Μελετήθηκε η επίδραση της περίσσειας του βορίου στο θρεπτικό διάλυμα, υπό συνθήκες υδροπονίας, σε διάφορα φυσιολογικά (συγκέντρωση και φθορισμός χλωροφύλλης) και ανατομικά χαρακτηριστικά των φύλλων της μανταρινιάς κλημεντίνης, εμβολιασμένης στα υποκείμενα νεραντζιά και Swingle citrumelo. Τα ορατά συμπτώματα της τοξικότητας του βορίου ήταν εμφανή στα παλαιότερα φύλλα των φυτών, ενώ απουσίαζαν από τα νέα. Αποτέλεσμα της τοξικότητας του βορίου ήταν η μείωση του συνολικού πάχους του ελάσματος των φύλλων, εξαιτίας κυρίως της μείωσης του πάχους του σπογγώδους παρεγχύματός τους. Η τοξική επίδραση του βορίου περιορίστηκε στα κύτταρα του μεσοφύλλου, των οποίων το πρωτόπλασμα αποδιοργανώθηκε. Παρατηρήθηκε επίσης μείωση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης καθώς και μείωση των λόγων Fv/Fm και Fv/F0, που σχετίζονται με τη λειτουργία του PSII της φωτοσύνθεσης. Συγκριτικά με το υποκείμενο Swingle citrumelo, το υποκείμενο νεραντζιά επαύξησε την ευαισθησία των παραπάνω φυσιολογικών παραμέτρων υπό συνθήκες τοξικότητας βορίου.
Εισαγωγή
Δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα σχετικά με την επίδραση του βορίου στην ανατομία του φύλλου, και στις φωτοχημικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης (Kastori et al. 1995). Κάτω από άριστες για την ανάπτυξη των φυτών συνθήκες, το τμήμα της προσληφθείσας από τη χλωροφύλλη φωτεινής ακτινοβολίας (ενέργειας), που εκπέμπεται με τη μορφή φθορισμού, είναι μικρό. Ωστόσο, στις περιπτώσεις εκείνες που τα φυτά καταπονούνται από διάφορα αίτια, ο φθορισμός των μορίων της χλωροφύλλης αυξάνει και κατά συνέπεια παρατηρούνται αλλαγές στα χαρακτηριστικά του: αρχικός-μη μεταβλητός φθορισμός (F0), μέγιστη τιμή του φθορισμού (Fm), μεταβλητός φθορισμός (Fv = Fm - F0), Fv/Fm και Fv/F0 (Lichtenthaler και Rinderte 1988). Ο λόγος Fv/Fm χρησιμοποιείται συχνά ως δείκτης, με τον οποίο περιγράφεται η μέγιστη δυνατή απόδοση των φωτοχημικών αντιδράσεων και υπό ιδανικές συνθήκες έχει μια μέση τιμή 0,83 (Bjorkman και Demming 1987). Η μείωση του λόγου Fv/Fm σημαίνει ότι τα φυτά βρίσκονται σε συνθήκες καταπόνησης (Larsson et al. 1998), ενώ η μείωση του Fv/F0 δείχνει ότι έχει υποστεί ζημία η δομική ακεραιότητα των θυλακοειδών των χλωροπλαστών (Havaux και Lannoye 1985, Pereira et al. 2000).
Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν να μελετηθεί η επίδραση της τοξικότητας του βορίου στο φθορισμό της χλωροφύλλης, στη συγκέντρωση της χλωροφύλλης, στην ανατομία των φύλλων της κλημεντίνης και σε διάφορες μορφομετρικές παραμέτρους τους.
Υλικά και μέθοδοι
Ως φυτικό υλικό χρησιμοποιήθηκε η μανταρινιά κλημεντίνη (Citrus clementina, var. SRA 63) που ήταν εμβολιασμένη στα υποκείμενα νεραντζιά (Citrus aurantium) και Swingle citrumelo (Poncirus trifoliata x C. paradisi). Τα δενδρύλλια, ηλικίας 2 ετών, καλλιεργήθηκαν, υπό συνθήκες θερμοκηπίου, σε αδρανές υπόστρωμα άμμου : περλίτη (1:1) και αρδεύονταν για 204 ημέρες με 50% θρεπτικό διάλυμα Hoagland No.2 (Hoagland και Arnon 1950), τροποποιημένο ως προς το βόριο. Το πειραματικό σχέδιο περιελάμβανε συνολικά 20 φυτά, δηλαδή 2 συγκεντρώσεις βορίου (0,25 και 2,50 mg l-1), 2 υποκείμενα (νεραντζιά, Swingle citrumelo) και 5 επαναλήψεις ανά περίπτωση βορίου και υποκείμενο.
Ο φθορισμός της χλωροφύλλης των παλαιών φύλλων (ηλικίας > 2,5 μηνών) όλων των φυτών μετρήθηκε με τη συσκευή Hansateck 2.02 (Plant Efficiency Analyzer), 80 και 120 ημέρες από την έναρξη του πειράματος, καθώς και στο τέλος του (204η ημέρα). Στο τέλος του πειράματος μετρήθηκε επίσης η συγκέντρωση της χλωροφύλλης των φύλλων. Η εκχύλισή της έγινε με διάλυμα αιθανόλης (96%) σε υδατόλουτρο (78 oC) και τα αποτελέσματα εκφράστηκαν σε mg g-1 ξ.β., σύμφωνα με τις εξισώσεις των Wintermans και Mots (1965). Τέλος, για την ανατομική μελέτη των φύλλων μικρά κομμάτια τους στερεώθηκαν με γλουταρική αλδεϋδη και τετροξείδιο του οσμίου και εγκλείστηκαν σε ρητίνη Spurr (1969). Με τη χρήση υπερμικροτόμου Reichert Om U2 ελήφθησαν εγκάρσιες τομές πάχους 2 μm, οι οποίες χρώστηκαν με 1% κυανού της τολουϊδίνης σε 1% βόρακα και η φωτογραφήθηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο (Zeiss III photomicroscope).
Αποτελέσματα - Συζήτηση
Οι παράμετροι του φθορισμού της χλωροφύλλης (Fv/Fm, Fv/F0) δεν επηρεάστηκαν σημαντικά από το βόριο ή από το υποκείμενο, μέχρι και την 120η ημέρα του πειράματος. Στο τέλος του πειράματος (204η ημέρα), ο λόγος Fv/Fm είχε χαμηλότερες τιμές στην περίπτωση 2,50 mg B l-1, σε σχέση με την περίπτωση 0,25 mg B l-1 (μάρτυρας). Η μείωση αυτή ήταν μεγαλύτερη και μάλιστα στατιστικά σημαντική, όταν ως υποκείμενο χρησιμοποιήθηκε η νεραντζιά. Επιπλέον, υπό την επίδραση 2,50 mg B l-1, μειώθηκε και ο λόγος Fv/F0 (πίνακας 1), εξαιτίας της αύξησης κατά κύριο λόγο του F0. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα και λαμβάνοντας υπ' όψιν τα όσα αναφέρθηκαν στην Εισαγωγή, γίνεται αντιληπτό ότι κατά το τέλος του πειράματος η τοξικότητα του βορίου είχε αρχίσει να επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των φωτοχημικών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης. Η τοξικότητα του βορίου φαίνεται να προκαλεί ζημίες στη δομική ακεραιότητα των χλωροπλαστών και κατά συνέπεια επηρεάζει αρνητικά και τη λειτουργικότητά τους, δηλαδή τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το φωτοσύστημα ΙΙ (Φ-ΙΙ) στο φωτοσύστημα Ι (Φ-Ι).
Πίνακας 1: Επίδραση της συγκέντρωσης του βορίου και του υποκειμένου στις παραμέτρους Fv/Fm και Fv/F0 του φθορισμού της χλωροφύλλης των φύλλων της κλημεντίνης, εμβολιασμένης στα υποκείμενα νεραντζιά ή Swingle citrumelo κατά την 80η, 120η ημέρα καθώς και στο τέλος του πειράματος (204η ημέρα). Σημείωση:Οι μέσοι όροι της ίδιας μέτρησης που αναφέρονται στην ίδια ημέρα και ακολουθούνται από το ίδιο γράμμα δεν διαφέρουν στατιστικώς σημαντικά (Duncan, p=0,05).
Τα ορατά συμπτώματα της τοξικότητας του βορίου ήταν εμφανή στα παλαιότερα φύλλα όλων των φυτών που αρδεύονταν με την υψηλή συγκέντρωση βορίου (2,50 mg l-1), ενώ απουσίαζαν από τα νεαρά φύλλα (εικόνες 1 και 2). Αυτό οφείλεται στη δυσκινησία του βορίου στο φλοίωμα της κλημεντίνης όπως προκύπτει από τις κατά πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις βορίου που βρέθηκαν στα παλαιότερα φύλλα των φυτών, σε σχέση με τα νεότερα (Παπαδάκης 2002). Όπως φαίνεται στις εικόνες 3 και 4, η τοξικότητα του βορίου δεν επηρέασε τόσο τα επιδερμικά κύτταρα του φύλλου όσο εκείνα του μεσοφύλλου, τα οποία φαίνονται εσωτερικά αποδιοργανωμένα. Η τοξικότητα του βορίου προκάλεσε επίσης σημαντική μείωση του πάχους των φύλλων, κυρίως εξαιτίας της μείωσης του πάχους του σπογγώδους παρεγχύματός τους (πίνακας 3). Αποδιοργάνωση των κυττάρων του σπογγώδους παρεγχύματος φύλλων ροδακινιάς παρατηρήθηκε και από τους Kamali και Childers (1966), ενώ οι Sotiropoulos et al. (2002) διαπίστωσαν ότι η τοξικότητα του βορίου αποδιοργάνωσε όχι μόνο τα κύτταρα του σπογγώδους, αλλά και του δρυφακτοειδούς παρεγχύματος των φύλλων του ακτινιδίου. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι τόσο στα φυτικά εκείνα είδη, στο φλοίωμα των οποίων το βόριο είναι δυσκίνητο (εσπεριδοειδή, ακτινίδιο), όσο και στα είδη που το βόριο κινείται ελεύθερα (ροδακινιά) (Brown και Shelp 1997) η επίδραση της τοξικότητας του βορίου στα φύλλα περιορίζεται στα κύτταρα του μεσοφύλλου τους.
Ανεξάρτητα από το υποκείμενο, η αύξηση της συγκέντρωσης του βορίου στο θρεπτικό διάλυμα είχε ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης (α+β) των φύλλων. Η συγκέντρωση της χλωροφύλλης (α+β) (mg g-1 ξ.β.) στους συνδυασμούς Swingle citrumelo x κλημεντίνη και νεραντζιά x κλημεντίνη μειώθηκε κατά 22,60% και 32,30%, αντίστοιχα. Η μείωση αυτή της ολικής χλωροφύλλης οφείλονταν κυρίως στη μείωση της χλωροφύλλης β και δευτερευόντως της χλωροφύλλης α (πίνακας 2). Μείωση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης παρατηρήθηκε επίσης από πολλούς ερευνητές ως φυσικό επακόλουθο της τοξικής επίδρασης του βορίου στα φύλλα (Oertli 1960, Lovatt και Bates 1984, Σωτηρόπουλος 1999). Σύμφωνα με τον Oertli (1960), υψηλές συγκεντρώσεις βορίου δεν καταστρέφουν άμεσα τη χλωροφύλλη, δρουν όμως σε διάφορα βιοχημικά μονοπάτια προκαλώντας αλυσιδωτές αντιδράσεις, με αποτέλεσμα τη μερική ή ολική εξαφάνισή της. Από τη μελέτη των διαφόρων παραμέτρων του φθορισμού των μορίων της χλωροφύλλης προέκυψε μειωμένη μεταφορά ενέργειας από το φωτοσύστημα ΙΙ στο φωτοσύστημα Ι της φωτοσύνθεσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το μοριακό οξυγόνο να δρα ως εναλλακτικός δέκτης e- και να δημιουργούνται ενεργές ρίζες του. Ο σχηματισμός ενεργών ριζών οξυγόνου οδηγεί στην οξειδωτική καταπόνηση του κυττάρου και την πρόκληση ζημιών, μεταξύ των άλλων, στις μεμβράνες των χλωροπλαστών και στα μόρια της χλωροφύλλης, με αποτέλεσμα τη μείωση της συγκέντρωσης της. Επιπλέον, η εσωτερική αποδιοργάνωση των κυττάρων του σπογγώδους και του δρυφακτοειδούς παρεγχύματος των φύλλων, οφείλεται στην καταστροφή των κυτταρικών μεμβρανών εξαιτίας της οξειδωτικής καταπόνησης τους, δηλαδή στην υπεροξείδωση των δομικών συστατικών των μεμβρανών (γλυκοπρωτεϊνών, γλυκολιπιδίων, πρωτεϊνών και λιπαρών οξέων).
Βιβλιογραφία
Bjorkman O. & Demming B. 1987. Photon yield of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77 K among vascular plants of diverse origins. Planta 170: 489-504.
Brown P.H. & Shelp B.J. 1997. Boron mobility in plants. Plant and Soil. 193: 85-101.
Havaux M. & Lannoye R. 1985. In vivo chlorophyll fluorescence and delayed light emissions as rapid screening techniques for stress tolerance in crop plants. Z. Pflanzenzucht 95: 1-13.
Hoagland D.R. & Arnon D.S. 1950. The water culture method for growing plants without soil. Calif. Agric. Exp. Stat. Circ. 374.
Kamali A. & Childers N. 1966. Effect of boron nutrition on peach anatomy. J. Am. Soc. Hort. Sci. 90: 33-38.
Kastori R., Plesnicar M., Pankovic D. & Sakac Z. 1995. Photosynthesis, chlorophyll fluoresence and soluble carbohydrates in sunflower leaves as affected by boron deficiency. J. Plant Nutr. 18(9): 1751-1763.
Larsson E.H., Bornman J.F. & Asp H. 1998. Influence of UV-B radiation and Cd+2 on chlorophyll fluorescence, growth and nutrient content in Brassica napus. J. Exp. Bot. 49: 1031-1039.
Lichtenthaler H.K. & Rinderle U. 1988. The role of chlorophyll fluorescence in the detection of stress conditions in plants. Crit. Rev. Anal. Chem. 19: 29-85
Lovatt C.J. & Bates L.M. 1984. Early effects of excess boron on photosynthesis and growth of Cucurbita pepo. J. Exp. Bot. 35: 297-305.
Oertli J. J. 1960. The distribution of normal and toxic amounts of boron in leaves of rough lemon. Agron. J. 52: 530-532.
Pereira W.E., de Siqueira D.L., Martinez C.A. & Puiatti M. 2000. Gas exchange and chlorophyll fluorescence in four citrus rootstocks under aluminum stress. J. Plant Physiol. 157: 513-520.
Sotiropoulos T.E., Therios I.N., Dimassi K.N., Bosabalidis A. & Kofidis G. 2002. Nutritional status, growth, CO2 assimilation, and leaf anatomical responses in two kiwifruit species under boron toxicity. J. Plant Nutr. 25(6): 1249-1261.
Spurr A.R. 1969. A low viscosity epoxy resin embedding medium for electron microscopy. J. Ultrastructure Res. 26: 31-43.
Wintermans J.F. & Mots A. 1965. Spectrophotometric characteristics of chlorophyll a and b and their pheophytins in ethanol. Bioch Biophys. Acta 109: 448-453
Παπαδάκης Ι. 2002. Φυσιολογική και ανατομική μελέτη της τοξικότητας του βορίου στα εσπεριδοειδή. Μεταπτυχιακή διατριβή. Τμήμα Γεωπονίας, Σχολή Γεωτεχνικών Επιστημών, Α.Π.Θ.
Σωτηρόπουλος Θ. 1999. Ο ρόλος του βορίου στην ανόργανη θρέψη του ακτινιδίου. Διδακτορική Διατριβή. Τμήμα Γεωπονίας, Σχολή Γεωτεχνικών Επιστημών, Α.Π.Θ.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου