اثر میدان مغناطیسی بر جوانه‌زنی، شاخص‌های رشد و فعالیت برخی آنزیم‌ها در بذر سیاه‌دانه (Nigella sativa L.)

زرگری، ع. (1368) گیاهان دارویی. مؤسسه چاپ و انتشارات دانشگاه تهران، تهران.

Abdul-Baki, A. A. and Anderson, J. D. (1973) Vigour determination in soyabean by multiple criteria. Crop Science 10: 31-34.

Aladjadjiyan, A. (2002) Study of the influence of magnetic field on some biological characteristics of Zea mays. Journal of Centeral European Agriculture 3(2): 89-94.

Aladjadjiyan, A. (2010) Influence of stationary magnetic field on lentil seeds. Agrophysics 24: 321-324.

Arun, K. S. (2002) A handbook of organic farming. Agrobios publication, Jodhpur.

Bassim Atta, A. (2003) Some characteristics of nigella (Nigella sativa L.) seed cultivated in Egypt and its lipid profile. Food Chemistry 83:63-68.

Callis, J. (1995) Regulation of protein degradation. Plant Cell 7: 845-857.

Carbonell, M. V., Martinez, E., Florez, M., Maqueda, R., Lopez-Pintor, A. and Amaya, J. M. (2008) Magnetic field treatments improve germination and seedling growth in Festuca arundinacea Schreb and Lolium perenne L.Seed Science and Technology 36: 31-37.

Carrubba, A., La Torre, R. and Matranga, A. (2002) Cultivation trials of some aromatic and medicinal plants in a semi-arid mediterranean environment. Proceedings of an International Conference on MAP, Acta Horticulture (ISHS) 576: 207-213.

Dorna, H., Gorski, R., Szopinska, D., Tylkowska, K., Jurga, J., Wosinski, S. and Tomczak, M. (2010) Effect of a permanent megnatic field together with the shielding of an alternating electric field on carrot seed vigour and germination. Ecological Chemistry and Engineering 17: 53-61.

Fischer, G., Tausz, M., Kock, M. and Grill, D. (2004) Effects of weak 16 Hz magnetic fields on growth parameters of young sunflower and wheat seedlings. Bioelectromagnetics 25: 638-641.

Galland, P. and Pazur, A. (2005) Magnetoreception in plants. Journal of Plant Research 118: 371-389.

Gholami, A. and Sharafi, S. (2010) Effect of magnetic field on seed germination of two wheat cultivars. World Academy of Science Engineering and Technology 62: 279-282.

Griffe, P., Metha, S. and Shankar, D. (2003) Organic production of medicinal, aromatic and dye-yielding plants (MADPs). forward, preface and introduction. Food and Agricultural Organisation (FAO).

Kittock, D. L. and Law, A. G. (1968) Relationship of seedling vigour to respiration and tetrazolium chloride reduction by germinating wheat seeds. Agronomy 60: 286-28.

Kunitz, M. (1947) Crystalline soybean trypsin inhibitors II general properties. General Physiology 30: 291-310.

Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L. and Randal, R. J. (1951) Folin Cioalleu. Biochemistry 193: 265-267.

Martinez, E., Carbonell, M. V. and Amaya, J. M. (2000) Astatic magnetic field of 125 mT stimulates the initial growth stages of barley(Hordenum vulgare L.). Electro and Magnet 19(3): 271-277.

Nagarajan, S., Pandita, V. K. and Modi, B. S. (2003) Physiology and enzymatic activity of asiatic carrot seeds as affected by invigoration treatments. Indian Plant Physiology 3: 222-227.

Pandita, V. K., Nagarajan, S., Sinha, J. S. and Modi, B. S. (2003) Physiological and biochemical changes induced by priming in tomato seeds and its relation to germination and field emergence characteristics. Indian Plant Physiology 8: 249-254.

Pang, X. and Deng, B. (2008) Investigation of changes in properties of water under the action of a magnetic field. Chinese Science Journal 51(11): 1621-1632.

Piacentini, M. P., Fraternale, D., Piatti, E., Ricci, D., Vetrano, F., Dacha, M. and Accorsi, A. (2001) Senescence delay and change of antioxidant enzyme levels in Cucumis sativus L.etiolated seedling by ELF magnetic fields. Plant Science 161: 45-53.

Podesny, J., Misiak, L. E., Podesna, A. and Pietruzewski, S. (2005) Concentration of radicals in pea seeds after pre-sowing treatment with magnetic field. Agrophysics 19: 243-249.

Rajendra, P., Nayak, H. S., Sashidhar, R. B., Subramanyam, C., Devendarnath, D. and Gunase-karan, B. (2005) Effects of power frequency electromagnetic fields on growth of germinating (Vicia faba L.), the broad bean. Electromagnetic Biology and Medicine 24: 39-54.

Reina, F. G., Pascual, L. A. and Fundora I. A. (2001) Influence of a stationary magnetic field on water relations in lettuce seeds. Part II: experimental results. Bioelectromagnetics 22: 596-602.

Roberts, J. and White house, D. G. (1976) Practical plant physiology. New York. Sciences 25: 402-407.

Vashisth, A. and Nagarajan, S. (2008) Exposure of seeds to static magnetic field enhances germination and earlygrowth characteristics in chickpea(Cicer arientum L.).Bioelectromagnetics 29: 571-578.

Vashisth, A. and Nagarajan, S. (2010) Effect ongerminationandearlygrowthcharacteristicsinsunflower (Helianthus annuus) seedsexposedtostaticmagneticfield. Plant Physiology 167: 149-156.

Yano, A., Hidaka, E., Fujiwara, K. and Limoto, M. (2001) Induction of primary root curvature in radish seedlings in a static magnetic field. Biolelectromagnetics 22: 194-199.

کشت گیاهان دارویی و معطر از دیرباز جایگاه ویژه‌ای در نظام‌های سنتی کشاورزی در ایران داشته، این نظام‌ها از نظرایجاد تنوع و پایداری این گیاهان نقش مهمی ایفا کرده‌اند. سیاه‌دانه (Nigell sativa L.) گیاهی دولپه، علفی و یک ساله متعلق به خانواده آلاله است که در زبان انگلیسی Black cumin و در زبان عربی به آن شونیز گفته می‌شود (زرگری، 1368). برای دانه این گیاه خواصی مانند شیرآوری، ضد نفخ، مسهل، ضد انگل، ضد صرع، ضد ویروس،ضد باکتری، ضد تومور، مسکن و کاهش‌دهنده قند خون را ذکر کرده‌اند (Bassim, 2003). سیاه‌دانه به طور خودرو از جنوب اروپا تا خاورمیانه و شبه قاره هند دیده می‌شود، ولی محققان منشأ آن را خاورمیانه و غرب آسیا می‌دانند. این گیاه در بسیاری از مناطق کشور ایران به شکل خودرو وجود دارد و در برخی نقاط نیز کشت می‌شود (Bassim, 2003).

کشاورزی بوم‌شناسی (اکولوژیک)، یک سیستم کشاورزی تلفیقی مبنی بر اصول اکولوژیکی است که در آن کیفیت محصولات مهم‌تر از کمیّت آنهاست. نظام‌های کشاورزی بوم‌شناسی و کم نهاده می‌توانند به عنوان جایگزینی برای سیستم‌های رایج در نظر گرفته شده، باعث توسعه کشاورزی پایدار و حفظ سلامت محیط زیست شوند (Arun, 2002). تمایل به تولید گیاهان دارویی و معطر و تقاضا برای محصولات طبیعی به خصوص در شرایط کشت بوم‌شناختی در جهان رو به افزایش است (Carrubba et al., 2002). کشت بوم‌شناسی گیاهان دارویی، کیفیت آنها را تضمین کرده و احتمال آثار منفی بر کیفیت دارویی و عملکرد آنها را نیز کاهش می‌دهد (Griffe et al., 2003).

در علوم کشاورزی به روش‌هایی که موجب افزایش عملکرد گیاهان می‌شود، توجه شده، در کنار آن ارزان بودن، اکولوژیک بودن و در نتیجه عدم آسیب‌رسانی به محیط زیست نیز در نظر گرفته می‌شود. از سوی دیگر، تقاضای تولید محصول زیستی به واسطه کیفیت بالای بذرها نسبت به کشاورزی سنتی بسیار بالاست (Dorna et al., 2010). برای کشاورزانی که از روش زیستی استفاده می‌کنند، سلامت بذر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. روش‌های فیزیکی توانسته است کیفیّت بذر را بهبود بخشد و در همین راستا محققان توجه بیشتری به آن داشته‌اند. از روش‌های فیزیکی می‌توان به یونیزه کردن، لیزر، اشعه ماورای بنفش و میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اشاره کرد که بر خلاف روش‌های شیمیایی آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌کنند (Dorna et al., 2010).

نخستین کوشش‌های مفید برای بهبود کیفیت بذر با اِعمال میدان‌های مغناطیسی و الکترومغناطیسی از سال 1930 شروع شد (Dorna et al., 2010). بسیاری از دانشمندان افزایش بنیه بذر و جوانه‌زنی گونه‌های مختلف توسط تیمار با میدان الکترومغناطیسی و مغناطیس را نشان داده‌اند (Martinez et al., 2000; Carbonell et al., 2008). Vashisth و Nagarajan (2008) گزارش کرده‌اند که میدان مغناطیسی باعث افزایش 46-71 درصدی بنیه بذر نخود شده، طول دانه‌رُست‌ها را به میزان 58-90 درصد و وزن خشک دانه‌رُست‌ها را به میزان 25-47 درصد بهبود بخشید. همچنین، Aladjadjiyan (2002) نشان داد که اِعمال میدان مغناطیسی به شدت 150 میلی‌تسلا جوانه‌زنی، وزن تر و طول ساقه و در نتیجه توسعه ساقه را در گیاه ذرت افزایش می‌دهد.

تأثیر میدان مغناطیسی در رفتار سیستم‌های زنده برای مدت‌های طولانی مورد مطالعه قرار گرفته، اما آثار آن بر گیاهان تنها در طی دهه‌های اخیر مطالعه شده است، با این حال هنوز مکانیسم عمل میدان‌های مغناطیسی بر گیاهان ناشناخته باقی مانده است؛ از آنجایی که گیاهان دارویی نقش مهمی در سیستم سلامتی جمعیت بزرگی از مردم جهان دارند تحقیقات و به‌کارگیری روش‌هایی برای بهبود تکثیر و به کار‌گیری آنها اهمیت زیادی دارد. در این راستا، از اهداف این مطالعه بررسی آثار احتمالی دو شدت مختلف میدان مغناطیسی و مدت زمان مختلف اِعمال آن بر بهبود شاخص‌های جوانه‌زنی، شاخص‌های رشد و فعالیت آنزیم‌های دخیل در جوانه‌زنی بذر گیاه سیاه‌دانه (Nigella sativa L.) بود.

مواد و روش‌ها

به منظور بررسی اثر میدان‌های مغناطیسی بر صفات جوانه‌زنی بذرهای سیاه‌دانه (Nigella sativa L.) آزمایشی در سال 1389 در آزمایشگاه فیزیولوژی گیاهی دانشکده علوم ارومیه انجام شد. بذرها از مراکز فروش بذرهای گیاهان دارویی تأیید شده توسط جهاد کشاورزی تهیه و به مدت صفر، 30، 60 و 120 دقیقه در معرض شدت میدان الکترومغناطیسی صفر، 25 و 50 میلی‌تسلا در آزمایشگاه ابر رسانایی دانشگاه ارومیه قرار گرفت. برای اِعمال تیمار از تولید کننده میدان مغناطیسی ساخت ایران با قدرت تولید میدان مغناطیسی تا 2 تسلا، برای ایجاد شدت میدان‌های یاد شده از منبع تغذیه AP 10090(DC power supply) ساخت انگلیس و برای سنجش میدان مغناطیسی ایجاد شده از دستگاه تسلامتر مدل PHYWE ساخت آلمان با قابلیت اندازه‌گیری 20-200 میلی‌تسلا استفاده شد. بذرها پس از قرار گرفتن در تیمارهای مورد نظر، با هیپوکلریت 5 درصد ضد عفونی شدند. سپس دستجات 20 تایی از بذرهای یاد شده تهیه و درون ظروف پتری‌دیش استریل به قطر 17 سانتی‌متر که حاوی کاغذ صافی واتمن شماره 1 و آب مقطر بود در 3 تکرار قرار گرفته، به مدت 10 روز درون انکوباتور با دمای 25 درجه سانتیگراد قرار داده شد. در این مدت در صورت کمبود رطوبت، آب مقطر به آنها اضافه شد. در طی این مدت، هر روز تعداد بذرهای جوانه زده شمارش شد. پس از 10 روز، پتری‌دیش‌ها از انکوباتور خارج و درصد و شاخص جوانه‌زنی، ضریب سرعت جوانه‌زنی، طول ساقه‌چه و ریشه‌چه، وزن تر و خشک دانه‌رُست‌ها اندازه‌گیری شد. شاخص بنیه دانه‌رُست‌ها با استفاده از فرمول‌های زیر محاسبه شد:

ni= تعداد بذر جوانه زده در روز Ti

N= تعداد کل بذرهای کشت شده

همچنین، شاخص بنیه دانه‌رُست‌ها (Vigor) بر اساس فرمول Abdul-Baki و Anderson (1973) محاسبه شد:

طول کل (سانتی‌متر) × درصد جوانه‌زنی = شاخص بنیه گیاهچه I

وزن خشک (گرم) × درصد جوانه‌زنی = شاخص بنیه گیاهچه II

میزان فعالیت آنزیم‌های مرتبط با فرآیند‌های جوانه‌زنی در بذر گیاهان شاهد و تیمار یافته با میدان مغناطیسی، 24 ساعت پس از جذب آب مقطر در دمای 25 درجه سانتیگراد اندازه‌گیری شد.

برای اندازه‌گیری فعالیت آلفا آمیلاز از روش Roberts و White house (1976) استفاده شد. یک گرم بذر جوانه زده توزین و با 3 میلی‌لیتر آب مقطر سرد شده با یخ، در داخل هاون سرد ساییده شد. ماده همگن حاصل از یک پارچه تنظیف عبور داده، سپس محلول حاصل به مدت 5 دقیقه با نیروی 12000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شد. پس از عمل سانتریفیوژ، محلول صاف رویی برای سنجش فعالیت آنزیم استفاده گردید. به تعداد لوله‌های حاوی آنزیم (تکرار×تیمار) ظرف تهیه و به هر کدام 5/0 میلی‌لیتر معرف ید و یدور پتاسیم I₂) و (KI و 40 میلی‌لیتر آب مقطر اضافه شد. سپس سیستم زیر بر قرار گردید. محلول 1 درصد نشاسته آماده شد و در هر لوله آزمایش 3 میلی‌لیتر محلول نشاسته 1 درصد، 5 میلی‌لیتر آب مقطر و 2 میلی‌لیتر محلول آنزیم استخراجی اضافه گردید و سریع به هم زده شد. پس از گذشت 5 دقیقه 1 میلی‌لیتر از محلول فوق برداشته و به داخل ظرف محتوی 5/0 میلی‌لیتر ید و 40 میلی‌لیتر آب مقطر ریخته شد. نشاسته در مجاورت محلول فوق رنگ آبی را ظاهر نمود. جذب تمام نمونه‌ها در طول موج 620 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتر (مدل KLB ساخت انگلیس) اندازه‌گیری شد. میزان آمیلاز در نمونه‌ها با استفاده از منحنی استاندارد نشاسته و بر حسب میزان نشاسته هیدرولیز شده محاسبه شد.

فعالیت آنزیم پروتئاز با استفاده از روش Kunitz (1947) اندازه‌گیری شد. یک گرم از دانه‌های در حال جوانه‌زنی در 5 میلی‌لیتر بافر فسفات 2/0 مولار ساییده و در دور 12000 و دمای 40 درجه سانتیگراد به مدت 20 دقیقه سانتریفیوژ شد. سپس محلول رویی برای سنجش فعالیت آنزیمی برداشته شد. 2/0 میلی‌لیتر بافر فسفات به 1/0 میلی‌لیتر از محلول رویی اضافه و حجم آن با استفاده از آب مقطر به یک میلی‌لیتر رسانده شد. واکنش با اضافه کردن یک میلی‌لیتر کازئین 1 درصد به عنوان سوبسترا آغاز شد. پس از انکوبه کردن لوله‌ها در دمای 50 درجه به مدت 2 ساعت واکنش با اضافه کردن 3 میلی‌لیتر محلول TCA (تری کلرو استیک اسید) 5 درصد متوقف شد. سپس در دور 14000 و دمای 4 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه سانتریفیوژ شد. مقدار پروتئین محلول رویی توسط روش Lowryو همکاران (1951) با استفاده از آلبومین سرم گاوی به عنوان استاندارد اندازه‌گیری شد.

فعالیت آنزیم دهیدروژناز با استفاده از روش Kittock و Law(1968) اندازه‌گیری شد. برای تعیین فعالیت دهیدروژناز، دانه‌ها به دو بخش برش داده شدند. 5 محور جنینی از هر کدام از دانه‌ها در 4 سری آماده و یک میلی‌لیتر محلول 2 ،3 و 5 تری فنیل تترازولیوم کلراید 1 درصد در داخل بافر فسفات 1/0 مولار اضافه شده، لوله‌های نمونه در تاریکی در دمای 30 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت انکوبه شدند. سپس محلول اضافه شده تخلیه و محورهای دانه با استفاده از آب مقطر شستشو داده شدند. در ادامه محورهای دانه در متیل سلوسولو (methyl cellosolve) 80 درصد به مدت یک شبانه روز خیسانده، تا استخراج فورمازان (formazan) قرمز رنگ شده به هم زده شد. در پایان، شدت رنگ تولید شده با استفاده از اسپکتروفوتومتر در 480 نانومتر اندازه‌گیری شد.

مطالعات آماری

برای تحلیل داده‌ها و رسم نمودارها از نرم‌افزارهای SPSSنسخه 16 و Excel استفاده شد. در همه نمودارها نتایج به صورت مقادیر میانگین سه تکرار بیان شد. بارهای عمودی نشان دهنده ±SE برای سه تکرار است. اختلاف بین تیمارها با استفاده از آنالیز واریانس ANOVA در سطح آماری 5 درصد (05/0≥P) انجام شد.

نتایج

نتایج حاصل از تأثیر میدان مغناطیسی بر درصد، شاخص، ضریب و سرعت جوانه‌زنی، طول ریشه، طول ساقه، طول کل دانه‌رُست‌ها و وزن تر و خشک دانه‌رُست‌ها در جدول 1 نشان داده شده است. میدان مغناطیسی در هر دو شدت باعث افزایش درصد جوانه‌زنی شد، ولی بیشترین اثر را در شدت 25 میلی‌تسلا در همه بازه‌های زمانی نشان داد که این افزایش نسبت به شاهد معنی‌دار بود.

بررسی تأثیر میدان مغناطیسی بر سرعت جوانه‌زنی گویای افزایش معنی‌دار این ضریب نسبت به شاهد بود که بیشترین اثر در شدت 50 میلی‌تسلا در بازه زمانی 60 دقیقه و کمترین اثر در شدت 50 میلی‌تسلا در بازه زمان 120 دقیقه مشاهده شد.

میدان مغناطیسی در همه شدت‌ها و بازه‌های زمانی به غیر از مدت زمان 60 دقیقه در هر دو شدت 25 و 50 میلی‌تسلا تأثیر معنی‌داری نسبت به شاهد بر ضریب سرعت جوانه‌زنی نشان نداد.

بررسی اثر میدان مغناطیسی بر طول ریشه و طول کل دانه‌رُست‌ها نشان داد که همه شدت‌های میدان مغناطیسی در کل بازه‌های زمانی اِعمال شده اثر مثبت بر طول ریشه و طول کل دانه‌رُست‌ها داشته، در هر دو شدت، طول ریشه و کل دانه‌رُست‌ها نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری یافت که بیشینه اثر بر عوامل یاد شده در شدت 25 میلی‌تسلا و بازه زمانی 60 دقیقه مشاهده شد.

میدان مغناطیسی در همه شدت‌ها و بازه‌های زمانی اِعمال شده اثر مثبت بر وزن تر دانه‌رُست‌ها داشت و در هر دو شدت، وزن تر نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری نشان داد.

بررسی اثر میدان مغناطیسی بر وزن خشک گویای آن بود که میدان مغناطیسی در هر دو شدت اثری بر وزن خشک نسبت به شاهد ندارد و در شدت 50 میلی‌تسلا و بازه زمانی 60 دقیقه نسبت به شاهد وزن خشک کاهش یافت.

بررسی اثر میدان مغناطیسی بر شاخص بنیه گیاهچه I نشان داد که میدان مغناطیسی در هر دو شدت و در همه بازه‌های زمانی باعث افزایش معنی‌دار شاخص بنیه گیاهچه I نسبت به شاهد می‌شود و بیشترین اثر در این مورد در شدت 25 میلی‌تسلا و در بازه زمانی 60 دقیقه مشاهده شد، در حالی که میدان مغناطیسی اثری بر شاخص بنیه گیاهچه II نداشت و در هر دو شدت و در همه بازه ‌های زمانی اختلاف معنی‌داری بین دانه‌رُست‌های تیمار شده و شاهد وجود نداشت.

بررسی تأثیر میدان مغناطیسی با بازه‌های مختلف زمانی بر فعالیت آنزیم‌های دخیل در جوانه‌زنی نشان داد که فعالیت هر سه آنزیم آلفا آمیلاز (شکل 1 الف)، دهیدروژناز (شکل 1 ب) و پروتئاز (شکل 1 ج) با اِعمال میدان مغناطیسی در همه بازه‌های زمانی افزایش معنی‌داری نسبت به شاهد دارد.

جدول 1- میانگین صفات جوانه‌زنی در بذر گیاه سیاه‌دانه تحت تأثیر شدت‌های میدان مغناطیسی صفر، 25 و 50 میلی‌تسلا در مدت زمان‌های صفر، 30، 60 و 120 دقیقه. ^* بیانگر اختلاف معنی‌دار در سطح 05/0 (05/0≥p) بر اساس آزمون ANOVA است.

جدول 1- ادامه ...