تأثير تنش نيتروژن و كمبود آب بر متابوليت‌‌هاي سازگار در دوران رشد زايشي ذرت

سيد علي محمد مدرس ثانوي و علي سپهري

چكيده: بمنظور تعيين اثر تنش كمبود آب و مقدار نيتروژن مصرفي روي محلول‌‌هاي سازگار در طي مرحلة رشد زايشي ذرت، دو آزمايش بصورت فاكتوريل در قالب طرح بلوك‌‌هاي كامل تصادفي در منطقة همدان و كرج اجرا گرديد. دو رقم هيبريد ذرت سينگل‌كراس 108 سينگل‌كراس 301 در دو سطح نيتروژن 100 و 200 كيلوگرم نيتروژن خالص در هكتار مورد استفاده قرار گرفت. تنش كمبود آب از طريق قطع آبياري در مراحل رويشي و زايشي انجام شد. پاسخ هيبريد‌‌ها به تنش كمبود آب نشان داد كه كربوهيدرات محلول برگ در چنين شرايطي افزايش يافته و بين دو رقم تفاوتي وجود ندارد. همچنين مقادير مختلف مصرف نيتروژن اثر معني‌‌‌‌داري بر كل كربوهيدرات محلول برگ و همچنين مقدار پروتئين‌‌هاي محلول برگ و پرولين گذاشت. كل پروتئين‌‌هاي محلول برگ تحت تنش كمبود آب كاهش يافته و در مقابل مقدار پرولين افزايش يافت. غلظت پرولين برگ در دو رقم از لحاظ آماري تفاوتي نداشت. حداقل كربوهيدرات و پروتئين‌‌هاي محلول برگ در تيمار‌‌هاي تحت تنش آب در هر دو مرحلة رويشي و زايشي حاصل شد. مقدار كل كربوهيدرات محلول در تيمارهاي صرفاً در معرض تنش رويشي كمبود آب، با گياهان بدون تنش مشابه بود.

مقدمه: در زمينة شناسايي عوامل مؤثر بر سازگاري و تحمل گياهان زراعي به كمبود آب مطالعات بسياري انجام شده، كه مي‌تواند ملاك انتخاب ارقام متحمل در اين شرايط باشد (2، 5، 7). گياهان زراعي طي كمبود آب به منظور سازگاري و تحمل پتانسيل آب پايين، از مكانيسم‌‌هاي مختلفي استفاده مي‌كنند كه بسته نگهداشتن روزنه‌‌ها، تغيير در الگوي تنظيم كننده‌‌هاي رشد از جمله ABA و تجمع اسموليت‌‌ها به منظور تنظيم اسمزي، نمونه‌اي بارز از اين نوع مكانيسم‌‌ها است (8). با توجه به مشاركت كربوهيدرات‌‌هاي محلول بر تنظيم اسمزي طي تنش كمبود آب و نقش محافظتي آنها در پروتئين‌‌ها و ارتباط نزديك متابوليسم كربن و نيتروژن در سنتز كربوهيدرات‌‌ها و پروتئين‌‌هاي محلول گياه، در اين تحقيق تأثير تنش كمبود آب در دوران رشد زايشي بر متابوليت‌‌هاي مذكور و همچنين تأثير اين نوع تنش بر گياهاني كه قبلاً در مرحلة رويشي نيز دچار تنش كمبود آب شده‌اند از لحاظ مقدار پروتئين‌‌هاي محلول و پرولين به منظور شناخت بهتر مكانيسم‌‌هاي بيوشيميايي اثر خشكي مورد بررسي قرار گرفته است.

مواد وروش‌‌ها: دو آزمايش بصورت فاكتوريل در قالب طرح بلوك‌‌هاي كامل تصادفي در دو منطقة همدان و كرج به ترتيب در مزرعة پژوهشي دانشكدة كشاورزي بوعلي‌سينا (ناحية1)، و در مزرعة پژوهشي دانشكدة كشاورزي دانشگاه تربيت مدرس (ناحية2)، در سال زراعي 1380 بطور همزمان انجام شد. از دو رقم ذرت هيبريد زودرس سينگل‌كراس 108 و سينگل‌كراس 301، توليد شده توسط مؤسسة تحقيقات اصلاح و تهيه نهال و بذر با تراكم توصيه شده به ترتيب 85000 و 75000 در هكتار، در دو سطح نيتروژن 100 و 200 كيلوگرم نيتروژن خالص در هكتار در سه تكرار استفاده شد. تيمار‌‌هاي تنش كمبود آب بصورت قطع كامل آبياري شامل تنش موقت رطوبت در مرحلة 8 برگي (V8)، تنش موقت رطوبت بعد از گرده افشاني در مرحلة شيري (R3) و تنش موقت رطوبت در مراحل رويشي و زايشي مورد اشاره (V8 & R3) و بدون تنش آب (بدون قطع آبياري) بود. اندازه‌گيري رطوبت نسبي برگ با روش آيريگوين و همكاران (1992)، انجام شد (4). ‌‌‌‌‌به منظور استخراج قند‌‌هاي محلول، عصاره‌گيري از نمونه‌‌هاي برگي به روش مك بي و مانس (1983) انجام شد (6، 9). پروتئين‌‌هاي محلول برگ به روش برادفورد (1976)، ‌‌‌‌‌عصاره‌گيري، استخراج و سپس مقدار كمي‌ آن توسط دستگاه بيوفتومتر (Bio Photometer) مدل اپندورف (Eppendorf) آلمان اندازه‌گيري شد (اين دستگاه قادر است پروتئين‌‌هاي محلول بدست آمده با روش‌‌هاي برادفورد، لوري(Lowry) و بي‌سي (BCA)‌آ، را با دقت بسيار زياد در محدوة 526 تا 595 نانومتر بطور مستقيم اندازه‌گيري نمايد) (3). ‌‌‌‌‌عصاره‌گيري، استخراج و اندازه‌گيري پرولين برگ به روش بيتز و همكاران (1973) انجام شد (1). آناليز آماري دادها بر اساس تجزية مركب با استفاده از نرم افزار آماري SAS انجام شد.

نتايج: تجزيه واريانس مركب داده‌‌ها پس از اعمال تنش كمبود آب در مرحلة زايشي، از لحاظ محتواي كربوهيدرات كل محلول برگ و پروتئين‌‌هاي محلول، پرولين و درصد رطوبت نسبي برگ، براي دو ناحية مورد بررسي قرار گرفت. بين نواحي تفاوت معني‌‌‌‌داري در رابطه با صفات مذكور ملاحظه نشد.

با كاهش پتانسيل آب خاك به محدودة 2/1- تا 3/1- مگاپاسكال در طي دورة پر شدن دانه، بين ارقام تفاوت معنيداري از لحاظ كربوهيدرات محلول برگ وجود نداشت، معهذا رقم سينگل‌كراس 108 از كربوهيدرات بيشتري در برگ برخوردار بود.

افزايش مصرف نيتروژن از 100 به 200 كيلوگرم در هكتار تأثير معني‌‌‌‌داري بر كل كربوهيدرات‌‌هاي محلول برگ گذاشت، در سطح نيتروژن 200 كيلوگرم در هكتار، 10/19 درصد به كل كربوهيدرات محلول برگ نسبت به سطح 100 كيلوگرم در هكتار افزوده شد.

كلية گياهاني كه در مرحلة زايشي دچار تنش كمبود آب شدند افزايش يكساني در كل كربوهيدرات محلول از خود نشان دادند در اين رابطه بين گياهاني كه در مرحلة رويشي نيز دچار تنش شدند و گياهاني كه فقط در مرحلة زايشي در معرض تنش آب قرار گرفتند تفاوتي وجود نداشت. همچنين كربوهيدرات محلول برگ در گياهان صرفاً تنش ديده در مرحلة رويشي، تقريباً در حد گياهان كاملاً آبياري شده بود. در هر دو رقم گياهاني كه نيتروژن بيشتري دريافت كردند سطوح كربوهيدراتة بالاتري داشتند.

بيشترين مقدار كربوهيدرات محلول متعلق به گياهان در معرض تنش زايشي و يا گياهان تنش ديده در هر دو مرحلة رويشي-زايشي با مصرف 200 كيلوگرم نيتروژن در هكتار اختصاص داشت. بيشترين كربوهيدرات تجمع يافته در برگ با رقم سينگل‌كراس 108 در سطح نيتروژن بالا و تحت تنش كمبود آب، معادل 63/59 ميلي‌گرم در گرم مادة خشك برگ حاصل شده، و كمترين مقدار به هر دو رقم در سطح نيتروژن پايين و شرايط بدون تنش آب و يا صرفاً تنش رويشي تعلق دارد.

اسيد آمينة پرولين به رغم بيشتر بودن مقدار آن در رقم 108، تفاوت معني‌‌‌‌داري با رقم 301 نداشت. با افزايش 100 كيلوگرم نيتروژن در هكتار به ميزان 16/37 درصد در مقدار پروتئين محلول و به ميزان 01/35 درصد به اسيد آمينة پرولين موجود در برگ افزوده شد. همچنين تنش خشكي بر صفات فوق تأثير خيلي معني داري گذاشت. سطوح مختلف نيتروژن بر پروتئينهاي محلول برگ و پرولين دو رقم تأثير داشت.

كمترين مقدار پروتئين محلول برگ در گياهان تنش ديده با نيتروژن پايين مشاهده شد. بيشترين مقدار پرولين تحت تنش زايشي كمبود آب به رقم سينگل‌كراس 108 و در سطح نيتروژن بالا اختصاص يافت و كمترين مقدار پرولين در گياهان رقم 301 در سطح نيتروژن پايين و شرايط بدون تنش آب توليد شد. رقم 108 از رطوبت نسبي بالاتري در برگ برخوردار بود.

افزايش مصرف نيتروژن از 100 به 200 كيلوگرم در هكتار با افزايش رطوبت نسبي برگ در تمام تيمار‌‌ها همراه بود. گياهاني كه نيتروژن بيشتري دريافت كردند بطور متوسط 3/5 درصد محتواي رطوبت نسبي بيشتري داشتند. كاهش پتانسيل آب خاك در مرحلة زايشي باعث كاهش رطوبت نسبي برگ به ميزان 8 تا 10 درصد در گياهان تنش ديده در مقايسه با گياهان كاملاً آبياري شده گرديد.

كمترين مقدار رطوبت نسبي در تنش خشكي با نيتروژن مصرفي 100 كيلوگرم در هكتار معادل 51/80 درصد حاصل شد. بيشترين مقدار رطوبت نسبي در سطح مصرفي نيتروژن بالا و شرايط بدون تنش معادل 92/92 درصد بدست آمد.

كمترين مقدار رطوبت نسبي برگ به رقم 301 در سطح نيتروژن 100 تحت تنش كمبود آب تعلق دارد و ساير تيمار‌‌ها از اين لحاظ در دامنة نسبتاً وسيعي قرار دارند.منابع مورد استفاده:

1- Bates, L. S., Walden, R. P. and Teave, I. D. 1973. Rapid defermination of free proline for water stress studies. Plant and Soil. 39: 205-207.2- Blum, A. 1989. Osmotic adjustment and growth of barley genotypes under stress. Crop Science. 29: 230-23.3- Bradford, M. M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-day binding. Analytical Biochemistry. 72: 248-254.4- Irigoyen, J. J., Emerrich, D. W., and Sanchez-Diaz, M. 1992. Water stress induced changes in concentrations of proline and total soluble sugars in nodulated alfalfa plant. Physiologia Plantarum. 84: 55-60.5- Martin, M. A., Brown, J. H. and Ferguson, H. 1989. Leaf water potential, relative water content, and diffusive resistance as screening techniques for drought resistance in barly. Agronomy Journal. 81: 100-1056- Mcbee. G. G., and Maness, N. O. 1983. Determination of Glucose and fructose in plant tissue by high-performance liquid chromatography. Journal of Chromatography. 264: 474-478. 7- Morgan, J. M. 1984. Osmoregulation and water stress in higher plants. Annual Review Plant Physiology. 35: 299-319.8- Reccardi, F., Gazeau, P., De Vienne, D., Zivy, M. 1998. Protein changes in response to progressive water deficit in maize. Plant Physiology. 117: 1253-1263.9- Pattanagul. W., and Madore, M. A. 1999. Water deficit effects on raffinose family oligosaccharide metabolism in coleous. Plant Physiology. 121: 987-993.

Effects of nitrogen and water stress on compatible solutes during reproductive growth stages of maize (Zea mays L.)

AbstractOne of the most important factors limiting the growth, development, and productivity of plants is desiccation induced by decreasing water stress. Turgore maintenance by osmotic adjustment is an important physiological adaptation for minimizing the detrimental effects of water deficits that frequently attributed through accumulation of organic compounds such as soluble carbohydrate. In order to determine the effects of water and nitrogen stress on compatible solutes during reproductive growth stage of maize, two filed experiment were conducted with randomized complete block design in Hamedan and Karaj locations. Two corn hybrids (KSC 108 & KSC 301) and two nitrogen levels (100 & 200 Kg/ha) were used under vegetative and reproductive water deficits by withholding water. The responses of the two hybrids indicated that total carbohydrate soluble increased in reproductve water stress. There was no significant difference in total carbohydrate between two hybrids. Sugars concentration, Particularly glucose and fructose increased in water deficit at reproductive stage. The Sucrose contents of leaves from water-stressed and well-watered plants were similar. Also the different levels of nitrogen utilization had shown significant effects on total carbohydrate soluble, fractions of sugars, total protein soluble and proline of leaves. Total leaf protein soluble decreased under water stress, in contrast proline increased, but proline concentration had not shown differences between two hybrids. Minimum of carbohydrate and protein soluble obtained from treatments under water deficit in both reproductive and vegetative stages. The amounts of total carbohydrate and sugars (sucrose, glucose and fructose) in treatments under only vegetative water stress were similar to control plants.

Key words: water stress, nitrogen deficit, soluble carbohydrate, soluble protein, proline