كمي سازي پاسخ رشد رويشي و مولفه هاي فلورسانس كلروفيل گياه دارويي بادرنجبويه (Melissa officinalis L.) به غلظت كادميوم در خاك

Quantify the response of growth and chlorophyll fluorescence parameters of lemon balm (Melissa officinalis L.) medicinal plant to cadmium concentration in the soil

سابقه و هدف: كادميم (Cd) يكي از آلاينده هاي متداول خاك و يكي از سمي ترين فلزات سنگين در محيط‌زيست مي باشد كه در توليد پايدار محصول اثر منفي داشته و امنيت غذايي را به خطر مي اندازد. در گياهان كادميوم باعث آسيب به فرايندهاي فتوسنتزي و كاهش اسيميلاسيون كربوهيدرات ها، آسيب به فتوسيستم I و II و در نتيجه حداكثر كارايي كوانتومي فتوسيستم II (Fv/Fm) و افزايش خاموشي غيرفتوشيميايي مي شود. از سوي ديگر، با توجه به خطر افزايش عناصر سنگين در خاك هاي كشاورزي، بادرنجبويه نيز مانند ساير گياهان دارويي در معرض عناصر سنگين قرار دارد. بنابراين، پژوهش حاضر به-منظور كمي سازي و شبيه سازي واكنش رشد رويشي و پارامترهاي فلورسانس كلروفيل گياه دارويي بادرنجبويه (Melissa officinalis L.) به غلظت كادميوم در خاك اجرا گرديد. مواد و روش ها: پژوهش حاضر در گلخانه تحقيقاتي پژوهشكده ژنتيك و زيست فناوري كشاورزي طبرستان واقع در دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي ساري در قالب طرح كاملاً تصادفي با سه تكرار و در تابستان و پاييز 1393 انجام شد. تيمار آزمايشي شامل 12 غلظت كادميوم خاك از صفر تا 300 ميلي گرم در كيلوگرم، از منبع كلريد كادميوم (CdCl2.5H2O) بود كه قبل از كاشت با خاك مخلوط شد. بذور بادرنجبويه در گلدان هاي حاوي غلظت هاي مختلف كادميوم كشت شد و پس از گذشت هشت هفته از كاشت، سبزينگي برگ (عدد SPAD) و متغيرهاي فلورسانس كلروفيل شامل فلورسانس حداقل (Fo)، حداكثر (Fm) و متغير (Fv)، حداكثر كارايي كوانتومي فتوسيستم II (Fv/Fm)، كارايي كمپلكس تجزيه‌كننده آب در سمت‌ دهنده فتوسيستم II (Fv/Fo)، فلورسانس حداقل (Fo?)، حداكثر (Fm?) و فلورسانس پايدار (Ft) در مرحله روشنايي اندازه گيري گرديد. همچنين، كارايي كوانتومي فتوشيميايي موثر فتوسيستم II [Y(II)]، كارايي كوانتومي غير فتوشيميايي تنظيم شده فتوسيستم II [Y(NPQ)]، كارايي كوانتومي غير فتوشيميايي تنظيم نشده فتوسيستم II [Y(NO)] و خاموشي غير فتوشيميايي (NPQ) نيز محاسبه شد. در نهايت بوته ها برداشت شده و صفات مورفولوژيك و وزن تر و خشك اندام هاي رويشي گياه اندازه گيري گرديد. يافته ها: نتايج نشان داد كه پاسخ صفات رويشي و متغيرهاي فلورسانس كلروفيل گياه بادرنجبويه به غلظت كادميوم خاك به صورت دو مدل خطي (پنج پارامتر) و دو تكه اي (14 پارامتر) توصيف گرديد. صفات رويشي، سبزينگي برگ و برخي متغيرهاي فلورسانس كلروفيل از جمله Fv/Fm، Fv/Fo و Y(II) با افزايش غلظت كادميوم كاهش يافت در حالي كه Fo، Y(NPQ) و Y(NO) افزايش نشان داد. گياه بادرنجبويه به مقادير اوليه كادميوم حساسيت بيشتري نشان داد، به طوري كه شيب تغييرات بيشتر متغيرهاي مورد مطالعه از جمله وزن تر و خشك اندام هاي رويشي، Fo، Fv/Fm و Fv/Fo در سطوح پايين كادميوم (محدوده صفر تا حدود 75 ميلي‌گرم در كيلوگرم خاك) بيشتر بود و پس از آن با شيب كمتري ادامه يافت. نتيجه گيري: در مجموع حداكثر غلظت كادميوم كه گياه دارويي بادرنجبويه قادر به رشد بود، حدود 175 تا 200 ميلي گرم در كيلوگرم خاك به دست آمد. با اين حال در غلظت هاي بالاتر از حدود 30 ميلي گرم، تجمع ماده خشك گياه بيش از 50 درصد كاهش نشان داد.

Background and objectives: Cadmium (Cd), being a widespread pollutant of soils and one of the most toxic heavy metals in the environment, adversely affects sustainable crop production and food safety. In plants, Cd causes damage to the photosynthetic apparatus and reduces carbohydrate assimilation, damage photosystems I and II, and thus reduces the maximum photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) and increases non-photochemical quenching. On the other hand, due to the increase of heavy metals in agricultural soils, lemon balm, like other medicinal plants, is exposed to heavy metals. Therefore, the aim of this study is to quantify and simulate the response of growth and chlorophyll fluorescence parameters of lemon balm (Melissa officinalis L.) medicinal plants to cadmium (Cd) concentrations in the soil. Materials and Methods: This experiment was conducted at research greenhouse of Genetics and Agricultural Biotechnology Institute of Tabarestan at Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University using completely randomized design (CRD) with three replicates in summer and autumn 2014. The treatment consisted of 12 Cd concentrations from 0 to 300 mg kg-1 of Cd in the soil (as CdCl2.5H2O) which was mixed with the experimental soil before planting. Lemon balm seeds were sown in pots containing different concentrations of cadmium. After eight weeks, SPAD value and chlorophyll fluorescence parameters include the minimum (Fo), maximum (Fm) and variable (Fv) fluorescence intensity, maximum photochemical quantum yield of photosystem II (Fv/Fm), water-splitting complex yield on the donor side of the PSII (Fv/Fo), minimum (Fo?), maximum (Fm?) and steady state fluorescence (Ft) in light-adapted leaves were measured. Also, effective photochemical quantum yield of PSII [Y(II)], quantum yield of regulated energy dissipation [Y(NPQ)] and quantum yield of non-regulated energy dissipation [Y(NO)] and non-photochemical quenching (NPQ) were calculated. Finally the plants were harvested and morphological characteristics and fresh and dry weights of plant organs were measured. Results: The results showed that response of vegetative and chlorophyll fluorescence parameters in lemon balm to Cd concentrations described by either linear (five parameters) or segmented (14 parameters) models. Vegetative traits, SPAD value and some chlorophyll fluorescence such as Fv/Fm, Fv/Fo and Y(II) decreased while Fo, Y(NPQ) and Y(NO) increased when Cd concentration increased in the soil. Lemon balm was more sensitive to lower concentration of Cd. The most studied parameters of lemon balm such as shoot fresh and dry weights, Fo, Fv/Fm and Fv/Fo reflect a sharp slope in lower Cd concentrations at the range of 0 to 75 mg kg-1 of Cd and then changed with a slight slope. Conclusion: Generally, lemon balm plants are tolerant to 175 to 200 mg kg-1 of Cd in the soil, however, its dry matter accumulation was decreased up to 50% when Cd levels in the soil was nearly 30 mg kg-1.