Регулаторите на растежа на растенията се използват като стратегия за намаляване на топлинния стрес при различни култури

Производството на ориз намалява поради изменението на климата и променливостта в Колумбия.Регулатори на растежа на растениятаса използвани като стратегия за намаляване на топлинния стрес при различни култури. Следователно, целта на това изследване беше да се оценят физиологичните ефекти (проводимост на устицата, проводимост на устицата, общо съдържание на хлорофил, съотношение Fv/Fm на два търговски генотипа ориз, подложени на комбиниран топлинен стрес (високи дневни и нощни температури), температура на покрива и относително съдържание на вода) и биохимични променливи (съдържание на малондиалдехид (MDA) и пролинова киселина). Първият и вторият експеримент бяха проведени с използване на растения от два оризови генотипа Federrose 67 ("F67") и Federrose 2000 ("F2000"), съответно. И двата експеримента бяха анализирани заедно като серия от експерименти. Установените лечения са както следва: абсолютен контрол (AC) (оризови растения, отглеждани при оптимални температури (дневна/нощна температура 30/25°C)), контрол на топлинния стрес (SC) [оризови растения, подложени само на комбиниран топлинен стрес (40/25°C). 30°C)], а оризовите растения бяха стресирани и напръскани с регулатори на растежа на растенията (стрес+AUX, стрес+BR, стрес+CK или стрес+GA) два пъти (5 дни преди и 5 дни след топлинен стрес). Пръскането със SA повишава общото съдържание на хлорофил и на двата сорта (свежо тегло на оризови растения „F67″ и „F2000″ е съответно 3,25 и 3,65 mg/g) в сравнение с SC растения (свежо тегло на растения „F67″ е 2,36 и 2,56 mg). g-1)“ и ориз „F2000″, листно прилагането на CK също така като цяло подобрява устичната проводимост на оризови растения „F2000″ (499,25 срещу 150,60 mmol m-2 s) в сравнение с контрола на топлинния стрес. топлинен стрес, температурата на короната на растението намалява с 2–3 °C и съдържанието на MDA в растенията намалява. Относителният индекс на толерантност показва, че листното приложение на CK (97,69%) и BR (60,73%) може да помогне за облекчаване на проблема с комбинираната топлина. стрес главно в оризови растения F2000. В заключение, листното пръскане на BR или CK може да се разглежда като агрономическа стратегия, която да помогне за намаляване на отрицателните ефекти от комбинираните условия на топлинен стрес върху физиологичното поведение на оризовите растения.
Оризът (Oryza sativa) принадлежи към семейство Poaceae и е една от най-култивираните зърнени култури в света заедно с царевицата и пшеницата (Bajaj and Mohanty, 2005). Площта за отглеждане на ориз е 617 934 хектара, а националното производство през 2020 г. е 2 937 840 тона със среден добив от 5,02 тона/ха (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Глобалното затопляне засяга оризовите култури, което води до различни видове абиотичен стрес, като високи температури и периоди на суша. Изменението на климата води до повишаване на глобалните температури; Очаква се температурите да се повишат с 1,0–3,7°C през 21 век, което може да увеличи честотата и интензивността на топлинния стрес. Повишените температури на околната среда са засегнали ориза, причинявайки спад на добивите с 6–7%. От друга страна, изменението на климата също води до неблагоприятни условия на околната среда за културите, като периоди на тежка суша или високи температури в тропическите и субтропичните региони. Освен това променливи явления като Ел Ниньо могат да доведат до топлинен стрес и да влошат щетите по културите в някои тропически региони. В Колумбия се очаква температурите в районите за производство на ориз да се повишат с 2–2,5°C до 2050 г., намалявайки производството на ориз и засягайки потоците от продукти към пазарите и веригите за доставки.
Повечето оризови култури се отглеждат в райони, където температурите са близки до оптималния диапазон за растеж на културите (Shah et al., 2011). Съобщава се, че оптималните средни дневни и нощни температури зарастеж и развитие на оризобикновено са съответно 28°C и 22°C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Температури над тези прагове могат да причинят периоди на умерен до силен топлинен стрес по време на чувствителни етапи на развитие на ориза (братене, цъфтеж, цъфтеж и напълване на зърното), като по този начин се отразява отрицателно на добива на зърно. Това намаление на добива се дължи главно на дълги периоди на топлинен стрес, които засягат физиологията на растенията. Поради взаимодействието на различни фактори, като продължителност на стреса и достигната максимална температура, топлинният стрес може да причини редица необратими увреждания на метаболизма и развитието на растенията.
Топлинният стрес засяга различни физиологични и биохимични процеси в растенията. Фотосинтезата на листата е един от процесите, които са най-податливи на топлинен стрес в оризовите растения, тъй като скоростта на фотосинтезата намалява с 50%, когато дневните температури надвишават 35°C. Физиологичните реакции на оризовите растения варират в зависимост от вида на топлинния стрес. Например, скоростта на фотосинтезата и проводимостта на устицата се инхибират, когато растенията са изложени на високи дневни температури (33–40°C) или високи дневни и нощни температури (35–40°C през деня, 28–30°C). C означава нощ) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Високите нощни температури (30°C) причиняват умерено инхибиране на фотосинтезата, но увеличават нощното дишане (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Независимо от периода на стрес, топлинният стрес също влияе върху съдържанието на хлорофил в листата, съотношението на променливата флуоресценция на хлорофила към максималната флуоресценция на хлорофила (Fv/Fm) и активирането на Rubisco в оризовите растения (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). ) Sanchez Reynoso и др., 2014).
Биохимичните промени са друг аспект на адаптацията на растенията към топлинен стрес (Wahid et al., 2007). Съдържанието на пролин се използва като биохимичен индикатор за стреса на растенията (Ahmed and Hassan 2011). Пролинът играе важна роля в метаболизма на растенията, тъй като действа като източник на въглерод или азот и като мембранен стабилизатор при условия на висока температура (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Високите температури също влияят на стабилността на мембраната чрез липидна пероксидация, което води до образуването на малондиалдехид (MDA) (Wahid et al., 2007). Следователно, съдържанието на MDA също се използва за разбиране на структурната цялост на клетъчните мембрани при топлинен стрес (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). И накрая, комбинираният топлинен стрес [37/30°C (ден/нощ)] повишава процента на изтичане на електролит и съдържанието на малондиалдехид в ориза (Liu et al., 2013).
Използването на регулатори на растежа на растенията (GR) е оценено за смекчаване на отрицателните ефекти от топлинния стрес, тъй като тези вещества участват активно в реакциите на растенията или физиологичните защитни механизми срещу такъв стрес (Peleg и Blumwald, 2011; Yin et al. et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Екзогенното приложение на генетични ресурси има положителен ефект върху толерантността към топлинен стрес при различни култури. Проучванията показват, че фитохормони като гиберелини (GA), цитокинини (CK), ауксини (AUX) или брасиностероиди (BR) водят до повишаване на различни физиологични и биохимични променливи (Peleg и Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014 г.). В Колумбия екзогенното приложение на генетични ресурси и неговото въздействие върху оризовите култури не са напълно разбрани и проучени. Предишно проучване обаче показа, че листното пръскане на BR може да подобри толерантността на ориза чрез подобряване на характеристиките на газообмена, съдържанието на хлорофил или пролин в листата на оризови разсад (Quintero-Calderón et al., 2021).
Цитокинините медиират реакциите на растенията към абиотичен стрес, включително топлинен стрес (Ha et al., 2012). Освен това се съобщава, че екзогенното приложение на СК може да намали термичните увреждания. Например, екзогенното приложение на зеатин повишава скоростта на фотосинтезата, съдържанието на хлорофил а и b и ефективността на транспорта на електрони в пълзяща извита трева (Agrotis estolonifera) по време на топлинен стрес (Xu и Huang, 2009; Jespersen и Huang, 2015). Екзогенното приложение на зеатин може също да подобри антиоксидантната активност, да подобри синтеза на различни протеини, да намали увреждането на реактивните кислородни видове (ROS) и производството на малондиалдехид (MDA) в растителните тъкани (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009). , 2016; Кумар и др., 2020 г.).
Използването на гиберелинова киселина също показва положителен отговор на топлинния стрес. Проучванията показват, че биосинтезата на GA медиира различни метаболитни пътища и повишава толерантността при условия на висока температура (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Абдел-Наби и др. (2020) установяват, че листното пръскане на екзогенен GA (25 или 50 mg*L) може да увеличи скоростта на фотосинтезата и антиоксидантната активност в портокалови растения, подложени на топлинен стрес, в сравнение с контролните растения. Също така е наблюдавано, че екзогенното приложение на НА повишава относителното съдържание на влага, съдържанието на хлорофил и каротеноиди и намалява липидната пероксидация във финикова палма (Phoenix dactylifera) при топлинен стрес (Khan et al., 2020). Ауксинът също играе важна роля в регулирането на адаптивните реакции на растеж при високи температурни условия (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Този регулатор на растежа действа като биохимичен маркер в различни процеси като синтез на пролин или разграждане при абиотичен стрес (Ali et al. 2007). В допълнение, AUX също повишава антиоксидантната активност, което води до намаляване на MDA в растенията поради намалена липидна пероксидация (Bielach et al., 2017). Сергеев и др. (2018) наблюдават, че в граховите растения (Pisum sativum) при топлинен стрес се увеличава съдържанието на пролин – диметиламиноетоксикарбонилметил)нафтилхлорометилов етер (TA-14). В същия експеримент те също наблюдават по-ниски нива на MDA в третирани растения в сравнение с растения, които не са третирани с AUX.
Брасиностероидите са друг клас регулатори на растежа, използвани за смекчаване на ефектите от топлинния стрес. Ogweno и др. (2008) съобщават, че екзогенният BR спрей повишава нетната фотосинтетична скорост, устичната проводимост и максималната скорост на Rubisco карбоксилиране на растения от домати (Solanum lycopersicum) под топлинен стрес в продължение на 8 дни. Листното пръскане на епибрасиностероиди може да увеличи нетната фотосинтетична скорост на растенията краставици (Cucumis sativus) при топлинен стрес (Yu et al., 2004). В допълнение, екзогенното приложение на BR забавя разграждането на хлорофила и повишава ефективността на използване на водата и максималния квантов добив на фотохимия на PSII в растения под топлинен стрес (Holá et al., 2010; Toussagunpanit et al., 2015).
Поради изменението на климата и променливостта, оризовите култури са изправени пред периоди на високи дневни температури (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). При фенотипирането на растенията използването на фитонутриенти или биостимуланти е изследвано като стратегия за смекчаване на топлинния стрес в районите за отглеждане на ориз (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). В допълнение, използването на биохимични и физиологични променливи (температура на листата, проводимост на устицата, параметри на флуоресценция на хлорофил, хлорофил и относително водно съдържание, синтез на малондиалдехид и пролин) е надежден инструмент за скрининг на оризови растения под топлинен стрес на местно и международно ниво (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017; Изследванията върху използването на листни фитохормонални пръскания на ориз остават редки. Ето защо, изследването на физиологичните и биохимичните реакции на прилагането на регулатори на растежа на растенията е от голямо значение за предлагането на практически агрономически стратегии за справяне с отрицателните ефекти от период на сложен топлинен стрес при ориза (устична проводимост, параметри на флуоресценция на хлорофил и относително водно съдържание) и биохимични ефекти от листното приложение на четири регулатора на растежа на растенията (AUX, CK, GA и BR). (Фотосинтетични пигменти, съдържание на малондиалдехид и пролин) Променливи в два търговски генотипа ориз, подложени на комбиниран топлинен стрес (високи дневни/нощни температури).
В това изследване бяха проведени два независими експеримента. За първи път са използвани генотипите Federrose 67 (F67: генотип, разработен при високи температури през последното десетилетие) и Federrose 2000 (F2000: генотип, разработен през последното десетилетие на 20-ти век, показващ резистентност към вируса на белите листа). семена. и съответно вторият експеримент. И двата генотипа са широко култивирани от колумбийските фермери. Семената се засяват в 10-L тави (дължина 39.6 cm, ширина 28.8 cm, височина 16.8 cm), съдържащи песъчлива глинеста почва с 2% органично вещество. Пет предварително покълнали семена бяха засадени във всяка тава. Палетите бяха поставени в оранжерията на Факултета по селскостопански науки на Националния университет на Колумбия, кампуса в Богота (43°50′56″ с.ш., 74°04′051″ з.д.), на надморска височина от 2556 m над морското равнище (н.в.). м.) и бяха проведени от октомври до декември 2019 г. Един експеримент (Federroz 67) и втори експеримент (Federroz 2000) през същия сезон на 2020 г.
Условията на околната среда в оранжерията по време на всеки сезон на засаждане са както следва: дневна и нощна температура 30/25°C, относителна влажност 60~80%, естествен фотопериод 12 часа (фотосинтетично активна радиация 1500 µmol (фотони) m-2 s-). 1 на обяд). Растенията се наторяват според съдържанието на всеки елемент 20 дни след поникването на семената (DAE), според Sánchez-Reinoso et al. (2019): 670 mg азот на растение, 110 mg фосфор на растение, 350 mg калий на растение, 68 mg калций на растение, 20 mg магнезий на растение, 20 mg сяра на растение, 17 mg силиций на растение. Растенията съдържат 10 mg бор на растение, 17 mg мед на растение и 44 mg цинк на растение. Оризовите растения се поддържат при до 47 DAE във всеки експеримент, когато достигнат фенологичен етап V5 през този период. Предишни проучвания показват, че този фенологичен етап е подходящо време за провеждане на изследвания на топлинния стрес в ориза (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
Във всеки експеримент бяха извършени две отделни приложения на регулатора на растежа на листата. Първият набор от листни фитохормонални спрейове беше приложен 5 дни преди третирането с топлинен стрес (42 DAE), за да се подготвят растенията за стрес от околната среда. След това се прилага второ листно пръскане 5 дни след като растенията са били изложени на стресови условия (52 DAE). Използвани са четири фитохормона и свойствата на всяка активна съставка, пръскана в това проучване, са изброени в допълнителна таблица 1. Концентрациите на използваните регулатори на растежа на листата са както следва: (i) Ауксин (1-нафтилоцетна киселина: NAA) в концентрация 5 × 10–5 M (ii) 5 × 10–5 M гиберелин (гиберелинова киселина: NAA); GA3); (iii) Цитокинин (транс-зеатин) 1 × 10-5 M (iv) Брасиностероиди [спиростан-6-он, 3,5-дихидрокси-, (3b,5a,25R)] 5 × 10-5; М. Тези концентрации са избрани, защото предизвикват положителни реакции и повишават устойчивостта на растенията към топлинен стрес (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Оризовите растения без спрейове за регулатори на растежа на растенията бяха третирани само с дестилирана вода. Всички оризови растения бяха напръскани с ръчна пръскачка. Нанесете 20 ml H2O върху растението, за да навлажнете горната и долната повърхност на листата. Всички листни спрейове използват селскостопански адювант (Agrotin, Bayer CropScience, Колумбия) при 0,1% (v/v). Разстоянието между саксията и пръскачката е 30 см.
Третирането с топлинен стрес се прилага 5 дни след първото листно пръскане (47 DAE) във всеки експеримент. Оризовите растения бяха прехвърлени от оранжерията в 294 L камера за растеж (MLR-351H, Sanyo, IL, САЩ), за да се установи топлинен стрес или да се поддържат същите условия на околната среда (47 DAE). Комбинираното третиране с топлинен стрес беше проведено чрез настройване на камерата на следните дневни/нощни температури: дневна висока температура [40°C за 5 часа (от 11:00 до 16:00)] и нощен период [30°C за 5 часа]. 8 дни подред (от 19:00 до 24:00). Температурата на стрес и времето на излагане са избрани въз основа на предишни проучвания (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). От друга страна, група растения, прехвърлени в камерата за растеж, се държат в оранжерията при същата температура (30°C през деня/25°C през нощта) в продължение на 8 последователни дни.
В края на експеримента бяха получени следните групи за третиране: (i) условия на температура на растеж + приложение на дестилирана вода [Абсолютен контрол (AC)], (ii) състояние на топлинен стрес + приложение на дестилирана вода [контрол на топлинен стрес (SC)], (iii) условия състояние на топлинен стрес + приложение на ауксин (AUX), (iv) състояние на топлинен стрес + приложение на гиберелин (GA), (v) състояние на топлинен стрес + приложение на цитокинин (CK), и (vi) състояние на топлинен стрес + брасиностероид (BR) Приложение. Тези третирани групи бяха използвани за два генотипа (F67 и F2000). Всички третирания бяха проведени в напълно произволен дизайн с пет реплики, всяка от които се състоеше от едно растение. Всяко растение беше използвано за прочитане на променливите, определени в края на експеримента. Експериментът продължи 55 DAE.
Стоматалната проводимост (gs) се измерва с помощта на преносим порозометър (SC-1, METER Group Inc., САЩ) в диапазона от 0 до 1000 mmol m-2 s-1, с отвор на камерата за проба от 6,35 mm. Измерванията се правят чрез прикрепване на сонда за стомаметър към зрял лист с напълно разширена главна издънка на растението. За всяко третиране бяха взети gs показания на три листа от всяко растение между 11:00 и 16:00 и осреднени.
RWC се определя съгласно метода, описан от Ghoulam et al. (2002). Напълно разширеният лист, използван за определяне на g, също беше използван за измерване на RWC. Свежото тегло (FW) се определя веднага след прибиране на реколтата с помощта на цифрова скала. След това листата се поставят в пластмасов съд, пълен с вода и се оставят на тъмно при стайна температура (22°C) за 48 часа. След това претеглете на цифрова скала и запишете разширеното тегло (TW). Набъбналите листа се сушат в пещ при 75°C в продължение на 48 часа и се записва тяхното сухо тегло (DW).
Относителното съдържание на хлорофил се определя с помощта на хлорофилметър (atLeafmeter, FT Green LLC, САЩ) и се изразява в единици atLeaf (Dey et al., 2016). Показанията за максимална квантова ефективност на PSII (съотношение Fv/Fm) бяха записани с помощта на флуориметър с непрекъснато възбуждане на хлорофил (Handy PEA, Hansatech Instruments, UK). Листата бяха адаптирани към тъмнина с помощта на скоби за листа за 20 минути преди измерванията на Fv / Fm (Restrepo-Diaz и Garces-Varon, 2013). След като листата се аклиматизират на тъмно, бяха измерени базовата линия (F0) и максималната флуоресценция (Fm). От тези данни бяха изчислени променливата флуоресценция (Fv = Fm – F0), съотношението на променливата флуоресценция към максималната флуоресценция (Fv/Fm), максималният квантов добив на фотохимия на PSII (Fv/F0) и съотношението Fm/F0 (Baker, 2008; Lee et al., 2017). Относителните показания за хлорофил и флуоресценция на хлорофил бяха взети на същите листа, използвани за gs измервания.
Приблизително 800 mg прясно тегло на листа се събират като биохимични променливи. След това пробите от листа се хомогенизират в течен азот и се съхраняват за допълнителен анализ. Спектрометричният метод, използван за оценка на съдържанието на тъканен хлорофил a, b и каротеноиди, се основава на метода и уравненията, описани от Wellburn (1994). Проби от листна тъкан (30 mg) се събират и хомогенизират в 3 ml 80% ацетон. След това пробите се центрофугират (модел 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, САЩ) при 5000 rpm за 10 минути за отстраняване на частиците. Супернатантата се разрежда до краен обем от 6 ml чрез добавяне на 80% ацетон (Sims и Gamon, 2002). Съдържанието на хлорофил се определя при 663 (хлорофил a) и 646 (хлорофил b) nm, а на каротеноиди при 470 nm с помощта на спектрофотометър (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA).
Методът с тиобарбитурова киселина (TBA), описан от Hodges et al. (1999) се използва за оценка на мембранната липидна пероксидация (MDA). Приблизително 0,3 g листна тъкан също се хомогенизира в течен азот. Пробите се центрофугират при 5000 rpm и абсорбцията се измерва на спектрофотометър при 440, 532 и 600 nm. Накрая, концентрацията на MDA се изчислява с помощта на коефициента на екстинкция (157 M mL-1).
Съдържанието на пролин във всички лечения се определя с помощта на метода, описан от Bates et al. (1973). Добавете 10 ml 3% воден разтвор на сулфосалицилова киселина към съхранената проба и филтрирайте през филтърна хартия Whatman (№ 2). След това 2 ml от този филтрат взаимодействат с 2 ml нинхидрова киселина и 2 ml ледена оцетна киселина. Сместа се поставя във водна баня при 90°С за 1 час. Спрете реакцията чрез инкубиране върху лед. Епруветката се разклаща енергично с помощта на вортекс шейкър и полученият разтвор се разтваря в 4 ml толуен. Отчитанията на абсорбцията се определят при 520 nm, като се използва същият спектрофотометър, използван за количествено определяне на фотосинтетични пигменти (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA).
Методът, описан от Gerhards et al. (2016) за изчисляване на температурата на покрива и CSI. Термичните снимки бяха направени с камера FLIR 2 (FLIR Systems Inc., Бостън, Масачузетс, САЩ) с точност от ± 2 ° C в края на периода на стрес. Поставете бяла повърхност зад растението за фотография. Отново две фабрики бяха разглеждани като референтни модели. Растенията бяха поставени върху бяла повърхност; единият беше покрит със селскостопански адювант (Agrotin, Bayer CropScience, Богота, Колумбия), за да се симулира отварянето на всички устица [мокър режим (Twet)], а другият беше лист без никакво приложение [сух режим (Tdry)] (Castro -Duque et al., 2020). Разстоянието между камерата и саксията по време на заснемането беше 1 m.
Относителният индекс на толерантност беше изчислен индиректно, като се използва проводимост на устицата (gs) на третирани растения в сравнение с контролни растения (растения без третиране на стрес и с приложени регулатори на растежа), за да се определи толерантността на третираните генотипове, оценени в това изследване. RTI беше получен с помощта на уравнение, адаптирано от Chávez-Arias et al. (2020 г.).
Във всеки експеримент всички физиологични променливи, споменати по-горе, бяха определени и записани при 55 DAE, като се използваха напълно разширени листа, събрани от горния покрив. В допълнение, измерванията бяха извършени в камера за растеж, за да се избегне промяна на условията на околната среда, в които растенията растат.
Данните от първия и втория експеримент бяха анализирани заедно като серия от експерименти. Всяка експериментална група се състоеше от 5 растения и всяко растение представляваше експериментална единица. Извършен е дисперсионен анализ (ANOVA) (P ≤ 0.05). Когато бяха открити значителни разлики, беше използван post hoc сравнителният тест на Tukey при P ≤ 0,05. Използвайте функцията арксинус за преобразуване на процентни стойности. Данните бяха анализирани с помощта на софтуер Statistix v 9.0 (Аналитичен софтуер, Талахаси, Флорида, САЩ) и начертани с помощта на SigmaPlot (версия 10.0; Systat Software, Сан Хосе, Калифорния, САЩ). Анализът на основните компоненти беше извършен с помощта на софтуер InfoStat 2016 (Софтуер за анализи, Национален университет в Кордоба, Аржентина), за да се идентифицират най-добрите регулатори на растежа на растенията, които се изследват.
Таблица 1 обобщава ANOVA, показваща експериментите, различните третирания и техните взаимодействия с фотосинтетичните пигменти на листата (хлорофил a, b, общо и каротеноиди), съдържанието на малондиалдехид (MDA) и пролин и проводимостта на устицата. Ефект на gs, относително водно съдържание. (RWC), съдържание на хлорофил, параметри на флуоресценция на хлорофил алфа, температура на короната (PCT) (°C), индекс на стрес на културите (CSI) и относителен индекс на толерантност на оризови растения при 55 DAE.
Таблица 1. Обобщение на ANOVA данни за физиологични и биохимични променливи на ориз между експерименти (генотипове) и лечения с топлинен стрес.
Разликите (P≤0,01) във взаимодействията на фотосинтетичните пигменти на листата, относителното съдържание на хлорофил (отчитания на Atleaf) и параметрите на флуоресценция на алфа-хлорофил между експерименти и лечения са показани в таблица 2. Високите дневни и нощни температури повишават общото съдържание на хлорофил и каротеноиди. Оризови разсад без никакво листно пръскане с фитохормони (2,36 mg g-1 за „F67″ и 2,56 mg g-1 за „F2000″) в сравнение с растенията, отглеждани при оптимални температурни условия (2,67 mg g-1)) показват по-ниско общо съдържание на хлорофил. И в двата експеримента "F67" е 2,80 mg g-1, а "F2000" е 2,80 mg g-1. В допълнение, оризовите разсади, третирани с комбинация от AUX и GA спрейове при топлинен стрес, също показват намаляване на съдържанието на хлорофил и в двата генотипа (AUX = 1,96 mg g-1 и GA = 1,45 mg g-1 за „F67“; AUX = 1,96 mg g-1 и GA = 1,45 mg g-1 за „F67″; AUX = 2,24 mg) g-1 и GA = 1,43 mg g-1 (за „F2000″) при условия на топлинен стрес. При условия на топлинен стрес, листното третиране с BR доведе до леко увеличение на тази променлива и в двата генотипа. И накрая, листният спрей CK показа най-високите стойности на фотосинтетичния пигмент сред всички третирания (AUX, GA, BR, SC и AC лечения) в генотипове F67 (3,24 mg g-1) и F2000 (3,65 mg g-1). Относителното съдържание на хлорофил (Atleaf единица) също беше намалено от комбиниран топлинен стрес. Най-високи стойности са регистрирани и при растения, напръскани с CC и в двата генотипа (41,66 за „F67” и 49,30 за „F2000”). Съотношенията Fv и Fv/Fm показват значителни разлики между леченията и сортовете (Таблица 2). Като цяло, сред тези променливи, сорт F67 е по-малко податлив на топлинен стрес от сорт F2000. Съотношенията Fv и Fv/Fm пострадаха повече във втория експеримент. Стресираните „F2000′ разсад, които не са били пръскани с никакви фитохормони, имат най-ниските стойности на Fv (2120,15) и съотношения Fv/Fm (0,59), но листното пръскане с CK помогна да се възстановят тези стойности (Fv: 2591, 89, съотношение Fv/Fm: 0,73). , получавайки показания, подобни на тези, записани на растения „F2000“, отглеждани при оптимални температурни условия (Fv: 2955,35, съотношение Fv/Fm: 0,73:0,72). Няма значителни разлики в първоначалната флуоресценция (F0), максималната флуоресценция (Fm), максималния фотохимичен квантов добив на PSII (Fv/F0) и съотношението Fm/F0. И накрая, BR показва подобна тенденция, както се наблюдава при CK (Fv 2545,06, съотношение Fv/Fm 0,73).
Таблица 2. Ефект от комбинирания топлинен стрес (40°/30°C ден/нощ) върху листните фотосинтетични пигменти [общ хлорофил (Chl Total), хлорофил a (Chl a), хлорофил b (Chl b) и каротеноиди Cx+c] ефект], относително съдържание на хлорофил (Atliff единица), параметри на флуоресценция на хлорофил (първоначални флуоресценция (F0), максимална флуоресценция (Fm), променлива флуоресценция (Fv), максимална ефективност на PSII (Fv/Fm), фотохимичен максимален квантов добив на PSII (Fv/F0) и Fm/F0 в растения от два генотипа ориз [Federrose 67 (F67) и Federrose 2000 (F2000)] 55 дни след това поява (DAE)).
Относителното водно съдържание (RWC) на различно третирани оризови растения показва разлики (P ≤ 0.05) във взаимодействието между експерименталните и листните обработки (Фиг. 1A). При третиране със SA най-ниските стойности са регистрирани и за двата генотипа (74,01% за F67 и 76,6% за F2000). При условия на топлинен стрес, RWC на ​​оризови растения от двата генотипа, третирани с различни фитохормони, се повишава значително. Като цяло, листните приложения на CK, GA, AUX или BR повишават RWC до стойности, подобни на тези на растенията, отглеждани при оптимални условия по време на експеримента. Абсолютната контрола и листно пръсканите растения регистрират стойности от около 83% за двата генотипа. От друга страна, gs също показва значителни разлики (P ≤ 0.01) във взаимодействието експеримент-лечение (фиг. 1B). Растението с абсолютна контрола (AC) също регистрира най-високите стойности за всеки генотип (440,65 mmol m-2s-1 за F67 и 511,02 mmol m-2s-1 за F2000). Оризовите растения, подложени само на комбиниран топлинен стрес, показват най-ниските стойности на gs за двата генотипа (150,60 mmol m-2s-1 за F67 и 171,32 mmol m-2s-1 за F2000). Листното третиране с всички регулатори на растежа на растенията също повишава g. При F2000 оризови растения, пръскани с CC, ефектът от листното пръскане с фитохормони е по-очевиден. Тази група растения не показва разлики в сравнение с абсолютните контролни растения (AC 511.02 и CC 499.25 mmol m-2s-1).
Фигура 1. Ефект от комбинирания топлинен стрес (40°/30°C ден/нощ) върху относителното водно съдържание (RWC) (A), стоматалната проводимост (gs) (B), производството на малондиалдехид (MDA) (C) и съдържанието на пролин. (D) в растения от два оризови генотипа (F67 и F2000) на 55 дни след поникването (DAE). Обработките, оценени за всеки генотип, включват: абсолютен контрол (AC), контрол на топлинния стрес (SC), топлинен стрес + ауксин (AUX), топлинен стрес + гиберелин (GA), топлинен стрес + клетъчен митоген (CK) и топлинен стрес + брасиностероид. (BR). Всяка колона представлява средната ± стандартна грешка на пет точки от данни (n = 5). Колоните, последвани от различни букви, показват статистически значими разлики според теста на Tukey (P ≤ 0,05). Букви със знак за равенство показват, че средната стойност не е статистически значима (≤ 0,05).
Съдържанието на MDA (P ≤ 0,01) и пролин (P ≤ 0,01) също показва значителни разлики във взаимодействието между експеримента и фитохормоналните лечения (Фиг. 1C, D). Повишена липидна пероксидация се наблюдава при SC лечение и в двата генотипа (Фигура 1C), но растенията, третирани със спрей за регулатор на растежа на листата, показват намалена липидна пероксидация и в двата генотипа; Като цяло, употребата на фитохормони (CA, AUC, BR или GA) води до намаляване на липидната пероксидация (съдържание на MDA). Не са открити разлики между AC растения от два генотипа и растения под топлинен стрес и напръскани с фитохормони (наблюдаваните стойности на FW в растенията „F67“ варират от 4,38–6,77 µmol g-1, а в растенията FW „F2000“ „наблюдаваните стойности варират от 2,84 до 9,18 µmol g-1 (растения). От друга страна, Синтезът на пролин в растенията „F67“ е по-нисък, отколкото в растенията „F2000“ при комбиниран стрес, което води до увеличаване на производството на пролин в оризови растения, подложени на топлинен стрес, и в двата експеримента се наблюдава, че прилагането на тези хормони значително повишава съдържанието на аминокиселини в растенията F2000 (AUX и BR са 30,44 и 18,34 µmol g-1) съответно (фиг. 1G).
Ефектите от пръскането с регулатор на растежа на листните растения и комбинирания топлинен стрес върху температурата на короната на растенията и относителния индекс на поносимост (RTI) са показани на фигури 2A и B. И за двата генотипа температурата на короната на AC растенията е близо до 27°C, а тази на SC растенията е около 28°C. СЪС. Наблюдава се също, че листното третиране с CK и BR води до понижение с 2–3°C в температурата на короната в сравнение с SC растенията (Фигура 2A). RTI показва подобно поведение на други физиологични променливи, показвайки значителни разлики (P ≤ 0,01) във взаимодействието между експеримента и лечението (Фигура 2B). SC растенията показват по-ниска толерантност на растенията и в двата генотипа (34,18% и 33,52% за оризови растения „F67“ и „F2000“, съответно). Листното подхранване с фитохормони подобрява RTI при растения, изложени на високотемпературен стрес. Този ефект е по-изразен при растения „F2000“, напръскани с CC, при които RTI е 97,69. От друга страна, значителни разлики се наблюдават само в индекса на напрежението на добива (CSI) на оризовите растения при стресови условия на пръскане с листен фактор (P ≤ 0.01) (Фиг. 2B). Само оризовите растения, подложени на сложен топлинен стрес, показват най-високата стойност на индекса на стрес (0,816). Когато оризовите растения се пръскат с различни фитохормони, индексът на стрес е по-нисък (стойности от 0,6 до 0,67). И накрая, оризовото растение, отглеждано при оптимални условия, има стойност от 0,138.
Фигура 2. Ефекти от комбинирания топлинен стрес (40°/30°C ден/нощ) върху температурата на сенника (A), относителен индекс на поносимост (RTI) (B) и индекс на стрес на културата (CSI) (C) на два вида растения. Търговските генотипове на ориз (F67 и F2000) бяха подложени на различни топлинни обработки. Обработките, оценени за всеки генотип, включват: абсолютен контрол (AC), контрол на топлинния стрес (SC), топлинен стрес + ауксин (AUX), топлинен стрес + гиберелин (GA), топлинен стрес + клетъчен митоген (CK) и топлинен стрес + брасиностероид. (BR). Комбинираният топлинен стрес включва излагане на оризовите растения на високи дневни/нощни температури (40°/30°C ден/нощ). Всяка колона представлява средната ± стандартна грешка на пет точки от данни (n = 5). Колоните, последвани от различни букви, показват статистически значими разлики според теста на Tukey (P ≤ 0,05). Букви със знак за равенство показват, че средната стойност не е статистически значима (≤ 0,05).
Анализът на главните компоненти (PCA) разкри, че променливите, оценени при 55 DAE, обясняват 66,1% от физиологичните и биохимични реакции на оризови растения, подложени на топлинен стрес, третирани със спрей с регулатор на растежа (фиг. 3). Векторите представляват променливи, а точките представляват регулатори на растежа на растенията (GR). Векторите на gs, съдържанието на хлорофил, максималната квантова ефективност на PSII (Fv/Fm) и биохимичните параметри (TChl, MDA и пролин) са под близки ъгли спрямо произхода, което показва висока корелация между физиологичното поведение на растенията и тях. променлива. Една група (V) включва оризови разсад, отглеждани при оптимална температура (AT) и F2000 растения, третирани с CK и BA. В същото време по-голямата част от растенията, третирани с GR, образуват отделна група (IV), а третирането с GA в F2000 образува отделна група (II). За разлика от това, топлинно стресираните оризови разсад (групи I и III) без никакво листно пръскане на фитохормони (и двата генотипа са SC) са разположени в зона, противоположна на група V, демонстрирайки ефекта на топлинния стрес върху физиологията на растенията. .
Фигура 3. Биографичен анализ на ефектите от комбинирания топлинен стрес (40°/30°C ден/нощ) върху растения от два оризови генотипа (F67 и F2000) на 55-ия ден след поникването (DAE). Съкращения: AC F67, абсолютен контрол F67; SC F67, контрол на топлинния стрес F67; AUX F67, топлинен стрес + ауксин F67; GA F67, топлинен стрес + гиберелин F67; CK F67, топлинен стрес + клетъчно делене BR F67, топлинен стрес + брасиностероид. F67; AC F2000, абсолютен контрол F2000; SC F2000, Heat Stress Control F2000; AUX F2000, топлинен стрес + ауксин F2000; GA F2000, топлинен стрес + гиберелин F2000; CK F2000, топлинен стрес + цитокинин, BR F2000, топлинен стрес + месингов стероид; F2000.
Променливи като съдържание на хлорофил, проводимост на устицата, съотношение Fv/Fm, CSI, MDA, RTI и съдържание на пролин могат да помогнат за разбирането на адаптацията на генотипове на ориз и да оценят въздействието на агрономическите стратегии при топлинен стрес (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Целта на този експеримент беше да се оцени ефектът от прилагането на четири регулатора на растежа върху физиологичните и биохимичните параметри на оризовите разсад при сложни условия на топлинен стрес. Тестването на разсад е прост и бърз метод за едновременна оценка на оризови растения в зависимост от размера или състоянието на наличната инфраструктура (Sarsu et al. 2018). Резултатите от това проучване показват, че комбинираният топлинен стрес предизвиква различни физиологични и биохимични реакции в двата генотипа на ориз, което показва процес на адаптация. Тези резултати също така показват, че спрейове с регулатори на растежа на листата (главно цитокинини и брасиностероиди) помагат на ориза да се адаптира към сложния топлинен стрес, тъй като благоприятното влияние засяга главно gs, RWC, съотношението Fv/Fm, фотосинтетичните пигменти и съдържанието на пролин.
Прилагането на регулатори на растежа спомага за подобряване на водния статус на оризовите растения при топлинен стрес, който може да бъде свързан с по-висок стрес и по-ниски температури на короната на растенията. Това проучване показа, че сред растенията „F2000“ (чувствителен генотип), оризовите растения, третирани предимно с CK или BR, имат по-високи стойности на gs и по-ниски стойности на PCT, отколкото растенията, третирани с SC. Предишни проучвания също показаха, че gs и PCT са точни физиологични индикатори, които могат да определят адаптивната реакция на оризовите растения и ефектите от агрономическите стратегии върху топлинния стрес (Restrepo-Diaz и Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero). -Carr DeLong и др., 2021). CK или BR на листа повишават g при стрес, тъй като тези растителни хормони могат да насърчат отварянето на устицата чрез синтетични взаимодействия с други сигнални молекули като ABA (промотор на затваряне на устицата при абиотичен стрес) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). 2013 г.). ). , 2014). Отварянето на устицата насърчава охлаждането на листата и спомага за намаляване на температурите на короната (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Поради тези причини температурата на короната на оризовите растения, напръскани с CK или BR, може да бъде по-ниска при комбиниран топлинен стрес.
Високотемпературният стрес може да намали съдържанието на фотосинтетичен пигмент в листата (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). В това проучване, когато оризовите растения са били подложени на топлинен стрес и не са били пръскани с никакви регулатори на растежа на растенията, фотосинтетичните пигменти са имали тенденция да намаляват и в двата генотипа (Таблица 2). Feng и др. (2013) също съобщават за значително намаляване на съдържанието на хлорофил в листата на два генотипа пшеница, изложени на топлинен стрес. Излагането на високи температури често води до намалено съдържание на хлорофил, което може да се дължи на намалена биосинтеза на хлорофил, разграждане на пигменти или техните комбинирани ефекти при топлинен стрес (Fahad et al., 2017). Въпреки това, оризовите растения, третирани главно с CK и BA, повишават концентрацията на листни фотосинтетични пигменти при топлинен стрес. Подобни резултати са докладвани и от Jespersen и Huang (2015) и Suchsagunpanit et al. (2015), които наблюдават увеличение на съдържанието на хлорофил в листата след прилагане на зеатин и епибрасиностероидни хормони съответно при топлинно стресирани бентграс и ориз. Разумно обяснение защо CK и BR насърчават повишеното съдържание на хлорофил в листата при комбиниран топлинен стрес е, че CK може да подобри инициирането на продължителна индукция на експресионни промотори (като промотора, активиращ стареенето (SAG12) или промотора HSP18) и да намали загубата на хлорофил в листата. , забавят стареенето на листата и повишават устойчивостта на растенията към топлина (Liu et al., 2020). BR може да защити хлорофила в листата и да увеличи съдържанието на хлорофил в листата чрез активиране или индуциране на синтеза на ензими, участващи в биосинтезата на хлорофил при условия на стрес (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). И накрая, два фитохормона (CK и BR) също насърчават експресията на протеини на топлинен шок и подобряват различни процеси на метаболитна адаптация, като повишена биосинтеза на хлорофил (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Параметрите на флуоресценция на хлорофил а осигуряват бърз и недеструктивен метод, който може да оцени толерантността или адаптацията на растенията към условията на абиотичен стрес (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Параметри като съотношението Fv/Fm са използвани като индикатори за адаптация на растенията към стресови условия (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). В това проучване SC растенията показват най-ниските стойности на тази променлива, предимно оризови растения „F2000“. Yin и др. (2010) също установяват, че съотношението Fv/Fm на оризовите листа с най-високо братене намалява значително при температури над 35°C. Според Feng et al. (2013), по-ниското съотношение Fv/Fm при топлинен стрес показва, че скоростта на улавяне и преобразуване на енергията на възбуждане от реакционния център PSII е намалена, което показва, че реакционният център PSII се разпада при топлинен стрес. Това наблюдение ни позволява да заключим, че смущенията във фотосинтетичния апарат са по-изразени при чувствителните сортове (Fedearroz 2000), отколкото при устойчивите сортове (Fedearroz 67).
Използването на CK или BR като цяло подобрява работата на PSII при сложни условия на топлинен стрес. Подобни резултати са получени от Suchsagunpanit et al. (2015), които отбелязват, че приложението на BR повишава ефективността на PSII при топлинен стрес в ориза. Кумар и др. (2020) също установиха, че растенията от нахут, третирани с CK (6-бензиладенин) и подложени на топлинен стрес, повишават съотношението Fv/Fm, заключавайки, че листното приложение на CK чрез активиране на зеаксантин пигментния цикъл насърчава активността на PSII. Освен това спреят за листа BR благоприятства фотосинтезата на PSII при комбинирани стресови условия, което показва, че прилагането на този фитохормон води до намалено разсейване на енергията на възбуждане на антените на PSII и насърчава натрупването на малки протеини на топлинен шок в хлоропластите (Ogweno et al. 2008; Kothari and Lachowitz). , 2021).
Съдържанието на MDA и пролин често се увеличава, когато растенията са под абиотичен стрес в сравнение с растенията, отглеждани при оптимални условия (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Предишни проучвания също така показаха, че нивата на MDA и пролин са биохимични индикатори, които могат да се използват за разбиране на процеса на адаптация или въздействието на агрономическите практики в ориза при дневни или нощни високи температури (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Тези проучвания показват също, че съдържанието на MDA и пролин има тенденция да бъде по-високо в оризовите растения, изложени на високи температури съответно през нощта или през деня. Въпреки това, листното пръскане на CK и BR допринесе за намаляване на MDA и повишаване на нивата на пролин, главно в толерантния генотип (Federroz 67). CK спрей може да стимулира свръхекспресията на цитокинин оксидаза/дехидрогеназа, като по този начин повишава съдържанието на защитни съединения като бетаин и пролин (Liu et al., 2020). BR насърчава индукцията на осмопротектори като бетаин, захари и аминокиселини (включително свободен пролин), поддържайки клетъчния осмотичен баланс при много неблагоприятни условия на околната среда (Kothari и Lachowiec, 2021).
Индексът на стрес при културите (CSI) и индексът на относителна толерантност (RTI) се използват, за да се определи дали оценяваните обработки помагат за смекчаване на различни стресове (абиотични и биотични) и имат положителен ефект върху физиологията на растенията (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). Стойностите на CSI могат да варират от 0 до 1, представляващи съответно условия на нестрес и стрес (Lee et al., 2010). Стойностите на CSI на топлинно стресирани (SC) растения варират от 0,8 до 0,9 (Фигура 2B), което показва, че оризовите растения са били отрицателно повлияни от комбиниран стрес. Въпреки това, листното пръскане на BC (0.6) или CK (0.6) води главно до намаляване на този показател при условия на абиотичен стрес в сравнение с SC оризови растения. В растенията F2000 RTI показа по-високо увеличение при използване на CA (97,69%) и BC (60,73%) в сравнение с SA (33,52%), което показва, че тези регулатори на растежа на растенията също допринасят за подобряване на реакцията на ориза към поносимостта на състава. Прегряване. Тези индекси са предложени за управление на условията на стрес при различни видове. Проучване, проведено от Lee et al. (2010) показват, че CSI на два сорта памук при умерен воден стрес е около 0,85, докато стойностите на CSI на добре напояваните сортове варират от 0,4 до 0,6, като се заключава, че този индекс е индикатор за водната адаптация на сортовете. стресови състояния. Освен това Chavez-Arias et al. (2020) оценяват ефективността на синтетичните елиситори като всеобхватна стратегия за управление на стреса при растения C. elegans и установяват, че растенията, пръскани с тези съединения, показват по-висок RTI (65%). Въз основа на горното, CK и BR могат да се разглеждат като агрономични стратегии, насочени към повишаване на толерантността на ориза към комплексен топлинен стрес, тъй като тези регулатори на растежа на растенията предизвикват положителни биохимични и физиологични реакции.
През последните няколко години изследванията на ориза в Колумбия се фокусираха върху оценката на генотипове, устойчиви на високи дневни или нощни температури, като се използват физиологични или биохимични характеристики (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). През последните няколко години обаче анализът на практични, икономични и печеливши технологии става все по-важен за предлагане на интегрирано управление на културите за подобряване на ефектите от сложни периоди на топлинен стрес в страната (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021) . По този начин, физиологичните и биохимични реакции на оризовите растения към сложен топлинен стрес (40°C през деня/30°C през нощта), наблюдавани в това проучване, предполагат, че листното пръскане с CK или BR може да бъде подходящ метод за управление на културите за смекчаване на неблагоприятните ефекти. Ефект от периоди на умерен топлинен стрес. Тези третирания подобряват толерантността и на двата генотипа на ориз (нисък CSI и висок RTI), демонстрирайки обща тенденция във физиологичните и биохимичните реакции на растенията при комбиниран топлинен стрес. Основният отговор на оризовите растения е намаляване на съдържанието на GC, общ хлорофил, хлорофили α и β и каротеноиди. В допълнение, растенията страдат от увреждане на PSII (намалени параметри на флуоресценция на хлорофил като Fv/Fm съотношение) и повишена липидна пероксидация. От друга страна, когато оризът беше третиран с CK и BR, тези отрицателни ефекти бяха смекчени и съдържанието на пролин се увеличи (фиг. 4).
Фигура 4. Концептуален модел на ефектите от комбинирания топлинен стрес и спрей с регулатор на растежа на листни растения върху оризови растения. Червените и сините стрелки показват отрицателните или положителните ефекти от взаимодействието между топлинния стрес и листното приложение на BR (брасиностероид) и CK (цитокинин) съответно върху физиологични и биохимични реакции. gs: проводимост на устицата; Total Chl: общо съдържание на хлорофил; Chl α: съдържание на хлорофил β; Cx+c: съдържание на каротеноиди;
В обобщение, физиологичните и биохимичните реакции в това проучване показват, че оризовите растения Fedearroz 2000 са по-податливи на период на сложен топлинен стрес, отколкото оризовите растения Fedearroz 67. Всички регулатори на растежа, оценени в това проучване (ауксини, гиберелини, цитокинини или брасиностероиди), демонстрират известна степен на комбинирано намаляване на топлинния стрес. Въпреки това, цитокининът и брасиностероидите предизвикват по-добра адаптация на растенията, тъй като и двата регулатора на растежа на растенията повишават съдържанието на хлорофил, параметрите на алфа-хлорофилната флуоресценция, gs и RWC в сравнение с оризовите растения без никакво приложение, а също така намаляват съдържанието на MDA и температурата на сенника. В обобщение, ние заключаваме, че използването на регулатори на растежа на растенията (цитокинини и брасиностероиди) е полезен инструмент за управление на стресовите условия в оризовите култури, причинени от силен топлинен стрес по време на периоди на високи температури.
Оригиналните материали, представени в изследването, са включени към статията, а допълнителни запитвания могат да бъдат насочени към съответния автор.