تکنولوژیهای نوظهور برای بهبود جوانه زنی بذر و کنترل بیماریها بخش (۱)

بهبود جوانه زنی بذر:

میزان جهانی تولید غلات در حدود ۲۵۴۷.۱ میلیون تن است. در حالی که میزان مصرف مطابق گزارش سازمان خواربار و کشاورزی سازمان ملل متحد (FAO)، در سال ۲۰۱۶ حتی بیشتر نیز شده است. این نگرانی در مورد اینکه آیا اراضی کشاورزی ما توان تغذیه جمعیت موجود را دارد، روز به روز بیشتر میشود. در حالی که در دراز مدت، پیش بینی شده است که جهان نیاز به تولید مواد غذایی بیشتری برای جمعیت ۹ میلیارد نفری سال ۲۰۵۰ میلادی نیاز خواهد داشت.

 بنابراین، امنیت غذایی به یک موضوع نگران کننده مهم در سراسر جهان تبدیل شده است. با توسعه سریع شهرنشینی و صنعتی شدن، تأمین سالم مواد غذایی از طریق بهبود عملکرد بذرها و جوانه زنی همراه با افزایش کیفیت محصولات زراعی راهکار موثر و مهم در این زمینه خواهد بود. با در نظر گرفتن این واقعیت که، افزایش زمینهای قابل کشت امری دشوار و سرعت تخریب منابع طبیعی در حال افزایش است.

در این میان بذر به عنوان یک ساختار مهم مسئول تولید گیاهان، حفظ ژرم پلاسم (germplasm)، بهبود تنوع گونه ­ای و ظرفیت تولید است. طبق تعریف، جوانه زنی شامل فرآیندی است که با جذب آب توسط بذرِ غیر فعال آغاز و با رشد محور جنینی ادامه میبابد. از این رو، جوانه زنی بذر مرحله بسیار مهمی از حیات گیاه است و تحت تأثیر عوامل درونی و بیرونی قرار دارد. مهمترین عوامل موثر در جوانه زنی شامل آب، دما، اکسیژن و نور است. در شرایط مطلوب، جوانه زنی و استقرار بذر به سرعت انجام می شود. در حالی که، در شرایط نامطلوب، موانع جوانه­زنی که دورمانس (یا خواب) گفته میشود، جوانه زنی را کاهش میدهد در حالی که این احتمال وجود دارد که در این مدت گیاهچه دچار صدمه شود. بنابراین، برای شروع جوانه زنی بذر ، وضعیت خواب باید شکسته شود. ساده ترین روش بکار رفته در شکستن خواب، کنترل شوری، رطوبت و دمای محیطی است که بذرها در آنها قرار دارند. اما در این روش، اگرچه جوانه زنی در مرحله اولیه در خزانه به خوبی صورت می­گیرد، ولی با انتقال نشاء به شرایط مزرعه سرعت رشد آنها کاهش مییابد.

 روش دیگری که برای غلبه بر دوره خواب بذر استفاده میشود، تغییر میزان هورمونهای گیاهی مانند اسید آبسیزیک و اسید جیبرلیک به صورت مصنوعی با القای برخی هورمون دیگر است. استراتیفیکاسیون (سرمادهی) و اسکاریفیکاسیون (خراش دهی) روشهای مورد استفاده برای شکست خواب می­باشد. آبیاری همچنین پارامتر مهمی در افزایش سطح جوانه زنی است. اما از آنجا که آب یک منبع مهم و کمیاب است، در دسترس بودن آب به میزان مورد نیاز در مزارع به همراه کیفیت آب مورد استفاده چالشهای خاص خود را دارد.

یکی از متداول ترین روشهای مورد استفاده در افزایش جوانه زنی، استفاده از کودها و آفت کشها است، مشاهده شد که کودهای متداول مانند فسفات، دیامونیوم (diammonium)، اوره و سموم دفع آفات برای افزایش عملکرد جوانه زنی بذر موثر هستند. با این حال اگرچه کاربرد کود ها و سموم باعث افزایش عملکرد بذر میشود با این حال تا حد زیادی اثرات سوء آنها بر محیط و موجودات زنده همچنان یک نگرانی اساسی است.

افزایش قدرت جوانه زنی و عملکرد رشد بذرهای کشاورزی با استفاده از روشهای شیمیایی و فیزیکی میتواند منجر به آسیب ساختاری، عدم تشابه ژنتیکی در بذرها و اثرات منفی بر حیات و طبیعت داشته باشد. بنابراین پژوهشگران به بررسی تأثیر کاربرد فناوریهای جدید بر جوانه زنی بذر و سرعت رشد، گرایش پیدا کرده­اند.

در این سلسله از مقالات سعی خواهیم کرد تا فناوریهای جدیدی که میتواند سبب بهبود عملکرد جوانه زنی و تولید محصولات کشاورزی شود را معرفی نماییم. این تکنیک های نوظهور مزیتهای نسبت به روشهای پیشین شیمیایی و فیزیکی دارند از جمله:

– کاهش استفاده از سموم دفع آفات و درنتیجه کاهش اثرات منفی بر محیط زیست.

–  صدمات ژنتیکی بسیار کم در بذرها.

– افزایش زمان ذخیره سازی بذرها.

– کنترل بیماریهای ناشی از آلودگی قارچی و باکتریایی در بذرها.

– پردازش با فشار بالا (High pressure processing (HPP))

پردازش با فشار بالا (HPP) یکی از فناوریهای پردازش مواد غذایی است. که کیفیت و ایمنی مواد غذایی را در هر دو حالت جامد و مایع بهبود می­بخشد. این روش در دمای محیط و فشارهای بسیار زیاد در محدوده ۳۰۰ تا۸۰۰ مگاپاسکال برای حدود ۳ تا ۵ دقیقه با استفاده از یک مایع (به طور معمول آب) انجام میشود.

جوانه زنی جوانه زنی

کاربرد HPP در صنایع غذایی تابع دو قانون علمی میباشد:

اصل لو شاتِلیه (Le Chatelier’s principle) که بیان می کند که اگر فشار بر یک سیستمِ در حالت تعادل تغییر یابد، آن سیستم تمایل دارد که با کاهش حجم، دوباره به وضعیت ثبات بازگردد.

– اصل ایزوستاتیکی (Isostatic principle) که بیان میکند، فشار به طور لحظه ای و مساوی در سراسر محصول وارد می شود.

این بدان معنی است که در طول تیمار با HPP نمونه های مواد غذایی تحت فشار برابر قرار گرفته و با آزاد کردن فشار اعمال شده، هندسه واقعی منحصر به فرد خود را بازیابی میکنند. تکنولوژیHPP  در فرآوری مواد غذایی از زاویای وسیعتری مورد استفاده قرار میگیرد و همچنین کاربرد آن در غیرفعال کردن آنزیمهای موجود درمواد غذایی در جهت بهبود خواص اُرگانولپتیک (organoleptic) (خواص ارگانولپتیک جنبه های از مواد غذایی، آب یا مواد دیگر هستند که از طریق حواس از جمله چشیدن، بینایی ، بو و لامسه برای هر شخصی ایجاد میشود.)، بهبود محصول و شکل محصول مؤثر است.

با توجه به اثرات مفید HPP، تاثیر این تکنیک بر روی خصوصیات جوانه زنی بذرها نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. در مطالعات مختلفی که بر روی بذرهای مختلف صورت گرفت، مشخص گردید که این تکنیک میتواند به طور موثری میکروارگانیسمهای بیماری زا که در بذر وجود دارند را از بین ببرد. با این حال به دلیل فشار ایجاد شده کاهش جوانه زنی هم در بذور تحت تیمار مشاهده شد. در مطالعه­ای تأثیر منفی تیمار فشار (۱۰۰ مگاپاسکال) بر میزان جوانه زنی در ارتباط با غده های سیب زمینی روشی سودمندی در نظر گرفته شد؛ چرا که میزان تشکیل جوانه در غده های سیب زمینی تحت این تیمار ۶۵ درصد کمتر از عدم تیمار (کنترل) بود، کاربرد تیمار HPP در غده ها باعث افزایش فعالیت پلی فنل پراکسیداز (PPO) در غده­ها شد بود که مانع جوانه زنی میشود. به نظر میرسد این روش زمانی که بذرها تنها برای اهداف خوراکی مورد نظر هست و نیاز به انبارداری طولانی دارد، روش موثری در کنترل پاتوژنها (عوامل بیماریزا) و در نتیجه طولانیتر کردن دوره ذخیره سازی بدون نیاز به مواد شیمیایی مضر باشد.

– پردازش توسط میدان اکتریکی پالسی (Pulsed electric field processing (PEF))

تیمار توسط PEF شامل روند قرار دادن مواد غذایی در بین دو الکترود با پالسهای کوتاه (میکرومتر) در ولتاژهای بسیار زیاد (کیلو ولت بر سانتیمتر) است. به طور معمول، سیستمهای PEF شامل محفظه تیمار، سیستم انتقال مایعات، ژنراتور پالس و سیستم مانیتورینگ است. هنگامی که میدان الکتریکی برای چند میکروثانیه استفاده میشود، ساختار اصلی سلول تغییر یافته و غشای سلول شکسته میشود. این فرایند به عنوان الکتروپوریشن (electroporation) هم شناخته شده است.

جوانه زنی
به صورت شماتیک تاثیر قرار گرفتن یک سلول در میدان الکتریکی پالسی ارائه شده است. به طور کلی تراوایی سلول پس از تیمار PEF افزایش پیدا میکند

با استفاده از الکتروپوریشن در غشای سلولی که با عبور سلولها از خطوط میدان الکتریکی صورت میگیرد، در ژنتیک میکروبی و گیاهی، تزریق مواد خارجی به داخل سلول و یا بین سلول، امکان پذیر میشود.

با توجه به کاربرد وسیع این روش در بخشهای مختلف، هم اکنون پژوهشگران به دنبال تاثیرات مثبت این روش بر روی جوانه زنی هستند.

در یک مطالعه در سال ۲۰۱۲، اثر تیمار PEF بر جوانه زنی بذر جو و پاسخ متابولیکی آن بررسی شد. براساس نتایج، هیچگونه آسیبی در فعالیت متابولیکی جو در تیمار با PEF مشاهده نشده. عنوان شد PEF منجر به باز شدن حفره هایی در غشای پلاسما و افزایش سطح حرکت مولکول های قطبی شده است. در مطالعه دیگری تأثیر میدان اکتریکی ۱۳۰۰ ولت برای مدت زمان ۱۵ دقیقه بر روی دانه نخود بررسی و خواص جوانه زنی آن ارزیابی و در نهایت بهبود جوانه زنی گزارش گردید. تأثیر PEF بر کیفیت بذر کتان هم نشان داد جوانه زنی از ۲ به ۱۳٪ افزایش داشت. افزایش طول ریشه چه و ساقه چه در یونجه ایرانی در تیمار با PEF ( 7 کیلوولت بر متر) نیز مشاهده شد.

در مطالعه دیگری که توسط  Patwardhan و Gandhare ( 2013) صورت گرفت بذرهای گوجه فرنگی که در معرض تیمار با PEF (ولتاژ بالا در میدان ۳۰ کیلوولت بر سانتیمتر به مدت ۳۰ ثانیه) بودند به طور ۱۰۰ درصد جوانه زنی داشتند، در حالی که نمونه های بدون تیمار ( کنترل) درصد جوانه ۷۶ درصد را نشان دادند.

مشخص شده است که این روش (PEF) میتواند به طور موثری سبب کاهش برخی از عوامل بیماریزا شود. به عنوان مثال تیمار بذر گندم با استفاده از تکنیک PEF نشان داد که به طور معنیداری میزان باکتریهای هوازی مزوفیلیک (TMAB) را کاهش می­دهد. بنابراین این روش به عنوان یک روش موثر در افزایش جوانه­ زنی و همچنین کنترل بیماریها بدون استفاده از مواد شیمیایی و سموم خاص که صدمه به محیط و سلامت انسان را در پی دارد، میتواند مورد توجه قرار گیرد.

منابع:

Rifna, E.J., Ratish Ramanan, K., Mahendran, R., 2019. Emerging technology applications for improving seed germination. Trends Food Sci. Technol. 86, 95–۱۰۸. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.02.029.

Akdemir Evrendilek, G., Tanasov, I., 2017. Configuring pulsed electric fields to treat seeds: An innovative method of seed disinfection. Seed Sci. Technol. 45, 72–۸۰. https://doi.org/10.15258/sst.2017.45.1.13

Patwardhan, M.S., Gandhare, W.Z., 2013. High voltage electric field effects on the germination rate of tomato seeds. Acta Agrophysica 20, 403–۴۱۳.

طاعتی زاده
دی ۱۹, ۱۳۹۸