Effects of endophytic fungus Piriformospora indica on growth and essential oil content of Pimpinella anisum plant under water deficit conditions

Authors

1 MSc of Soil Biology and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Univ. of Tabriz, Iran

2 2Prof.of Soil Biology and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Univ. of Tabriz, Iran

3 Prof., Dept. of Plant Eco-physiology, Faculty of Agriculture, Univ. of Tabriz, Iran

4 PhD Student of Soil Biology and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Univ. of Tabriz, Iran.

Abstract

The products from medicinal plants are directly used for human consumption or used in the formulation of drugs. Therefore, in addition to quantity, their quality is also considered. Water deficit stresses could affect the quality and quantity of the active substance in these plants. It has been reported that the use of Piriformospora indica as an endophytic fungus in some plants reduces the harmful effects of water deficit stress. Probably this fungus will have direct and indirect roles in the production of plant metabolites likely by reducing the adverse effects of water deficit stress. Accordingly, this research was conducted in a completely randomized design with factorial arrangement with two factors including two levels of P. indica (inoculated and non-inoculated) and soil moisture with three levels of 80-90 %FC (W0, 60-70 %FC (W1) and 40-50 %FC (W2) with four replications. The results showed that inoculation with P. indica increased the measured characteristics of anise compared to the non-fungal treatment. Severe water stress (W2) lead to an increase in shoot dry weight (58.93%), root dry weight (56.25%), seed yield (392.06%), essential oil yield (340.08%), percentage of essential oil (154.55%) and the amount of anethole essential oil (236.85%) in inoculated compared to the non-inoculated plants. In fungal treatment, the essential oil yield and percentage and the amount of anethole had the highest value at the level of moderate stress (W1). In this study, it was found that P. indica increases the medicinal quality of anise essential oil by increasing its anethole amount.

Keywords

Full Text

از دیرباز گیاهان دارویی از منابع مهم درمان بیماری­ها در تمام  نقاط جهان بوده و در حال حاضر نیز این گیاهان از جایگاه مهمی در پزشکی برخوردار می­باشند، به خصوص در دهه­های گذشته کاربرد این گیاهان در طب سنتی و مدرن رو به افزایش بوده است (وانگ و همکاران 2020). گیاهان دارویی با دارا بودن یک یا چند ماده مؤثره[1] می­توانند از ایجاد برخی بیماری ها جلوگیری کرده و سبب درمان و یا تخفیف عوارض آن

شوند (صفورا و همکاران 2013). به موازات رشد علم و افزایش اطلاعات، مواد مؤثره بسیاری از گیاهان دارویی شناسایی و طبقه بندی شده است (وانگ و همکاران 2020). خاصیت دارویی این گیاهان ناشی از متابولیت­های ثانویه است. این متابولیت­ها عموماً زمانی که گیاهان دارویی در محیط طبیعی و تحت تنش، رقابت، همزیستی و غیره رشد می­کنند تولید می­شود (عیسی 2019).

گیاه دارویی آنیسون با نام علمی  Pimpinella anisumدارای اهمیت طبی و دارویی است (سان و همکاران 2019) و به عنوان یک ادویه برای اولین بار توسط مصریان باستان و بعد توسط یونانی‌ها، رومی­ها و اعراب کشت شد. یک گیاه شیرین، گرم کننده و محرک معده است که باعث بهبود دستگاه گوارش شده، برای کبد و دستگاه گردش خون مفید است و دارای خاصیت ضد سرفه و اثر استروژنیک[2] می­باشد (سان و همکاران 2019). مهمترین ماده تشکیل­دهنده اسانس، آنیتول[3] (80-90 درصد) می­باشد و از مواد دیگر تشکیل دهنده اسانس می‌توان متیل‌کاویکول[4] ( 5-10 درصد) و سایمین[5] را نام برد (صایبی و همکاران 2012). میوه آنیسون حاوی اسانس[6]، مواد پکتینی، روغن، قند، نشاسته، مواد معدنی و صمغ می­باشد (اورآو و همکاران 2008). همچنین میوه­های آن حاوی 5/1 تا 6 درصد اسانس، تا 11 درصد اسیدهای چرب از جمله پالمیتیک و اولئیک اسید، 4 درصد کربوهیدرات و 18درصد پروتئین می­باشد (سان و همکاران 2019). ماده مؤثره این گیاه از نوع اسانس است که محصول فرآیندهای اصلی متابولیسم گیاهان، به ویژه در پاسخ به تنش وارد شده به گیاه می‌باشد (عیسی 2019).

از جمله عوامل مهمی که بر خصوصیات کمی و کیفی گیاهان دارویی مؤثر است، می­توان به تنش کم­آبی اشاره نمود (آقایی و کوماتسو 2013). تنش و محدودیت آب به طور معمول بر مراحل مختلف رشد و نمو گیاهان اثر منفی دارد. در نتیجه بروز تنش کم­آبی،  گیاهان با ذخیره مواد تنظیم کننده اسمزی از قبیل اسیدهای­آمینه، قندها، برخی از یون­های معدنی، هورمون­ها و پروتئین­ها سعی در مقابله با تنش دارند (سینگ و همکاران 2020).

قارچ اندوفیت Piriformospora indica از شــــاخه Basidiomycota، رده Agaricomycetes، استهSebacinales، خانواده Sebacinaceae  ، جــنس Piriformospora و گونــه Piriformospora indica می­باشد که برای اولین بار توسط وارما و همکاران (1998) در هندوستان شناسایی شد. اهمیت برقراری ارتباط همزیستی قارچ P. indica با گیاهان مختلف در تحریک رشد گیاه و در نتیجه افزایش عملکرد آن و نیز افزایش توان تحمل گیاه به تنش­های شوری، خشکی و عوامل بیماری­زای ریشه و برگ می­باشد که توسط محققین مختلف گزارش شده است (برتولازی و همکاران 2019). قارچ P. indica با افزایش قابل توجه تعداد ریشه، گیاه را در جذب آب و مواد غذایی توانمندتر نموده و سبب افزایش رشد رویشی و سطح فتوسنتزی می­شود. در این حالت تولید متابولیت­های ثانویه گیاهان دارویی نیز افزایش می‌یابد (منسا و همکاران 2020). قارچP. indica  سبب افزایش سطح جذب ریشه بواسطه طریق تکثیر ریشه­های موئین، پهنای برگ، میزان کلروفیل، راندمان فتوسنتزی برگ، تعداد جوانه­های گل، تعداد میوه­ها، میزان تجمع آب و مواد پرورده میوه، کیفیت بهتر میوه و در نهایت عملکرد گیاهان همزیست، از جمله گیاهان دارویی می­شود (قاسم نژاد و همکاران، 2011). پژوهش­ها نشان داده که این قارچ علاوه بر تأثیر مستقیم در رشد گیاه از طریق تحریک سیستم دفاعی گیاه مقاومت آن را در مقابل بیماری­ها و همچنین کم­آبی (خشکی) افزایش می­دهد (دشموخ و همکاران 2006). اثرات مثبت ناشی از برقراری رابطه همزیستی قارچ اندوفیت  P. indica بر بقا و افزایش رشد گیاهان میزبان در مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان که با دو معضل عمده خشکی و شوری روبرو هستند، توجه پژوهشگران را به خود جلب نموده است. با توجه به پتانسیل P. indica و اهمیت گیاه آنیسون به ویژه از نظر دارویی، این پژوهش به منظور اثر قارچ P. indica بر برخی از اجزای عملکرد و میزان آنیتول در اسانس گیاه آنیسون در شرایط تنش کم آبی انجام گرفته است.

 

  1. Active substance

[2] Estrogenic 

[3] Anethole

[4] Methylchavicol

[5] Cymene

[6] Essential oil

References

Aghaei K and Komatsu S, 2013. Crop and medicinal plants proteomics in response to salt stress. Frontiers in Plant Science 4: 8-16.
Ahmadvand G and Hajinia S, 2018. Effect of fungus Piriformospora indica on the grain yield, absorption and radiation use efficiency of millet under different irrigation regimes, Cereal Research 8 (2): 261-276. doi: 10.22124 / c.2018.8272.1324. (In Persian with English abstract)
Bagheri S, Ebrahimi MA, Davazdahemami S and Minooyi Moghadam J, 2014. Terpenoids and phenolic compounds production of mint genotypes in response to mycorrhizal bio-elicitors. Engineering, Technology and Applied Science 4(4):339-48.
Bertolazi AA, de Souza SB, Ruas KF, Campostrini E, de Rezende CE, Cruz C, Melo J, Colodete CM, Varma A and Ramos AC, 2019. Inoculation with piriformospora indica is more efficient in wild-type rice than in transgenic rice over-expressing the vacuolar H+-PPase. Frontiers in Microbiology 10: 1087-1096.
Deshmukh S, Hückelhoven R, Schäfer P, Imani J, Sharma M, Weiss M, Waller F and Kogel KH, 2006. The root endophytic fungus Piriformospora indica requires host cell death for proliferation during mutualistic symbiosis with barley. Proceedings of the National Academy of Sciences 103(49):18450-18457.
Dolatabad HK, Goltapeh EM, Safari M and Golafaie TP, 2017. Potential effect of Piriformospora indica on plant growth and essential oil yield in Mentha piperita. Plant Pathology & Quarantine 7: 96-104.
Dolatabadi HK, Goltapeh EM, Jaimand K, Rohani N and Varma A, 2011. Effects of Piriformospora indica and Sebacina vermifera on growth and yield of essential oil in fennel (Foeniculum vulgare) under greenhouse conditions. Journal of Basic Microbiology 51(1): 33-39.
Gee GW and Bauder JW, 1986. Partical-size analysis. Pp. 383- 411. In: Klute A (ed.). Methods of Soil Analysis: Physical and Mineralogical Methods. Part 1, 2nd (ed.) Soil Sience Society of America, Madison, Wisconsin, United States of America.
Ghasemnezhad A and Babaeizad V, 2011. The influence of fungus (Priformospora indica) on vegetative growth and the content of caffeic acid of leaves of artichoke (Cynara scolymus L.) plant. Journal of Plant Production 18(1): 133-140. (In Persian with English abstract).
Gupta PK, 2000. Soil, Plant Water and Fertilizer Analysis. Agrobios, New Delhi, India.
Hassani A and Omidbaigi R, 2006. Effect of Water stress on some morphological and biochemical characteristics of purple basil (Ocimum basilicum). Journal of Biological Sciences 6: (4) 763-767. (In Persian with English abstract).
Isah T, 2019. Stress and defense responses in plant secondary metabolites production. Biological Research 52(1): 39-53.
Khalid M, Rahman SU and Huang D, 2019. Molecular mechanism underlying Piriformospora indica-mediated plant improvement/protection for sustainable agriculture. Acta Biochimica et Biophysica Sinica 51(3):229-42.
Kirkham MB, 2005. Principles of Soil and Plant Water Relations. Academic Press.
Malakoti MJ, 2000. Optimal fertilizer recommendation for crops and horticulture. Technical Report, No. 200, Soil and Water Research Institute, Nash Agricultural Education. (In Persian)
Mensah RA, Li D, Liu F, Tian N, Sun X, Hao X, Lai Z and Cheng C, 2020. Versatile Piriformospora indica and its potential applications in horticultural crops. Horticultural Plant Journal 6 (2):111-121
Morsy NF, 2017. Chemical structure, quality indices and bioactivity of essential oil constituents. Medicinal and Aromatic Plants 8:175-206.
Nelson DW and Sommers LE, 1982. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Pp. 539–579. In: Page AL, Miller RH & Keeney DR (eds). Methods of Soil Analysis, part 2. American Society of Agronomy, Soil Sience Society of America. Madison, Wisconsin.
Norrif IR, Read DJ and Varma AK, 1992. Methods in Microbiology Techniques for Study of Mycorrhiza. Academic press, London. 
Olsen SR and Sommers LE, 1982. Phosphorus. Pp: 403-430. In: Page AL, (ed.) Methods of Soil Analysis, Chemical and Microbiological Properties. Part 2. American Society of Agronomy, Soil Sience Society of America. Madison, Wisconsin.
Omidbaigi R, 1995. Application of modified chamomile in the cosmetics industry. Pp: 38-40. Proceedings of the First International Seminar on Health and Beauty, October 24-26, University of Tehran, Tehran, Iran.
Orav A, Raal A and Arak E, 2008. Essential oil composition of Pimpinella anisum L. fruits from various European countries. Natural Product Research 22(3): 227-232.
Pham GH, Singh A, Malla R, Kumari R, Prasad R, Sachdev M, Rexer KH, Kost G, Luis P, Kaldorf M and Buscot F, 2008. Interaction of Piriformospora indica with diverse microorganisms and plants. Pp: 237-265. In: Plant Surface Microbiology, Springer, Berlin, Heidelberg.
Richardes LA, 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. United States Salinity Laboratory Staff. Agriculture Handbook 60. United States Department of Agriculture, 160p.
Saibi S, Belhadj M and Benyoussef EH, 2012. Essential oil composition of Pimpinella anisum from Algeria. Analytical Chemistry Letters 2(6): 401-404.
Schenck NC and Perez Y, 1988. Mannual for the Identification of VA Mycorrhizal Fungi. INVAM, 1453 Fifield Hall, University of Florid, Gainesville, Flo, USA.
Singh AK, Dhanapal S and Yadav BS, 2020. The dynamic responses of plant physiology and metabolism during environmental stress progression. Molecular Biology Reports 47(2): 1459-1470.
Sefidkan F, Asgari F and Mirza M, 1998. Quantitative and qualitative study of compounds in Roman anise essential oil. Research and Construction 38 (11): 73-70. (In Persian with English abstract).
Sofowora A, Ogunbodede E and Onayade A, 2013. The role and place of medicinal plants in the strategies for disease prevention. African Journal of Traditional, Complementary and Alternative Medicines 10(5): 210-229.
Sun W, Shahrajabian MH and Cheng Q, 2019. Anise (Pimpinella anisum L.), a dominant spice and traditional medicinal herb for both food and medicinal purposes. Cogent Biology 5(1): 1-25.
Swetha S and Padmavathi T, 2019. Mitigation of drought stress by Piriformospora indica in Solanum melongena L. cultivars. Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section B: Biological Sciences 2:1-9.
Tarraf W, Ruta C, De Cillis F, Tagarelli A, Tedone L and De Mastro G, 2015. Effects of mycorrhiza on growth and essential oil production in selected aromatic plants. Italian Journal of Agronomy 10(3):160-2.
Vahabi K, Johnson JM, Drzewiecki C and Oelmüller R, 2011. Fungal staining tools to study the interaction between the beneficial endophyte Piriformospora indica with Arabidopsis thaliana roots. Endocytobiosis and Cell Research 21:77-88.
Varma A, Savita S, Sahay N, Butehorn B and Franken P, 1998. Piriformospora indica, A cultivable plantgrowth- promoting root endophyte. Applied and Environmental Microbiology 65: 2741-2744.
Wang W, Xu J, Fang H, Li Z and Li M, 2020. Advances and challenges in medicinal plant breeding. Plant Science 7: 561-573.
Young-Cheol Y, Hoi-Seon L, Hyeock Si, Lee J, Marshall C and Young-Joon A, 2005. Ovicidal and adulticidal activities of Cinnamomum zeylanicum bark essential oil compounds and related compounds against Pediculus humanus capitis (Anoplura: Pediculicidae). International Journal for Parasitology 35: 1595 - 1600.
Yuan Y, Tang X, Jia Z, Li C, Ma J and Zhang J, 2020. The effects of ecological factors on the main medicinal components of dendrobium officinale under different cultivation modes. Forests 11(1): 94-106.
 
Water and Soil Science
Volume 32, Issue 3
September 2022
Pages 47-60

Files

Share

How to cite

Statistics