تأثیر نانوذرات اکسید روی بر جوانه‌زنی، رشد گیاهچه و متابولیت های ثانویه بادرنجبویه (Mellisa officinalis L.) در شرایط درون شیشه ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه ژنتیک و تولید گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ولی‌عصر(عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران

10.22034/plant.2001.145333.1195

چکیده

مقدمه: استفاده از فن­آوری نانو در کشاورزی نقش مهمی در بهبود رشد، فتوسنتز و عملکرد گیاهان ایفا ­کرده است. اثرات درمانی متابولیت­های ثانویه گیاهان دارویی مانند آلکالوئیدها، ترکیبات فنلی، فلاونوئیدها و کاروتنوئیدها مورد توجه بشر بوده است. استفاده از محرک­های غیرزیستی، یکی از روش­های به­کار گرفته شده برای افزایش تولید متابولیت­های ثانویه در گیاهان دارویی است. در سال­های اخیر کاربرد نانوذرات به‌عنوان یک محرک مؤثر، جهت افزایش تولید متابولیت­های ثانویه، مطرح شده است. نانوذرات براساس نحوه کاربرد، غلظت و اندازه، متابولیسم اولیه و ثانویه را در گیاهان دارویی تحت تأثیر قرار می­دهند. لذا، در این پژوهش تأثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید روی بر جوانه­زنی، رشد گیاهچه­­ای، تولید ترکیبات فنلی و اسید رزمارینیک در کشت درون شیشه­ای بادرنجبویه بررسی شد.
مواد و روش­ها: به‌‌‌‌منظور بررسی تأثیر جایگزینی منبع روی در محیط کشت با نانوذرات اکسید روی آزمایشی به­صورت کشت درون شیشه­ای در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار انجام شد. اضافه نمودن نانوذرات اکسید روی به محیط کشت MS بعد از آماده­سازی آن­ها با استفاده از حمام فراصوت انجام شد. بذرهای بادرنجبویه پس از ضدعفونی سطحی به محیط کشت حاوی غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید روی (صفر به­عنوان شاهد، 016/0، 08/0 و 4/0 میلی­گرم بر لیتر) انتقال و سپس محیط­های کشت در اتاقک­های رشد با شرایط دوره نوری 16 ساعت نور و 8 ساعت تاریکی در درجه حرارت C˚25 قرار داده شدند. پس از پایان دوره آزمایش درصد جوانه‌زنی، پارامترهای رشد، میزان رنگیزه­های فتوسنتزی، فعالیت آنزیم فنیل­آلانین آمونیالیاز، میزان فنل و میزان اسیدرزمارینیک تحت تأثیر غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید روی اندازه­گیری شد. پس از انجام تجزیه آماری داده‌ها و مشاهده تفاوت معنی‌دار در تجزیه واریانس، با استفاده از آزمون دانکن مقایسه میانگین‌ها در سطح احتمال 5% صورت گرفت.
نتایج: براساس نتایج این پژوهش، درصد جوانه­زنی با حضور نانوذرات اکسید روی در محیط، نسبت به شاهد کاهش یافت. بیشترین کاهش (50%) در تیمار با غلظت­ 016/0 میلی­گرم بر لیتر نانوذرات اکسید روی مشاهده شد. طول ریشه­چه در گیاهان رشد‌یافته در محیط دارای نانوذرات اکسید روی نسبت به گیاهان شاهد به‌میزان 3 تا 5 برابر افزایش نشان داد. افزایش وزن خشک ریشه­چه، ساقه­چه و گیاه­چه نیز در حضور نانوذرات اکسید روی نسبت به شاهد 5/1 تا 2 برابر بود. میزان کلروفیل a، کلروفیل b، کلروفیل کل و کاروتنوئید در تیمار نانوذرات اکسید روی با غلظت‌های 08/0 و 4/0 میلی­گرم بر لیتر نسبت به شاهد به‌میزان 5/1 تا 2 برابر افزایش یافت. افزایش قابل توجهی در فعالیت آنزیم فنیل­آلانین آمونیالیاز، میزان ترکیبات فنلی و اسید رزمارینیک در تیمار نانوذرات اکسید روی نسبت به شاهد مشاهده شد. بیشترین افزایش در فعالیت آنزیم فنیل­آلانین آمونیالیاز، ترکیبات فنلی و اسید رزمارینیک در تیمار نانوذرات اکسید روی با غلظت 08/0 میلی­گرم بر لیتر مشاهده شد.
نتیجه­گیری: در سال­های اخیر، از نانوذرات به‌عنوان یک محرک جدید، جهت افزایش رشد و متابولیت­های ثانویه در گیاهان دارویی استفاده شده است. براساس نتایج این پژوهش در حضور نانوذرات اکسید روی در غلظت‌های بسیار پایین­تر از غلظت عنصر روی در محیط کشت MS، افزایش رشد، میزان رنگیزه­های فتوسنتزی و در نتیجه عملکرد گیاه مشاهده شد. افزایش میزان ترکیبات فنلی و میزان اسید رزمارینیک تحت تأثیر نانوذرات اکسید روی در کشت درون شیشه‌ای بادرنجبویه با افزایش فعالیت آنزیم فنیل‌آلانین ‌آمونیالیاز هماهنگ بود. درنهایت، استفاده از نانوذرات اکسید روی به‌عنوان یک راهکار مؤثر جهت بهبود متابولیسم اولیه و ثانویه در گیاه بادرنجبویه قابل توصیه است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of ZnO NPs on germination, seedling growth and secondary metabolites of Mellisa officinalis L. in in vitro culture

نویسندگان [English]

  • Maryam Dahajipour Heidarabadi
  • Fatemeh Mortazaei
  • Mohsen Mahmoodnia Meimand
Department of Genetics and Plant Production, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran
چکیده [English]

Introduction: The use of nanotechnology has an important role in improving plant growth, photosynthesis, and yield in agriculture. The human has been interested in therapeutic effects of secondary metabolites of medicinal plants such as flavonoids, phenolic acids, alkaloids, and carotenoids. The use of abiotic elicitors is one of the strategies used to increase the production of secondary metabolites in medicinal plants. In recent years, the use of nanoparticles as a new elicitor to increase secondary metabolites has been proposed. Nanoparticles cause changes in primary and secondary metabolism in medicinal plants based on application, concentration, and size. Therefore, in this study the effects of different concentrations of zinc oxide nanoparticles in in vitro culture on germination, seedling growth, and production phenolic compounds and rosmarinic acid of lemon balm were investigated.
Materials and Methods: In order to investigate the effect of replacing the zinc source in the culture medium with zinc oxide nanoparticles, an experiment was conducted in vitro in a completely randomized design with three repetitions. After preparation of zinc oxide nanoparticles using an ultrasonic bath, they were added to MS culture medium. The sterilized seeds were transferred to culture media containing different concentrations of zinc oxide nanoparticles (at concentrations of 0 as the control, 0.016, 0.08 and 0.4 mg/L) and then placed in growth chambers with a photoperiod of 16 light/8 darkness at 25°C. At the end of the experiment, the germination percentage, growth parameters, photosynthetic pigments, phenylalanine ammonia-lyase enzyme activity, phenol and rosmarinic acid contents were measured under the influence of different concentrations of zinc oxide nanoparticles treatments. Statistical analysis of the data was performed, and upon observing a significant difference in analysis of variance, comparison of means was performed using Duncan's test at a probability level of 5%.
Results: Based on the results of this research, the presence of zinc oxide nanoparticles in the medium reduced the germination percentage compared with the control. The highest reduction (50%) was observed in the treatment with a concentration of 0.016 mg/L of zinc oxide nanoparticles. The radicle length in plants grown in the medium containing zinc oxide nanoparticles increased by 3 to 5 times compared with the control. The dry weight of the radicle, plumule and seedling also increased by 1.5 to 2 times in the presence of zinc oxide nanoparticles compared with the control. The amount of chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll and carotenoids increased by 1.5 to 2 times in the treatments with zinc oxide nanoparticles of concentrations of 0.08 and 0.4 mg/L compared with the control. The increase in the activity of phenylalanine ammonia-lyase enzyme, the amount of phenolic compounds and rosmarinic acid in the treatments with zinc oxide nanoparticles compared with the control was significant. The greatest increase in phenylalanine ammonia-lyase enzyme activity, phenolic compounds, and rosmarinic acid was observed in the treatment with zinc oxide nanoparticles at a concentration of 0.08 mg/L.
Conclusion: In recent years, nanoparticles have been used as a new elicitor to increase growth and secondary metabolites in medicinal plants. According to the results of this study, an increase in growth and the amount of photosynthetic pigments and, secondary metabolites was observed in the presence of zinc oxide nanoparticles at concentrations much lower than the concentration of zinc element in MS culture medium. The increase in the amounts of phenolic compounds and rosmarinic acid was consistent with an increase in the activity of the phenylalanine ammonia-lyase enzyme under the influence of zinc oxide nanoparticles in in vitro culture of lemon balm. Finally, the use of zinc oxide nanoparticles as an effective strategy to improve primary and secondary metabolism in lemon balm can be recommended.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Growth
  • In vitro culture
  • Lamiaceae
  • Rosmarinic acid
  • Zn oxide nanoparticles

مراجع

Abdelmagid, S. Y., Gharib, F. A. E. L., & Ahmed, E. Z. (2025). Impact of titanium nanoparticles on germination and early growth of faba bean (Vicia faba L.). Scientific Reports, 15(1), 32450. https://doi.org/10.1038/s41598-025-18071-1
Acharya, P., Jayaprakasha, G. K., Crosby, K. M., Jifon, J. L., & Patil, B. S. (2020). Nanoparticle-mediated seed priming improves germination, growth, yield, and quality of watermelons (Citrullus lanatus) at multi-locations in Texas. Scientific reports, 10(1), 5037. https://doi.org/10.1038/s41598-020-61696-7
Aghaee, A., Shahabivand, S., Athari, M., & Nasiri, Y. (2022). The effect of foliar application of zinc oxide and zinc nanoparticles on growth, photosynthetic pigments and essential oil compounds of green basil. Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology), 35(2), 233-245. (In Persian). https://doi.org/10.22034/JPR.2022.2116
Aminizadeh, M., Riahi-Madvar, A., & Mohammadi, M. (2016). Nano-Metal oxides induced sulforaphane production and peroxidase activity in seedlings of Lepidium draba (Brassicaceae). Progress in Biological Sciences, 6(1), 75-83. https://doi.org/10.22059/pbs.2016.59010
Arnon, D. I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiology, 24, 1-15.
 
Arora, S., Murmu, G., Mukherjee, K., Saha, S., & Maity, D. (2022). A comprehensive overview of nanotechnology in sustainable agriculture. Journal of Biotechnology, 355, 21-41. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2022.06.007
Berni, R., Luyckx, M., Xu, X., Legay, S., Sergeant, K., Hausman, J. F., & Guerriero, G. (2019). Reactive oxygen species and heavy metal stress in plants: Impact on the cell wall and secondary metabolism. Environmental and Experimental Botany, 161, 98-106. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2018.10.017
Doğaroğlu, Z. G., Eren, A., & Baran, M. F. (2019). Effects of ZnO nanoparticles and ethylenediamine‐N, N′‐disuccinic acid on seed germination of four different plants. Global Challenges, 3(9), 1800111. https://doi.org/10.1002/gch2.201800111
Farghaly, F. A., Radi, A. A., Al-Kahtany, F. A., & Hamada, A. M. (2020). Impacts of zinc oxide nano and bulk particles on redox-enzymes of the Punica granatum callus. Scientific reports, 10(1), 19722. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76664-4
Farnoosh, S., Masoudian, N., Safipour Afshar, A., SaeidNematpour, F., & Roudi, B. (2023). Effect of Zinc Oxide nanoparticle on physiological characteristics, rosmarinic acid production and expression of TAT and 4-Cl genes in Lemongrass (Melissa officinalis L.). Cell and Tissue Journal, 13(1), 56-70. (In Persian). https://doi.org/10.22080/jct.2022.29848
Gholami, A., Abbaspour, H., Gerami, M., & Hashemi-Moghaddam, H. (2020). The effect of titanium dioxide nanoparticles (TiO2) on photosynthetic pigments and some biochemical and antioxidant properties of Rosmarinus officinalis L. Journal of Food Science and Technology, 17(105), 123-134. (In Persian).
Gill, S. S., & Tuteja, N. (2010). Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant physiology and biochemistry, 48(12), 909-930. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2010.08.016
Haghaninia, M., Javanmard, A., Rasouli, F., & Hazrati-Haselghobiafshar, F. (2025). Optimizing the performance and defensive traits of grapefruit mint (Mentha suaveolens × piperita) under drought stress conditions using arbuscular mycorrhizal fungi and carbon quantum dots. Plant Production and Genetics, 6(1), 1-18. (In Persian).
Hu, P., An, J., Faulkner, M. M., Wu, H., Li, Z., Tian, X., & Giraldo, J. P. (2020). Nanoparticle charge and size control foliar delivery efficiency to plant cells and organelles. ACS nano, 14(7), 7970-7986. https://doi.org/ 10.1021/acsnano.9b09178
Hussein, R. A., & El-Anssary, A. A. (2019). Plants secondary metabolites: the key drivers of the pharmacological actions of medicinal plants. Herbal medicine, 1(3), 11-30. https://doi.org/10.5772/intechopen.76139
Javed, R., Yucesan, B., Zia, M., & Gurel, E. (2018). Elicitation of secondary metabolites in callus cultures of Stevia rebaudiana Bertoni grown under ZnO and CuO nanoparticles stress. Sugar Tech, 20(2), 194-201. https://doi.org/10.1007/s12355-017-0539-1
Lew, T. T. S., Wong, M. H., Kwak, S. Y., Sinclair, R., Koman, V. B., & Strano, M. S. (2018). Rational design principles for the transport and subcellular distribution of nanomaterials into plant protoplasts. Small, 14(44), 1802086. https://doi.org/10.1002/smll.201802086
Kittler, J., Krüger, H., Ulrich, D., Zeiger, B., Schütze, W., Böttcher, C., & Marthe, F. (2018). Content and composition of essential oil and content of rosmarinic acid in lemon balm and balm genotypes (Melissa officinalis). Genetic Resources and Crop Evolution, 65(5), 1517-1527. https://doi.org/10.1007/s10722-018-0635-4
Kurczy´nska, E., Godel-J˛edrychowska, K., Sala, K., & Milewska-Hendel, A. (2021). Nanoparticles—plant interaction: what we know, where we are? Applied Sciences, 11, 5473. https://doi.org/10.3390/app11125473
Maani, M., Fallah Chai, M. M., & Shariati, F. (2025). Uptake of zinc and its effects on nutrient and chlorophyll content in seedlings. Caspian Journal of Environmental Sciences, 1-9. https://doi.org/10.22124/cjes.2025.9267
Marslin, G., Sheeba, C. J., & Franklin, G. (2017). Nanoparticles alter secondary metabolism in plants via ROS burst. Frontiers in plant science, 8, 832. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00832
Mohit Rabary, P., Movahedi, Z., Ghabooli, M., & Rostami, M. (2022). Effects of foliar application of zinc oxide nanoparticles on traits of several medicinal plants under aeroponic system conditions. International Journal of Horticultural Science and Technology, 9(4), 445-452. https://ijhst.ut.ac.ir/article_87134.html
Nazir, S., Zhang, J. M., Junaid, M., Saleem, S., Ali, A., Ullah, A., & Khan, S. (2024). Metal-based nanoparticles: basics, types, fabrications and their electronic applications. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 238(6), 965-995. https://doi.org/10.1515/zpch-2023-0460
Nechitailo, G. S., Bogoslovskaya, O. A., Ol’khovskaya, I. P., & Glushchenko, N. N. (2018). Influence of iron, zinc, and copper nanoparticles on some growth indices of pepper plants. Nanotechnologies in Russia, 13(3), 161-167.
Ninkuu, V., Aluko, O. O., Yan, J., Zeng, H., Liu, G., Zhao, J., & Dakora, F. D. (2025). Phenylpropanoids metabolism: Recent insight into stress tolerance and plant development cues. Frontiers in Plant Science, 16, 1571825. https://doi.org/10.1134/S1995078018020052
Oloumi, H., Soltaninejad, R., & Baghizadeh, A. (2015). The comparative effects of nano and bulk size particles of CuO and ZnO on glycyrrhizin and phenolic compounds contents in Glycyrrhiza glabra L. seedlings. Indian Journal of Plant Physiology, 20: 157-161. https://doi.org/10.1007/s40502-015-0143-x
Öztürk, M., Duru, M. E., Ince, B., Harmandar, M., & Topçu, G. (2010). A new rapid spectrophotometric method to determine the rosmarinic acid level in plant extracts. Food Chemistry, 123(4), 1352-1356. https://doi.org/ 10.1016/j.foodchem.2010.06.021
Pavani, K., Divya, V., Veena, I., Aditya, M., & Devakinandan, G. (2014). Influence of bioengineered zinc nanoparticles and zinc metal on Cicer arietinum seedlings growth. Asian Journal of Agriculture and Biology, 2(4), 216-223. https://doi.org/10.2139/ssrn.4865424
Rahman, M. S., Chakraborty, A., Kibria, A., & Hossain, M. J. (2023). Effects of silver nanoparticles on seed germination and growth performance of pea (Pisum sativum). Plant Nano Biology, 5, 100042. https://doi.org/10.1016/j.plana.2023.100042
Rivero-Montejo, S. D. J., Vargas-Hernandez, M., & Torres-Pacheco, I. (2021). Nanoparticles as novel elicitors to improve bioactive compounds in plants. Agriculture, 11(2), 134. https://doi.org/10.3390/agriculture11020134
Saini, N., Anmol, A., Kumar, S., Wani, A. W., Bakshi, M., & Dhiman, Z. (2024). Exploring phenolic compounds as natural stress alleviators in plants-a comprehensive review. Physiological and Molecular Plant Pathology, 133, 102383. https://doi.org/10.1016/j.pmpp.2024.102383
Shavalibor, A. & Esmaeilzadeh Bahabadi, S. (2021). Effect of biologically synthesized silver nanoparticles on Melissa officinalis L.: Evaluation of growth parameters, secondary metabolites, and antioxidant enzymes. Iranian Journal of Plant Physiology, 11(4), 3799-3809.
Shehzad, M. A., Khan, M. A., Ali, A., Mohammad, S., Noureldeen, A., Darwish, H., & Khan, R. S. (2021). Interactive effects of zinc oxide nano particles and different light regimes on growth and silymarin biosynthesis in callus cultures of Silybum marianum L. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology, 49(1), 523-535. https://doi.org/10.1080/21691401.2021.1946069
Singleton, V. L., & Rossi, J. A. (1965). Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents. American Journal of Enology and Viticulture, 16, 144-158.
Tariq, M., Tufail, A., Hafeez, M. B., Shoukat, M., Ahmad, N., Iqbal, S., & Zahra, N. (2025). Zinc-based nanoparticles improved the growth, chlorophyll, osmoregulation and ions relations of sunflower under combined shade and drought stress. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 103812. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2025.103351
Tarroum, M., Alfarraj, N. S., Al-Qurainy, F., Al-Hashimi, A., Khan, S., Nadeem, M., & Shaikhaldein, H. O. (2023). Improving the production of secondary metabolites via the application of biogenic zinc oxide nanoparticles in the calli of Delonix elata: a potential medicinal plant. Metabolites, 13(8), 905. https://doi.org/10.3390/metabo13080905
Weitzel, C., & Petersen, M. (2011). Cloning and characterisation of rosmarinic acid synthase from Melissa officinalis L. Phytochemistry, 72(7), 572-578. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2011.01.039
Wang, J., Zheng L., Wu, J., & Tan, R. (2006). Involvement of nitric oxide in oxidative burst, phenylalanine ammonia-lyase activation and Taxol production induced by low-energy ultrasound in Taxus yunnanensis cell suspension cultures. Nitric Oxide, 15, 351-358. https://doi.org/10.1016/j.niox.2006.04.261
Zeng, Y., Molnárová, M., & Motola, M. (2024). Metallic nanoparticles and photosynthesis organisms: Comprehensive review from the ecological perspective. Journal of Environmental Management, 358, 120858. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120858
Ziari, Z., Tajadod, G., Arbabian, S., & Mirzai, M. (2024). The effect of manganese oxide nanoparticles and zinc oxide nanoparticles on seed germination of medicinal chicory plant Cichorium intybus L. Plant, Algae, and Environment, 8(2), 1366-1374. https://doi.org/10.48308/jpr.2024.236369.1083
تولید و ژنتیک گیاهی
دوره 7، شماره 1 - شماره پیاپی 11
اردیبهشت 1405
صفحه 93-108

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار