معرفی کی‌لیت‌های اسید آمینه و کیتوسان آهن به عنوان منبع قابل دسترس آهن در محلول غذایی برای گیاهان با استراتژی I و II

آب و خاک

مقاله 5، دوره 34، شماره 5 - شماره پیاپی 73، زمستان 1399، صفحه 1061-1079  

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v34i5.84738

نویسندگان

اتنا میربلوک¹؛ میر حسن میر حسن رسولی صدقیانی میر حسن رسولی صدقیانی^{* 2}؛ ابراهیم سپهر³؛ امیر لکزیان⁴؛ محمد حکیمی⁵

¹دانش‌آموخته دکتری گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

²استاد گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

³دانشیار گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

⁴استاد گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

⁵استاد گروه شیمی، دانشگاه پیام نور مرکز مشهد

چکیده

فراهمی مقدار کافی از عنصر آهن قابل دسترس برای گیاهان در محلول‌های غذایی یک چالش بزرگ است. کی‌لیت کننده‌های رایج که در محلول‌های غذایی برای فراهمی عنصر آهن استفاده می‌شوند، مضرات زیادی دارند و می‌توانند اثرات منفی روی رشد گیاهان داشته باشند. در این تحقیق کی‌لیت‌های اسیدهای آمینه و آهن شامل گلایسین-آهن (Fe-Gly)، فنیل آلانین-آهن (Fe-Phe)، تیروزین-آهن (Fe-Tyr) و متیونین–آهن (Fe-Met) و کی‌لیت‌های کیتوسان به دو فرم هیدرولیز شده‌ی اسیدی [Fe-C(A.hyd)] و آنزیمی [Fe-C(E.hyd)] سنتز و ویژگی‌های شیمیایی آنها با اسپکتروسکوپی IR و آنالیز CHN انجام شد. سپس کارایی این منابع آهن در مقایسه با Fe-EDDHA برای دو گیاه لوبیا (استراتژی I) و ذرت (استراتژی II) در محیط آبکشت بررسی گردید. کاربرد برخی از کی‌لیت‌های آلی اسیدهای آمینه و کیتوسان به طور معنی‌داری وزن خشک اندام هوایی گیاهان را در مقایسه با Fe-EDDHA افزایش داد. بیشترین مقدار آهن در اندام هوایی گیاهان ذرت و لوبیا در کاربرد کی‌لیت‌های Fe-Tyr، Fe-Met و [Fe-C(A.hyd)] مشاهده گردید. کاربرد کی‌لیت‌های مورد مطالعه منجر به تجمع آهن در ریشه‌ها گردید، لیکن بیشترین مقدار انتقال آهن به اندام‌های هوایی در گیاهانی که در معرض کی‌لیت‌های [Fe-C(A.hyd)] و Fe-Tyr بودند، اتفاق افتاد. بیش از 50 درصد آهن در کمپلکس با Fe-Tyr در گیاه لوبیا و در کمپلکس با Fe-C(A.hyd) در ذرت و لوبیا از ریشه به اندام‌های هوایی انتقال یافتند. استفاده از کی‌لیت‌های آلی آهن در محیط رشد گیاه فعالیت آنزیم فریک کیلیت رداکتاز (FCR) برگ را در دو گیاه لوبیا و ذرت در مقایسه با Fe-EDDHA افزایش داد. با این‌حال میانگین کلی فعالیت این آنزیم در گیاه لوبیا بیشتر از ذرت بود. نتایج به دست آمده نشان داد که استفاده از برخی کی‌لیت‌های آلی آهن در محلول‌های غذایی در مقایسه با Fe-EDDHA می‌تواند مقادیر کافی از آهن را برای جذب گیاه فراهم کند و همچنین رشد اندام هوایی و ریشه گیاه لوبیا و ذرت را بهبود بخشد. بر طبق نتایج این کی‌لیت‌ها می‌توانند به عنوان یک جانشین برای فراهمی آهن به جای Fe-EDDHA در محلول‌های غذایی به کار روند.

کلیدواژه‌ها

اسیدهای آمینه؛ ذرت؛ فاکتور انتقال؛ فریک کیلیت رداکتاز؛ کیتوسان؛ لوبیا؛ کی‌لیت

مراجع

1. 1. Aciksoz S.B., Atilla Y., and Levent O. 2011. "Biofortification of wheat with iron through soil and foliar application of nitrogen and iron fertilizers. Journal Plant and Soil 349(1-2): 215-225.
   2. Águila-Almanza E., René S., Zully V.G., Edgar G.H., and Heriberto H.C. 2019. Enzymatic Depolimerization of Chitosan for the Preparation of Functional Membranes. 2019. Journal of Chemistry.
   3. Albano Joseph P., and William B Miller. 2001. Photodegradation of FeDTPA in nutrient solutions. I. Effects of irradiance, wavelength, and temperature. HortScience 36 (2): 313-316.
   4. Álvarez-Fernández A., García-Laviña P., Fidalgo C., Abadía J., and Abadía A. 2004. Foliar fertilization to control iron chlorosis in pear (Pyrus communis L.) trees. Journal Plant and Soil 263(1): 5-15.
   5. Belokon Yuri N., Vladimir I Bakhmutov., Nina I Chernoglazova., Konstantin A Kochetkov., Sergei V Vitt., Natalia S Garbalinskaya., and Vasili M %J Belikov, Perkin. 1988. General method for the asymmetric synthesis of α-amino acids via alkylation of the chiral nickel (II) Schiff base complexes of glycine and alanine. Journal of the Chemical Society (2): 305-312.
   6. Bradford Marion M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Journal Analytical Biochemistry 72(1-2): 248-254.
   7. Brüggemann W., Klaudia M.K., and Petra R. 1993. Iron uptake by leaf mesophyll cells: the role of the plasma membrane-bound ferric-chelate reductase. Journal Planta Moog 190(2): 151-155.
   8. Caiqin Q., Xiao L., Du Y., Shi X., and Chen J. 2002. A new cross-linked quaternized-chitosan resin as the support of borohydride reducing agent. Reactive and Functional Polymers 50(2):165-171.
   9. Cerdán M., Antonio Sánchez‐Sánchez, Margarita J., Juan J Sánchez‐Andreu, Juana D Jordá., and Dolores B. 2007. Partial replacement of Fe (o, o‐EDDHA) by humic substances for Fe nutrition and fruit quality of citrus. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 170(4): 474-478.
   10. Chaney Rufus L., John C Brown., and Lee O Tiffin. 1972. Obligatory reduction of ferric chelates in iron uptake by soybeans. Plant Physiology 50(2): 208-213.
   11. Chapman Homer D., and FP Pratt. 1961. Methods of analysis for soils, plants and waters, Univ. of California Div." Journal Agrculture Science 168-169.
   12. Chen L., Adriana O.L., Alan J., and Daniel R Bush. 2001. ANT1, an aromatic and neutral amino acid transporter in Arabidopsis. Plant Physiology 125(4): 1813-1820.
   13. El Bassiouny HMS., and HA Mostafa. 2008. "Physiological responses of wheat plant to foliar treatments with arginine or putrescine."
   14. Garcia-Brugger A., Olivier L., Elodie V., Stéphane B., Lecourieux D., Poinssot B., Wendehenne D., and Alain P. 2006. Early signaling events induced by elicitors of plant defenses. Molecular Plant-Microbe Interactions 19(7): 711-724.
   15. Ghasemi S., Khoshgoftarmanesh A.H., Hadadzadeh H., and Afyuni M. 2013. Synthesis, characterization, and theoretical and experimental investigations of zinc (II)–amino acid complexes as ecofriendly plant growth promoters and highly bioavailable sources of zinc. Journal of Plant Growth Regulation 32(2): 315-323.
   16. Ghasemi S., Khoshgoftarmanesh A.H., Hadadzadeh H., and Jafari M. 2012. Synthesis of iron-amino acid chelates and evaluation of their efficacy as iron source and growth stimulator for tomato in nutrient solution culture. Journal of Plant Growth Regulation 31(4): 498-508.
   17. Hangarter Roger P., and Triant C Stasinopoulos. 1991. "Effect of Fe-catalyzed photooxidation of EDTA on root growth in plant culture media. Plant Physiology 96(3): 843-847.
   18. Hoell Ingunn A., Gustav V.K., and Vincent GH Eijsink. 2010. Structure and function of enzymes acting on chitin and chitosan. Biotechnology and Genetic Engineering Reviews 27(1): 331-366.
   19. Hsu Hsin-Hung. 1986. Chelates in Plant Nutritio.
   20. Jones D.L., Hodge A., and Kuzyakov Y. 2004. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytologist 163(3): 459-480.
   21. Jones DL., and Hodge A. 1999. Biodegradation kinetics and sorption reactions of three differently charged amino acids in soil and their effects on plant organic nitrogen availability. Soil Biology and Biochemistry 31(9): 1331-1342.
   22. Kang Seong I., and You Han Bae. 2003. A sulfonamide based glucose-responsive hydrogel with covalently immobilized glucose oxidase and catalase. Journal of Controlled Release 86(1): 115-121.
   23. Kobayashi T., and Naoko K Nishizawa. 2012. "Iron uptake, translocation, and regulation in higher plants. Annual Review of Plant Biology 63: 131-152.
   24. Kosegarten H., Hoffmann B., and Mengel K. 2001. The paramount influence of nitrate in increasing apoplastic pH of young sunflower leaves to induce Fe deficiency chlorosis, and the re‐greening effect brought about by acidic foliar sprays. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 164(2): 155-163.
   25. Kulikov S.N., Svetlana A Lisovskaya., Pavel V Zelenikhin., Evgeniya A Bezrodnykh., Diana R Shakirova., Inesa V Blagodatskikh., and Vladimir E Tikhonov. 2014. Antifungal activity of oligochitosans (short chain chitosans) against some Candida species and clinical isolates of Candida albicans: Molecular weight–activity relationship. European Journal of Medicinal Chemistry 74: 169-178.
   26. Kulikov S., Tikhonov V., Blagodatskikh I., Bezrodnykh E., Lopatin S., Khairullin R., Philippova Y., and Sergey Abramchuk. 2012. Molecular weight and pH aspects of the efficacy of oligochitosan against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Carbohydrate Polymers 87(1): 545-550.
   27. Kutman U Baris., Yildiz B., Ozturk L., and Cakmak. 2010. Biofortification of durum wheat with zinc through soil and foliar applications of nitrogen. Ismail Journal Cereal Chemistry 87(1): 1-9.
   28. López M., Flor A., Michael A Grusak., Anunciación A., and Javier A. 2013. Iron deficiency in plants: an insight from proteomic approaches. Frontiers in Plant Science 4:254.
   29. Lucena Juan J. 2006. Synthetic iron chelates to correct iron deficiency in plants. In Iron nutrition in plants and rhizospheric microorganisms. 103-128. Springer.
   30. Lucena Juan J., Agustín G., and Villén M. 2010. Stability in solution and reactivity with soils and soil components of iron and zinc complexes. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 173(6): 900-906.
   31. Manthey JA., DL McCoy., and DE Crowley. 1994. Stimulation of rhizosphere iron reduction and uptake in response to iron deficiency in citrus rootstocks. Plant Physiology and Biochemistry.
   32. Marschner H. 1995. Function of mineral nutrients: micronutrients. Mineral nutrition of higher plants.
   33. Marschner H. 2011. Marschner's mineral nutrition of higher plants: Academic press.
   34. Metsärinne S., Rantanen P., Aksela R., and Tuhkanen T. 2004. Biological and photochemical degradation rates of diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) in the presence and absence of Fe (III). Chemosphere 55(3): 379-388.
   35. Mikami Y., Saito A., Miwa E., Higuchi K. 2011. Allocation of Fe and ferric chelate reductase activities in mesophyll cells of barley and sorghum under Fe-deficient conditions. Plant Physiology and Biochemistry 49(5): 513-519.
   36. Muhammad A., WT Frankenberger Jr. 1990. Response of Zea mays and Lycopersicon esculentum to the ethylene precursors, smallcap˜ L-methionine and smallcap˜ L-ethionine applied to soil. Plant and Soil 122(2): 219-227.
   37. Näsholm T., Kielland K., and Ganeteg U. 2009. Uptake of organic nitrogen by plants. New Phytologist 182(1): 31-48.
   38. Ngatia EM., Gathece LW., Macigo FG., Mulli TK., Mutara LN., and Wagaiyu LG. 2008. Nutritional and oral health status of an elderly population in Nairobi. East African Medical Journal 85(8): 378-385.
   39. Nomiya K., and Yokoyama H., Transactions D. 2002. Syntheses, crystal structures and antimicrobial activities of polymeric silver (I) complexes with three amino-acids [aspartic acid (H 2 asp), glycine (Hgly) and asparagine (Hasn)]. Journal of the Chemical Society (12): 2483-2490.
   40. Okamoto M., and Okada K. 2004. Differential responses of growth and nitrogen uptake to organic nitrogen in four gramineous crops. Journal of Experimental Botany 55(402): 1577-1585.
   41. Pantaleone D., and Yalpani M. 1992. Unusual susceptibility of chitosan to enzymic hydrolysis. Carbohydrate Research Scollar 237(1): 325-332.
   42. Prabaharan M., and JF Mano. 2004. Chitosan-based particles as controlled drug delivery systems. Drug Delivery 12(1): 41-57.
   43. Ramírez MA., T Rodríguez A., Alfonso L., and Peniche C. 2010a. Chitin and its derivatives as biopolymers with potential agricultural applications. Biotecnología Aplicada 27(4): 270-276.
   44. Ramírez MA., T Rodríguez A., Alfonso L., and Peniche C. 2010b. Chitin and its derivatives as biopolymers with potential agricultural applications. Biotecnología Aplicada 27(4): 270-276.
   45. Rashad El-Sh M., El-Abagg HM., and Amin AA. 2003. Physiological effects of some bioregulators on growth and productivity of two broad bean cultivars. Egypt Journal Appl Science 18: 132-149.
   46. Rombolà AD., Brüggemann W., Tagliavini M., Marangoni B., and Moog PR. 2000. Iron source affects iron reduction and re‐greening of kiwifruit (Actinidia deliciosa) leaves. Journal of Plant Nutrition 23(11-12): 1751-1765.
   47. Ruiz Juan M., Baghour M., and Romero L. 2000. Efficiency of the different genotypes of tomato in relation to foliar content of Fe and the response of some bioindicators. Journal of Plant Nutrition 23(11-12): 1777-1786.
   48. Sánchez A.S., Margarita J., Sánchez-Andreu J., Jordá J., and Bermúdez D. 2005. Use of humic substances and amino acids to enhance iron availability for tomato plants from applications of the chelate FeEDDHA. Journal of Pant Nutrition 28(11): 1877-1886.
   49. Smith Brandon R., and Cheng L. 2007. Iron assimilation and carbon metabolism in ‘Concord’grapevines grown at different pHs. Journal of the American Society for Horticultural Science 132(4): 473-483.
   50. Smith Robert M., and Arthur E Martell. 1987. Critical stability constants, enthalpies and entropies for the formation of metal complexes of aminopolycarboxylic acids and carboxylic acids. Science of the Total Environment 64(1-2): 125-147.
   51. Svennerstam H., Ulrika G., and Näsholm T. 2008. Root uptake of cationic amino acids by Arabidopsis depends on functional expression of amino acid permease 5. New Phytologist 180(3): 620-630.
   52. Vadas Timothy M., Zhang X., Ashley M Curran., and Beth A Ahner. 2007. Fate of DTPA, EDTA, and EDDS in hydroponic media and effects on plant mineral nutrition. Journal of Plant Nutrition 30(8): 1229-1246.
   53. Villén M., Lucena J.J., Carmen Cartagena M., Raquel B., Josemaría García-M., and Ignacia Martín de la Hinojosa M. 2007. Comparison of two analytical methods for the evaluation of the complexed metal in fertilizers and the complexing capacity of complexing agents. Journal of Agricultura and Food Chemistry 55(14): 5746-5753.
   54. Yildiz Dasgan H., Levent O., Abak K., and Cakmak. 2003. Activities of Iron‐Containing Enzymes in Leaves of Two Tomato Genotypes Differing in Their Resistance to Fe Chlorosis. Journal of Plant Nutrition 26(10-11): 1997-2007.
   55. Zhang Y., Rongli Shi., Karim Md R., Fusuo Z., Chunqin Z. 2010. Iron and zinc concentrations in grain and flour of winter wheat as affected by foliar application. Journal of Agricultural and Food Chemistry 58(23): 12268-12274.