پاسخ‌های مورفوفیزیولوژیکی و زیست‌شیمیایی نهال‌‌های صنوبر تبریزی (.Populus nigra L) به تنش شوری

نوع مقاله : علمی- پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول، استادیار، مؤسسه تحقیقات جنگلها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

2 دانشیار، مؤسسه تحقیقات جنگلها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

3 استادیار، مؤسسه تحقیقات جنگلها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: یکی از عوامل خاکیِ محدودکننده رشد و توسعه گیاهان، شوری است که با تجمع املاح در خاک تحت تأثیر عوامل مختلف به وجود می‌‌آید. سطح وسیعی از خاک‌‌های کشور، شور هستند. شوری خاک می‌‌تواند تاحد زیادی، کشت گونه‌‌های مختلف صنوبر را محدود کند، بنابراین تعیین دامنه تحمل به تنش شوری گونه‌‌ها و کلن‌‌های مختلف صنوبر می‌‌تواند راهنمای خوبی برای زراعت چوب در اراضی شور باشد. هدف از پژوهش پیش‌رو، بررسی پاسخ‌های ریخت‌شناختی، فیزیولوژیکی و زیست‌شیمیایی صنوبر تبریزی- سالاری (Populus nigra L. 62/154) به سطوح مختلف تنش شوری است. این کلن به‌عنوان یک کلن صنوبر پرمحصول، به‌‌طور وسیعی در نقاط مختلف کشور در زراعت چوب استفاده می‌شود.
مواد و روش‌‌ها: تحت شرایط کنترل‌شده طی یک مطالعه گلدانی در قالب طرح کامل تصادفی، برخی پاسخ‌های ریخت‌شناختی، فیزیولوژیکی و زیست‌شیمیایی رقم سالاری به سطوح مختلف تنش شوری (صفر، 50، 100، 150 و 200 میلی‌‌مولار) بررسی شد. بدین منظور، قلمه‌‌های صنوبر مورد مطالعه از خزانه تحقیقاتی بخش تحقیقات صنوبر در ایستگاه تحقیقاتی البرز تهیه و در گلدان‌‌های پرشده با خاکی با بافت لومی- رسی کاشته شدند. گلدان‌‌ها در طول انجام آزمایش در فضای بازِ مسقف نگهداری شدند. در ابتدا، قلمه‌‌های صنوبر به‌مدت سه ماه تحت شرایط آبیاری با آب معمولی رشد کردند. پس از طی این دوره، نهال‌های مورد مطالعه تحت تنش شوری با استفاده از آبیاری با آب شور (نمک NaCl) در پنج سطح شوری ذکرشده قرار گرفتند. پس از گذشت شش هفته، مؤلفه‌های زنده‌‌ماندنی، رشد و تولید زی‌‌توده، محتوای نسبی آب برگ، غلظت عناصر غذایی اصلی و کمیاب اندام‌‌های گیاهی (ریشه، ساقه و برگ) و برخی مؤلفه‌های فیزیولوژی برگ شامل مقدار پرولین و قندهای محلول، فعالیت آنزیم‌‌های آنتی‌اکسیدانی (پراکسیداز و کاتالاز) و غلظت مالون‌دی‌آلدهید اندازه‌‌گیری شد. درنهایت، برای بررسی تأثیر سطوح مختلف تیمار شوری بر مؤلفه‌های مورد بررسی از آزمون تجزیه واریانس یک‌‌طرفه و برای مقایسه میانگین‌‌ها از آزمون توکی استفاده گردید.
نتایج: نهال‌‌های صنوبر تبریزی تحت تنش شوری 50 میلی‌‌مولار به‌خوبی نهال‌‌های شاهد رشد کردند. به‌طوری‌که در نهال‌های تحت این سطح شوری، کاهش زنده‌‌مانی، رشد و تولید زی‌‌توده و تغییرات فیزیولوژی و زیست‌شیمیایی معنی‌‌داری نسبت به نهال‌‌های شاهد مشاهده نشد. اما نهال‌های تحت تنش شوری 100، 150 و 200 میلی‌‌مولار ازنظر کاهش در زنده‌‌مانی، رشد، تولید زی‌‌توده، محتوای نسبی آب برگ، غلظت نیتروژن و پتاسیم در ریشه، ساقه و برگ، کلسیم در ریشه و برگ و منیزیم برگ و افزایش در مؤلفه‌های فیزیولوژی برگ شامل مقدار پرولین و قندهای محلول، فعالیت آنزیم‌‌های آنتی‌اکسیدانی (پراکسیداز و کاتالاز) و غلظت مالون‌دی‌آلدهید، غلظت سدیم و کلر در اندام‌‌های گیاهی، فسفر، آهن، روی، منگنز و مس در ریشه و برگ، تغییرات معنی‌داری را نسبت به نهال‌های شاهد و نهال‌های تحت تنش شوری 50 میلی‌مولار نشان دادند و بیشترین تغییرات مربوط به نهال‌های تیمارشده با سطوح 150 و 200 میلی‌‌مولار شوری بود. به‌‌طورکلی، در سطوح شوری 150 و 200 میلی‌‌مولار، کاهش شدید زنده‌‌مانی، رشد و تولید زی‌توده به‌همراه تغییرات بیشتر مورفوفیزیولوژیکی و زیست‌شیمیایی در نهال‌‌های صنوبر مشاهده شد. این دو سطح شوری برای نهال‌‌های صنوبر تبریزی، قابل‌تحمل نبود و پس از شش هفته از اعمال این سطوح شوری، زنده‌‌مانی نهال‌‌های صنوبر نزدیک‌به نصف کاهش یافت.
نتیجه‌‌گیری کلی: کاهش در زنده‌‌مانی، مؤلفه‌های رشد و تولید زی‌‌توده، تغییر در مؤلفه‌های فیزیولوژیکی و جذب و تجمع عناصر غذایی اصلی و کمیاب اندام‌های گیاهی از‌یک‌سو و مقدار زیاد تجمع پرولین و عناصر سدیم و کلر در اندام برگ این رقم صنوبر نسبت به گونه‌‌های مقاوم صنوبر مانند پده ازسوی دیگر، حاکی از حساس بودن این کلن صنوبر تبریزی نسبت به تنش شوری است، بنابراین در برنامه‌‌های زراعت چوب با رقم سالاری لازم است که مقدار شوری خاک و دامنه تحمل این رقم نسبت به تنش شوری مورد توجه قرار گیرد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Morphophysiological and biochemical responses of Populus nigra L. under salinity stress

نویسندگان [English]

  • A. Salehi 1
  • M. Calagari 2
  • H. Abbasi 3
1 Corresponding author,, Assistant Prof., Research Institute of Forests and Rangelands, AREEO, Tehran, Iran
2 Associate Prof., Research Institute of Forests and Rangelands, AREEO, Tehran, Iran
3 Assistant Prof., Research Institute of Forests and Rangelands, AREEO, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Salinity, caused by the accumulation of water-soluble salts in soil, is a major limiting factor for plant growth and development. A significant portion of Iran's soils are saline, which can severely restrict the cultivation of various poplar species. Therefore, determining the salinity tolerance of different poplar species can provide valuable guidance for poplar plantations in saline areas. This study investigates the morphological, physiological, and biochemical responses of Populus nigra L. clone “62/154” to varying levels of salinity stress. This high-yielding clone is widely used in poplar plantations across Iran.
Methodology: A pot study was conducted under controlled conditions using a completely randomized design to assess the morphological, physiological, and biochemical responses of this poplar clone to different salinity stress levels (0, 50, 100, 150, and 200 mM). Poplar cuttings were collected from the Alborz Research Center in Karaj, Iran, and planted in pots filled with clay-loam soil. The pots were placed outdoors during the experiment. The cuttings were initially irrigated with fresh water for three months before saline water (NaCl) was applied. After six weeks of salinity treatment, we measured survival rates, growth parameters, biomass production, relative water content (RWC) of leaves, macro- and micronutrient concentrations in plant tissues (leaf, stem, and root), and several physiological parameters (proline and sugar contents, malondialdehyde concentration, and enzyme activities). Data were analyzed using one-way analysis of variance to identify significant differences due to salinity treatment, with means separated by Tukey’s HSD test.
Results: The results indicated that poplar plants subjected to low salt stress (50 mM NaCl) exhibited no significant differences compared to control plants regarding survival, growth, biomass production, or physiological and biochemical parameters. However, at higher NaCl levels (100, 150, and 200 mM), soil salinity significantly reduced survival rates, growth parameters, biomass production, leaf RWC, and concentrations of nitrogen (N) and potassium (K) in plant tissues. Additionally, calcium (Ca) concentrations in roots and leaves decreased alongside magnesium (Mg) levels in leaves. Conversely, higher salinity increased leaf physiological parameters (proline and soluble sugar content), activity of antioxidant enzymes (CAT and POD), malondialdehyde concentration, as well as sodium (Na) and chloride (Cl) concentrations in plant tissues. Notably, phosphorus (P), iron (Fe), zinc (Zn), manganese (Mn), and copper (Cu) concentrations in roots and leaves also increased compared to control and 50 mM NaCl treatments. The most pronounced changes occurred at 150 and 200 mM NaCl. Overall, high salt levels (150 and 200 mM) led to a marked decrease in survival rates, growth, and biomass production along with significant morphophysiological and biochemical changes in the poplar plants. After six weeks of exposure to these salinity levels, survival rates dropped by nearly half.
Conclusion: The observed decreases in survival rates, growth parameters, biomass production, changes in physiological parameters, nutrient absorption and accumulation in plant tissues—as well as higher accumulation of proline and sodium/chlorine elements—indicate that P. nigra clone 62/154 is salt-sensitive. Therefore, it is crucial to consider soil salinity levels and the sensitivity of this poplar clone when planning poplar plantation programs.
 
Keywords: Black poplar, growth parameter, nutrients, proline, soil salinity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Growth parameter
  • nutrients
  • proline
  • soil salinity

مراجع

- Ahmadloo, F., Dehghan, R., Salehi, A. and Eskandari, S., 2023. Surveying and study on the biometric variables of poplar plantations in Guilan province. Iranian Journal of Forest, 15(2): 195-210 (In Persian with English summary).
- Ashraf, M.Y., Akhtar, K., Satwar, G. and Ashraf, M., 2005. Role of the rooting system in salt tolerance potential of different guar accessions. Agronomy for Sustainable Development, 25: 243-249.
- Bárzana, G., Aroca, R., Paz, J.A., Chaumont, F., Martinez-Ballesta, M.C., Carvajal, M. and Ruiz-Lozano, J.M., 2012. Arbuscular mycorrhizal symbiosis increases relative apoplastic water flow in roots of the host plant under both well-watered and drought stress conditions. Annals of Botany, 109: 1009-1017.
- Bates, I.S., Waldern, R.P. and Teare, I.D., 1973. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soil, 39: 205-207.
- Bertrand, A., Dhont, C., Bipfubusa, M., Chalifour, F.P., Drouin, P. and Beauchamp, C.J., 2015. Improving salt stress responses of the symbiosis in alfalfa using salt-tolerant cultivar and rhizobial strain. Applied Soil Ecology, 87: 108-117.
- Bolu, W.H. and Polle, A., 2004. Growth and stress reactions in roots and shoots of a salt-sensitive poplar species (Populus x canescens). Tropical Ecology, 45(1): 161-171.
- Bouyoucos, G.J., 1962. Hydrometer method improved for making particle size analyses of soils. Agronomy Journal, 54(5): 464-465.
- Bremner, J.M., 1996. Nitrogen-total: 1085-1121. In: Sparks, D.L., Page, A.L., Helmke, P.A., Loeppert, R.H., Soltanpour, P.N., Tabatabai, M.A., … and Sumner, M.E. (Eds.). Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. Soil Science Society of America, Inc., American Society of Agronomy, Inc., Madison, Wisconsin, 1390p.
- Calagari, M., Salehi Shanjani, P. and Banj Shafiei, Sh., 2017. Growth comparison of two poplar species (Populus alba and Populus euphratica) and their hybrid in the saline and non-saline soils. Journal of Plant Researches, 30(1): 143-154 (In Persian with English summary).
- Chance, B. and Maehly, A.C., 1955. Assay of catalases and peroxidases: 764-765. In: Colowick, S.P. and Kaplan, N.O. (Eds.). Methods in Enzymology, Vol. II. Academic Press, New York, 987p.
- Chen, S. and Polle, A., 2010. Salinity tolerance of Populus. Plant Biology, 12: 317-333.
- Chen, S., Hawighorst, P., Sun, J. and Polle, A., 2014. Salt tolerance in Populus: significance of stress signaling networks, mycorrhization, and soil amendments for cellular and whole-plant nutrition. Environmental and Experimental Botany, 107: 113-124.
- Chen, S., Li, J., Fritz, E., Wang S. and Huttermann, A., 2002. Sodium and chloride distribution in roots and transport in three poplar genotypes under increasing NaCl stress. Forest Ecology and Management, 168: 217-230.
- Chen, S., Li, J., Wang, S., Fritz, E., Huttermann, A. and Altman, A., 2003. Effects of NaCl on shoot growth, transpiration, ion compartmentation, and transport in regenerated plants of Populus euphratica and Populus tomentosa. Canadian Journal of Forest Research, 33: 967-975.
- Chen, S., Li, J., Wang, S., Huttermann, A. and Altman, A., 2001. Salt, nutrient uptake and transport, and ABA of Populus euphratica; a hybrid in response to increasing soil NaCl. Trees: Structure and Function, 15: 186-194.
- Daneshvar, H.A. and Modirrahmati, A.R., 2009. Effects of NaCl and CaCl2 on growth characteristics and ions accumulation in the leaves of four poplar genotypes. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 17(2): 200-209 (In Persian with English summary).
- Ellouzi, H., Ben Hamed, K., Hernandez, I., Cela, J., Muller, M., Magne, C., ... and Munne-Bosch, S., 2014. A comparative study of the early osmotic, ionic, redox and hormonal signaling response in leaves and roots of two halophytes and a glycophyte to salinity. Planta, 240: 1299-1317.
- Evelin, H., Kapoor, R. and Giri, B., 2009. Arbuscular mycorrhizal fungi in alleviation of salt stress: a review. Annals of Botany, 104: 1263-1280.
- Ghoulam, C., Foursy, A. and Fares, K., 2002. Effects of salt stress on growth, inorganic ions and proline accumulation in relation to osmotic adjustment in five sugar beet cultivars. Environmental and Experimental Botany, 47: 39-50.
- Grattan, S.R. and Grieve, C.M., 1998. Salinity–mineral nutrient relations in horticultural crops. Scientia Horticulturae, 78: 127-157.
- Grigulis, K., Lavorel, S., Krainer, U., Legay, N., Baxendale, C., Dumont, M., ... and Clement, J.C., 2013. Relative contributions of plant traits and soil microbial properties to mountain grassland ecosystem services. Journal of Ecology, 101: 47-57.
- Haidari, M., Jaafari, A., Calagari, M., Pourhashemi, M. and Yousefi, B., 2023. Overcoming challenges and formulating management strategies for wood farming development in Kurdistan Province, Iran. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 31(3): 169-185 (In Persian with English summary).
- Irigoyen, J.J., Einerich, D.W. and Sanchez-Diaz, M., 1992. Water stress induced changes in concentrations of proline and total soluble sugars in nodulated alfalfa (Medicago sativa) plants. Physiologia Plantarum, 84: 55-60.
- Jahanpour, F., Mansouri, M., Ramak, P. and Badehian, Z., 2022. Investigation of wood production of different cultivars of open-crown poplar in the comparative population of Khorramabad station. Iranian Journal of Forest, 14(3): 245-255 (In Persian with English summary).
- Janz, D., Lautner, S., Wildhagen, H., Behnke, K., Schnitzler, J.P., Rennenberg, H., ... and Polle, A., 2012. Salt stress induces the formation of a novel type of ‘pressure wood’ in two Populus species. New Phytologist 194: 129-141.
- Kaya, C., Tuna, A.L., Ashraf, M. and Altunlu, H., 2007. Improved salt tolerance of melon (Cucumis melo L.) by the addition of proline and potassium nitrate. Environmental and Experimental Botany, 60: 397-403.
- Kishor, P.B.K. and Sreenivasulu, N., 2014. Is proline accumulation per se correlated with stress tolerance or is proline homeostasis a more critical issue? Plant, Cell & Environment, 37: 300-311.
- Kogawara, S., Mohri, T., Igasak, T., Nakajima, N. and Shinohara, K., 2014. Drought and salt stress tolerance of ozone-tolerant transgenic poplar with an antisense DNA for 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase. Bulletin of the Forestry and Forest Products Research Institute, 13: 89-98.
- Kulczyk-Skrzeszewska, M. and Kieliszewska-Rokicka, B., 2022. Influence of drought and salt stress on the growth of young Populus nigra ‘Italica’ plants and associated mycorrhizal fungi and non-mycorrhizal fungal endophytes. New Forests, 53: 679-694.
- Lao, M.T., Plaza, B.M. and Jiménez, S., 2013. Impact of salt stress on micronutrients in Cordyline fruticosa var. ‘Red Edge’. Journal of Plant Nutrition, 36: 990-1000.
- Li, L., Zhang, Y., Luo, J., Korpelainen, H. and Li, C., 2013. Sex-specific responses of Populus yunnanensis exposed to elevated CO2 and salinity. Physiologia Plantarum, 147: 477-488.
- Lu, Y., Wang, G., Meng, Q., Zhang, W. and Duan, B., 2014. Growth and physiological responses to arbuscular mycorrhizal fungi and salt stress in dioecious plant Populus tomentosa. Canadian Journal of Forest Research, 44: 1020-1031.
- Lumis, G.P., Hofstra, G. and Hall, R., 1973. Sensitivity of roadside trees and shrubs to aerial drift of deicing salt. HortScience, 8: 475-477.
- Mc Lean, E.O., 1982. Soil pH and lime requirement: 199-224. In: Page, A.L. (Ed.). Methods of Soil Analysis, Part 2: Chemical and Microbiological Properties, Second Edition. American Society of Agronomy, Inc., Soil Science Society of America, Inc., Madison, Wisconsin, 1159p.
- McGrath, S.P. and Cunliffe, C.H., 1985. A simplified method for the extraction of the metals Fe, Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Cr, Co and Mn from soils and sewage sludges. Journal ofthe Science of Food and Agriculture, 36: 794-798. 
- Munns, R. and Tester, M., 2008. Mechanisms of salinity tolerance. Annual Review of Plant Biology, 59: 651-681.
- Nelson, D.W. and Sommers, L.E., 1996. Total carbon, organic carbon, and organic matter: 961-1010. In: Sparks, D.L., Page, A.L., Helmke, P.A., Loeppert, R.H., Soltanpour, P.N., Tabatabai, M.A., … and Sumner, M.E. (Eds.). Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. Soil Science Society of America, Inc., American Society of Agronomy, Inc., Madison, Wisconsin, 1390p.
- Ottow, E.A., Brinker, M., Teichmann, T., Fritz, E., Kaiser, W., Brosche, M., ... and Polle, A., 2005. Populus euphratica displays apoplastic sodium accumulation, osmotic adjustment by decreases in calcium and soluble carbohydrates, and develops leaf succulence under salt stress. Plant Physiology, 139: 1762-1772.
- Parida, A.K. and Das, A.B., 2005. Salt tolerance and salinity effects on plants: a review. Ecotoxicology and Environmental Safety, 60: 324-349.
- Regier, N., Streb, S., Cocozza, C., Schaub, M., Cherubini, P., Zeeman, S.C. and Frey, B., 2009. Drought tolerance of two black poplar (Populus nigra L.) clones: contribution of carbohydrates and oxidative stress defence. Plant, Cell & Environment, 32: 1724-1736.
- Rhoades, J.D., 1982. Soluble salts: 167-180. In: Page, A.L. (Ed.). Methods of Soil Analysis, Part 2: Chemical and Microbiological Properties, Second Edition. American Society of Agronomy, Inc., Soil Science Society of America, Inc., Madison, Wisconsin, 1159p.
- Salehi, A., Calagari, M. and Ahmadloo, F., 2018. Effect of some soil properties on growth of three-year black poplar (Populus nigra L.) trees in poplar plantations in south of Tehran, Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 26(3): 344-354 (In Persian with English summary).
- Salehi, A., Calagari, M. and Ahmadloo, F., 2021. Effect of soil and water affected by municipal effluent on performance one-year-old plants of three black poplar (Populus nigra L.) clones. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 29(2): 127-114 (In Persian with English summary).
- Salehi, A., Calagari, M., Ahmadloo, F., Jafari Sayadi, M.H. and Tafazoli, M., 2022. Productivity of Populus nigra L. in two different soils over five rotations. Acta Ecologica Sinica, 42(4): 332-337.
- Sánchez, F.J., Manzanares, M., De Andres, E.F., Tenorio, J.L. and Ayerbe, L., 1998. Turgor maintenance, osmotic adjustment and soluble sugar and proline accumulation in 49 pea cultivars in response to water stress. Field Crops Research, 59: 225-235.
- Siminis, C.I., Kanellis, A.K. and Roubelakis-Angelakis, K.A., 1994. Catalase is differentially expressed in dividing and nondividing protoplasts. Plant Physiology, 105(4): 1375-1383.
- Stewart, R.R.C. and Bewley, J.D., 1980. Lipid peroxidation associated with accelerated aging of soybean axes. Plant Physiology, 65: 245-248.
- Villora, G., Moreno, D.A., Pulgar, G. and Romero, L., 2000. Yield improvement in zucchini under salt stress: Determining micronutrient balance. Scientia Horticulturae, 86: 175-183.
- Wang, R., Chen, S., Zhou, X., Shen, X., Deng, L., Zhu, H., ... and Polle, A., 2008. Ionic homeostasis and reactive oxygen species control in leaves and xylem sap of two poplars subjected to NaCl stress. Tree Physiology, 28: 947-957.
- Watanabe, S., Kojima, K., Ide, Y. and Sasaki, S., 2000. Effects of saline and osmotic stress on proline and sugar accumulation in Populus euphratica in vitro. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 63: 199-206.
- Wu, N., Li, Z., Wu, F. and Tang, M., 2016. Comparative photochemistry activity and antioxidant responses in male and female Populus cathayana cuttings inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi under salt. Scientific Reports, 6: 37663.
- Xiao, X.W., Yang, F., Zhang, S., Korpelainen, H. and Li, C., 2009. Physiological and proteomic responses of two contrasting Populus cathayana populations to drought stress. Physiologia Plantarum, 136: 150-168.
- Yang, F., Xiao, X., Zhang, S., Korpelainen, H. and Li, C., 2009. Salt stress responses in Populus cathayana Rehder. Plant Science, 176: 669-677.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار