Effect of some symbiotic fungi and iron nanoparticles on morphological and physiological traits of purslane (Portulaca oleracea L.) under cadmium stress

Document Type : Original Article

Authors

1 Ph.D. Student of Agronomy - Crop Ecology, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology

2 Department of Agronomy, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology

3 Department of Agronomy, Genetics and Agricultural Biotechnology Institute of Tabarestan, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University

4 Department of Plant protection, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University

Abstract

Introduction: Nowadays, the soil contamination by heavy metals including cadmium (Cd) is one of the environmental problems which not only damage the animal and plant species but also diminish plant function, enters the food chain and endanger human health and other organisms (Sheoran et al., 2016). Phytoremediation is one of the most important methods that have been developed in the last two decades to address soil contamination, including heavy metals in various countries where planting of suitable plants is used to clean and absorb pollutants from the soil (Shahgholi et al., 2012). On the other hand, many studies have shown that the use of beneficial microorganisms such as fungi can significantly reduce the toxicity of heavy metals by bonding metals to their cell walls and consequently their immobilization (Akhtar et al., 2007). The aim of the research was to investigate the effect of application of some symbiotic fungi and iron nanoparticles on morphological and physiological traits of purslane (Portulaca oleracea L.) under cadmium stress.
Material and methods: The factorial experiment was conducted in a completely randomized design with three replications. The experimental factors included cadmium chloride in four levels (0, 25, 50 and 75 mg/kg soil from cadmium chloride source), four levels of fungal symbiosis (uninoculated and inoculated with fungi Chaetomium subaffine (SF), Trichoderma atroviride (SN) and Trichoderma longibrachiatum) and foliar spraying  of iron nanoparticles in three levels (0, 0.15 and 0.3 g/l).
Results and discussion: The results showed that the plant height and stem diameter  linearly decreased (with 69.6 and 56.6%, respectively) when the cadmium levels incresed. Leaf area increased at zero cadmium level in plants inoculated with T. longibrachiatum, 18.4% as compared to the uninoculated control . When 25 mg/kg of Cd was added to the soil, purslane plants which inoculated with Chaetomium subaffine (SF) showed 11.4% more leaf area than those uninoculated plants. At all foliar concentrations of iron nanoparticles, the highest content of chlorophyll a+b was obtained at 25 mg/kg soil cadmium.
Conclusions: Overall, the interaction of symbiotic fungi and foliar spraying of iron nanoparticles (especially at a concentration of 0.15 g/l) showed  a synergistic effect, hence some  growth parameters and chlorophyll concentrations markedly increased in the purslane plants.

Keywords

References

اصلانی، ز.، حسنی، ا.، رسولی صدقیانی، م.، سفیدکون، ف.، و بارین، م.، 1390. تأثیر دو گونه قارچ آربوسکولار مایکوریزا (Glomus mosseae و Glomus intraradices) بر رشد، مقادیر کلروفیل و جذب فسفر در ریحان (Ocimum basilicum L.) در شرایط تنش خشکی. مجله گیاهان دارویی و معطر ایران، شماره 27 (3) صص 471-486.
آقابابایی، ف.، رئیسی، ف.، و حسین پور، ع.، 1392. اثر کرم خاکی و قارچ میکوریزا بر زیست توده میکروبی و فعالیت آنزیمی در خاک­های آلوده شده به کادمیم در کشت آفتابگردان (Helianthus annuus L.)، نشریه آب و خاک، علوم و صنایع کشاورزی، شماره 27، صص 949-962.
بارنده، ف.، و کاووسی، ح.، 1395. اثر کلرید کادمیوم بر رنگیزه­های فتوسنتزی، محتوای پرولین، میزان پروتئین­های محلول و برخی آنزیم­های آنتی اکسیدانی در گیاهچه عدس، مجله فرآیند و کارکرد گیاهی، شماره 5(16)، صص 133-117.
پوراکبر، ل.، و اشرفی، ر.، 1390. اثر کادمیوم بر میزان تولید هیدروژن پراکسید و فعالیت برخی آنزیم­های آنتی اکسیدانی در گیاه ذرت، نشریه علوم دانشگاه تربیت مدرس، شماره 9، صص 484-473.
پیوندی، م.، کمالی جامکانی، ز.، و میرزا، م.، 1390. تأثیر نانو کلات آهن با کلات آهن بر رشد و فعالیت آنزیم­های آنتی اکسیدان مرزه Satureja hortensis، مجله تازه­های بیوتکنولوژی سلولی- مولکولی، شماره 2(5)، صص32-25.
تفویضی، م.، متشرعزاده، ب.، و ثواقبی  غ.، 1393. بررسی اثر محلول­پاشی آهن و آلودگی سرب بر برخی صفات فیزیولوژی دو هیبرید ذرت علوفه­ای در یک خاک آهکی. نشریه علوم گیاهان زراعی ایران، شماره 45(2)، صص 226- 213.
تقوی قاسمخیلی، ف.، پیردشتی، ه.، تاجیک قنبری، م.ع.، و بهمنیار، م.ع.، 1393. تأثیر قارچ تریکودرما هارزیانوم (Trichoderma harzianum) و کادمیوم بر شاخص تحمل و عملکرد جو (Hordeum vulgare L.)، نشریه علمی  پژوهشی اکوفیزیولوژی گیاهان زراعی، شماره 8 (4)، صص 482-465.
تقوی قاسمخیلی، ف.، پیردشتی، ه.، تاجیک قنبری، م.ع.، و بهمنیار، م.ع.، 1394. بررسی تأثیر قارچ تریکودرما و نیترات کادمیوم بر قابلیت جذب، انتقال و تجمع کادمیوم در گندم (Triticum aestivum L.)، نشریه تحقیقات کاربردی اکوفیزیولوژی گیاهی، شماره 2(1)، صص 16-1.
حسین­زاده، م.ه.، قلاوند، ا.، مشهدی اکبر بوجار، م.، مدرس ثانوی، س.ع.، و  مختصی بیدگلی، ع.، 1398. تغییرات مورفولوژیکی، زراعی، محتوی اسانس و روغن گیاه خرفه (Portulaca oleracea L.) تحت تأثیر خشکی، مایکوریزا و کود آلی/ شیمیایی نیتروژن، مجله تنش­های محیطی در علوم زراعی، شماره 12(3)، صص 864-831.
حیدری، م.، گلیج، م.، قربانی، ه. و برادران­فیروزآبادی، م.، 1394. تأثیر تنش خشکی و محلول پاشی نانواکسید آهن بر عملکرد دانه، محتوای یونی و رنگدانه های نورساختی کنجد، علومگیاهانزراعیایران، شماره 46(4)، صص 628-619.
خلیقی جمال آباد، ا.، و خارا، ج.، 1387. تأثیر قارچ میکوریزای آربوسکولار Glomus intraradices بر روی تنش اکسیداتیو برخی پارامترهای رشدی و فیزیولوژی در گیاه گندم رقم آذر2، مجله زیست شناسی ایران، شماره 21(5)، صص 15-1.
دالوندگماری ک.، و افتخاری س.ع.، 1397. تأثیرکادمیم بر صفات رویشی، شاخص­های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی تربچه نقلی (Raphanus sativus L)، نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، شماره 32 (3)، صص 529 - 517.
رفیعی، م.، مداح حسینی، ش.، حمیدپور، م.، و محمدی میریک، ع.ا.، 1397. برهمکنش کلرید سدیم و کادمیوم بر برخی صفات فیزیولوژیک و محتوای سدیم و کادمیوم ریشه و اندام هوایی خرفه (Portulaca oleracea)، نشریه مدیریت خاک و تولید پایدار، شماره 8 (4)، صص 60-43.
سلطانی، ف.، قربانلی، م.، منوچهری کلانتری، خ.، 1385. اثر کادمیوم بر مقدار رنگیزه های فتوسنتزی، قندها و مالون دآلدئید در گیاه کلزا (Brassica napus L.)، مجله زیست شناسی ایران، شماره 2، صص 136-145.
شهقلی، ح.، طلائی، ق.ح.، و خواجه، م.، 1391. برهمکنش ریزسازواره­ها و کلات­ها بر پالایش عناصر سنگین توسط گیاهان، مجله ایمنی زیستی، شماره 5 (2)، صص 94-75.
صدوری، م.، و قرچه، ن.، 1392. نقش قارچ­های همزیست ریشه در احیای زمین­های آلوده به مواد سمی، دانش بیماری شناسی گیاهی، شماره 2(2)، صص60-45.
غفاری، ز.، داودی، م.ج.، و شهبازی، ک.، 1391. اصلاح آب­های آلوده به کادمیوم با استفاده از نانوذرات آهن صفر. اولین کنفرانس ملی نانو فناوری و کاربردهای آن در کشاورزی و منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی تهران، کرج. 26-27 اردیبهشت.
فلاح، س.، و سلطانی­نژاد، ف.، 1395. برهمکنش کادمیم و سطوح مختلف نیتروژن آلی و معدنی بر برخی خصوصیات فیزیولوژیک و مورفولوژیک گیاه دارویی خرفه (Portulaca oleracea)، مجله علوم و فنون کشت­های گلخانه­ایی، شماره 7 (26)، صص 178-163.
کاشانی، آ.، پیردشتی، ه.، بی پروا، پ.، و عمادی، س.م.، 1398. پاسخ صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی کلزا (Brassica napus L.) به کاربرد نانوذرات آهن صفرظرفیتی پایدارشده تحت تنش شوری، مجله فرآیند و کارکرد گیاهی، شماره 8 (29)، صص113-95.
کاظم علیلو، س.، رسولی صدقیانی، م.، 1391. اثر آلودگی کادمیومی خاک بر برخی شاخص­های فیزیولوژیک گیاه بنگدانه (Hyoscyamus niger L.) در حضور و عدم حضور ریزجانداران محرک رشد گیاه، نشریه آب و خاک، شماره 22 (4)، صص 30-18.
کوچکی، ع.، و سرمدنیا، ع.، ترجمه. 1392. فیزیولوژی گیاهان زراعی. مشهد: انتشارات جهاد دانشگاهی (دانشگاه فردوسی مشهد).
محمدی کشکا، ف.، پیردشتی، ه.، یعقوبیان، ی.، و بهاری ساروی. س.ح.، 1395. تأثیر همزیستی قارچ­های Trichoderma virens و Piriformospora indica  به همراه باکتری Enterobacter .sp بر رشد رویشی و رنگیزه­های فتوسنتزی گیاه فلفل (Capsicum annuum L)، مجله اکوفیزیولوژی گیاهی، شماره 26، صص 133-121.
نوری آکندی، ز.، مکاریان، ح.، پیردشتی، ه.، عامریان، م.، برادران فیروزآبادی، م.، و تاجیک­قنبری، م.، 1398. شناسایی برخی قارچ­های اندوفیت در ریشه گیاهان علف چشمه (Nasturtium officinale) و اناریجه (Froriepia subpinnata). مجموعه خلاصه مقالات چهارمین کنگره قارچ­شناسی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران، 4-6 شهریور. صص 112.
نوری حسینی، م.، 1384. اثرات محلول پاشی و مصرف خاکی عناصر آهن و روی بر عملکرد و اجزاء عملکرد پنبه. چکیده مقالات نهمین کنگره علوم خاک، تهران، مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری کشور، ایران، 6 شهریور. صص 98.
یعقوبیان، ی.، 1394. اثر قارچ­های Piriformospora indica و Trichoderma spp در تحمل به سمیت کادمیوم در گیاهان دارویی بادرنجبویه (Melissa officinalis L.) و خرفه (Portulaca oleracea L.). پایان نامه دکتری. دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی رامین خوزستان.
یعقوبیان، ی.، سیادت، س.ع.ا.، مرادی‌تلاوت، م.ر.، و پیردشتی، ه.ا.، 1395. کمی‌سازی پاسخ رشد رویشی و مؤلفه‌های فلورسانس کلروفیل گیاه دارویی بادرنجبویه (Melissa officinalis L.) به غلظت کادمیوم در خاک، نشریه پژوهش‌های تولید گیاهی، شماره 23(2)، صص 165- 185.
Akhtar, K., Akhtar, M.W., and A.M. Khalid. 2007. Removal and recovery of uranium from aqueous solutions by Trichoderma harzianum. Water Research. 41:1366-1378.
Auge, R.M., H.D. Toler, and A.M. Saxton. 2015. Arbuscular mycorrhizal symbiosis alters stomatal conductance of host plants more under drought than under amply watered conditions: a meta-analysis. Mycorrhiza. 25(1): 13-24.
Aydinalp, C., and S. Marinova. 2009. The effects of heavy metals on seed germination and plant growth on alfalfa (Medicago sativa) plant. Bulgarian Journal of Agricultural Science. 15: 347-350.
Barcelo, L., and C. Poschenriedr. 1990. Plant water relations as affected by heavy metal stress: A reaview. Journal of Plant Nutrition. 13:1-37.
Briat, J. F., Dubos, C., and F. Gaymard. 2015. Iron nutrition, biomass production, and plant product quality. Trends in Plant Science. 20(1): 33-40.
Demir, S. 2004. Influence of arbuscular mycorrhiza on some physiological growth parameters of pepper. Turkish Journal of Biology. 28: 85-90.
Feng, G., Li, X. L., Zhang, F. S., Tian, C.Y., and C. Tang. 2002. Improved tolerance of maize plant to salt stress by arbuscular mycorrhiza is related to higher accumulation of solouble sugars in roots. Mycorrhiza 12: 185-190.
Gaiero, J.R., McCall, C.A., Thompson, K.A., Day, N.J., Best, A.S., and K.E. Dunfield. 2013. inside the root microbiome: bacterial root endophytes and plant growth promotion. American Journal of Botany. 100: 1738-1750.
Greger, M., and E. Ogren. 1991. Direct and indirect effects of Cd on photosynthesis in sugar beet (Beta vulgaris). Physiologia Plantarum. 83: 129-135.
Hrynkiewicz, K., Dabrowska, G., Baum, C., Niedojad, K., and P. Leinweber. 2012. Interactive and single effects of ectomycorrhiza formation and Bacillus cereus on metallothionein MT1 expression and phytoextraction of Cd and Zn by willows. Water, Air and Soil Pollution. 223(3):957–968.
Huang, S., Wang, L., Liu, L., Hou, Y., and L. Li. 2014. Nanotechnology in agriculture, livestock, and aquaculture in china. A review. Agronomy for Sustainable Development. 35: 369–400.
Hussain, I., Ashraf, M.A., Rasheed, R., Asghar, A., Sajid, M.A., and M. Iqbal. 2015. Exogenous application of silicon at the boot stage decreases accumulation of cadmium in wheat (Triticum aestivum L.) grains. Brazilian Journal of Botany. 38(2): 223-234.
Jianpeng, F., Qinghua, S., Xiufeng, W., and W. Min. 2010. Silicon supplementation ameliorated the inhibition of photosynthesis and nitrate metabolism by cadmium toxicity Cucumis satvius L. Scientia Horticulturae. 123:521-530.
Kapoor, R., Sharma, D., and A.K. Bhatnagar. 2008. Arbuscular mycorrhizae in micropropagation systems and their potential applications. Scientia Horticulture. 116: 227-239.
Konate, A., He, X., Zhang, Z., Ma, Y., Zhang, P., Alugongo, G.M., and Y. Rui. 2017. Magnetic (Fe3O4) nanoparticles reduce heavy metals uptake and mitigate their toxicity in wheat seedling. Sustainability. 9 (790): 1-16.
Kristin, A., and H. Miranda. 2013. The root microbiotae-a fingerprint in the soil. Plant Soil. 370: 671-686.
Liamas, A., Ullrich, B., and A. Sanz. 2000. Cadmium effects on transmembrance electrical potential difference, respiration and membrane permeability of rice roots. International Journal of Plant and Soil Science. 219: 21-28.
Lukacov, Z., svubov, R., Kohanov, J., and A. Lux. 2013. Silicon mitigates the Cd toxicity in maize in relation to cadmium translocation, cell distribution, antioxidant enzymes stimulation and enhanced endodermal apoplasmic barrier development. Plant Growth Regulation. 70(1): 89-103.
Lutts, S., Kinet, J.M., and J. Bouharmont. 1995. Changes in plant response to NaCl during development of rice (Oryza sativa L.) varieties differing in salinity resistance. Journal of Experimental Botany. 46: 1843–1852.
Mazhabi, M., Nemati, H., Rouhani, H., Tehranifar, A., Moghadam, E.M., Kaveh, H., and A. Rezaee. 2011. The effect of Trichoderma on polianthes qualitative and quantitative properties. Journal of Animal and Plant Sciences. 21(3): 617-621.
Naderi, M., Danesh-Shahraki, A., and R. Naderi. 2013. The role of nanotechnology in improving the use efficiency of nutrients and chemical fertilizers. Mon Nanotechnology. 11 (12): 16 - 32.
Oelmuller, R., Sherameti, I., Tripathi, S., and A. Varma. 2009. Piriformospora, a cultivable root endophyte with multiple biotechnological applications. Symbiosis. 49: 1-17.
Porra, R.J. 2002. The chequered history of the development and use of simultaneous equations for the accurate determination of chlorophylls a and b. Photosynthesis Research. 73(1): 149-156.
Sanita, D.T., and R. Gabbrielli. 1999. Response to cadmium in higher plants- review. Environmental and Experimental Botany. 41:105-130.
Savasari, M., Emadi, M., Bahmanyar, M.A., And P. Biparva. 2015. Optimization of Cd (II) removal from aqueous solution by ascorbic acid-stabilized zero valent iron nanoparticles using response surface methodology. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 21: 1403-1409.
Schonfeld, M.A., Johnson, R.C., Carver, B., and D.W. Morhinweg. 1988. Water relation in winter wheat as drought resistance indicator. Crop Science. 28: 526-531.
Sheoran, V., Sheoran, A.S., and F. Navari-Izzo. 2016. Factors affecting phytoextraction: A review. Pedosphere 26(2): 148–166.
Shi, G., Liu, C., Cai, Q., Liu, Q., and C. Hou. 2010. Cadmium accumulation and tolerance of two safflower cultivars in relation to photosynthesis and antioxidative enzymes. Bulletin of Environmental Contam Toxicology. 85(3):256-63. 
Soltani, A., Hammer, GL., Torabi, B., Robertson, M.J., and E.  Zeinali. 2006. Modeling chickpea growth and development: phonological development. Field Crops Research. 99: 1-13.
Sun, Y.M., Horng, C.Y., Chang, F.L., Cheng, L.C., and W.X. Tian. 2010. Biosorption of lead, mercury and cadmium ions by Aspergillus tereuss immobilized in a natural matrix. Polish Journal of Microbiology. 59 (1): 37-44.
Suzuki, M., Takeda, S., Teraoka-Nishitani, N., Yamagata, A., Tanaka, T., and M. Sasaki. 2017. Cadmiuminduced malignant transformation of rat liver cells: Potential key role and regulatory mechanism of altered apolipoprotein expression in enhanced invasiveness. Toxicology. 382: 16-23.
Tiwari, K., Dwivedi, S., Mishra, S., Srivastava, S., Tripathi, R., Singh, N., and S. Chakraborty. 2008. Phytoremediation efficiency of Portulaca tuberosa rox and Portulaca oleracea L. naturally growing in an industrial effluent irrigated area in Vadodra, Gujrat, India. Environmental Monitoring and Assessment. 147(1-3): 15- 22.
Vassilev, A., and I. Yordanov. 1997. Reductive analysis of factors limiting growth of cadmium - treated plants: A review. Plant Physiology. 23:114-133.
Wang B., Liu L., Gao Y., and J. Chen. 2009. Improved phytoremediation of oilseed rape (Brassica napus) by Trichoderma mutant constructed by restriction enzyme-mediated integration (REMI) in cadmium polluted soil. Chemosphere. 74: 1400–1403.
Xue, Z., Gao, C., Y, H., and L.T. Zhang. 2013. Effects of cadmium on growth, photosynthetic rate and chlorophyll content in leaves of soybean seedlings. Biologia Plantarum. 57: 587-59.
Zago, M.P., and P.I. Oteiza. 2001. The antioxidant properties of zinc: Interactions with iron and antioxidants. Free Radical Biology and Medicin. 31:266-274.
Zarea, M.J., Hajinia, S., Karimi, N., Mohammadi Goltapeh, E., Rejali, F., and A. Varma. 2012. Effect of Piriformospora indica and Azospirillum strains from saline or non-saline soil on mitigation of the effects of NaCl. Soil Biology and Biochemistry. 45: 139-146.
Zhang, M., He, F., Zhao, D., and X. Hao. 2011. Degradation of soil sorbed trichloroethylene by stabilized zero valent iron nanoparticles: Effects of sorption, surfactants, and natural organic matter. Water Research. 45: 2401-2414.

Files

Share

How to cite

Statistics