اثر تنش ناشی از سطوح آلودگی سرب در گیاه یونجه در شرایط تلقیح با جدایه های همزیست

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد مؤسسه تحقیقات آب‌وخاک کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران.

2 کارشناس ارشد خاکشناسی (بیولوژی خاک).

چکیده

مقدمه
نیتروژن یکی از عناصرپرمصرف مورد نیاز یونجه است، پس از تشکیل گره بر روی ریشه، گیاه قادر به تامین بخش بزرگی از نیتروژن مورد نیاز خود را از هوا می باشد. میزان تثبیت نیتروژن در یونجه حدود 60 تا 500 کیلوگرم در هکتار در سال برآورد شده است. همزیستی بین ریزوبیوم و گیاهان لگوم با تبادل سیگنال های مولکولی بین باکتری ها و ریشه گیاه آغاز می شود. گونه های گیاهی، باکتری و شرایط خاک (فلزات سنگین، دما، آب، هوادهی، مواد مغذی، شوری، نیترات، pH و غیره) عواملی هستند که در همزیستی تاثیر می گذارمی باشند.. سرب یکی از عناصر سنگین آلاینده محیط‌زیست به‌ویژه خاک‌های کشاورزی می­باشد. در اراضی زیر کشت لگوم­ها آلودگی سرب می­تواند در همزیستی بین گیاهان میزبان و باکتری‌های ریزوبیوم، تثبیت زیستی نیتروژن و درنهایت رشد و عملکرد گیا­هان لگوم اثر سوء داشته باشد. استخراج سرب و روی و فعالیتهای مرتبط در استان زنجان باعث انتشار فلزات سنگین از جمله سرب در اطراف زمین های کشاورزی شده است، هدف از این مطالعه بود بررسی اثرات آلودگی سرب بر روی یونجه همزیستی ریزوبیوم بومی استان زنجان و تثبیت نیتروژن در گیاه یونجه بود.
 
مواد و روشها
 در تحقیق حاضر ریشه یونجه حاوی گره از یونجه­­زارهای چندساله اطراف کارخانه‌های سرب و روی جمع­آوری و سپس باکتری‌های ریزوبیوم خالص­سازی شدند. مقاومت جدایه ­ها به آلودگی سرب در محیط کشت حاوی مقادیر مختلف کلرور سرب بررسی گردید. حداکثر غلظت سرب که در آن غلظت رشد جدایه‌ها قابل‌مشاهده بود، برای هر­یک از جدایه‌ها محاسبه و به‌عنوان شاخص MRL منظور گردید. بر اساس نتایج اندازه‌گیری مقاومت آن‌ها به سرب و نیز میزان کارایی آن‌ها، توان جدایه ­ها در تثبیت نیتروژن در خاک آلوده به سرب تعیین و پنج جدایه­ انتخاب و در آزمون گلخانه­ای کشت یونجه (رقم همدانی) مورداستفاده قرار گرفتند. تیمارها شامل تلقیح با جدایه­های سینوریزوبیوم در پنج سطح (N6، N12، N17، N41، N51 و شاهد) و غلظت سرب در پنج سطح (صفر، 5، 25، 50 و 100 میلی­گرم سرب در کیلوگرم از منبع کلرور سرب) بودند. آزمایش گلخانه­ای کشت یونجه به‌صورت فاکتوریل و در قالب طرح کاملاً تصادفی با 3 تکرار با هدف ارزیابی اثر سرب بر گره­زایی و قدرت تثبیت نیتروژن باکتری‌های همزیست، انجام شد. بذور یونجه پس از ضدعفونی سطحی (محلول هیپوکلریت سدیم 1٪)، در انکوباتور جوانه زده شدند و سپس در گلدان کاشته شد. هر بذر با یک میلی لیتر از یک میلی لیتر سوسپانسیون  باکتریهای انتخاب شده (CFU 107 در میلی لیتر) تلقیح شد. 90 روز پس از کاشت، گیاهان برداشت شده و وزن خشک بخش هوایی تعیین شد. گره ریشه مورد بررسی قرار گرفت و به عنوان طبقه بندی شده توسط وینسنت توصیف شد. محتوای نیتروژن ساقه با استفاده از روش Kjeltec و جذب نیتروژن در بخش هوایی اندازه گیری شد.
 
نتایج و بحث
همه باکتریها مورد بررسی توانستند در سیستم های ریشه یونجه گره ایجاد کنید. ارزیابی رشد جدا یه ها نسبت به شاهد در محیط حاوی غلظت های مختلف سرب نشان داد که، تعداد کمی از آنها در حداکثر غلظت سرب (500 میلی گرم سرب در لیتر) رشد کردند. شاخص MRL (حداکثر غلظت سرب که در آن جدا شده قابل مشاهده رشد داشته)، برای هر یک از جدایه ها تعیین ، سپس درصد نمونه های رشد یافته در غلظت های مختلف سرب، محاسبه شد. مقایسه میانگین اثرات متقابل جدا یه ها و سطوح سرب بر غلظت نیتروژن بخش هوایی نشان داد که با افزایش سطح سرب، در تمام جدایه ها، غلظت نیتروژن بخش هوایی کاهش یافت و این کاهش در اکثر موارد معنی داربود. بالاترین غلظت نیتروژن بخش هوایی (3.3) به شاهد (0 میلی گرم سرب در کیلوگرم و 70 میلی گرم) تعلق داشت و کمترین غلظت نیز (2.4٪) متعلق به تیمار100 میلی گرم سرب کیلوگرم و تلقیح با جدایه N6 بود. مقایسه میانگین ها نشان داد که با افزایش سطح سرب، وزن خشک بوته کاهش یافت، اما این کاهش در جدایه های مختلف متفاوت بود، بالاترین وزن خشک بخش هوایی (0.81 گرم در گلدان) به گیاهان تلقیح شده با سویه N51 در سطح 25 میلی گرم سرب کیلوگرم تعلق داشت، در حالی که کمترین آن (0.15 گرم در گلدان) به شاهد بدون تلقیح و 100 میلی گرم سرب کیلوگرم تعلق داشت.
 
نتیجه گیری
 تحمل میکروارگانیسم همزیستی در برابر تنش های محیطی بیش از گیاهان میزبان آنها است. سمیت ناشی از غلظت بالای فلزات سنگین در خاک، مانع رشد و توسعه ریشه شده و مراحل اولیه همزیستی لگوم- ریزوبیوم و تبادل سیگنال های بیوشیمیایی بین آنها را مختل می کند. در مجموع 6.7 درصد از جدایه ها، بسیار مقاوم به سرب بوده و رشد آنها در محیط حاوی بالاترین غلظت سرب، هیچ تفاوتی با شاهد نداشت. در حالی که، برخی از جدایه ها قادر به رشد در محیط کشت حاوی بیش از 75 میلی گرم سرب نبودند. حدود 64 درصد از جدایه ها غلظت 25 تا 150 میلی گرم در لیتر سرب را تحمل نمودند. حدود 30 درصد از جدایه ها در محیط حاوی بیش از 300 میلی گرم سرب در لیتر، زنده ماندند. به طور کلی کاربرد سطوح مختلف سرب باعث کاهش نیتروژن گیاهان گردید و این کاهش در گیاهان تلقیح شده کمتر از شاهد بدون تلقیح بود. اگر چه تحمل یونجه در برابر تنشهای محیطی در مقایسه با باکتری های همزیستی کمتر است، با این حال، با تلقیح گیاهان میزبان توسط ریزوبیوم ها، می تواند تا حدودی آسیب ناشی از فلزات سنگین را کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها


Abdolvahabi, A. 1984. Distribiution of Pb in plant and soil. Tehran University Press, pp.127.( In Persian with English Summary)

Angel, J.S.,  Chaney, R.L., 1991. Heavy metal effects on soil population and heavy metal tolerance of Rhizobium meliloti, nodulation and growth of alfalfa. Water, Air and Soil Pollution. 57-58, 597-604.

 Beck, D.P., Materon, L.A., Afandi, F., 1993. Practical Rhizobium–legume Technology Manual. Technical Manual. No.19. ICARDA, Aleppo.

Bremner, J.M., Mulvaney, C.S., 1982. Nitrogen total. pp. 595- 624. In: Page, A. L., Miller R. H., D. R. Keeney (eds.). Methods of soil analysis. Part 2. Chemical analysis. American Society of Agronomy Inc. and Soil Science Society of American Inc. Madison, W I.

Borges, A., Wollum, A., 1981. Effect of cadmium on symbiotic soybean plant. Journal of Environmental Quality. 10, 216-221.

Brockwell, J., 1981. A strategy for legume nodulation research in developing regions of the old world. Plant and Soil. 58, 367-382.

Eivazi, F., 2003. Nitrogen fixation of soybean and alfalfa on sew aye sludge an ended soils. Agriculture, Ecosystem and Environment. 30(1-2), 129-136.

Gadd, G.M., 1986. Immobilization of ions biosoiption, In: H. Eceles and S. Hunt (eds.), Soil Biology and Biochemistry, Vol. 37, Cheiohester, Ellis Horwood, PP: 135-147.

Gadd, G.M., 1986. Microbs in extreme environment. In: Heerbert, R.A., Codd, G.A., (eds.), A Comprehensive Treatise. London, Academic Press. pp. 83-110.

Golchin, A., Safavi, A., Atashnama, K., 2007. Zn and Pb Hyperaccumulator plant species native to Zanjan province. Proceeding of Soil, Environment and Sustainable developmentcongress. Karaj, Iran. [In Persian with English Summary].

Hungria, M., Josephand, C.M., Philips, D.A., 1991. Rhizobium nod-gene inducers exuded naturally from roots of common bean (Phaseolus vulgaris L.). Plant Physiology. 97, 759-764.

Ibekwe, A.M., Angle, J.S., Chaney, R.L., Van Berkum, P., 1995. Sewage sludge and heavy metal effects on nodulation and nitrogen fixation in legumes. Journal of Environmental Quality. 24, 1199-1204.

Ibekwe, A.M., Angle, J.S, Chaney, R.L, Van Berkum, P., 1996. Sewage sludge and heavy metal effects on nodulation and nitrogen fixation in legumes. Journal of Environmental Quality. 25,1032-1040.

Karimi, H. 1990. Cultivation and Breeding of Forage Crops. Tehran University Press. [In Persian].

Letunova, S.V., Umarov, M.M., Niyazova G.A., Melekhin, Y.I., 1985. Nitrogen fixation activity as a possible criterion for determining permissible concentration of heavy metals in soil. Soviet Soil Science. 17, 88-92.

Martenson, A.M., Witter, E., 1990. The influence of various soil amendments on nitrogen fixation microorganisms in a long-term field experiment with special reference to sewage sluge. Soil Biology and Biochemistry. 22, 977-982.

Memar Kouche-bagh, S., Besharati, H. 2012. Effects of Cd pollution alfalfa growth and nitrogen fixation of native isolates of Sinorhizobium meliloti. Iranian Journal of Soil Research (Soil and Water Science). 26(3), 289-301. [In Persian with English Summary].

Porter, J.R., Sheridan, R.P., 1981. Inhibition of nitrogen fixation in alfalfa by Arsenat, Heavy metals fluoride, and simulated acid rain. Plant Physiology. 68, 143-148.

Rother, J.A., Millbank, J.W., Thornton, I.. 1983. Nitrogen fixation by white clover (Trifolium repens) in grass land soils contaminated with cadmium, lead and zinc. Journal of Soil Science. 34, 127-136.

Sepehri, M., Saleh Rastin, N., Asadi Rahmani, H., Alikhani, H., 2006. Effects of soil pollution by cadmium on nodulation and nitrogen fixation ability of native strains of Sinorhizobium meliloti. Journal of Science and Technology of Agriculture and Natural Resources, Water and Soil Science; 10 (1), 153-163. [In Persian with English Summary].

Skujins, J., Odens. 1986. Sensitivity of soil nitrogenasa to the presence of low concentration of metal ions, pp. 664-667. In: Bollag J.M. and G. Stotzky (eds.) Proceeding of the 4th International Symposium on Microbial Ecology, Ljubiliana.

Tyler, G., 1981. Heavy metals in soil biology and biochemistry. PP. 371-413. In: Paul, E.A., Ladd, J.N. (eds.). Soil Biochemistry, Toronto, Canada.

Vincent, J.M., 1982. Nitrogen fixation in legume. Academic Press.

Witter, E. 1992. Heavy metal concentration in agricultural soils critical to microorganisms. Report no. 4079. Swedish Environmental Protection Agency. Solana.

Yazdi-Samadi, B., Abdemishani, S., 1992. Crop plants breeding. Tehran University Press. [In Persian].

 Zahran, H.H., 1999. Rhizobium-Legume symbiosis and nitrogen fixation under sever conditions and in an arid climate. Microbiological and Molecolar Biology. 63, 968-989.