ذرات اکسید روی و نیز غلظت های متفاوت ذرات در محیط تاثیر متفاوتی بر گیاه میگذارند؛ بطوریکه نانوذرات خصوصا در غلظتهای پایین تر تاثیر عمیقتری نسبت به غلظتهای بالاتر آن و نیز نسبت به حالت بالک ذرات بر گیاهان گذاشتند که یکی از دلایل آن میتواند مربوط به عدم تجمع خوشه ای نانوذرات بر روی سلولهای ریشه و عدم تداخل با جذب آب و مواد غذایی توسط ریشه باشد. مطالعات تکمیلی برای آشنایی با مسیر حرکت نانوذرات درون گیاه و جایابی درون سلولی آنها و درک مکانیسم عمل آنها از جنبههای مختلف بیوشیمیایی و مولکولی پیشنهاد میگردد.
Nanoparticles (NPs) are defined as structures with at least one dimension at the nanometer scale (1–100 nm). Due to the small size and high surface- to-volume ratio, NPs pose unique properties that make them highly attractive materials for use in a variety of industries including pharmaceutical science; tissue engineering; plastics, papers, and paint production; food industries and agricultural applications. Greatly increasing production and use of NPs in industry led to the release of them into the environment which has raised concerns about their potential toxic impact into the ecosystem. NPs are considered as abiotic stress factors which induce the production of antioxidative molecules and alter genes expression in plants. Among the most commonly used NPs with a great ecological impact on the environment are ZnO NPs, and numerous studies have focused to investigate its effect on plant architecture, physiology, and biochemistry. Numerous negative and positive effects of ZnO NPs on plants have been reported which depend on the concentration and chemical composition of NPs, the species of plant, and its developmental stage and also the treatment method. To better investigate the mechanism of action of ZnO NPs on plant growth and development and to be able to extend the results to other plants, we chose an important crop plant, Nicotiana tabacum L., which is also used as model organism in plant research area and treated them with different concentrations (0. 25, 50, 100 and 200 mg/L) of ZnO NPs (~30 nm) and bulk ZnO particles (< 1000 nm). Experiments were performed in a completely randomized design in a triplicate for each treatment. Different plant growth parameters, photosynthetic pigment content, level of different hormones, some antioxidant enzymes activity and some gene expression pattern were evaluated to determine the optimal concentration and type of particles. The results showed that ZnO NPs at lower concentration (25 mg/L) provoked the plant growth more than bulk particles which was in accordance with higher photosynthetic pigments content observed in this concentration. Furthermore, the expression of photosynthesis-related genes i. e. CHLΙ, LHC a/b and RSSU, as well as the amount of IAA, GA phytohormones were the highest at 25 mg/L NPs. The content of some metabolites including phenolic compounds and flavonoids, proline amino acid, sugars, MDA, H2O2 and ABA phytohormone and the activity of antioxidant enzymes (CAT, APX, SOD and POD) increased with increasing the concentration of ZnO NPs and bulk particles specially at 200 mg/L. Anatomical studies of root and stem sections demonstrated a vascular expansion and cell wall thickening of collenchyma/parenchyma cells, which was more pronounced when treated by NPs than bulk particles at higher concentration. It can be concluded that the form of particles and their concentration play an important role in response of plants to the treatment conditions. In fact, ZnO NPs had relatively more pronounced impacts than bulk particles on most plant features and this was dose dependently. The reason for the more prominent effect of ZnO NPs at 25 mg/L may be related to the low density of NPs at this concentration witch do not cause accumulation of NPs on the root cell wall and not interfere with the absorption of water, iron, and nutrients; however, at higher concentrations, which can be also referred to as toxic concentrations, due to the accumulation of ZnO NPs clusters on root cells, many plant processes such as growth, hormonal balance, pigmentation and gene expression pattern are disturbed. Further studies are required to better understand the exact mechanism of action of these particles including their entrance in to the plant cell and subcellular localization, their transportation within the whole plant, their impacts on biochemical characteristics and the molecular pathways affected by these particles.
Effect of ZnO NanoParticles and bulk ZnO on morphological, anatomical, biochemical and molecular characteristics of Nicotiana tabacum