Effect of nano –chelated potassium solution on some physiological and morphological characteristics of wheat under drought stress

مقدمه

ایران با متوسط بارندگی 240 میلی­متر در سال جزو مناطق خشک به حساب می­آید (Emam, 2013). همزمان با افزایش دمای هوا و کمبود آب، رشد گیاه تحت تاثیر تنش خشکی قرار گرفته و از پتانسیل تولید کاسته می­شود (Joudi et al., 2014). درجه حرارت بالا تأثیر قابل ملاحظه­ای بر بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی دارد که به نوبه خود بر فعالیت فتوسنتزی گیاه گندم تأثیر می­گذارد (Djanaguiraman et al., 2018). تنش کم­آبی باعث تولید اکسیژن فعال، آسیب دیدن غشای سلولی، تخریب رنگدانه­ها و کاهش غلظت کلروفیل b و a می­شود. تنش یاد شده اثر بسیار بارزی در مرحله­ی پر شدن دانه­ها دارد؛ زیرا عملکرد بالقوه بستگی به وزن هر دانه دارد که مستلزم تجمع مواد فتوسنتزی در دانه­ها است (Pgter et al., 2005).

یکی از عوامل محدودکننده فتوسنتز در تنش خشکی، بسته شدن روزنه­ها است؛ زیرا آماس سلول­های محافظ روزنه­ها به مقدار آب بستگی دارد. کاهش و یا توقف سنتز رنگیزه­های فتوسنتزی نیز جزو عوامل محدود کننده فتوسنتز است. فتوسنتز یکی از اصلی­ترین فرایندهای متابولیکی است که بر بازده غلات تأثیر می­گذارد. بنابراین فعالیت فتوسنتز خالص و محتوای کلروفیل شاخص­های مهم سازگاری گندم با تنش گرما و سایر عوامل تنش­زای غیر زنده هستند (Khan et al., 2013).

بررسی مکانیسم­هایی که گیاهان را قادر می­سازد تا با تنش خشکی سازش پیدا کنند و رشدشان را تحت آن شرایط حفظ نمایند، می­تواند در انتخاب ارقام مقاوم به خشکی برای کشت در مناطق خشک و نیمه­خشک کمک کند (Shetabi, 2016). تنش خشکی در بعضی گیاهان از جذب و انتقال k⁺ جلوگیری می­نماید. در این گیاهان مقاومت به خشکی ضعیف بوده و حساسیت بیشتری مشاهده می­شود (Shabala & Cuin, 2008).

فراهم نمودن عناصر غذایی از طریق تأثیر بر فرآیندهای رشد گیاه زراعی، می­تواند موجب افزایش عملکرد گیاه گردد (Baghai & Maleki Farahani, 2014). پتاسیم یکی از مهم­ترین کاتیون­های مورد نیاز گیاه است که هنگام تنش اسمزی تجمع می­یابد و در مقاومت گیاهان به خشکی افزایش غلظت کلروفیل، کربن­گیری در گیاه، فعال­سازی آنزیم­ها و ساخت پروتئین­ها نقش عمده­ای دارد. در گیاهانی که پتاسیم به­مقدار کافی وجود دارد، فعالیت روزنه­ها به­خوبی کنترل می­شود؛ به عبارت دیگر، مکانیسم باز و بسته شدن روزنه­ها کاملاً به جریان پتاسیم وابسته است. افزایش مقدار غلظت پتاسیم باعث تأثیر مثبت در فتوسنتز، افزایش تعداد روزنه­ها، تقویت سنتز آدنوزین تری فسفات (ATP) و NADPH، افزایش سنتز کلروفیل a و b و افزایش سرعت انتقال مواد ازته به دانه­ها در غلات می­گردد (Zheng et al., 2008).

استفاده از نانوکودها به­منظور کنترل دقیق آزادسازی عناصرغذایی می­تواند گامی موثر درجهت دستیابی به کشاورزی پایدار و سازگار با محیط زیست باشد (Vattani et al., 2012). نانوکودها ذراتی در ابعاد نانومتر هستند که مواد مغذی را آزاد کرده و در اختیار گیاه قرار می­دهند (Solanki et al., 2015). از آنجایی که با به­کارگیری نانو کودها زمان و سرعت رهاسازی عناصر با نیاز غذایی گیاه منطبق و هماهنگ می­شود، لذا گیاه قادر به جذب بیشترین مقدار مواد غذایی بوده و در نتیجه ضمن کاهش آبشویی عناصر، عملکرد محصول نیز افزایش می­یابد. با به­کارگیری فناوری نانو در بهینه کردن فرمولاسیون کودهای شیمیایی می­توان به دستاوردهای شگرفی از جمله کاهش مصرف انرژی، صرفه­جویی در هزینه­های تولید و جلوگیری از معضلات زیست­محیطی نائل آمد (Tavan et al., 2014).

با توجه به اینکه قسمت عمده­ای از سطح زیر کشت گندم ایران به­صورت دیم بوده و در معرض تنش کم­آبی قرار دارد، بررسی تغییرات مورفولوژیک و فیزیولوژیک که در پاسخ به تنش کم­آبی بروز می­کند، به­منظور بهبود مقاومت گیاهان در برابر تنش خشکی از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. همچنین با توجه به اینکه عنصر پتاسیم در تنظیم سازگاری در برابر تنش خشکی مؤثر است و از سوی دیگر اخیراً کاربرد نانوکودها به­عنوان راه­کاری در جهت کاهش مصرف مواد شیمیایی در سیستم­های زراعی مطرح شده است، لذا هدف از این پژوهش بررسی تعدیل اثرات مخرب کم­آبی با به­کارگیری نانوکلات پتاسیم در غلظت­های مذکور و انتخاب رقم متحمل­تر می­باشد.

مواد و روش‌ها

به­منظور بررسی اثر محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم و تنش خشکی در گندم، آزمایشی به­صورت فاکتوریل بر پایه طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در گلخانه و آزمایشگاه دانشکده کشاورزی دانشگاه محقق اردبیلی اجرا شد. فاکتورهای مورد بررسی شامل فاکتور اول تنش خشکی در سه سطح پتانسیل اسمزی (8-،4- و صفر بار)، فاکتور دوم ارقام گندم نان (رصد و گاسکوین) و فاکتور سوم شامل نانوکلات پتاسیم (عدم کاربرد نانوکلات پتاسیم، 35 و 65 میلی­گرم در لیتر) بود. محلول­پاشی با نانوکلات پتاسیم در مرحله سه تا پنج برگی اعمال شد (برای هر گیاهچه 5 سانتی­متر مکعب). ﺑﺮای اﻋﻤﺎل ﺗﻨﺶ ﺧﺸﮑﯽ پلی­اتیلن گلیکول (PEG6000) در سه سطح پتانسیل اسمزی (8-،4- و صفر بار) در محلول هوگلند حل گردید و به گلدان­های آزﻣﺎﯾﺸﯽ افزوده ﺷﺪ. گیاهچه­ها در مرحله سه تا پنج برگی به­مدت 5 روز همزمان تحت تأثیر تنش خشکی و محلول­پاشی قرار گرفتند و سپس نمونه­برداری گیاه به شکل کامل (اندام هوایی و ریشه) انجام شد و نمونه­های شاهد و تیمار جهت بررسی برخی صفات فیزیولوژیکی در فریزر و تحت دمای 80- درجه سانتی­گراد نگهداری شدند.

اندازه­گیری برخی صفات فیزیولوژیکی: مفدار کلروفیل برگ و کارتنوئید با استفاده از روش Arnon (1976) سنجش شد و طبق روابط 1، 2 و 3 برای هر تیمار غلظت کلروفیل a، b و کلروفیل کل بر حسب میلی­گرم بر میلی­لیتر عصاره گیاهی تعیین و سپس نتایج بر حسب میلی­گرم بر گرم وزن تر برگ محاسبه شد.

Chla=12.25 × A_663.2 - 2.79 × A_646.8 رابطه 1      

Chlb=21.21 × A_646.8 - 5.1 × A_663.2رابطه 2         

ChlT=Chla+Chlbرابطه 3                              

CX=(1000A470-1.82Ca-85.02Cb)\198 رابطه 4: 

در فرمول فوق Chla، Chlb و ChlT به­ترتیب غلظت کلروفیل a، کلروفیل b و کلروفیل کل هستند، _2/663A جذب در طول موج 2/663 نانومتر و _8/646  Aجذب در طول موج 8/646 نانومتر است.

تحت شرایط گلخانه­ای، هر چهار روز یک بار از هر تیمار به­طور تصادفی 3 برگ کاملاً توسعه یافته انتهایی گیاه (در فاصله زمانی ساعت 10-8 صبح) انتخاب و بعد از 20 دقیقه تاریکی توسط گیره­های مخصوص، ویژگی­های فلورسانس کلروفیل برگ شامل F_O (حداقل فلورسانس از برگ سازگار شده با تاریکی)، F_M (میزان فلورسانس حداکثر، بعد از تابیدن یک پالس نور اشباع بر روی گیاه سازگار شده به تاریکی) و F_V (فلورساس متغیر از برگ سازگار شده با تاریکی که برابر تفاوت بیش­ترین و کم­ترین حد فلورسانس است)، توسط دستگاه فلورسانس کلروفیل (مدل OS-30p، شرکت اُپتی­ساینس، آمریکا) قبل و بعد از اعمال تیمار نانوکلات پتاسیم و تنش خشکی در فواصل زمانی هر چهار روز یک­بار اندازه­گیری شدند و F_V/F_M یا به­عبارت دیگر میزان عملکرد کوآنتومی فتوسیستم II محاسبه شد (Kheirizadeh Arough et al., 2016).

اندازه­گیری برخی صفات مورفولوژیک: طول ساقه، طول میان­گره، طول برگ و طول ریشه پس از خارج نمودن گیاهچه­ها از بستر کشت با خط کش اندازه‌­گیری شدند. در پایان ریشه­ها از اندام­های هوایی جدا شدند و وزن هر کدام به­طور جداگانه توسط ترازوی دیجیتال ثبت گردید. سپس اندام­های مذکور به­مدت 48 ساعت درون آون و در دمای 75 درجه سانتی­گراد خشک شدند و سپس با ترازوی دیجیتال با دقت میلی­گرم وزن شدند. تجزیه و تحلیل داده­ها با کمک نرم افزار SAS 9.1 و مقایسه میانگین­ها با استفاده از آزمون LSD در سطح احتمال 5% و رسم نمودارها نیز با استفاده از نرم­افزار Excel انجام گرفت.

نتایج و بحث

نتایج جدول تجزیه واریانس نشان داد اثرهای متقابل سه عامل رقم × نانوکلات پتاسیم × تنش خشکی برای کلروفیل b در سطح احتمال پنج درصد معنی­دار بود. همچنین برهم­کنش تنش خشکی × نانوکلات پتاسیم برای صفات کلروفیل a و کلروفیل کل به ترتیب در سطح احتمال یک و پنج درصد معنی­دار بود. برهم­کنش رقم × تنش خشکی فقط در فلورسانس حداکثر اثر معنی­دار داشت (جدول 1)..

جدول 1- تجزیه واریانس اثر سطوح مختلف نانوکلات پتاسیم و تنش خشکی بر صفات فلورسانس حداقل، حداکثر و عملکرد کوآنتومی و برخی رنگیزه­های فتوسنتزی در گندم

Table 1. Variance analysis of the effects of different levels of potassium nano chelates and drought stress on minimum and maximum fluorescences and quantum yield and some photosynthetic pigments in wheat

^ns، ^**و ^*: به‌ترتیب غیر معنی‌­دار و معنی‌­دار در سطح یک و پنج درصد.

ns, ** and *: non significant and significant at 1% and 5% of probability levels, respectively.

غلظت کلروفیل a برگ:

 غلظت کلروفیل a در سطح احتمال یک درصد تحت تأثیر رقم و اثر متقابل تنش خشکی Î نانوکلات پتاسیم قرار گرفت (جدول1). رقم گاسکوین با میانگین 42/12 میلی‌گرم بر گرم در مقایسه با رقم رصد با میانگین 16/9 میلی‌گرم بر گرم غلظت کلروفیل a بالاتری از خود نشان داد. همچنین برهم­کنش تنش خشکی × نانو کلات پتاسیم نشان داد در اثر تنش غلظت کلروفیل a کاهش یافته و نانوکلات پتاسیم نیز بر اساس سطح تنش نتیجه متفاوتی داشت. محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم با غلظت 35 میلی­‌گرم بر لیتر موجب افزایش کلروفیل a گردید؛ به­طوری که در تنش ملایم اختلاف معنی­دار با گروه شاهد مشاهده نمی­شود و با رسیدن تنش به 8- بار بالاترین غلظت این رنگیزه ملاحظه شد. کاربرد 65 میلی­‌گرم بر لیتر تحت تنش خشکی موجب افزایش این رنگیزه گردید (شکل1).

غلظت کلروفیل b:

اثر متقابل سه‌جانبه رقم × تنش خشکی × نانوکلات پتاسیم در سطح احتمال پنج درصد بر غلظت کلروفیل b معنی‌دار بود (جدول1). نتایج مقایسه میانگین تنش خشکی × نانوکلات پتاسیم نشان داد که در رقم رصد، در شرایط عدم استفاده از نانوکلات، سطوح پایین تنش موجب افزایش غلظت کلروفیل b شده ولی با شدت یافتن تنش غلظت کلروفیل b کاهش پیدا کرد، در حالی­که با کاربرد 35 میلی‌گرم بر لیتر نانوکلات غلظت کلروفیل b در تنش 8- بار افزایش پیدا کرده و نیز مصرف 65 میلی­گرم بر لیتر موجب کاهش این رنگدانه شد (شکل2)؛ درحالی­که در رقم گاسکوین کاربرد 35 میلی­‌گرم بر لیتر نانوکلات در تنش 8- بار موجب کاهش غلظت کلروفیل b شد، ولی مصرف 65 میلی­‌گرم بر لیتر نانوکلات موجب افزایش این رنگدانه در تنش 8- بار شد (شکل2).

شکل 1- اثر متقابل رقم و تنش خشکی بر تغییرات غلظت کلروفیل a .حروف متفاوت در هر سطح از تنش خشکی، نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 1. Interaction effects of cultivar × drought stress on changes of chlorophyll a content. Different letters in each drought stress level show significant difference at 5% level.

شکل 2- تغییرات غلظت کلروفیل b تحت اثر متقابل نانوکلات × تنش × رقم.

حروف متفاوت در هر سطح از تنش خشکی، نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 2. Interaction effects of nano-chelate × stress × cultivar on changes of chlorophyll b content. Different letters in each drought stress level show significant difference at 5% level.

غلظت کلروفیل کل برگ

غلظت کلروفیل کل: تحت تاثیر تنش در نانوکلات در سطح احتمال پنج درصد معنی­دار بود (جدول 1). نتایج مقایسات میانگین نشان داد غلظت کلروفیل کل در تنش ملایم افزایش پیدا کرد، اما در تنش شدید نتیجه برعکس بود، همچنین محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم در شرایط تنش موجب کاهش تأثیرات تنش شده به­طوری که مصرف 35 میلی­گرم بر لیتر در تنش ملایم تفاوت معنی­داری از نظر غلظت کلروفیل کل با شرایط کنترل نداشت، ولی مصرف 65 میلی­گرم بر لیتر موجب روند افزایشی غلظت کلروفیل کل در شرایط تنش گردید (شکل3).

غلظت کاروتنوئیدها

غلظت کاروتنوئیدها: نتایج مقایسه میانگین نشان داد غلظت کاروتنوئیدها در رقم گاسکوین (5/3 میلی­گرم بر گرم وزن­تر) بالاتر از رقم رصد (4/2 میلی­گرم بر گرم وزن­تر) بود. تنش نیز بر غلظت کارتنوئیدها تاثیر گذار بود، به­طوری­که با شدت یافتن تنش غلظت این رنگیزه افزایش یافت. در شرایط عدم تنش غلظت کاروتنوئیدها 72/2 میلی­گرم بر گرم و تحت تنش 8- بار به 21/3 میلی­گرم بر گرم رسید (شکل4).

شکل 3- اثر متقابل متقابل تنش خشکی × نانوکلات تغییرات غلظت کلروفیل کل در گندم .حروف متفاوت در هر سطح از تنش خشکی، نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 3. Interaction effects of drought stress × nano-chelate on changes total chlorophyll content. Different letters in each drought stress level show significant difference at 5% level.

شکل 4- تغییرات غلظت کاروتنوئیدها در ارقام گندم (A) و تنش خشکی (B).حروف متفاوت در هر نمودار، نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 4. Changes in carotenoids content in wheat cultivars and drought stress. Different letters in the same graph represent a significant difference at the 5% level.

فلورسانس حداقل (Fo) و حداکثر (F_m)

در ارقام مورد بررسی، مقدار فلورسانس حداقل تحت تأثیر ترکیب تیماری تنش × محلول­پاشی نانو کلات پتاسیم قرار نگرفت، اما بررسی مقایسه میانگین فلورسانس حداکثر نشان داد که با افزایش تنش خشکی، غلظت فلورسانس حداکثر در رقم رصد روند نزولی داشت، اما برای رقم گاسکوین این روند صعودی بود (شکل 5).

شکل5- تغییرات فلورسانس حداکثر ارقام رصد و گاسکوین گندم تحت تنش خشکی.

Figure 5. Maximum fluorescence changes in Rassad and Gascogn wheat cultivars under drought stress.

عملکرد کوآنتومی (Fv/Fm)

): از مهم­ترین ویژگی­های فلورسانس کلروفیل که در تشخیص مدت تنش­های محیطی کاربرد دارد، کارایی فتوسیستم II می­باشد که از طریق عملکرد کوآنتومی سنجش می­شود (Rahbarian et al., 2012).

نتایج مقایسه میانگین نشان داد، رقم گاسکوین (میانگین 738/0) در مقایسه با رقم رصد (میانگین 644/0) از عملکرد کوانتومی بالاتری برخوردار بود (شکل 6).

شکل6- تغییرات عملکرد کوانتومی در ارقام رصد و گاسکوین تحت تنش خشکی.

حروف متفاوت در هر نمودار نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح 5 درصد می­باشد.

Figure 6- Quantum yield changes in cultivars Rasad and Gascogn under drought stress (B).

The different letters in each graph represent a significant difference at the 5% level.

بر اساس نتایج جدول 2، اثرات متقابل سه جانبه رقم × نانوکلات پتاسیم × تنش خشکی بر طول ساقه و طول برگ در سطح احتمال پنج درصد و برای وزن تر ساقه در سطح احتمال یک درصد معنی­دار گردید. اما در وزن­تر و خشک ریشه اختلاف معنی­داری وجود نداشت. اثرات متقابل رقم × تنش خشکی بر طول ریشه و نیز تنش خشکی × نانوکلات پتاسیم بر وزن خشک ساقه معنی­دار بود. اثرهای اصلی رقم، تنش خشکی و نانوکلات روی طول میان­گره معنی­دار بود.

جدول 2- تجزیه واریانس اثر تنش خشکی و محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم بر طول ساقه، میان­گره، برگ و ریشه، وزن­تر و خشک ساقه و ریشه گندم.

Table 2. Variance analysis of the effects of potassium nano chelate solution foliar application and drought stress on stem, internode, leaf and root lengths and wet and dry weight of wheat stem and root.

، ^**و ^*: به‌ترتیب غیر معنی‌­دار و معنی‌­دار در سطح یک و پنج درصد.

ns, ** and *: non significant and significant at 1% and 5% of probability levels, respectively.

طول ساقه و برگ

طول ساقه و برگ: نتایج مقایسه میانگین­‌ها نشان داد، محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم در رقم رصد اثر مثبتی بر طول ساقه و برگ داشت، ولی تنش خشکی از اثرات مثبت نانو کلات پتاسیم کاست (شکل7، A). در حالی­که در رقم گاسکوین نتایج متفاوت بود. کاربرد 65 میلی­گرم بر لیتر نانوکلات پتاسیم تحت تنش شدید تأثیر مثبت بر طول ساقه داشت (شکل7، B)، اما بر طول برگ تأثیر منفی نشان داد (شکل8، B)، بیش­ترین ارتفاع ساقه در رقم رصد تحت شرایط تنش 4- بار و کاربرد 65 میلی­گرم بر لیتر نانوکلات و در رقم گاسکوین به کاربرد 65 میلی­‌گرم بر لیتر نانوکلات پتاسیم در تنش 8- بار تعلق داشت (شکل 7). همچنین بیش­ترین و کم­ترین طول برگ به­ترتیب با محلول­پاشی 65 میلی­‌گرم بر لیتر نانوکلات پتاسیم (با میانگین 67/18 سانتی­‌متر) در رقم رصد (تحت تنش 4- بار و عدم تنش که تفاوت چندانی مشاهده نشد) و اثر متقابل کاربرد نانوکلات و تنش 8- بار در رقم گاسکوین به­دست آمد (شکل 8).

شکل 7- اثر برهم­کنش نانو کلات × تنش خشکی بر تغییرات ارتفاع ساقه در رقم رصد (A) و گاسکوین (B). حروف متفاوت در هر نمودار، نشان­دهنده اختلاف معنی­دار در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 7. Interaction effect of nano-chelates × drought stress on stem height changes in Rasad (A) and Gascogn (B) cultivars. Different letters in the same graph represent a significant difference at 5% level.

شکل 8- اثر برهم­کنش نانو کلات × تنش خشکی بر تغییرات طول برگ در رقم رصد (A) و گاسکوین (B). حروف متفاوت در هر نمودار، نشان دهنده اختلاف معنی­دار در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 8. Interaction effect of nano-chelates × drought stress on leaf length changes in Rasad (A) and Gascogn (B) cultivars. Different letters in the same graph represent a significant difference at the 5% level.

طول میانگره

نتایج بررسی­ها نشان داد که بیشترین طول میانگره به رقم رصد (65/1 سانتی­‌متر) تعلق داشت (شکل A9). تنش خشکی موجب کاهش طول میانگره شد، به­طوری­که کمترین طول میانگره (20/1 سانتی­متر) در تنش شدید و بیشترین آن (72/1 سانتی‌­متر) در عدم تنش مشاهده شد (شکل B9). کاربرد 35 میلی­‌گرم بر لیتر نانوکلات پتاسیم، موجب بهبود طول میانگره­ها شد، ولی کاربرد غلظت بالاتر از آن اثر معنی­داری نداشت (شکل C9).

طول ریشه

محلول­پاشی نانو کلات پتاسیم موجب افزایش طول ریشه نسبت به شرایط کنترل شد، به­طوری­که با کاربرد 65 میلی­گرم بر لیتر نانو کلات پتاسیم، طول ریشه‌­های گندم از 8/15 به 97/17 سانتی­‌متر رسید. بررسی برهم­کنش رقم × تنش خشکی نشان داد که در رقم رصد، تنش ملایم (منفی چهار بار)، موجب افزایش طول ریشه شد، در حالی­که طول ریشه در رقم گاسکوین تغییر معنی­داری نداشت (شکل 10).

شکل9- تغییرات طول میانگره در ارقام گندم (A)، تنش خشکی (B) و کاربرد نانوکلات پتاسیم (C). حروف متفاوت در هر نمودار نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح 5 درصد می­باشد.

Figure 9. internode length changes in wheat cultivars (A), drought stress (B) and application of potassium nano-chelate (C). Different letters in the same graph represent significant difference at 5% level.

شکل10- اثر برهم­کنش تنش خشکی × رقم بر تغییرات طول ریشه. حروف متفاوت در هر نمودار، نشان­دهنده اختلاف معنی­دار در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 10 Interaction effects of drought stress × cultivar on root length changes. Different letters in the same graph represent significant difference at 5% level.

وزن تر و خشک ساقه

مقایسه میانگین اثرات سه­جانبه نشان داد که در رقم رصد، تنش خشکی موجب کاهش وزن تر ساقه شد، اما کاربرد نانوکلات پتاسیم طی تنش، تا حدودی موجب جلوگیری از این کاهش وزن شد. بیشترین (440 میلی­گرم) و کمترین (6/216 میلی­گرم) مقدار وزن­تر ساقه به­ترتیب با مصرف 65 میلی­گرم بر لیتر نانو کلات پتاسیم و تنش خشکی منفی هشت بار به­دست آمد. در رقم گاسکوین تحت تنش منفی هشت بار، محلول­پاشی 65 میلی­گرم در لیتر نانوکلات پتاسیم، بیشترین تأثیر را بر وزن تر ساقه نشان داد (شکل11). ترکیب تیماری تنش خشکی و نانوکلات پتاسیم نشان داد که محلول­پاشی 35 میلی‌­گرم بر لیتر نانو کلات پتاسیم در تنش منفی هشت بار، وزن خشک ساقه را  افزایش داد (شکل 12).

شکل11- اثر برهم­کنش نانو کلات × تنش خشکی بر تغییرات وزن­تر ساقه در رقم رصد (A) و گاسکوین (B). حروف متفاوت در هر نمودار، نشان­دهنده اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 11. Interaction effects of nano-chelates × drought stress on stem weight changes in Rasad (A) and Gascogn (B) cultivars. Different letters in the same graph represent significant difference at 5% level.

شکل12- اثر متقابل نانوکلات × تنش خشکی بر تغییرات وزن خشک ساقه.حروف متفاوت در هر نمودار، نشان­دهنده اختلاف معنی­دار در سطح پنج درصد می­باشد.

Figure 12. Interaction effect of nano-chelates × drought stress on stem dry weight changes. Different letters in the same graph represent significant difference at the 5% level.

از آن‌جا ­که تنش خشکی یکی از مهم‌­ترین موانع محیطی در برابر فتوسنتز است و محتوای کلروفیل برگ­ها یکی از عوامل کلیدی در تعیین شدت فتوسنتز می­باشد، بسیاری از مطالعات در رابطه با تنش خشکی، کاهش در میزان فتوسنتز و محتوای کلروفیل­ها را نشان می­دهند (Sajjadinia, 2010). تحت تنش خشکی، دﺳﺘﮕﺎه ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰی آﺳﯿﺐ می‌بیند، ﻓﺘﻮﺳﻨﺘﺰ ﻣﺨﺘﻞ می‌شود و رنگدانه­های فتوسنتزی کاهش می­یابند (Waseem et al., 2011). در تحقیق حاضر، غلظت کلروفیل a و b تحت تنش خشکی کاهش یافت که احتمالاً می­تواند به­دلیل فتواکسیداسیون کلروفیل­ها، اختلال در تعادل بین تولید و حذف رادیکال­های آزاد اکسیژن، تجمع گونه­های فعال اکسیژن، القای تنش اکسیداتیو، اکسایش نوری رنگیزه­ها، تخریب ساختارهای تیلاکوئید و کلروپلاست و در نهایت ممانعت از بیوسنتز کلروفیل­های جدید و فعال شدن آنزیم­های تجزیه کننده کلروفیل از جمله کلروفیلاز می­باشد (Bybordi et al., 2010; Hafeez et al., 2013; Hadi et al., 2017). با توجه به این‌که پتاسیم برای تثبیت CO₂ در کلروپلاست و برای حفظ فعالیت فتوسنتزی، افزایش غلظت کلروفیل، تولید و انتقال مواد فتوسنتزی نقش مهم و کلیدی ایفا می‌کند و با حفاظت آبی گیاه و جلوگیری از هدر رفتن آب، سبب افزایش مقاومت گیاه در برابر تنش خشکی می­شود (Kanai et al., 2007)، احتمالاً با محلول­پاشی نانوکلات پتاسیم در تنش منفی هشت بار، غلظت کلروفیل a و b افزایش یافت.

طبق مطالعات (2014) Gholipour و Tavan et al. (2015) در تنش کم­آبی شدید گندم، غلظت کلروفیل برگ به­طور معنی­داری کاهش می­یابد که با نتایج تحقیق حاضر در رابطه با کاهش محتوای کلروفیل کل تحت تنش شدید خشکی مطابقت داشت. در تحقیق حاضر، تنش خشکی موجب افزایش غلظت کاروتنوئیدها شد، به­طوری­که در شرایط کنترل، غلظت کاروتنوئیدها 72/2 میلی­گرم بر گرم که تحت تنش شدید به 21/3 میلی­گرم بر گرم رسید. افزایش کاروتنوئیدها تحت تنش خشکی ممکن است به­دلیل محافظت از سلول­های گیاهی در برابر انرژی مازاد و یا تأثیر غیرمستقیم آن‌­ها در کاهش تولید گونه­های اکسیژن و درنتیجه افزایش مقاومت در برابر تنش اکسیداتیو باشد (Koyro, 2006)؛ بنابراین افزایش مقدار آن‌­ها در شرایط تنش قابل پیش‌­بینی می­‌باشد Groppa & Benavids, 2008)). همچنین مصرف 65 میلی­گرم بر لیتر نانوکلات، موجب افزایش غلظت کلروفیل کل در شرایط تنش شد. به عبارتی، مصرف نانوکلات پتاسیم در شرایط تنش، موجب کاهش تأثیرات تنش شد و به دنبال آن موجب کاهش تخریب رنگدانه­ها در طی تنش شده است. این مطالب با نتایج حاضر در رابطه با افزایش غلظت کاروتنوئیدها در رقم گاسکوین با شدت تنش مطابقت داشت.

فلورسانس، انرژی نورانی است که اغلب از مولکول­های کلروفیل در فتوسیستم II منعکس می­شود (دو تا سه درصد انرژی جذب شده) (Slapakauskas & Ruzgas, 2005).(2014) Taghipour et al  گزارش کردند که تنش خشکی موجب کاهش فلورسانس حداکثر در گندم می­شود که با نتایج تحقیق حاضر در رابطه با رقم رصد مطابقت دارد. همچنین Dadkhah et al. (2015) گزارش کردند که در گیاه نخود تحت شرایط کنترل شده، مقدار بیشینه فلورسانس بیشتری نسبت به شرایط کم­آبی وجود داشت که با نتایج به‌دست آمده این تحقیق در رابطه با رقم گاسکوین مطابقت دارد. بنابراین رقم گاسکوین از عملکرد فتوسنتزی بالاتری نسبت به رقم رصد تحت تنش خشکی برخوردار است.et al  Hosseinzadeh (2016) گزارش کردند که تحت تنش خشکی، کاهش نسبت Fv/Fm، شاخص بسیار مناسبی جهت ارزیابی بازدارندگی نوری در گیاهان است.et al  Rahbarian (2012) دریافتند که با افزایش سطوح خشکی، نسبت Fv/Fm کمترین مقدار را نسبت به شرایط بدون تنش داشت که علت آن را تخریب مراکز واکنش فتوسیستم II تحت اثر خشکی بیان کردند. این یافته­ها با نتایج تحقیق حاضر در رابطه با کاهش عملکرد کوآنتومی تحت خشکی شدید مطابقت داشت.

در شرایطی کـه گیـاه تحـت تـأثیر تنش خشکی قـرار مـی­گیـرد، بـه­دلیـل کـاهش سـاخت مـواد فتوسنتزی و عدم انتقال عناصر از ریشه­ها، ارتفاع بوته کاهش می‌یابد؛ به­خصوص در شرایطی که تنش خشکی در مراحل رشد ساقه صورت پذیرد، کاهش ارتفاع شدیدتر است. خشکی با کاهش تقسیم و طویل شدن سلول، موجب کاهش ارتفاع گیاه می­شود (Davatgar et al., 2012). کاهش ارتفاع اندام‌­های هوایی مختلف در تنش شوری در مطالعات (2014) Gholipour و Tavan et al. (2015) گزارش شده است. در تحقیق حاضر، کاهش طول ساقه و برگ در رقم رصد تحت شرایط تنش، احتمالاً مربوط به کاهش پتانسیل آب و رشد طولی سلول، کاهش فتوسنتز و آسمیلات­های فتوسنتزی می­باشد. از آن‌جا ­که تحقیقات به نقش پتاسیم در حفظ پتانسیل آب سلول و کمک به جذب آب توسط گیاه اشاره دارند (Heydari & Asgharipour, 2012)؛ بنابراین ممکن است افزایش ارتفاع ساقه، طول میانگره و ریشه‌­های ارقام رصد و گاسکوین گندم به­دلیل خاصیت حلالیت بیشتر، ریز بودن  و جذب راحت نانو کلات پتاسیم به­وسیله ریشه­ها باشد. به­طور معمول تنش خشکی باعث کوتاه شدن ارتفاع گیاه، کاهش رشد میان گره­ها و ریشه می­شود. در تحقیق حاضر، تنش خشکی موجب کاهش طول میانگره و طول ریشه شد و بیشترین و کمترین طول میانگره به رقم رصد (65/1 سانتی­‌متر) و گاسکوین (26/1 سانتی­‌متر) تعلق داشت. برخی از پژوهشگران معتقدند که تنش‌­های شدید رطوبتی برخلاف تنش­‌های ملایم، موجب کاهش طول میان­گره می‌­شود و قسمت اعظم افت ارتفاع گیاه در شرایط تنش رطوبتی به همین امر مربوط می­‌شود (Izanloo et al., 2008). وقوع خشکی در مرحله رشد رویشی، منجر به کاهش رشد ریشه و تراکم آن می­شود (Mahajan et al., 2011) که با نتایج تحقیق حاضر در رابطه با رقم گاسکوین مطابقت داشت. در تحقیق حاضر، محلول­پاشی نانو کلات پتاسیم موجب افزایش طول ریشه نسبت به شرایط کنترل شد. عناصری مانند پتاسـیم، منیـزیم و روی، رشـد ریشـه را بهبـود می­بخشند که این عامل به نوبه خود باعث افزایش جذب آب به داخل گیاه می‌شود و به تنظیم عمل روزنه­ها و افزایش مقاومت گیاه به خشکی کمک می­نماید (Khademi & Asadi, 2011 ). در برخی از مطالعات نشان داده شده است که رشد ریشه نسبت به اندام­های هوایی در خلال تنش و پس از آن افزایش می­یابد Bagg, 1980)) که با نتایج به‌دست آمده در رابطه با افزایش طول ریشه در رقم رصد تحت تنش ملایم مطابقت دارد.

در بین ارقام مورد مطالعه، بیشترین (میانگین 41/41 میلی­گرم) و کمترین مقدار وزن خشک ساقه (میانگین 42/32 میلی­گرم) به‌ترتیب به رقم گاسکوین و رصد تعاق داشت. در تحقیق حاضر، تنش خشکی موجب کاهش وزن تر و خشک ساقه شد. احتمالاً علت کاهش وزن خشک و تر اندام‌­های گیاه تحت تنش خشکی، کاهش پتانسیل آب در منطقه ریشه گیاه، کاهش شدت فتوسنتز و پیری زودرس برگ­ها می­باشد (Kehinde et al., 2008). از آن‌جا­ که عنصر پتاسیم با بهبود فتوسنتز گیاه موجب افزایش تولید آسیمیلاسیون کربن می‌شود و از این طریق بر افزایش وزن خشک ساقه تاثیر مثبت می­گذارد، بنابراین در پژوهش حاضر کاربرد نانو کلات پتاسیم موجب افزایش وزن خشک ساقه شد. Tavan et al (2015) افزایش وزن خشک ساقه گندم را در اثر کاربرد نانو کلات پتاسیم تحت تنش خشکی گزارش کردند که با نتایج به‌دست آمده تحقیق حاظر در رابطه با افزایش وزن خشک ساقه در تنش شدید منفی هشت بار طی مصرف 65 میلی­گرم بر لیتر نانو کلات پتاسیم مطابقت داشت.

نتیجه‌گیری کلی

به­طورکلی از نتایج حاصل چنین استنباط می­شود که تنش خشکی، موجب کاهش غلظت کلروفیل a، b، کل، فلورسانس حداکثر و عملکرد کوانتومی شد، اما مقدار سنتز کاروتنوئیدها در برگ به علت نقش آن­ها در حفاظت از ساختار کلروفیل­ها در برابر اثرات تخریبی انواع اکسیژن فعال افزایش یافت. همچنین تنش خشکی موجب کاهش رشد قسمت­های مختلف گیاه از جمله طول ساقه، میانگره و برگ و نیز وزن خشک ساقه شد، ولی بر وزن خشک ریشه تاثیر معنی­داری نداشت. محلول­پاشی با 35 میلی­گرم نانوکلات پتاسیم در لیتر، از طریق بهبود سیستم فتوسنتزی گیاه گندم، موجب افزایش تحمل گیاه در برابر تنش خشکی شد. در بین ارقام مورد بررسی رقم گاسکوین در مقایسه با رقم رصد، واکنش مناسب­تری از خود نشان داد که این می­تواند نشان­دهنده تحمل بیشتر این رقم نسبت به تنش خشکی باشد.

REFERENCES

1. Arnon, A. N. (1967). Method of extraction of chlorophyll in the plants. Agronomy Journal, 23, 112–121.
2. Baghai, N. & Maleki Farahani, S. (2014). Comparison of Nano and micro Chelated iron fertilizers on quantitative yield and assimilates allocation of saffron (Crocus sativus). Journal of Saffron Research, 1, 156–169 (In Persian with English Abstract)
3. Baybordi, A. & Mamedov, G. (2011). Evaluation of application methods for efficiency of zinc and iron for Canola (Brssica napus). Notulae Scientia Biologicae, 2, 94-103.
4. Bagg, J. E. (1980). Morphological adaptations of leaves to water stress. In: Adaptation of plants to water and high temperature stress. Plant Sciences, 120, 66–68.
5. Chen, C., Jackson, G., Neill, K., Wichman, D., Johnson, G. & Johnson, D. (2005). Determining the feasibility of early seeding canola in the northern Great Plains. Agronomy Journal, 97, 1252-1262.
6. Davatgar, N., Neishabouri, M. R., Sepaskhah, A. R. & Soltani, A. (2012). Physiological and morphological responses of rice (Oryza sativa) to varying water stress management strategies. International Journal of Plant Production, 3, 19-32.
7. Djanaguiraman, M., Boyle, D. L. Welti, R. Jagadish, S. V. K. & Prasad, P. V. V. (2018). Decreased photosynthetic rate under high temperature in wheat is due to lipid desaturation, oxidation, acylation, and damage of organelles. BMC. Plant Biology, 18: 55.
8. Emam, Y. (2013). Cereal Crops. Shiraz University Press (In Persian)
9. Gholipour, Q. (2014). Investigation of Drought Stress Resistance in Ten Advanced Wheat Cultivars and Lines. M.Sc., University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
10. Groppa, M. D. & Benavides, M. P. (2008). Polyamines and abiotic stress: recent advances. Amino Acids, 34, 35–45.
11. Ghosh, P. K., Ajay, K. K., Bandyopadhyay, M. C., Manna, K. G. Mandal, A. K. & Hati, K. M. (2004). Comprative effectivence of cattle manure, poultry manure, phosphocompost and fertilizer-NPK on three cropping system in vertisols of semi-arid tropics. П. Dry matter yield, nodulation, chlorophyll content and enzyme activity. Bioresource Technology, 95, 85–93.
12. Heydari, M. & Asgharipour, M. R. (2012). Effect of different amounts of potassium sulfate on yield and yield components of sorghum seed under drought stress. Iranian Journal of Field Crop Research, 371-384.
13. Hadi, H., Seyed Sharifi, R. & Namvar, A. (2017). Phytoprotectants and abiotic stresses. Urmia University Press, 341 pp. (In Persian).
14. Hafeez, B., Khanif, Y. M. & Saleem, M. (2013). Role of zinc in plant nutrition- a review. American Journal of Experimental Agriculture, 3, 374-391.
15. Hosseinzadeh, S. R, Amiri, H. & Ismaili, A. (2016). Effect of vermicompost fertilizer on photosynthetic characteristics of chickpea (Cicer arietinum) under drought stress. Photosynthetica, 54, 87-92 (In Persian with English Abstract)
16. Izanloo, A., Condon, A. G., Langridge, P., Tester, M. & Schnurbusch, T. (2008). Different mechanisms of adaptation to cyclic water stress in two south Australian bread wheat cultivars. Journal of Express Botany, 59, 3327-3346.
17. Joudi, M., Ahmadi, A. Mohammadi, V. Abbasi, A. & Mohammadi, H. (2014). Genetic changes in agronomic and phenologic traits of Iranian wheat cultivars grown in different environmental conditions. Euphytica, 196, 237–249 (In Persian with English Abstract).
18. Khan, S. U., Gurmani, A. R. Qayyum, A. & Khan. H. (2013). Heat tolerance evaluation of wheat (Triticum aestivum ) genotypes based on some potential heat tolerance indicators. Journal of The Chemical Society of Pakistan, 35, 647–653.
19. Kheirizadeh Arough, Y., Seyed Sharifi, R., Sedghi, M. & Barmaki, M. (2016). Effect of zinc and biofertilizers on antioxidant enzymes activity, chlorophyll content, soluble sugars and proline in Triticale under salinity condition. Notulae Botanicae Horticulture Agrobotanici Cluj-Napoca, 44, 116-124.
20. Kanai, S., Ohkura, K., Adu-Gyamfi, J., Mohapatra, P., Saneoka, H. & Fujita, K. (2007). Depression of sink activity precedes the inhibition of biomass production in tomato plants subjected to potassium deficiency stress. Journal of Express Botany, 58, 2917-2928.
21. Kehinde, O., Yekale, O., Isaac, O. D., Alpha, Y. K., Adegoke, E. A. & Michel, O. A. (2008). Evaluation of tropical maize by brides under drought stress. Journal of Agricultural and Environmental, 6, 260–264.
22. Koyro, H. W. (2006). Effect of salinity on growth, photosynthesis, water relations and solute composition of potential cash crop halophyte (Plantago coronopus). Environmental and Experimental Botany, 56, 136-149.
23. Mahajan, P., Dhhoke, S. K. & Khanna, A. S. (2011). Effect of Nano-ZnO particle suspension on growth of mung (Vigna radiate) and Gram (Cicer arietinum) seedlings using plant agar method. Journal of Nanotechnology, 1-7.
24. Pagter, M., Bragato, C. & Brix, H. (2005). Tolerance and physiological responses of Phragmites australis to water deficit. Aquatic Botany, 81, 285-299.
25. Rahbarian, R., Khavari-nejad, R., Ganjeali, A., Bagheri A. R. & Najafi, F. (2012). Drought stress effects on photosynthesis, chlorophyll fluorescence and water relations in tolerant and susceptible chickpea (Cicer arietinum ) genotypes. Acta Biologica Cracoviensia, 53, 47-56.
26. Solanki, P., Bhargava, A., Chhipa, H., Jain, N. & Panwar, J. (2015). Nano- fertilizers and delivery system. Nanotechnologies in Food and Agriculture, Pp: 81-101.
27. Shetabi, E. (2016). The paper examines the effect of drought stress on plants, International Conference on New Horizons in the Agricultural Sciences, Natural Resources and Environment (In Persian)
28. Shabala, S. & Cuin, T.A. (2008). Potassium transport and plant salt tolerance. Plant Physiology, 133, 651–69.
29. Sajjadinia, A., Ershadi, A., Hokmabadi, H., Khayyat, M. & Gholami, M. (2010). Gas exchange activities and relative water content at different fruit growth and developmental stages of on and off cultivated pistachio trees. American Journal of Agricultural Economics, 1, 1–6.
30. Slapakauskas, V. & Ruzgas, V. (2005). Chlorophyll fluorescence characteristics of different winter wheat varieties (Triticum aestivum). Agronomy Research, 3, 203-209.
31. Sankar, B., Abdul Jaleel, C., Manivannan, P., Kishore Kumar, A., Somasundaram, R. & Panneerselvam, R. (2008). Relative efficiency of water use in five varieties of (Abelmoschus esculentus) Moench Under water limited conditions. Colloids and Surfaces B: Bio. Inter. 62, 125-129.
32. Tavan, T., Niyakan, M. & Nurinia, A. (2014). Effect of nano-potassium fertilizer on growth factors, photosynthetic system and protein content of wheat (Triticum aestivum). Iranian Journal of Plant Ecophysiology, 53, 71-61 (In Persian with English Abstract)
33. Taghipour, Z., Asghari Zakaria, R., Zare, N. & Shaikh Zadeh, P. (2014). Evaluation of drought stress tolerance in several populations of Aegilops triuncialis based on some physiological characteristics. Iranian Journal of Rangelands and Forests Plant Breeding and Genetic Research, 22, 55-66 In Persian with English Abstract)
34. Vattani, H., Keshavarz, N. & Baghaei, N. (2012). Effect of sprayed soluble different levels of iron chelate nano fertilizer on nutrient uptake efficiency in two varieties of spinach (Varamin 88 and Virofly). The International Research Journal of Applied and Basic Sciences (IRJABS).
35. Waseem, M., Ali, A., Tahir, M., Nadeem, M. A., Ayub, M., Tanveer, A., Ahmad, R. & Hussain, M. (2011). Mechanism of drought tolerance in plant and its management through different methods. Continental Journal of Agricultural Science, 5, 10-25.
36. Zheng, Y., Aijun, J., Tangyuan, N., Xud, J., Zengjia, L. & J. Gaoming, (2008). Potassium nitrate application alleviates sodium chloride stress in winter wheat cultivars differing in salt tolerance. Journal of Plant Physioligy, 165, 1455-1465