بررسی تأثیر ملاتونین در بادرشبویه (‏Dracocephalum moldavica L.‎‏) در سطوح مختلف آبیاری

امانی, مینا; سبزی نوجه ده, محسن

doi:10.22059/jci.2025.386525.2908

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری تخصصی علوم و مهندسی باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

² دانشیار گروه علوم و مهندسی باغبانی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی اهر، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

10.22059/jci.2025.386525.2908

چکیده

هدف: تنش کم‌آبی می‌تواند تأثیرات قابل‌توجهی بر گیاهان از طریق تخریب کارکردهای فیزیولوژیکی و متابولیکی آنها دارد. از طرف دیگر، ملاتونین با تعدیل فرایندهای مختلف فیزیولوژیکی، پاسخ‌های زیستی گیاهان را تنظیم کرده و در نهایت مقاومت آنها را در برابر شرایط تنش افزایش می‌دهد. بنابراین، هدف بررسی تأثیر ملاتونین بر بهبود خصوصیات فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی بادرشبویه تحت سطوح مختلف آبیاری است.
روش پژوهش: در این پژوهش، تأثیر غلظت‌های مختلف ملاتونین (شاهد، 50 و 100 میکرومولار) بر ویژگی‌های فیزیولوژیکی گیاه بادرشبویه در شرایط تنش کم‌آبی (25، 50، 75 و 100 درصد ظرفیت زراعی) به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی و سه تکرار تکرار در گلخانه و آزمایشگاه دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی اهر، دانشگاه تبریز در سال 1401 موردمطالعه قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که محلول‌پاشی گیاهان با غلظت 100 میکرومولار ملاتونین تأثیر قابل‌توجهی در بهبود پارامترهای رنگیزه‌های فتوسنتزی دارد. این بهبود از طریق افزایش متابولیت‌های ثانویه، شامل ترکیبات فنولی و فلاونوئیدها و هم‌چنین آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان، به ویژه فنیل آلانین آمونیالیاز، مشاهده شد. این تأثیر مثبت به‌ویژه در شرایط تنش کم‌آبی متوسط و شدید بارزتر بود و نشان‌دهنده توانایی ملاتونین در بهبود مقاومت گیاهان در برابر تنشهای محیطی است. به‌طور خاص، در تیمارهایی که با 100 میکرومولار ملاتونین محلول‌پاشی شده بودند، بیش‌ترین میزان فنول (952/51 میلی‌گرم اسیدگالیک بر گرم وزن تر برگ) و فلاونوئید (424/11 میلی‌گرم کوئرستین بر گرم وزن تر برگ) ثبت شد. هم‌چنین، مقادیر بالایی از مالون‌دی‌آلدهید (128/1 میکرومول بر گرم وزن خشک) و فعالیت آنزیم فنیل آلانین آمونیالیاز (84/17 میکرومول سینامیک‌اسید در دقیقه در میلی‌گرم پروتئین) نیز در این تیمار تحت شرایط تنش شدید (25 درصد ظرفیت زراعی) مشاهده گردید.
نتیجه‌گیری: این نتایج به‌وضوح نشان می‌دهد که ملاتونین می‌تواند به‌عنوان یک عامل مؤثر در کاهش آسیب‌های ناشی از تنش کم‌آبی عمل کند و به گیاه بادرشبویه کمک کند تا در شرایط نامساعد محیطی بهتر عمل کند. با توجه به یافته‌های این پژوهش، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از ملاتونین در شرایط تنش کم‌آبی نه‌تنها به کاهش شدت آسیب‌های ناشی از تنش کمک می‌کند، بلکه هم‌چنین می‌تواند به بهبود کیفیت و عملکرد گیاهان بادرشبویه منجر شود. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که تنش کم‌آبی می‌تواند تأثیرات منفی قابل‌توجهی بر عملکرد فیزیولوژیکی گیاه بادرشبویه داشته باشد. با این‌حال، استفاده از ملاتونین به‌عنوان یک محرک طبیعی می‌تواند به‌طور مؤثری این تأثیرات منفی را کاهش دهد و به بهبود کیفیت و عملکرد گیاه در شرایط تنش کمک کند. به‌ویژه، محلول‌پاشی با غلظت 100 میکرومولار ملاتونین منجر به افزایش قابل‌توجهی در میزان رنگیزه‌های فتوسنتزی، متابولیت‌های ثانویه و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان شد. این نتایج نشان‌دهنده توانایی ملاتونین در تقویت مقاومت گیاهان در برابر تنش‌های محیطی و بهبود پایداری آن‌ها در شرایط کم‌آبی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of melatonin on Moldavian balm (Dracocephalum moldavica L.) under different irrigation levels

نویسندگان [English]

Mina Amani ¹
Mohsen Sabzi-Nojadeh ²

¹ PhD student in Horticultural Sciences and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran.

² Associate Professor, Department of Horticultural Sciences and Engineering, Ahar Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tabriz, Tabriz, Iran.

چکیده [English]

Objective: With the global rise in population and increasing demand for medicinal plants, active compounds from these species are of growing pharmaceutical importance. Cultivation of Moldavian balm (Dracocephalum moldavica L.) is expanding, and the crop is prone to abiotic stresses, especially water deficit, during the growing season. Drought stress can impair physiological and metabolic functions. Melatonin has emerged as a key regulator of plant responses to stress, modulating diverse physiological processes and enhancing resilience. Given limited water resources and the medicinal value of Moldavian balm, this study aimed to evaluate the effects of melatonin on the physiological properties of Moldavian balm under greenhouse conditions.
Methods: We examined the effects of three melatonin treatments—control, 50 μM, and 100 μM—on the physiological characteristics of Moldavian balm subjected to drought stress at 25%, 50%, 75%, and 100% of field capacity. The experiment followed a factorial arrangement in a completely randomized block design with three replications, conducted in the greenhouse and laboratory of the Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tabriz, Ahar campus. Statistical analyses were performed to assess treatment effects and interactions.
Results: Application of 100 μM melatonin significantly increased photosynthetic pigment content, supporting improved photosynthetic capacity under drought. Melatonin treatment, particularly at 100 μM, also elevated secondary metabolites, including phenolics and flavonoids, which enhance plant defense under stress. Notably, phenol and flavonoid contents reached 51.95 mg gallic acid equivalents (GAE) g⁻¹ fresh weight and 11.42 mg quercetin equivalents (QEs) g⁻¹ fresh weight, respectively, in melatonin-treated plants. Phenylalanine ammonia-lyase activity, a key enzyme in phenolic biosynthesis, was significantly enhanced. Under severe drought (25% field capacity), cinnamic acid production reached 17.84 μM min⁻¹ mg⁻¹ protein, indicating melatonin’s role in reinforcing defense pathways. While 100 μM melatonin improved physiological responses, malondialdehyde (MDA) levels (lipid peroxidation marker) were also elevated (≈1.13 μM g⁻¹ dry weight), suggesting that some oxidative stress persisted and highlighting the need for integrated stress-management strategies.
Conclusion: Melatonin, especially at 100 μM, mitigates drought-induced damage in Moldavian balm by enhancing photosynthetic performance, boosting secondary metabolite production, and elevating antioxidant defense enzyme activity. These effects contribute to improved plant resilience, quality, and potential yield under water-limited conditions. Melatonin can be a valuable tool for stabilizing Moldavian balm production in greenhouse systems facing abiotic stress.

کلیدواژه‌ها [English]

Auxin-like hormone
Malondialdehyde
Oxidative damage
Phenolic compounds
Photosynthetic pigments. Auxin-like hormone

مراجع

اسدی کاوان، ژیکا؛ قربانلی، مه‌لقا و ساطعی، آرین (1388). اثر تنش خشکی و آسکوربات خارجی بر روی رنگیزه‌های فتوسنتزی، فلاونوئیدها، ترکیبهای فنلی و میزان پراکسیداسیون لیپیدی در گیاه انیسون )Pimpinella anisum L.). تحقیقات گیاهان دارویی و معطر ایران، 25(4)، 469-456.

امانی، مینا؛ سبزی نوجهده، محسن؛ علیزاده سالطه، سعیده، یونسی حمزه خانلو، مهدی؛ فرمانی، بیوک آقا؛ هاتف هریس، حسین؛ محمدیان، شیوا و پیرطریقت، سودا (1402). بهبود فعالیت‌های آنتی‌اکسیدانی گیاه دارویی ریحان تحت تأثیر گونه‌های مختلف قارچ میکوریزا در شرایط تنش کم‌آبی. علوم باغبانی، 37(2)، 389-377.

شوهانی، فریبا؛ فاضلی، آرش و حسینی سرقین، سیاوش (1401). کاربرد اسید سالیسیلیک و سیلیکون بر برخی شاخصهای فیزیولوژیکی و ریخت‌شناسی در دو اکوتیپ گیاه گل سازویی (Scrophularia striata L.) در شرایط تنش خشکی. زیست شناسی گیاهی ایران، 14(52)، 42-21.

محمدی، مریم؛ ابراهیمی، امین و عامریان، محمد رضا (1400). افزایش تظاهر برخی از ژن‌های دخیل در مسیر بیوسنتز دایوسجنین در شنبلیله (Trigonella foenum-graecum L.) تیمارشده با سطوح مختلف ملاتونین تحت تنش شوری. علوم گیاهان زراعی ایران، 52(4)، 247-235.

Altaf, M. A., Shahid, R., Ren, M. X., Naz, S., Altaf, M. M., Khan, L. U., & Ahmad, P. (2022). Melatonin improves drought stress tolerance of tomato by modulating plant growth, root architecture, photosynthesis, and antioxidant defense system. Antioxidants, 11(2), 309. https://doi.org/10.3390/antiox11020309

Amani, M., Sabzi-Nojadeh, M., Alizadeh-Salteh, S., Younessi Hamzekhanlu, M., Farmani, B., Hatef Heris, H., Mohammadian, S., & Piretarighat, S. (2023). Improving the Antioxidant activities of sweet basil (Ocimum basilicum L.) under the influence of different species of mycorrhiza under water stress. Journal of Horticultural Science, 37(2), 377-389. (In Persian). https://doi.org/10.22067/jhs.2022.76064.1157

Amiri, R., Nikbakht, A., & Etemadi, N. (2015). Alleviation of drought stress on rose geranium [Pelargonium graveolens (L.) Herit.] in terms of antioxidant activity and secondary metabolites by mycorrhizal inoculation. Scientia Horticulturae, 197, 373-380. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.09.062

Arnao, M. B., & Hernández‐Ruiz, J. (2015). Functions of melatonin in plants: a review. Journal of Pineal Research, 59(2), 133-150.‏ https://doi.org/10.1111/jpi.12253

Arnao, M. B., & Hernández-Ruiz, J. (2018). Melatonin and its relationship to plant hormones. Annals of Botany, 121(2), 195-207.‏ https://doi.org/10.1093/aob/mcx114

Asadi Kavan, Z., Ghorbanli, M., & Sateei, A. (2010). The effect of drought stress and exogenous ascorbate on photosynthetic pigments, flavonoids, phenol compounds and lipid peroxidation in Pimpinella anisum L. Iranian Journal of Medicinal and Aromatic Plants Research, 25(4), 456-469. (In Persian). https://doi.org/10.22092/ijmapr.2010.6999

Blum, A. (2017). Osmotic adjustment is a prime drought stress adaptive engine in support of plant production. Plant Cell & Environment, 40(1), 4-10. https://doi.org/10.1111/pce.12800

Bose, S. K., & Howlader, P. (2020). Melatonin plays multifunctional role in horticultural crops against environmental stresses: A review. Environmental and Experimental Botany, 176, 104063. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104063

Campos, C. N., Ávila, R. G., de Souza, K. R. D., Azevedo, L. M., & Alves, J. D. (2019). Melatonin reduces oxidative stress and promotes drought tolerance in young Coffea arabica L. plants. Agricultural Water Management, 211, 37-47. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2018.09.025

Chan, Z., & Shi, H. (2015). Improved abiotic stress tolerance of bermudagrass by exogenous small molecules. Plant Signaling & Behavior, 10(3), e991577. https://doi.org/10.4161/15592324.2014.991577

Chang, C.C., Yang, M.H., Wen, H.M., & Chern, J.C. (2002). Estimation of total flavonoid content in propolis by two complementary colorimetric methods. Journal of Food and Drug Analysis, 10(3), 178-182. https://doi.org/10.38212/2224-6614.2748

Debnath, B., Islam, W., Li, M., Sun, Y., Lu, X., Mitra, S., & Qiu, D. (2019). Melatonin mediates enhancement of stress tolerance in plants. International Journal of Molecular Sciences, 20(5), 1040-1051. https://doi.org/10.3390/ijms20051040

Du, G., Li, M., Ma, F., & Liang, D. (2009). Antioxidant capacity and the relationship with polyphenol and vitamin C in Actinidia fruits. Food Chemistry, 113(2), 557-562. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2008.08.025

Farouk, S., & Al-Amri, S. M. (2019). Ameliorative roles of melatonin and/or zeolite on chromium-induced leaf senescence in marjoram plants by activating antioxidant defense, osmolyte accumulation, and ultrastructural modification. Industrial Crops and Products, 142, 111823.‏ https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111823

Ferrazzano, G. F., Amato, I., Ingenito, A., Zarrelli, A., Pinto, G., & Pollio, A. (2011). Plant polyphenols and their anti-cariogenic properties: a review. Molecules, 16(2), 1486-1507.‏ https://doi.org/10.3390/molecules16021486

Gong, H., Zhu, X., Chen, K., Wang, S., & Zhang, C. (2005). Silicon alleviates oxidative damage of wheat plants in pots under drought. Plant Science, 169(2), 313-321. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2005.02.023

Ibrahim, M. F., Elbar, O. H. A., Farag, R., Hikal, M., El-Kelish, A., El-Yazied, A. A., & El-Gawad, H. G. A. (2020). Melatonin counteracts drought induced oxidative damage and stimulates growth, productivity and fruit quality properties of tomato plants. Plants, 9(10), 1276. https://doi.org/10.3390/plants9101276

Jahan, M. S., Guo, S., Baloch, A. R., Sun, J., Shu, S., Wang, Y., & Roy, R. (2020). Melatonin alleviates nickel phytotoxicity by improving photosynthesis, secondary metabolism and oxidative stress tolerance in tomato seedlings. Ecotoxicology and Environmental Safety, 197, 110593.‏ https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110593

Li, J., Zeng, L., Cheng, Y., Lu, G., Fu, G., Ma, H., & Li, C. (2018). Exogenous melatonin alleviates damage from drought stress in Brassica napus L. (rapeseed) seedlings. Acta Physiologiae Plantarum, 40, 1-11. https://doi.org/10.1007/s11738-017-2601-8

Liang, G., Bu, J., Zhang, S., Jing, G., Zhang, G., & Liu, X. (2018). Effects of drought stress on the photosynthetic physiological parameters of Populus×euramericana “Neva”. Journal of Forestry Research, 30, 409-416. https://doi.org/10.1007/s11676-018-0667-9

Lichtenthaler, H. K., & Wellburn, A. R. (1983). Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents. Biochemical Society Transactions, 11, 591-602.

Liu, L., Li, D., Ma, Y., Shen, H., Zhao, S., & Wang, Y. (2020). Combined application of arbuscular mycorrhizal fungi and exogenous melatonin alleviates drought stress and improves plant growth in tobacco seedlings. Journal of Plant Growth Regulation, 40(3), 1074-1087. https://doi.org/10.1007/s00344-020-10165-6

Liu, M., Li, X., Liu, Y., & Cao, B. (2013). Regulation of flavanone 3-hydroxylase gene involved in the flavonoid biosynthesis pathway in response to UV-B radiation and drought stress in the desert plant, Reaumuria soongorica. Plant Physiology and Biochemistry, 73, 161-167.‏ https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2013.09.016

Ma, X., Zhang, J., Burgess, P., Rossi, S., & Huang, B. (2018). Interactive effects of melatonin and cytokinin on alleviating drought-induced leaf senescence in creeping bentgrass (Agrostis stolonifera). Environmental and Experimental Botany, 145, 1-11.‏ https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2017.10.010

Marček, T., Hamow, K. A., Végh, B., Janda, T., & Darko, E. (2019). Metabolic response to drought in six winter wheat genotypes. PLoS one, 14(2), e0212411.‏ https://doi.org/10.1371/journal.pone.0212411

Mohamadi, M., Ebrahimi, A., & Amerian, M. (2021). The Expression enhancement of some genes involved in the diosgenin biosynthesis pathway in fenugreek treated with different levels of melatonin under salinity stress. Iranian Journal of Field Crop Science, 52(4), 235-247. (In Persian). https://doi.org/10.22059/ijfcs.2020.312584.654767

Naghizadeh, M., Kabiri, R., Hatami, A., Oloumi, H., Nasibi, F., & Tahmasei, Z. (2019). Exogenous application of melatonin mitigates the adverse effects of drought stress on morpho-physiological traits and secondary metabolites in Moldavian balm (Dracocephalum moldavica). Physiology and Molecular Biology of Plants, 25, 881-894.‏ https://doi.org/10.1007/s12298-019-00674-4

Nahar, K., Hasanuzzaman, M., Alam, M. M., & Fujita, M. (2015). Exogenous glutathione confers high temperature stress tolerance in mung bean (Vigna radiata L.) by modulating antioxidant defense and methylglyoxal detoxification system. Environmental and Experimental Botany, 112, 44-54. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2014.12.001

Omidbaigi, R., Hassani, A., & Sefidkon, F. (2003). Essential oil content and composition of sweet basil (Ocimum basilicum) at different irrigation regimes. Journal of Essential oil Bearing Plants, 6(2), 104-108. https://doi.org/10.1080/0972-060X.2003.10643335

Pinheiro, C., & Chaves, M. M. (2011). Photosynthesis and drought: can we make metabolic connections from available data?. Journal of Experimental Botany, 62(3), 869-882. https://doi.org/10.1093/jxb/erq340

Quamruzzaman, M., Manik, S. N., Shabala, S., & Zhou M. (2021). Improving performance of salt-grown crops by exogenous application of plant growth regulators. Biomolecules, 11(6), 788. https://doi.org/10.3390/biom11060788

Radwan, A., Kleinwächter, M., & Selmar, D. (2017). Impact of drought stress on specialised metabolism: Biosynthesis and the expression of monoterpene synthases in sage (Salvia officinalis). Phytochemistry, 141, 20-26. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2017.05.005

Rahimi, Y., Taleei, A., & Ranjbar, M. (2019). Biochemical changes of peppermint under drought stress condition. Iranian Journal of Field Crop Science, 50(2), 59-75. http://dx.doi.org/10.22059/ijfcs.2018.239868.654367

Sharma, A., & Zheng, B. (2019). Melatonin mediated regulation of drought stress: Physiological and molecular aspects. Plants, 8(7), 190. https://doi.org/10.3390/plants8070190

Sheikhalipour, M., Gohari, G., Esmaielpour, B., Panahirad, S., Milani, M. H., Kulak M., & Janda, T. (2022). Melatonin and TiO₂ NPs application-induced changes in growth, photosynthesis, antioxidant enzymes activities and secondary metabolites in stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) under drought stress conditions. Journal of Plant Growth Regulation, 42(3), 2023-2040. https://doi.org/10.1007/s00344-022-10679-1

Shohani, F., Fazeli, A., & Hosseini, S. (2022). The effects of using salicylic acid
and Silicon on some physiological and anatomical indices in two ecotypes of Scrophularia striata L. Medicinal Plant under drought stress. Iranian Journal of Plant Biology, 14(2), 33-54. (In Persian). https://doi.org/10.22108/ijpb.2023.137115.1315

Wang, L., Feng, C., Zheng, X., Guo, Y., Zhou, F., Shan, D., Liu, X., & Kong, J. (2017). Plant mitochondria synthesize melatonin and enhance the tolerance of plants to drought stress. Journal of Pineal Research, 63(3), e12429. https://doi.org/10.1111/jpi.12429

Zamani, Z., Amiri, H., & Ismaili, A. (2020). Improving drought stress tolerance in fenugreek (Trigonella foenumgraecum) by exogenous melatonin. Plant Biosystems-An International Journal Dealing with all Aspects of Plant Biology, 1-13. https://doi.org/10.1080/11263504.2019.1674398

Zhan, M., Ma, M., Mo, X., Zhang, Y., Li, T., Yang, Y., & Dong, L. (2024). Dracocephalum moldavica L.: An updated comprehensive review of its botany, traditional uses, phytochemistry, pharmacology, and application aspects. Fitoterapia, 172, 105732.‏ https://doi.org/10.1016/j.fitote.2023.105732

Zhang, M., He, S., Zhan, Y., Qin, B., Jin, X., Wang, M. & Wu, Y. (2019). Exogenous melatonin reduces the inhibitory effect of osmotic stress on photosynthesis in soybean. PloS One 14(12), e0226542. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0226542

Zheng, X.L., Tian, S.P., Xu, Y., & Li, B.Q. (2005). Effects of exogenous oxalic acid on ripening and decay incidence in mango fruit during storage at controlled atmosphere. Journal of Fruit Science, 22(4), 351-355. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2007.01.016

Zucker, M. (1965). Induction of phenylalanine deaminase by light and its relation to chlorogenic acid synthesis in potato tuber tissue. Plant Physiology, 40, 779-784. https://doi.org/10.1104/pp.40.5.779

به زراعی کشاورزی

بررسی تأثیر ملاتونین در بادرشبویه (‏Dracocephalum moldavica L.‎‏) در سطوح مختلف آبیاری

مراجع

مراجع

دوره 27، شماره 3
مهر 1404
صفحه 467-484

بررسی تأثیر ملاتونین در بادرشبویه (‏Dracocephalum moldavica L.‎‏) در سطوح مختلف آبیاری

مراجع

مراجع

دوره 27، شماره 3مهر 1404صفحه 467-484

دوره 27، شماره 3
مهر 1404
صفحه 467-484