نقش گلومالین تولیدی توسط قارچ Rhizophagus irregularis در تثبیت ریشه ‏ای کادمیوم توسط شبدر سفید (Trifolium repens L.)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل دکتری بیولوژی و بیوتکنولوژی خاک، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

2 استاد گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

3 استاد گروه ایمونولوژی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تبریز

چکیده

تثبیت ریشه‏ای فلزات سنگین توسط گلومالین از جمله ساز و کارهای حفاظتی قارچ‏های میکوریزی در پاسخ به تنش فلزی است. با این پیش‏فرض، نقش قارچ Rhizophagus irregularis در همزیستی با گیاه شبدر سفید در تثبیت ریشه‏ای کادمیوم و تولید گلومالین و سهم آن در سکوستره‏سازی کادمیوم در ریشه بررسی گردید. آزمایشی گلدانی در آرایش فاکتوریل در قالب طرح بلوک کامل تصادفی شامل دو فاکتور، قارچ (با و بدون قارچ میکوریزی) و سطوح کادمیوم (0، 15، 30 و 45 میکرومولار Cd+2) در پنج تکرار طراحی گردید. نتایج نشان داد کلنیزاسیون ریشه گیاهان توسط قارچ Rhizophagus irregularis منجر به بهبود تغذیه‏ فسفری و وزن خشک اندام هوایی و ریشه در مقایسه با گیاهان غیرمیکوریزی گردید. با افزایش غلظت کادمیوم، کارآیی جذب و استخراج گیاهی افزایش و کارآیی انتقال گیاهی کادمیوم از ریشه به اندام هوایی کاهش یافت. کارآیی جذب گیاهی کادمیوم در گیاهان میکوریزی به ‏طور معنی‏داری بیشتر از گیاهان غیرمیکوریزی بود. گرچه، کارآیی انتقال گیاهی از نظر آماری تفاوت معنی‏داری بین گیاهان میکوریزی و غیرمیکوریزی نداشت ولی این فاکتور در گیاهان میکوریزی کمتر از غیرمیکوریزی بود. از سوی دیگر، جذب کادمیوم در ریشه بیشتر از اندام هوایی بود، همچنین مقدار کادمیوم ریشه در گیاهان میکوریزی بیشتر از گیاهان غیرمیکوریزی بود. بنابراین، گیاه شبدر میکوریزی در تثبیت ریشه‏ای کادمیوم نقش موثرتری داشت. با افزایش غلظت کادمیوم، تولید گلومالین ریشه و مقدار کادمیوم سکوستره شده توسط آن نیز به ‏طور معنی‏داری افزایش یافت. در نتیجه، سهم بیشتر ریشه گیاهان میکوریزی در جذب کادمیوم می‏تواند به دلیل سکوستره‏سازی کادمیوم در ساختارهای قارچی ریشه باشد. گلومالین به‏عنوان پروتئین القایی تنش و ترکیب مهم و موثر دیواره اسپور و هیف قارچ AM در حفاظت گیاه میزبان از اثرات سمی کادمیوم در نقش پروتئین شوک حرارتی و نیز کاهش قابلیت دسترسی زیستی آن، نقش مهم و کلیدی در تثبیت ریشه‏ای کادمیوم دارد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Contribution of Glomalin Produced by Rhizophagus irregularis to Root Stabilization of Cd by White Clover (Trifolium repens L.)

نویسندگان [English]

  • Elham Malekzadeh 1
  • Nasser Aliasgharzad 2
  • Jafar Majidi 3
چکیده [English]

Root stabilization of heavy metals (HMs) by glomalin is one of the protective mechanisms of mycorrhizal fungi in response to metal stress. Considering this hypothesize, the contribution of Rhizophagus irregularis in symbiosis with white clover (Trifolium repens L.) to root stabilization of Cd, glomalin production by the fungus, and Cd sequestration was investigated. A pot culture experiment was conducted as completely randomized block design by two factors including arbuscular mycorrhizal fungus (inoculated with R. irregularis and non-inoculated) and four levels of Cd+2 (0, 15, 30 and 45 µM) with five replications. The results showed that the root colonization by R. irregularis improved phosphorus nutrition, shoot and root dry weights compared to the non-mycorrhizal plants. With increasing of Cd concentration, plant uptake and extraction efficiency of Cd increased but Cd translocation efficiency decreased. Uptake efficiency of Cd in mycorrhizal plants was higher than non-mycorrhizal ones. Translocation efficiency of Cd in mycorrhizal plants was lower than non-mycorrhizal ones, although this factor showed no significant difference between mycorrhizal and non-mycorrhizal plants. Moreover, Cd uptake by roots was higher than shoots and this portion in mycorrhizal plants was higher than non-mycorrhizal ones. Therefore, mycorrhizal clover plants had higher contribution to root stabilization of Cd. Glomalin production and its Cd sequestration capacity was significantly increased as Cd concentration increased. As a result, higher contribution of mycorrhizal roots to Cd uptake can be due to sequestration of Cd in fungal structures inside the roots. Consequently, glomalin could be considered as an induced-stress protein as well as a vital and effective component of spore and hyphal cell wall of the fungus. Glomalin as a heat shock protein, has important role in Cd root stabilization via protection of host plant from toxic effects of Cd and reduction of the Cd bioavailability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Arbuscular mycorrhizal fungi
  • Cadmium
  • ELISA
  • Glomalin
  • phytoremediation
References

Audet P., and Charest C. 2006. Effects of AM colonization on ‘wild tobacco’ grown in zinc contaminated soil. Mycorrhiza, 16: 277-283.  

Bradford M.M. 1976. A rapid sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilising the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry, 72: 248-254.

Bressano M., Curetti M., Giachero L., Gil S.V., Cabello M., March G., Ducasse D.A., and Luna C.M. 2010. Mycorrhizal fungi symbiosis as a strategy against oxidative stress in soybean plants. Journal of Plant Physiology, 167(18): 1622- 1626.

Cottenie A. 1980. Methods of Plant Analysis. In: Soil and Plant Testing. FAO Soils Bulletin, NO 38/2, pp. 94-100.

Feddermann N., Roger F., Boller T., and Elfstrand M. 2010. Functional diversity in arbuscular mycorrhiza – the role of gene expression, phosphorous nutrition and symbiotic efficiency. Fungal Ecology, 3: 1-8.

Ferreira A.S., Totola M.R., Kasuya M.C.M., Araujo E.F., and Borges A.C. 2005. Small heat shock proteins in the development of thermotolerance in Pisolithu ssp. Journal of Thermal Biology, 30: 595–602.

Gadkar V., and Rillig M.C. 2006. The arbuscular mycorrhizal fungal protein glomalin is a putative homolog of heat shock protein 60. FEMS Microbiology Letters, 263: 93-101.

Gaur A., and Adholeya A. 2004. Prospects of arbuscular mycorrhizal fungi in phytoremediation of heavy metal contaminated soils. Current Science, 86: 528-534.

Gohre V., and Paszkowski U. 2006. Contribution of the arbuscular mycorrhizal symbiosis to heavy metal phytoremediation. Planta, 223: 1115–1122.

Gonzalez-Chavez M.C., Carrillo-Gonzalez R., Wright S.F., and Nichols K.A. 2004. The role of glomalin, a protein produced by arbuscular mycorrhizal fungi, in sequestering potentially toxic elements. Environmental Pollution, 130: 317-323.        

Hammer E.C., and Rillig M.C. 2011. The Influence of different stresses on glomalin levels in an arbuscular mycorrhizal fungus- salinity increases glomalin content. PLoS One, 6(12): 1-5.

Janouskova M., Pavlikova D., Macek T., and Vosatka M. 2005. Arbuscular mycorrhiza decreases cadmium phytoextraction by transgenic tobacco with inserted metallothionein. Plant and Soil, 272: 29–40.

Jansa J. Finlay R., Wallander H., Smith F., and Smith E. 2011. Role of mycorrhizal symbioses in phosphorus cycling. Soil Biology, 100: 137-168.

Kabata-Pendias A. 2011. Trace Elements in Soils and Plants, 4td edition. CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, USA, 548p.

Kormanik P.P., and McGraw A.C. 1982. Quantification of vesicular-arbuscular mycorrhizae in plant roots. In: Schenck, N.C. (Eds.), Methods and Principles of Mycorrhizal Research. American Phytopathological Society, Saint Paul, MN, pp. 37-45.

Liang C., Li T., Xiao Y., and Liu M. 2009. Effects of inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi on maize grown in multi-metal contaminated soils. International Journal of Phytoremediation, 11: 692-703.

Lombi E., Wenzel W.W., Gobran G.R., and Adriano D.C. 2001. Dependency of metals on indigenous and induced rhizosphere processes: A review. In: Gobran G.R., Wenzel W.W., and Lombi E. (Eds.), Trace Elements in the Rhizopshere.  CRC Press, Boca Raton, Florida, pp, 3-24.

Malekzadeh E., Aliasgharzad N., Majidi J., Abdolalizadeh J., and Aghebati-Maleki L. 2016. Contribution of glomalin to Pb sequestration by arbuscular mycorrhizal fungus in a sand culture system with clover plant. European Journal of Soil Biology, 74: 45-51.

Millner P.D., and Kitt D.G. 1992. The Beltsville method for soilless production of vesicular arbuscular mycorrhizal fungi. Mycorrhiza, 2: 9-15.

Mulligan C.N., Yong R.N., and Gibbs B.F. 2001. Remediation technologies for metal-contaminated soils and groundwater: an evaluation. Engineering Geology, 60: 193–207.

Nichols K.A., and Wright S.F. 2005. Comparison of glomalin and humic acid in eight native United State soils. Soil Science, 170: 985-997.           

Pawlowska T.E., and Charvat I. 2004. Heavy-metal stress and developmental patterns of arbuscular mycorrhizal fungi. Applied and Environmental Microbiology, 70: 6643-6649.

Purin S., and Rillig M.C. 2007. The arbuscular mycorrhizal fungal protein glomalin: Limitations, progress, and a new hypothesis for its function. Pedobiologia, 51: 123-130.

Rillig M.C., and Steinberg P.D. 2002. Glomalin production by an arbuscular mycorrhizal fungus, a mechanism of habitat modification? Soil Biology and Biochemistry, 34: 1371-1374.

Rosier C.L., Hoye A.T., and Rillig M.C. 2006. Glomalin-related soil protein: Assessment of current detection and qualification tools. Soil Biology and Biochemistry, 38: 2205-2211.

Shevyakova N.I., Il'ina E.N., and Kuznetsov V.V. 2008. Polyamines increase plant potential for phytoremediation of soils polluted with heavy metals. Doklady Biological Sciences, 423: 457–460.

Soleimani M., Akbar S., and Hajabbasi M.A. 2011. Enhancing Phytoremediation Efficiency in Response to Environmetal Pollution Stress. In: Vasanthaiah, H.K.N., and Kambiranda, D.M. (Eds.), Plants and Environment. In Tech-Open Access Publisher, pp, 1-14.

Vaidya G.S., Rillig M.C and Wallander H. 2011. The role of glomalin in soil erosion. Scientific World, 9(9): 82-85.

Waling I., Vark W.V., Houba V.J.G., and Vanderlee J.J. 1989. Soil and plant analysis, a series of syllabi: Part7- Plant Analysis Procedures. Wageningen Agricultural University, Netherlands.

Wang F.Y., Lin X.G., and Yin R. 2007. Inoculation with arbuscular mycorrhizal fungus Acaulospora mellea decrease Cu phytoextraction by maize from Cu-contaminated soil. Pedobiologia, 51: 99-109.

Wang Z.H., Yuan K., and Yang L. 2013. Response of maize leaf proteins induced/modulated by AM mycorrhizal inoculation and (or) arsenic stress. China Agriculture Science, 46(18): 3758-3767.

Wright S.F., Franke-Snyder M., Morton J.B., and Upadhyaya A. 1996. Time-course study and partial characterization of a protein on hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi during active colonization of roots. Plant and Soil, 181: 193-203.