Arsenik Stresi Altındaki Adi Fiğde (Vicia sativa L.) Priming Uygulamalarının Çimlenme ve Fide Büyümesi Üzerine Etkileri

Abstract

Bu araştırmada, adi fiğ (Vicia sativa L., Gülhan çeşidi) tohumlarında, artan arsenik konsantrasyonlarının (0, 1, 2, 3 mg L-1) çimlenme ve erken fide gelişimi üzerindeki baskılayıcı etkileri belirlenmiştir. Ayrıca, saf su (hidropriming) ve giberellik asit (GA3 5 mg L-1) ön uygulamalarının, ağır metal toksisitesini hafifletme ve bitkisel büyüme parametrelerini koruma potansiyelleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Tesadüf Parselleri Deneme Deseninde faktöriyel düzene göre yürütülen petri denemesinde, 14. gün sonunda tohumların çimlenme ve ki fide morfolojisi ile biyokütle üretim özellikleri değerlendirilmiştir. Araştırma sonuçları, Ön Uygulama x Arsenik Dozu interaksiyonunun incelenen tüm morfolojik ve fizyolojik parametreler üzerinde anlamlı (p < 0.01) etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Arsenik stresi, hormonal destek almayan saf su grubunda nihai çimlenme oranını %84.4’e geriletmiş, kök uzunluğunu (2 mg L-1 arsenik dozunda 2.20 cm) ve net kuru ağırlığı (3 mg L-1 arsenik dozunda 0.28 g) dramatik şekilde düşürmüştür. Buna karşın GA3 priming uygulaması, en yüksek arsenik dozunda (3 mg L-1) nihai çimlenmeyi %94.8 seviyesinde tutmayı başarmış; kök boyunu (4.40 cm) ve fide toplam uzunluğunu (8.90 cm) koruyarak koruyucu bir etki sergilemiştir. Temel Bileşen ve Kümeleme Analizleri (PCA ve HCA) kapsamında üretilen Ward dendrogramı ve biplot grafikleri, veri setinin "Metabolik Kararlılık" ile "Fizyolojik Çöküş" olarak iki ana homeostatik kümeye ayrıldığını doğrulamıştır. Çok değişkenli analizler, GA3 uygulanan fidelerin arsenik varlığında bile stressiz kontrol bitkileriyle aynı tolerans kümesinde yer aldığını, ancak çimlenme hızı indeksinin sonraki fide büyüme kararlılığından bağımsız bir fizyolojik dinamikle hareket ettiğini ortaya koymuştur. Sonuç olarak, GA3 tohum priming işleminin, adi fiğ fidelerinde arsenik ağır metal fitotoksisitesini hafifletmede ve biyokütle kararlılığını sürdürmede etkili ve pratik bir agronomik strateji olduğu saptanmıştır.

Keywords

• Ağır metal
• Biyokütle
• Giberellik asit
• Priming
• Vicia sativa L

Effects of Seed Priming Treatments on Germination and Seedling Growth of Common Vetch (Vicia sativa L.) Under Arsenic Stress

Abstract

In this study, the inhibitory effects of increasing arsenic concentrations (0, 1, 2, 3 mg L-1) on the germination and early seedling development of common vetch (Vicia sativa L. cv. "Gülhan") seeds were determined. Furthermore, the potentials of hydropriming and gibberellic acid (GA3 5 mg L-1) seed priming treatments to mitigate heavy metal toxicity and preserve plant growth parameters were comparatively evaluated. The petri experiment was conducted in a factorial arrangement based on a Completely Randomized Design, where germination characteristics, seedling morphology, and biomass accumulation traits were assessed at the end of a 14-day incubation period. The experimental results revealed that the Pre-treatment x Arsenic Dose interaction had significant (p < 0.01) effect on all evaluated morphological and physiological parameters. Arsenic stress, in the unprimed hydropriming group, suppressed the final germination rate to 84.4%, while drastically reducing root length (2.20 cm at 2 mg L-1 arsenic dose) and net dry weight (0.28 g at 3 mg L-1 arsenic dose). Conversely, GA3 priming successfully maintained the final germination rate at 94.8% even under the highest arsenic dose (3 mg L-1), exhibiting a protective effect by preserving root length (4.40 cm) and total seedling length (8.90 cm). Within the scope of Principal Component and Cluster Analyses (PCA and HCA), the Ward dendrogram and biplot presentations confirmed the segregation of the dataset into two distinct homeostatic clusters designated as "Metabolic Stability" and "Physiological Collapse." Multivariate analyses further demonstrated that GA3-primed seedlings grouped within the same tolerance cluster as the non-stressed control plants despite the presence of arsenic, whereas the germination speed index operated via an independent physiological dynamic separate from subsequent seedling growth stability. In conclusion, it was determined that GA3 seed priming is an effective and practical agronomic strategy for alleviating arsenic heavy metal phytotoxicity and sustaining biomass stability in common vetch seedlings.

Keywords

• Heavy metal
• Biomass
• Gibberellic acid
• Priming
• Vicia sativa L

References

1. [1] Wuana, R. A., & Okieimen, F. E. (2011). Heavy metals in contaminated soils: A review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation. ISRN Ecology, 2011, 1-20. https://doi.org/10.5402/2011/402647
2. ,[2] Raza, A., Razzaq, A., Mehmood, S. S., Zou, X., Zhang, X., Lv, Y., & Xu, J. (2019). Impact of climate change on crops adaptation strategies and mitigation. Plants, 8(7), 230. https://www.mdpi.com/2223-7747/8/7/230/pdf
3. [3] Munzuroğlu, O., Geckil, H. (2002). Effects of metals on seed germination, root elongation, and coleoptile and hypocotyl growth in Triticum aestivum and Cucumis sativus. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 43(2), 203-213. https://doi.org/10.1007/s00244-002-1116-4
4. [4] Okcu, G., ve ark. (2009). Effects of different heavy metal concentrations on germination and early seedling growth of some crop plants. African Journal of Biotechnology, 8(23), 6540-6547.
5. [5] Hall, J. L. (2002). Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance. Journal of Experimental Botany, 53(366), 1-11. https://doi.org/10.1093/jexbot/53.366.1
6. [6] Clemens, S. (2006). Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie, 88(11), 1707-1719. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2006.07.003
7. [7] Erdoğan, H. (2005). Ağır metallerin bitkiler üzerindeki fizyolojik etkileri. Tarım Bilimleri Dergisi, 11(3), 315- 322. https://doi.org/10.1501/Tarimbil_0000000537
8. [8] Zemanová, V., Pavlíková, D., Hnilička, F., & Pavlík, M. (2021). Arsenic toxicity-induced physiological and metabolic changes in the shoots of Pteris cretica and Spinacia oleracea. Plants, 10(10), 2009. https://doi.org/10.3390/plants10102009

9. [9] Kırbağ-Zengin, F., Munzuroğlu, O. (2003). Ağır metal stresinin bitki fizyolojisi üzerindeki etkileri. Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(1), 89-98.
10. [10]Muszyńska, E., & Labudda, M. (2019). Dual Role of Metallic Trace Elements in Stress Biology-From Negative to Beneficial Impact on Plants. International Journal of Molecular Sciences, 20(13), 3117. https://doi.org/10.3390/ijms20133117
11. [11] Shi, J., et al. (2019). Physiological and molecular mechanisms of heavy metal accumulation in nonmycorrhizal versus mycorrhizal plants. Plant, Cell & Environment, 42, 1087-1103. https://doi.org/10.1111/pce.13471
12. [12] Kumar, A., ve ark. (2021). Root system architectural changes under heavy metal stress: Mechanisms of avoidance and tolerance. Plant, Cell & Environment, 44(8), 2415-2432. https://doi.org/10.1111/pce.14062
13. [13] Çelik, N. (1998). Baklagil yembitkileri. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Ders Notları, 54, 45-60.
14. [14] Çaçan, E., ve ark. (2018). Farklı ekolojilerde yetiştirilen adi fiğ (Vicia sativa L.) hat ve çeşitlerinin verim ve kalite özelliklerinin belirlenmesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 33(2), 115-122. https://doi.org/10.7161/omuanajas.344406
15. [15] Tosun, F., Altın, M. (1984). Yeşil gübreleme ve tarımdaki önemi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 1(2), 85-94.
16. [16] Akyıldız, A. R. (1984). Yemler ve yem analiz yöntemleri. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, 890, 1-120.
17. [17] Atış, İ. (2011). Tarla bitkilerinde deneme tekniği ve deneme desenleri. Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, Adana.
18. [18] Paparella, S., Araújo, S. S., Rossi, G., Wijayasinghe, M., Carbonera, D., & Balestrazzi, A. (2015).
19. [19] Farooq, M., Usman, M., Nadeem, F., Rehman, H., Wahid, A., Basra, S. M. A., Siddique, K. H. M. (2019). Seed priming in field crops: Potential benefits, adoption and challenges. Crop and Pasture Science, 70(9), 731-771. https://doi.org/10.1071/CP19026
20. [20] Odat, N. A., Al Tawaha, A. R. M., Hasan, M. M., et al. (2021). Seed priming with chitosan alleviates salinity stress by improving germination and early growth parameters in common vetch (Vicia sativa). IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 788, 012059. https://doi.org/10.1088/1755-1315/788/1/012059
21. [21] Aydınoğlu, B., Shabani, A., & Safavi, S. M. (2019). Impact of priming on seed germination, seedling growth and gene expression in common vetch under salinity stress. Cellular and Molecular Biology, 65(3), 18–24. https://doi.org/10.14715/cmb/2019.65.3.3
22. [22] Bewley, J. D., Bradford, K. J., Hilhorst, H. W. M., & Nonogaki, H. (2013). Seeds: Physiology of Development, Germination and Dormancy (3rd ed.). Springer.
23. [23] ISTA (2023). International Rules for Seed Testing. International Seed Testing Association, Bassersdorf, Switzerland.
24. [24] Maguire, J. D. (1962). Speed of germination Aid in selection and evaluation for seedling emergence and vigor. Crop Science, 2, 176-177. https://doi.org/10.2135/cropsci1962.0011183X000200020033x
25. [25] Lambers, H., Chapin, F. S., & Pons, T. L. (2008). Plant Physiological Ecology (2nd ed.). Springer.
26. [26] Gomez, K. A., Gomez, A. A. (1984). Statistical procedures for agricultural research (2nd ed.). John Wiley & Sons, New York.
27. [27] Shakoor, I., ve ark. (2024). Sustainable mitigation of arsenic toxicity in agricultural crops: A review of recent advances. Ecotoxicology and Environmental Safety, 270, 115840. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.115840
28. [28] Sharma, P., ve ark. (2012). Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under abiotic stress. Journal of Botany, 2012, 1-26. https://doi.org/10.1155/2012/214637
29. [29] Finnegan, P. M., & Chen, W. (2012). Arsenic toxicity: The effects on plant metabolism. Frontiers in Physiology, 3, 182. https://doi.org/10.3389/fphys.2012.00182
30. [30] Garg, N., Singla, R. (2011). Arsenic toxicity in crop plants: physiological effects and tolerance mechanisms. Environmental Chemistry Letters, 9(3), 303-321. https://doi.org/10.1007/s10311-010-0289-9