تأثیر نانوورقه گرافن‌اکسید بر پرآوری و ریزغده‌زایی درون شیشه‌ای در سیب‌زمینی رقم ̓آگریا̒

علوم باغبانی

مقاله 7، دوره 38، شماره 1 - شماره پیاپی 61، اردیبهشت 1403، صفحه 101-115   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jhs.2023.80099.1217

نویسندگان

فرزاد عبدالهی¹؛ علیرضا مطلبی آذر^{* 1}؛ غلامرضا گوهری²؛ بهرام دهدار³؛ امیر کهنمویی⁴؛ فاطمه شریعت⁴

¹گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

²گروه علوم باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه مراغه، مراغه ، ایران

³مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل، اردبیل، ایران

⁴گروه بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

گرافن، نوع جدیدی از نانومواد برپایه کربن است که دارای خواص فیزیکی منحصر به فرد بوده و کاربردهای بیولوژیکی بالقوه مهمی دارا می‌باشد. نانوورقه گرافن‌اکسید (NGO)⁶ پتانسیل زیادی در جهت بهبود عملکرد گیاهان در زمینه‌های مختلف نشان داده است. از تکنولوژی تولید ریزغده نیز به‌عنوان ابزاری برای کاهش زمان لازم به‌منظور تولید منابع اقتصادی ‌گیاه، افزایش کیفیت غده‌های بذری و تولید ریزغده در تمام طول ‌سال استفاده می‌شود. هدف از این مطالعه ارزیابی تأثیر NGO بر بهبود پرآوری و ریزغده‌زایی سیب‌زمینی رقم ̓آگریا̒ در شرایط درون‌شیشه‌ای بود. بدین منظور ریز نمونه‌های تک گره حاصل از گیاهچه‌های درون شیشه‌ای عاری از ویروس روی محیط کشت موراشیگ و اسکوگ تغییر یافته (MS)، دارای چهار غلظت نانوورقه گرافن‌اکسید (NGO) (صفر، 25، 50 و 75 میلی‌گرم بر لیتر) در قالب طرح کاملا تصادفی با چهار تکرار کشت و نگهداری شد و شاخص‌های پرآوری یادداشت‌برداری شد. سپس ریز نمونه‌های تک گره به محیط‌کشت MS با چهار غلظت NGO (صفر، 25، 50 و 75 میلی‌گرم بر لیتر) انتقال یافت و به مدت دو ماه در شرایط تاریکی کامل نگهداری شدند، سپس شاخص‌های تولید ریز‌غده اندازه‌گیری شد. نتایج آزمایش نشان داد که غلظت‌های مختلف NGO در هر دو مرحله پرآوری و ریز غده‌زایی، تأثیر معنی‌داری بر روی همه صفات داشت. بین غلظت‌های مختلف NGO، 75 میلی‌گرم برلیتر غلظت ایده‌آل برای برخی از صفات پرآوری از جمله طول و عرض ‌برگ و وزن‌ترگیاهچه بود. تعداد برگ و ظهور شاخساره نیز به‌ترتیب در غلظت‌های 50 و 25 میلی‌گرم بر لیتر NGO تحت تأثیر اثرات مثبت آن قرار گرفتند. کاربرد 25 میلی‌گرم بر لیتر NGO، بهترین غلظت برای تمام صفات ریزغده‌زایی بجز وزن ریزغده بود. اگرچه این آزمایش بدون استفاده از تنظیم‌کننده‌های رشد انجام شد اما افزودن NGO به محیط‌کشت موجب افزایش عملکرد پرآوری و ریزغده‌زایی گردید. نتایج این پژوهش نشان داد، غلظت‌های 50 و 75 میلی‌گرم بر لیتر NGO ایده‌آل‌ترین غلظت برای مرحله پرآوری و 25 میلی‌گرم بر لیتر NGO مطلوب‌ترین در مرحله ریزغده‌زایی می‌باشند. بنابراین می‌توان NGO را به‌عنوان ابزاری برای ریزازدیادی کارآمد و افزایش کمیت و کیفیت غده‌های بذری سیب زمینی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

پرآوری؛ ریزغده؛ سیب زمینی؛ کشت بافت؛ نانوذرات

مراجع

1. Abelenda, J.A., Bergonzi, S., Oortwijn, M., Sonnewald, S., Du, M., Visser, R.G., & Bachem, C.W. (2019). Source-sink regulation is mediated by interaction of an FT homolog with a sweet protein in potato. Current Biology, 29(7), 1178-1186.
2. Al-Jibouri, A.M.J., Abed, A.S., Hussin, Z.S., & Abdulhusein, A.A. (2017). Effect of nanoparticles on in vitro microtuberization of potato cultivars (Solanum tuberosum). Journal of Biotechnology Research Center, 11(1), 57–61. https://doi.org/10.24126/jobrc.2017.11.1.504
3. Al-Safadi, B., Ayyoubi, Z., & Jawdat, D. (2000). The effect of gamma irradiation on potato microtuber production in vitro. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 61(3), 183-187.
4. Anjum, N.A., Singh, N., Singh, M.K., Sayeed, I., Duarte, A.C., Pereira, E., & Ahmad, I. (2014). Single-bilayer graphene oxide sheet impacts and underlying potential mechanism assessment in germinating faba bean (Vicia faba). Science of the Total Environment, 472, 834-841.
5. Begum, P., Ikhtiari, R., & Fugetsu, B. (2011). Graphene phytotoxicity in the seedling stage of cabbage, tomato, red spinach, and lettuce. Carbon, 49(12), 3907-3919.
6. Bolandi, A.R., Hamidi, H., & Beidokhti, R. (2013). The effect of hormones and photoperiod on in vitro microtuberization of two potato cultivars. Journal of Horticultural Science, 27(2), 158-165. https://doi.org/10.22067/jhorts4.v0i0.24814
7. Chen, J., Yang, L., Li, S., & Ding, W. (2018). Various physiological response to graphene oxide and amine-functionalized graphene oxide in wheat (Triticum aestivum). Molecules, 23(5), 1104.
8. Chen, L., Wang, C., Li, H., Qu, X., Yang, S.T., & Chang, X.L. (2017). Bioaccumulation and toxicity of 13C-skeleton labeled graphene oxide in wheat. Environmental Science & Technology, 51(17), 10146-10153.
9. Chen, Z., Zhao, J., Qiao, J., Li, W., Guan, Z., Liu, Z., & Zhu, H. (2022). Graphene-mediated antioxidant enzyme activity and respiration in plant roots. ACS Agricultural Science & Technology, 2(3), 646-660.
10. Cheng, F., Liu, Y.F., Lu, G.Y., Zhang, X.K., Xie, L.L., Yuan, C.F., & Xu, B.B. (2016). Graphene oxide modulates root growth of Brassica napus and regulates ABA and IAA concentration. Journal of Plant Physiology, 193, 57-63.
11. Coleman, W.K., Donnelly, D.J., & Coleman, S.E. (2001). Potato microtubers as research tools: a review. American Journal of Potato Research, 78, 47-55.
12. Delker, C., Raschke, A., & Quint, M. (2008). Auxin dynamics: the dazzling complexity of a small molecule’s message. Planta, 227, 929-941.
13. (2022). World food and agriculture – Statistical Ppchetbook. )2018(. Rome. 254 pp. Licence: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
14. Forstner, C., Orton, T.G., Skarshewski, A., Wang, P., Kopittke, P.M., & Dennis, P.G. (2019). Effects of graphene oxide and graphite on soil bacterial and fungal diversity. Science of the Total Environment, 671, 140-148.
15. Georgailas, V., Perman, J.A., Tucek, J., & Zboril, R. (2015). Broad family of carbon nanoallotropes: classifiation, chemistry, and applications of fullerenes, carbon dots, nanotubes, graphene, nanodiamonds, and combined superstructures. Chemical reviews, 115(11), 4744-4822. https://doi.org/1021/cr500304f
16. Gopal, J., Chamail, A., & Sarkar, D. (2004). In vitro production of microtubers for conservation of potato germplasm: Effect of genotype, abscisic acid and sucrose. Developmental Biology Plant, 40, 485-490.
17. Guo, X., Zhao, J., Wang, R., Zhang, H., Xing, B., Naeem, M., & Wu, J. (2021). Effects of graphene oxide on tomato growth in different stages. Plant Physiology and Biochemistry, 162, 447-455. https://doi.org/1016/j.plaphy.2021.03.013
18. Hamza, E.M. (2019). Improvement of potato micropropagation and microtubers formation as affected by nanoparticles. Middle East Journal, 8(2), 525-532.
19. He, Y., Hu, R., Zhong, Y., Zhao, X., Chen, Q., & Zhu, H. (2018). Graphene oxide as a water transporter promoting germination of plants in soil. Nano Research, 11, 1928-1937.
20. Hoque, M.E. (2010). In vitro tuberization in potato (Solanum tuberosum). Plant Omics Journal, 3, 7-11.
21. Hu, X., Mu, L., Kang, J., Lu, K., Zhou, R., & Zhou, Q. (2014). Humic acid acts as a natural antidote of graphene by regulating nanomaterial translocation and metabolic fluxes in vivo. Environmental Science & Technology, 48(12), 6919-6927.
22. Huang, C., Xia, T., Niu, J., Yang, Y., Lin, S., Wang, X., & Xing, B. (2018). Transformation of 14C‐Labeled Graphene to 14CO₂ in the shoots of a rice plant. Angewandte Chemie, 130(31), 9907-9911.
23. Jami, J.M., & Ghorbani, M. (2018). The effect of carbon nanotubes on in vitro micropropagation of two potato (Solanum tuberosum L.) cultivars. 4^th Iranian Scientific Congress on Development and Promotion of Agricultural Sciences, Natural Resources and Environment of Iran.
24. Jiao, J., Cheng, F., Zhang, X., Xie, L., Li, Z., Yuan, C., & Zhang, L. (2016). Preparation of graphene oxide and its mechanism in promoting tomato roots growth. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 16(4), 4216-4223.
25. Kah, M., Tufenkji, N., & White, J.C. (2019). Nano-enabled strategies to enhance crop nutrition and protection. Nature Nanotechnology, 14(6), 532-540.
26. Khodakovskaya, M.V., Kim, B.S., Kim, J.N., Alimohammadi, M., Dervishi, E., Mustafa, T., & Cernigla, C.E. (2013). Carbon nanotubes as plant growth regulators: effects on tomato growth, reproductive system, and soil microbial community. Small, 9(1), 115-123.
27. Khodakovskaya, M., Dervishi, E., Mahmood, M., Xu, Y., Li, Z., Watanabe, F., & Biris, A.S. (2009). Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth. ACS Nano, 3(10), 3221-3227.
28. Lalwani, G., Xing, W., & Sitharaman, B. (2014). Enzymatic degradation of oxidized and reduced graphene nanoribbons by lignin peroxidase. Journal of Materials Chemistry B, 2(37), 6354-6362.3.
29. Lin, D., & Xing, B. (2007). Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth. Environmental Pollution, 150(2), 243-250.
30. Liu, D., Lü, Y., & Luo, H. (2022). Effects of oxidized graphene on seed germination and seedling growth of Amorpha fruticose. Seed, 41, 14-18.
31. Liu, R., Zhao, M., Zheng, X., Wang, Q., Huang, X., Shen, Y., & Chen, B. (2021). Reduced graphene oxide/TiO₂ (B) immobilized on nylon membrane with enhanced photocatalytic performance. Science of The Total Environment, 799, 149370.
32. Liu, S., Wei, H., Li, Z., Li, S., Yan, H., He, Y., & Tian, Z. (2015). Effects of graphene on germination and seedling morphology in rice. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 15(4), 2695-2701. https://doi.org/1166/jnn.2015.9254
33. Mahendran, D., Geetha, N., & Venkatachalam, P. (2019). Role of silver nitrate and silver nanoparticles on tissue culture medium and enhanced the plant growth and development. In In vitro Plant Breeding towards Novel Agronomic Traits (pp. 59-74). Springer, Singapore.
34. Mahmodi Soreh, S., Motallebi Azar, A., Panahandeh, J., Gohari, G., & Jahanian, A. (2023). Effect of glycine betaine nanocomposite coated with chitosan and moderate salinity stress on in vitro microtuberization of potato (Solanum tuberosum) cv. Agria. Journal of Horticultural Science, 37(2), 437-451. (In Persian with English abstract). https://doi.org/10.22067/jhs.2022.76343.1165
35. Maliki, R., & Mohammadi, M. (2017). Application of nanotechnology in agriculture and food industry (case study of Sahar Hamedan Food Industry Company), 11^th National Congress of Biosystem Mechanical Engineering and Mechanization of Iran, Hamedan.
36. Møller, I.M., Jensen, P.E., & Hansson, A. (2007). Oxidative modifications to cellular components in plants. Annual Rev. Plant Biology, 58, 459-481.
37. Nair, R.R., Wu, H.A., Jayaram, P.N., Grigorieva, I.V., & Geim, A.K. (2012). Unimpeded permeation of water through helium-leak–tight graphene-based membranes. Science, 335(6067), 442-444.
38. Noh, S.A., Lee, H.S., Huh, E.J., Huh, G.H., Paek, K.H., Shin, J.S., & Bae, J.M. (2010). SRD1 is involved in the auxin-mediated initial thickening growth of storage root by enhancing proliferation of metaxylem and cambium cells in sweetpotato (Ipomoea batatas). Journal of Experimental Botany, 61(5), 1337-1349.
39. Pots, A.M., Gruppen, H., van Diepenbeek, R., van der Lee, J.J., van Boekel, M.A.J.S., Wijngaards, G., & Voragen, A.G.J. (1999). The effect of storage of whole potatoes of three cultivars on the patatin and protease inhibitor content; a study using capillary electrophoresis and MALDI‐TOF mass spectrometry. Journal of the Science of Food and Agriculture, 79(12), 1557-1564.
40. Pumera, M., Ambrosi, A., Bonanni, A., Chng, E.L.K., & Poh, H.L. (2010). Graphene for electrochemical sensing and biosensing. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 29(9), 954-965.
41. Sasani, R., Khazaei, H.R., & Nezami, A. (2010). Effects of Gibberellin, Benzyl adenine, Zeatine hormones and temperature on dormancy breaking of potato minituber (Solanum tuberosum). Journal of Horticultural Science, 23(2).
42. Sheikhi, F., Roayaei Ardakani, M., Enayatzamir, N., & Ghezelbash, G. (2014). Isolation and identification of two laccase producer fungi from bagass and sugarcane rhizosphere. Cellular and Molecular Research (Iranian Journal of Biology), 27(3), 389-398.
43. Simm, S., Scharf, K.D., Jegadeesan, S., Chiusano, M.L., Firon, N., & Schleiff, E. (2016). Survey of genes involved in biosynthesis, transport, and signaling of phytohormones with focus on Solanum lycopersicum. Bioinformatics and Biology insights, 10, BBI-S38425.
44. Wu, X.J., Wang, G.L., Song, X., Xu, Z.S., Wang, F., & Xiong, A.S. (2016). Regulation of auxin accumulation and perception at different developmental stages in carrot. Plant Growth Regulation, 80, 243-251.
45. Yijia, H., Ruirui, H., Yujia, Z., Xuanliang, Z., Qiao, C., & Hongwei, Z. (2017). Graphene oxide as a water transporter promoting germination of plants in soil. Nano Research, 1–10.
46. Yin, L., Wang, Z., Wang, S., Xu, W., & Bao, H. (2018). Effects of Graphene Oxide and/or Cd 2+ on Seed germination, seedling growth, and uptake to Cd 2+ in solution culture. Water, Air, & Soil Pollution, 229(5), 151.
47. Zhang, P., Guo, Z., Luo, W., Monikh, F.A., Xie, C., Valsami-Jones, E., & Zhang, Z. (2020). Graphene oxide-induced pH alteration, iron overload, and subsequent oxidative damage in rice (Oryza sativa): A new mechanism of nanomaterial phytotoxicity. Environmental Science & Technology, 54(6), 3181-3190.
48. Zhang, X., Cao, H., Zhao, J., Wang, H., Xing, B., Chen, Z., & Zhang, J. (2021). Graphene oxide exhibited positive effects on the growth of Aloe vera Physiology and Molecular Biology of Plants, 27, 815-824. https://doi.org/10.1007/s12298-021-00979-3