تعیین غلظت بهینه سه آنزیم آنتی اکسیدان برای افزایش مقاومت به خشکی ماش (Vigna radiata L.) با استفاده از الگوریتم ژنتیک

در اثر تنش خشکی، میزان رادیکال های آزاد افزایش یافته و گیاه دچار تنش اکسیداتیو می گردد. گیاه با تغییر فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی مثل کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و گایاکول پراکسیداز (متغیرهای مستقل یا تاثیرگذار؛ Xs) رادیکال های آزاد را خنثی کرده و خود را از آسیب محافظت می کند (مقاومت به تنش اکسیداتیو ناشی از خشکی). تاثیر این محافظت، در صفاتی مثل رشد و تولید دانه (به ترتیب عملکرد بیولوژیکی و شاخص برداشت؛ متغیرهای وابسته یا تاثیرپذیر؛ Ys) منعکس می شود. با حداکثر نمودن تابع Ys نسبت به Xs، می توان ترکیبی از Xsها را به دست آورد که بالاترین مقدار ممکن Ys حاصل گردد. اساس این بهینه-سازی، روابط مبتنی بر تغییرات ایجاد شده در Xs و Ys بر اثر تنش خشکی می باشد. به لحاظ اینکه تعداد Ys در اینجا بیش از یک می-باشد، رابطه موجود از نوع چند متغیره بوده و از پیچیدگی های بالایی برخوردار است به ویژه اینکه بین متغیرهای Ys، همبستگی مثبت قوی (همبستگی بزرگتر از 95/0+) بدست نیامد. در این شرایط، استفاده از الگوریتم ژنتیک می تواند بر فایق آمدن بر این پیچیدگی کمک نماید. خروجی این الگوریتم می تواند مورد استفاده متخصصان اصلاح نباتات قرار بگیرد. به بیان دیگر، اصلاح گران می توانند با دستکاری ژنتیکی گیاه در جهت فعالیت بهینه Xs، مقاومت به خشکی را افزایش دهند. هدف از این آزمایش، انجام بهینه سازی مذکور در ماش بود.
به منظور دقت آزمایش در اعمال تنش خشکی و از طرف دیگر افزایش تعمیم پذیری نتایج به شرایط مزرعه، در این بررسی از آزمایش گلدانی در هوای آزاد استفاده شد. گنجایش گلدان ها پنج کیلوگرم خاک بود که در هر کدام، پنج عدد بذر ماش (لاین VC1973a) کشت شد. پس از تنک کردن، دو گیاه در هر گلدان باقی ماند. پس از محاسبه ظرفیت زراعی خاک با استفاده از روش وزنی، چهار سطح کم آبیاری با سه تکرار شامل 80% (شاهد)، 65%، 50% و 35% ظرفیت زراعی اعمال گردید. در زمان گل دهی، غلظت آنزیم های کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و گایاکول پراکسیداز (Xs) برآورد گردید. بعد از رسیدگی گیاه، شاخص برداشت و عملکرد بیولوژیکی (Ys) اندازه گیری شدند. برای حداکثر کردن تابع، ابتدا تابع مطلوبیت جزئی محاسبه گردید. سپس تابع مطلوبیت کل به دست آورده شد. با استفاده از نرم افزار متلب و در قالب الگوریتم ژنتیک، مقادیری از Xs که برای آن، بالاترین Ys حاصل می گردد، محاسبه شد.
نتایج نشان داد که تابع برخوردار از هفت مولفه از ضریب تبیین بالایی برخوردار بود و توانست به خوبی ارتباط Ys را با Xs پیش بینی نماید. ضریب رگرسیونی استاندارد بدست آمده برای کاتالاز مثبت بود. این امر نشان دهنده آن است که با افزایش فعالیت این آنزیم، مقاومت به خشکی (شاخص برداشت و عملکرد بیولوژیکی) نیز بیشتر می شود. همانند کاتالاز، تاثیر گایاکول پراکسیداز بر مقاومت به خشکی، افزایشی بود. ولی با توجه به ضرایب استاندارد شده، این تاثیر کمتر از کاتالاز به دست آمد. به لحاظ منفی شدن ضریب رگرسیونی استاندارد برای آنزیم سوپر اکسید دیسموتاز می توان گفت که با افزایش فعالیت این آنزیم، مقاومت ماش به تنش خشکی افزایش نمی یابد.
غلظت بهینه آنزیم های کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و گایاکول پراکسیداز برای حصول حداکثر مقاومت به خشکی ماش به ترتیب برابر با μmol H2O2 g−1 FW 956/0، AU g−1 FW 23/24، و AU g−1 FW 23/21 بود. شایان ذکر است که این غلظت های بهینه، همه در دامنه غلظت های مشاهده شده بودند. به علاوه اینکه طبق گزارش ها، از لحاظ فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدان در ماش، تنوع ژنتیکی (پیش نیاز انجام امور اصلاحی در جهت غلظت های بهینه) وجود دارد.