Risproduktionen minskar på grund av klimatförändringar och variationer i Colombia.Växttillväxtregulatorerhar använts som en strategi för att minska värmestressen i olika grödor. Därför var syftet med denna studie att utvärdera de fysiologiska effekterna (stomatal konduktans, stomatal konduktans, totalt klorofyllinnehåll, Fv/Fm-förhållande för två kommersiella risgenotyper utsatta för kombinerad värmestress (höga dag- och natttemperaturer), baldakintemperatur och relativ vattenhalt) och biokemiska variabler (malondialdehyd (MDA) och prolinsyrahalt. De första och andra experimenten utfördes med växter av två risgenotyper Federrose 67 (“F67”) respektive Federrose 2000 (“F2000”). Båda experimenten analyserades tillsammans som en serie experiment. De etablerade behandlingarna var som följer: absolut kontroll (AC) (risplantor odlade vid optimala temperaturer (dag/natttemperatur 30/25°C)), värmestresskontroll (SC) [risplantor som endast utsätts för kombinerad värmestress (40/25°C). 30°C)], och risplantor stressades och besprutades med växttillväxtregulatorer (stress+AUX, stress+BR, stress+CK eller stress+GA) två gånger (5 dagar före och 5 dagar efter värmestress). Besprutning med SA ökade den totala klorofyllhalten för båda sorterna (färskvikten av risplantorna "F67" och "F2000" var 3,25 respektive 3,65 mg/g) jämfört med SC-plantor (färskvikten för "F67"-plantorna var 2,36 och "2-12)0 mg och 2-12 g"0 mg). bladapplicering av CK förbättrade också generellt stomatala ledningsförmågan hos ris "F2000"-växter (499,25 vs. 150,60 mmol m-2 s) jämfört med värmestresskontrollen. värmestress, sjunker temperaturen på växtkronan med 2–3 °C, och MDA-halten i växter minskar. Det relativa toleransindexet visar att bladapplicering av CK (97,69%) och BR (60,73%) kan hjälpa till att lindra problemet med kombinerad värme. stress främst i F2000 risplantor. Sammanfattningsvis kan bladbesprutning av BR eller CK betraktas som en agronomisk strategi för att hjälpa till att minska de negativa effekterna av kombinerade värmestressförhållanden på risplantornas fysiologiska beteende.
Ris (Oryza sativa) tillhör familjen Poaceae och är en av de mest odlade spannmålen i världen tillsammans med majs och vete (Bajaj och Mohanty, 2005). Arealen under risodling är 617 934 hektar och den nationella produktionen 2020 var 2 937 840 ton med en genomsnittlig avkastning på 5,02 ton/ha (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Den globala uppvärmningen påverkar risgrödor, vilket leder till olika typer av abiotiska påfrestningar som höga temperaturer och perioder av torka. Klimatförändringarna får den globala temperaturen att stiga; Temperaturerna förväntas stiga med 1,0–3,7°C under 2000-talet, vilket kan öka frekvensen och intensiteten av värmestress. Ökade miljötemperaturer har påverkat riset, vilket gör att skörden har minskat med 6–7 %. Å andra sidan leder klimatförändringarna också till ogynnsamma miljöförhållanden för grödor, såsom perioder av svår torka eller höga temperaturer i tropiska och subtropiska regioner. Dessutom kan variationshändelser som El Niño leda till värmestress och förvärra skador på grödor i vissa tropiska regioner. I Colombia beräknas temperaturen i risproducerande områden öka med 2–2,5°C till 2050, vilket minskar risproduktionen och påverkar produktflöden till marknader och leveranskedjor.
De flesta risgrödor odlas i områden där temperaturen ligger nära det optimala intervallet för tillväxt av grödor (Shah et al., 2011). Det har rapporterats att de optimala genomsnittliga dag- och natttemperaturerna förristillväxt och utvecklingär i allmänhet 28°C respektive 22°C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Temperaturer över dessa tröskelvärden kan orsaka perioder av måttlig till svår värmestress under känsliga stadier av risutvecklingen (tillverkning, antes, blomning och kornfyllning), vilket påverkar kornskörden negativt. Denna minskning av skörden beror främst på långa perioder av värmestress, vilket påverkar växtens fysiologi. På grund av växelverkan mellan olika faktorer, såsom stressvaraktighet och maximal uppnådd temperatur, kan värmestress orsaka en rad oåterkalleliga skador på växternas ämnesomsättning och utveckling.
Värmestress påverkar olika fysiologiska och biokemiska processer i växter. Bladfotosyntes är en av de processer som är mest mottagliga för värmestress i risväxter, eftersom fotosynteshastigheten minskar med 50 % när dagliga temperaturer överstiger 35°C. Risväxternas fysiologiska svar varierar beroende på typen av värmestress. Till exempel hämmas fotosynteshastigheter och stomatal konduktans när växter utsätts för höga dagtemperaturer (33–40 °C) eller höga dag- och natttemperaturer (35–40 °C under dagen, 28–30 °C). C betyder natt) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Höga natttemperaturer (30°C) orsakar måttlig hämning av fotosyntesen men ökar nattandningen (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Oavsett stressperiod påverkar värmestress även bladklorofyllinnehållet, förhållandet mellan klorofyll variabel fluorescens till maximal klorofyllfluorescens (Fv/Fm) och Rubisco-aktivering i risväxter (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). ) Sanchez Reynoso et al., 2014).
Biokemiska förändringar är en annan aspekt av växternas anpassning till värmestress (Wahid et al., 2007). Prolinhalt har använts som en biokemisk indikator på växtstress (Ahmed och Hassan 2011). Prolin spelar en viktig roll i växternas metabolism eftersom det fungerar som en kol- eller kvävekälla och som en membranstabilisator under höga temperaturer (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Höga temperaturer påverkar också membranstabiliteten genom lipidperoxidation, vilket leder till bildandet av malondialdehyd (MDA) (Wahid et al., 2007). Därför har MDA-innehåll också använts för att förstå cellmembranens strukturella integritet under värmestress (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). Slutligen ökade kombinerad värmestress [37/30°C (dag/natt)] andelen elektrolytläckage och malondialdehydhalt i ris (Liu et al., 2013).
Användningen av växttillväxtregulatorer (GR) har bedömts mildra de negativa effekterna av värmestress, eftersom dessa ämnen är aktivt involverade i växtsvar eller fysiologiska försvarsmekanismer mot sådan stress (Peleg och Blumwald, 2011; Yin et al. et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Exogen användning av genetiska resurser har haft en positiv effekt på värmestresstoleransen i olika grödor. Studier har visat att fytohormoner som gibberelliner (GA), cytokininer (CK), auxiner (AUX) eller brassinosteroider (BR) leder till en ökning av olika fysiologiska och biokemiska variabler (Peleg och Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011; Mitler et al., Zhou et al., 2012). I Colombia har exogen tillämpning av genetiska resurser och dess inverkan på risgrödor inte förståtts och studerats fullt ut. En tidigare studie visade dock att bladbesprutning av BR kunde förbättra ristoleransen genom att förbättra gasutbytesegenskaperna, klorofyll- eller prolininnehållet i risplanteblad (Quintero-Calderón et al., 2021).
Cytokininer förmedlar växtsvar på abiotiska påfrestningar, inklusive värmestress (Ha et al., 2012). Dessutom har det rapporterats att exogen applicering av CK kan minska värmeskador. Exogen applicering av zeatin ökade till exempel fotosynteshastigheten, innehållet av klorofyll a och b och elektrontransporteffektiviteten i krypande bågräs (Agrotis estolonifera) under värmestress (Xu och Huang, 2009; Jespersen och Huang, 2015). Exogen applicering av zeatin kan också förbättra antioxidantaktivitet, förbättra syntesen av olika proteiner, minska skador på reaktiva syrearter (ROS) och produktion av malondialdehyd (MDA) i växtvävnader (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009). , 2016; Kumar et al., 2020).
Användningen av gibberellinsyra har också visat ett positivt svar på värmestress. Studier har visat att GA-biosyntes förmedlar olika metaboliska vägar och ökar toleransen under höga temperaturer (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) fann att bladsprejning av exogent GA (25 eller 50 mg*L) kunde öka fotosynteshastigheten och antioxidantaktiviteten i värmestressade apelsinväxter jämfört med kontrollväxter. Det har också observerats att exogen applicering av HA ökar den relativa fukthalten, klorofyll- och karotenoidhalten och minskar lipidperoxidation i dadelpalm (Phoenix dactylifera) under värmestress (Khan et al., 2020). Auxin spelar också en viktig roll för att reglera adaptiva tillväxtsvar vid höga temperaturer (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Denna tillväxtregulator fungerar som en biokemisk markör i olika processer såsom prolinsyntes eller nedbrytning under abiotisk stress (Ali et al. 2007). Dessutom förstärker AUX också antioxidantaktivitet, vilket leder till en minskning av MDA i växter på grund av minskad lipidperoxidation (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) observerade att i ärtväxter (Pisum sativum) under värmestress ökar halten prolin – dimetylaminoetoxikarbonylmetyl)naftylklormetyleter (TA-14). I samma experiment observerade de också lägre nivåer av MDA i behandlade växter jämfört med växter som inte behandlats med AUX.
Brassinosteroider är en annan klass av tillväxtregulatorer som används för att mildra effekterna av värmestress. Ogweno et al. (2008) rapporterade att exogen BR-spray ökade nettofotosynteshastigheten, stomatal konduktans och maximal hastighet för Rubisco-karboxylering av tomatplantor (Solanum lycopersicum) under värmestress i 8 dagar. Bladbesprutning av epibrassinosteroider kan öka nettofotosynteshastigheten för gurkväxter (Cucumis sativus) under värmestress (Yu et al., 2004). Dessutom fördröjer exogen tillämpning av BR klorofyllnedbrytning och ökar vattenanvändningseffektiviteten och maximalt kvantutbyte av PSII-fotokemi i växter under värmestress (Holá et al., 2010; Toussagunpanit et al., 2015).
På grund av klimatförändringar och variationer möter risgrödor perioder med höga dagliga temperaturer (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). Inom växtfenotypning har användningen av fytonäringsämnen eller biostimulanter studerats som en strategi för att mildra värmestress i risodlingsområden (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). Dessutom är användningen av biokemiska och fysiologiska variabler (bladtemperatur, stomatal ledningsförmåga, klorofyllfluorescensparametrar, klorofyll och relativ vattenhalt, malondialdehyd och prolinsyntes) ett tillförlitligt verktyg för att screena risplantor under värmestress lokalt och internationellt (Sánchez -Reynoso et al., 201.41, Alvara et al., 201. S., 201; Forskning om användningen av bladväxthormonsprayer på lokal nivå är därför sällsynt. Därför är studien av de fysiologiska och biokemiska reaktionerna av växttillväxtregulatorer av stor betydelse för förslaget om praktiska agronomiska strategier för att ta itu med de negativa effekterna av en period av komplex värmestress i ris, därför är syftet med denna fysiologiska undersökning fluorescensparametrar och relativ vattenhalt) och biokemiska effekter av bladapplicering av fyra växttillväxtregulatorer (AUX, CK, GA och BR). (Fotosyntetiska pigment, malondialdehyd och prolininnehåll) Variabler i två kommersiella risgenotyper utsatta för kombinerad värmestress (hög dag/natttemperatur).
I denna studie utfördes två oberoende experiment. Genotyperna Federrose 67 (F67: en genotyp utvecklad i höga temperaturer under det senaste decenniet) och Federrose 2000 (F2000: en genotyp utvecklad under 1900-talets sista decennium och visar resistens mot vita bladvirus) användes för första gången. frön. och det andra experimentet. Båda genotyperna odlas i stor utsträckning av colombianska bönder. Frön såddes i 10-L brickor (längd 39,6 cm, bredd 28,8 cm, höjd 16,8 cm) innehållande sandig lerjord med 2% organiskt material. Fem förgrodda frön planterades i varje bricka. Pallarna placerades i växthuset vid fakulteten för jordbruksvetenskap vid National University of Colombia, Bogotá campus (43°50′56″ N, 74°04′051″ W), på en höjd av 2556 m över havet. m.) och genomfördes från oktober till december 2019. Ett experiment (Federroz 67) och ett andra experiment (Federroz 2000) under samma säsong 2020.
Miljöförhållandena i växthuset under varje planteringssäsong är följande: dag- och natttemperatur 30/25°C, relativ luftfuktighet 60~80%, naturlig fotoperiod 12 timmar (fotosyntetiskt aktiv strålning 1500 µmol (fotoner) m-2 s-). 1 vid middagstid). Växter befruktades enligt innehållet i varje element 20 dagar efter fröuppkomst (DAE), enligt Sánchez-Reinoso et al. (2019): 670 mg kväve per planta, 110 mg fosfor per planta, 350 mg kalium per planta, 68 mg kalcium per planta, 20 mg magnesium per planta, 20 mg svavel per planta, 17 mg kisel per planta. Växterna innehåller 10 mg bor per planta, 17 mg koppar per planta och 44 mg zink per planta. Risplantor hölls vid upp till 47 DAE i varje experiment när de nådde fenologiskt stadium V5 under denna period. Tidigare studier har visat att detta fenologiska stadium är en lämplig tidpunkt för att genomföra värmestressstudier i ris (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
I varje experiment utfördes två separata appliceringar av bladtillväxtregulatorn. Den första uppsättningen av bladfytohormonsprayer applicerades 5 dagar före värmestressbehandlingen (42 DAE) för att förbereda plantorna för miljöstress. En andra bladspray gavs sedan 5 dagar efter att plantorna exponerats för stressförhållanden (52 DAE). Fyra fytohormoner användes och egenskaperna för varje aktiv ingrediens som sprayas i denna studie är listade i tilläggstabell 1. Koncentrationerna av bladtillväxtregulatorer som användes var följande: (i) Auxin (1-naftylättiksyra: NAA) i en koncentration av 5 × 10−5 M (ii) 5 × 10–5 M gibberellinsyra: NAA; GA3); (iii) Cytokinin (trans-zeatin) 1 x 10-5 M (iv) Brassinosteroider [Spirostan-6-on, 3,5-dihydroxi-, (3b, 5a, 25R)] 5 x 10-5; M. Dessa koncentrationer valdes eftersom de inducerar positiva svar och ökar växternas motståndskraft mot värmestress (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Risplantor utan några växttillväxtreglerande sprayer behandlades endast med destillerat vatten. Alla risplantor sprutades med en handspruta. Applicera 20 ml H2O på växten för att fukta bladens övre och nedre ytor. Alla bladsprayer använde jordbruksadjuvans (Agrotin, Bayer CropScience, Colombia) vid 0,1 % (v/v). Avståndet mellan krukan och sprutan är 30 cm.
Värmestressbehandlingar administrerades 5 dagar efter den första bladsprayen (47 DAE) i varje experiment. Risplantor överfördes från växthuset till en 294 L tillväxtkammare (MLR-351H, Sanyo, IL, USA) för att etablera värmestress eller upprätthålla samma miljöförhållanden (47 DAE). Kombinerad värmestressbehandling utfördes genom att ställa in kammaren på följande dag/natt-temperaturer: dagtid hög temperatur [40°C i 5 timmar (från 11:00 till 16:00)] och nattperiod [30°C i 5 timmar]. 8 dagar i rad (från 19:00 till 24:00). Stresstemperaturen och exponeringstiden valdes utifrån tidigare studier (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Å andra sidan hölls en grupp växter som överförts till tillväxtkammaren i växthuset vid samma temperatur (30°C på dagen/25°C på natten) under 8 dagar i följd.
I slutet av experimentet erhölls följande behandlingsgrupper: (i) tillväxttemperaturtillstånd + applicering av destillerat vatten [Absolut kontroll (AC)], (ii) värmestresstillstånd + applicering av destillerat vatten [Heat stress control (SC)], (iii) villkor värmestresstillstånd + auxinapplicering (AUX), (iv) värmestresstillstånd + gibberellinapplicering (GA), (v) värmestresstillstånd + cytokinvi appliceringsstresstillstånd + värmestresstillstånd (Cytokinvi) brassinosteroid (BR) Bilaga. Dessa behandlingsgrupper användes för två genotyper (F67 och F2000). Alla behandlingar utfördes i en helt randomiserad design med fem replikat, vardera bestående av en planta. Varje planta användes för att läsa ut variablerna som bestämdes i slutet av experimentet. Experimentet varade 55 DAE.
Stomatal konduktans (gs) mättes med användning av en portabel porosometer (SC-1, METER Group Inc., USA) som sträckte sig från 0 till 1000 mmol m-2 s-1, med en provkammarens öppning på 6,35 mm. Mätningar görs genom att fästa en stomametersond på ett mogen löv med växtens huvudskott helt utvidgat. För varje behandling togs gs-avläsningar på tre blad av varje planta mellan kl. 11.00 och 16.00, och medelvärdet beräknades.
RWC bestämdes enligt metoden beskriven av Ghoulam et al. (2002). Det helt expanderade arket som användes för att bestämma g användes också för att mäta RWC. Färskvikt (FW) bestämdes omedelbart efter skörd med hjälp av en digital våg. Bladen placerades sedan i en plastbehållare fylld med vatten och lämnades i mörker vid rumstemperatur (22°C) i 48 timmar. Väg sedan på en digital våg och registrera den expanderade vikten (TW). De svällda bladen ugnstorkades vid 75°C under 48 timmar och deras torrvikt (DW) registrerades.
Relativt klorofyllinnehåll bestämdes med hjälp av en klorofyllmätare (atLeafmeter, FT Green LLC, USA) och uttrycks i atLeaf-enheter (Dey et al., 2016). PSII maximala kvanteffektivitetsavläsningar (Fv/Fm-förhållande) registrerades med användning av en kontinuerlig excitationsklorofyllfluorimeter (Handy PEA, Hansatech Instruments, UK). Bladen mörkanpassades med bladklämmor i 20 minuter före Fv/Fm-mätningar (Restrepo-Diaz och Garces-Varon, 2013). Efter att bladen hade acklimatiserades till mörker, mättes baslinje (F0) och maximal fluorescens (Fm). Från dessa data beräknades variabel fluorescens (Fv = Fm – F0), förhållandet mellan variabel fluorescens och maximal fluorescens (Fv/Fm), det maximala kvantutbytet av PSII-fotokemi (Fv/F0) och förhållandet Fm/F0 (Baker, 2008, Lee et al. ). Relativa klorofyll- och klorofyllfluorescensavläsningar togs på samma blad som användes för gs-mätningar.
Ungefär 800 mg färsk bladvikt samlades in som biokemiska variabler. Lövprover homogeniserades sedan i flytande kväve och lagrades för vidare analys. Den spektrometriska metoden som används för att uppskatta vävnadsklorofyll a, b och karotenoidinnehåll är baserad på metoden och ekvationerna som beskrivs av Wellburn (1994). Bladvävnadsprover (30 mg) samlades in och homogeniserades i 3 ml 80 % aceton. Proverna centrifugerades sedan (modell 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, USA) vid 5000 rpm under 10 minuter för att avlägsna partiklar. Supernatanten späddes till en slutlig volym av 6 ml genom tillsats av 80 % aceton (Sims och Gamon, 2002). Halten av klorofyll bestämdes vid 663 (klorofyll a) och 646 (klorofyll b) nm, och karotenoider vid 470 nm med hjälp av en spektrofotometer (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA).
Tiobarbitursyra (TBA)-metoden beskriven av Hodges et al. (1999) användes för att bedöma membranlipidperoxidation (MDA). Ungefär 0,3 g bladvävnad homogeniserades också i flytande kväve. Proverna centrifugerades vid 5000 rpm och absorbansen mättes på en spektrofotometer vid 440, 532 och 600 nm. Slutligen beräknades MDA-koncentrationen med hjälp av extinktionskoefficienten (157 M mL−1).
Prolinhalten för alla behandlingar bestämdes med användning av metoden som beskrivs av Bates et al. (1973). Tillsätt 10 ml av en 3% vattenlösning av sulfosalicylsyra till det lagrade provet och filtrera genom Whatman-filterpapper (nr 2). Därefter reagerades 2 ml av detta filtrat med 2 ml ninehydroxisyra och 2 ml isättika. Blandningen placerades i ett vattenbad vid 90°C under 1 timme. Stoppa reaktionen genom att inkubera på is. Skaka röret kraftigt med en virvelskakare och lös den resulterande lösningen i 4 ml toluen. Absorbansavläsningar bestämdes vid 520 nm med användning av samma spektrofotometer som användes för kvantifiering av fotosyntetiska pigment (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA).
Metoden som beskrivs av Gerhards et al. (2016) för att beräkna kapelltemperatur och CSI. Termiska fotografier togs med en FLIR 2-kamera (FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA) med en noggrannhet på ±2°C i slutet av stressperioden. Placera en vit yta bakom plantan för fotografering. Återigen betraktades två fabriker som referensmodeller. Plantorna placerades på en vit yta; den ena var belagd med ett jordbruksadjuvans (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Colombia) för att simulera öppningen av alla stomata [vått läge (Twet)], och det andra var ett löv utan någon applicering [Dry mode (Tdry)] (Castro -Duque et al., 2020). Avståndet mellan kameran och krukan under filmningen var 1 m.
Det relativa toleransindexet beräknades indirekt med användning av stomatal konduktans (gs) hos behandlade växter jämfört med kontrollväxter (växter utan stressbehandlingar och med applicerade tillväxtregulatorer) för att bestämma toleransen för de behandlade genotyperna som utvärderades i denna studie. RTI erhölls med användning av en ekvation anpassad från Chávez-Arias et al. (2020).
I varje experiment bestämdes alla fysiologiska variabler som nämnts ovan och registrerades vid 55 DAE med användning av helt expanderade löv som samlats in från den övre baldakinen. Dessutom genomfördes mätningar i en odlingskammare för att undvika att de miljöförhållanden som växterna växer under förändras.
Data från de första och andra experimenten analyserades tillsammans som en serie experiment. Varje experimentgrupp bestod av 5 plantor och varje planta utgjorde en experimentell enhet. Variansanalys (ANOVA) utfördes (P ≤ 0,05). När signifikanta skillnader upptäcktes användes Tukeys post hoc jämförande test vid P ≤ 0,05. Använd arcsine-funktionen för att konvertera procentvärden. Data analyserades med hjälp av programvaran Statistix v 9.0 (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA) och plottades med SigmaPlot (version 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA). Huvudkomponentanalysen utfördes med hjälp av programvaran InfoStat 2016 (Analysis Software, National University of Cordoba, Argentina) för att identifiera de bästa växttillväxtregulatorerna som studeras.
Tabell 1 sammanfattar ANOVA som visar experimenten, de olika behandlingarna och deras interaktioner med bladfotosyntetiska pigment (klorofyll a, b, totalt och karotenoider), malondialdehyd (MDA) och prolininnehåll och stomatal konduktans. Effekt av gs, relativ vattenhalt. (RWC), klorofyllhalt, klorofyll alfa-fluorescensparametrar, krontemperatur (PCT) (°C), crop stress index (CSI) och relativ toleransindex för risplantor vid 55 DAE.
Tabell 1. Sammanfattning av ANOVA-data om ris fysiologiska och biokemiska variabler mellan experiment (genotyper) och värmestressbehandlingar.
Skillnader (P≤0,01) i bladfotosyntetiska pigmentinteraktioner, relativ klorofyllhalt (Aleaf-avläsningar) och alfa-klorofyllfluorescensparametrar mellan experiment och behandlingar visas i tabell 2. Höga dag- och natttemperaturer ökade totalt klorofyll- och karotenoidinnehåll. Risplantor utan någon bladsprej av fytohormoner (2,36 mg g-1 för "F67" och 2,56 mg g-1 för "F2000") jämfört med plantor som odlats under optimala temperaturförhållanden (2,67 mg g -1)) visade lägre totalt klorofyllinnehåll. I båda experimenten var "F67" 2,80 mg g-1 och "F2000" var 2,80 mg g-1. Dessutom visade risplantor som behandlats med en kombination av AUX- och GA-sprayer under värmestress också en minskning av klorofyllhalten i båda genotyperna (AUX = 1,96 mg g-1 och GA = 1,45 mg g-1 för "F67" ; AUX = 1,96 mg g-1 och GA = 7″ för 14 mg g-1; 2,24 mg) g-1 och GA = 1,43 mg g-1 (för “F2000″) under värmestressförhållanden. Under värmestressförhållanden resulterade bladbehandling med BR i en liten ökning av denna variabel i båda genotyperna. Slutligen visade CK bladspray de högsta fotosyntetiska pigmentvärdena bland alla behandlingar (AUX, GA, BR, SC och AC-behandlingar) i genotyperna F67 (3,24 mg g-1) och F2000 (3,65 mg g-1). Det relativa innehållet av klorofyll (Atleaf-enhet) reducerades också av kombinerad värmestress. De högsta värdena registrerades också i växter besprutade med CC i båda genotyperna (41,66 för "F67" och 49,30 för "F2000"). Fv- och Fv/Fm-förhållanden visade signifikanta skillnader mellan behandlingar och sorter (tabell 2). Sammantaget, bland dessa variabler, var kultivar F67 mindre mottaglig för värmestress än kultivar F2000. Fv- och Fv/Fm-förhållandena led mer i det andra experimentet. Stressade 'F2000'-plantor som inte besprutades med några fytohormoner hade de lägsta Fv-värdena (2120,15) och Fv/Fm-förhållanden (0,59), men bladbesprutning med CK hjälpte till att återställa dessa värden (Fv: 2591, 89, Fv/Fm-förhållande). , som tar emot avläsningar liknande de som registrerats på "F2000"-växter odlade under optimala temperaturförhållanden (Fv: 2955,35, Fv/Fm-förhållande: 0,73:0,72). Det fanns inga signifikanta skillnader i initial fluorescens (F0), maximal fluorescens (Fm), maximalt fotokemiskt kvantutbyte av PSII (Fv/F0) och Fm/F0-förhållande. Slutligen visade BR en liknande trend som observerades med CK (Fv 2545,06, Fv/Fm-förhållande 0,73).
Tabell 2. Effekt av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på bladfotosyntetiska pigment [totalt klorofyll (Chl Total), klorofyll a (Chl a), klorofyll b (Chl b) och karotenoider Cx+c] effekt ], relativ klorofyllhalt (Atliffenhet), max. fluorescens (Fm), variabel fluorescens (Fv), maximal PSII-effektivitet (Fv/Fm), fotokemiskt maximalt kvantutbyte av PSII (Fv/F0) och Fm/F0 i växter av två risgenotyper [Federrose 67 (F67) och Federrose 2000 dagar efter embryonen (F250000) (F50000000) (F2000)).
Relativt vatteninnehåll (RWC) av olika behandlade risplantor visade skillnader (P ≤ 0,05) i interaktionen mellan experimentella och bladbehandlingar (Fig. 1A). Vid behandling med SA registrerades de lägsta värdena för båda genotyperna (74,01 % för F67 och 76,6 % för F2000). Under värmestressförhållanden ökade RWC för risplantor av båda genotyperna behandlade med olika fytohormoner signifikant. Sammantaget ökade bladapplikationer av CK, GA, AUX eller BR RWC till värden som liknar de för växter som odlats under optimala förhållanden under experimentet. Absolut kontroll och bladbesprutade växter registrerade värden på cirka 83 % för båda genotyperna. Å andra sidan visade gs också signifikanta skillnader (P ≤ 0,01) i interaktionen mellan experiment och behandling (Fig. 1B). Den absoluta kontrollanläggningen (AC) registrerade också de högsta värdena för varje genotyp (440,65 mmol m-2s-1 för F67 och 511,02 mmol m-2s-1 för F2000). Enbart risplantor som utsatts för kombinerad värmestress visade de lägsta gs-värdena för båda genotyperna (150,60 mmol m-2s-1 för F67 och 171,32 mmol m-2s-1 för F2000). Bladbehandling med alla växttillväxtregulatorer ökade också g. På F2000 risplantor besprutade med CC var effekten av bladbesprutning med fytohormoner mer påtaglig. Denna grupp av växter visade inga skillnader jämfört med absoluta kontrollväxter (AC 511.02 och CC 499.25 mmol m-2s-1).
Figur 1. Effekt av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på relativ vattenhalt (RWC) (A), stomatal konduktans (gs) (B), produktion av malondialdehyd (MDA) (C) och prolinhalt. (D) i växter av två risgenotyper (F67 och F2000) 55 dagar efter uppkomst (DAE). Behandlingar som utvärderades för varje genotyp inkluderade: absolut kontroll (AC), värmestresskontroll (SC), värmestress + auxin (AUX), värmestress + gibberellin (GA), värmestress + cellmitogen (CK) och värmestress + brassinosteroid. (BR). Varje kolumn representerar medelvärdet ± standardfel för fem datapunkter (n = 5). Kolumner följt av olika bokstäver indikerar statistiskt signifikanta skillnader enligt Tukeys test (P ≤ 0,05). Bokstäver med likhetstecken indikerar att medelvärdet inte är statistiskt signifikant (≤ 0,05).
MDA (P ≤ 0,01) och prolin (P ≤ 0,01) innehåll visade också signifikanta skillnader i interaktionen mellan experiment och fytohormonbehandlingar (Fig. IC, D). Ökad lipidperoxidation observerades med SC-behandling i båda genotyperna (Figur 1C), men växter behandlade med bladtillväxtreglerande spray visade minskad lipidperoxidation i båda genotyperna; I allmänhet leder användningen av fytohormoner (CA, AUC, BR eller GA) till en minskning av lipidperoxidation (MDA-innehåll). Inga skillnader hittades mellan AC-växter av två genotyper och växter under värmestress och besprutade med fytohormoner (observerade FW-värden i "F67"-växter varierade från 4,38–6,77 µmol g-1, och i FW "F2000"-växter "observerade värden från 2,181 till µmol på växter från 9,81 till µmol). hand, prolinsyntesen i "F67"-växter var lägre än i "F2000"-växter under kombinerad stress, vilket ledde till en ökning av prolinproduktionen i värmestressade risplantor, i båda experimenten observerades att administreringen av dessa hormoner signifikant ökade aminosyrainnehållet i F2000-växter (AUX.-41 och 30mol g-44). (Fig. 1G).
Effekterna av spray för tillväxtregulator av bladväxter och kombinerad värmestress på växtkronans temperatur och relativa toleransindex (RTI) visas i figurerna 2A och B. För båda genotyperna var trädkronornas temperatur för AC-växter nära 27°C, och den för SC-växter var runt 28°C. MED. Det observerades också att bladbehandlingar med CK och BR resulterade i en 2–3 °C minskning av krontakets temperatur jämfört med SC-växter (Figur 2A). RTI uppvisade liknande beteende som andra fysiologiska variabler och visade signifikanta skillnader (P ≤ 0,01) i interaktionen mellan experiment och behandling (Figur 2B). SC-växter visade lägre växttolerans i båda genotyperna (34,18 % och 33,52 % för "F67" respektive "F2000" risplantor). Bladutfodring av fytohormoner förbättrar RTI i växter som utsätts för hög temperaturstress. Denna effekt var mer uttalad i "F2000"-växter besprutade med CC, där RTI var 97,69. Å andra sidan observerades signifikanta skillnader endast i skördespänningsindex (CSI) för risplantor under spraystressförhållanden för bladfaktor (P ≤ 0,01) (Fig. 2B). Endast risplantor utsatta för komplex värmestress visade det högsta stressindexvärdet (0,816). När risplantor besprutades med olika fytohormoner var stressindexet lägre (värden från 0,6 till 0,67). Slutligen hade risplantan som odlats under optimala förhållanden ett värde på 0,138.
Figur 2. Effekter av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på kronans temperatur (A), relativ toleransindex (RTI) (B) och grödans stressindex (CSI) (C) för två växtarter. Kommersiella risgenotyper (F67 och F2000) utsattes för olika värmebehandlingar. Behandlingar som utvärderades för varje genotyp inkluderade: absolut kontroll (AC), värmestresskontroll (SC), värmestress + auxin (AUX), värmestress + gibberellin (GA), värmestress + cellmitogen (CK) och värmestress + brassinosteroid. (BR). Kombinerad värmestress innebär att risplantor utsätts för höga dag/natttemperaturer (40°/30°C dag/natt). Varje kolumn representerar medelvärdet ± standardfel för fem datapunkter (n = 5). Kolumner följt av olika bokstäver indikerar statistiskt signifikanta skillnader enligt Tukeys test (P ≤ 0,05). Bokstäver med likhetstecken indikerar att medelvärdet inte är statistiskt signifikant (≤ 0,05).
Huvudkomponentanalys (PCA) avslöjade att variablerna bedömda vid 55 DAE förklarade 66,1 % av de fysiologiska och biokemiska svaren från värmestressade risplantor behandlade med tillväxtregulatorspray (fig. 3). Vektorer representerar variabler och prickar representerar växttillväxtregulatorer (GR). Vektorerna för gs, klorofyllinnehåll, maximal kvanteffektivitet för PSII (Fv/Fm) och biokemiska parametrar (TChl, MDA och prolin) är i nära vinklar mot ursprunget, vilket indikerar en hög korrelation mellan det fysiologiska beteendet hos växter och dem. variabel. En grupp (V) inkluderade risplantor odlade vid optimal temperatur (AT) och F2000-plantor behandlade med CK och BA. Samtidigt bildade majoriteten av växterna behandlade med GR en separat grupp (IV), och behandling med GA i F2000 bildade en separat grupp (II). Däremot placerades värmestressade risplantor (grupp I och III) utan någon bladsprej av fytohormoner (båda genotyperna var SC) i en zon motsatt grupp V, vilket visar effekten av värmestress på växtfysiologi. .
Figur 3. Bigrafisk analys av effekterna av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på växter av två risgenotyper (F67 och F2000) 55 dagar efter uppkomst (DAE). Förkortningar: AC F67, absolut kontroll F67; SC F67, värmestresskontroll F67; AUX F67, värmestress + auxin F67; GA F67, värmestress + gibberellin F67; CK F67, värmestress + celldelning BR F67, värmestress + brassinosteroid. F67; AC F2000, absolut kontroll F2000; SC F2000, värmestresskontroll F2000; AUX F2000, värmestress + auxin F2000; GA F2000, värmestress + gibberellin F2000; CK F2000, värmestress + cytokinin, BR F2000, värmestress + mässingssteroid; F2000.
Variabler som klorofyllhalt, stomatal konduktans, Fv/Fm-förhållande, CSI, MDA, RTI och prolinhalt kan hjälpa till att förstå anpassningen av risgenotyper och utvärdera effekten av agronomiska strategier under värmestress (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Syftet med detta experiment var att utvärdera effekten av applicering av fyra tillväxtregulatorer på de fysiologiska och biokemiska parametrarna för risplantor under komplexa värmestressförhållanden. Planttestning är en enkel och snabb metod för samtidig bedömning av risplantor beroende på storlek eller tillstånd på tillgänglig infrastruktur (Sarsu et al. 2018). Resultaten av denna studie visade att kombinerad värmestress inducerar olika fysiologiska och biokemiska svar i de två risgenotyperna, vilket indikerar en anpassningsprocess. Dessa resultat indikerar också att bladtillväxtreglerande sprayer (främst cytokininer och brassinosteroider) hjälper ris att anpassa sig till komplex värmestress eftersom favor främst påverkar gs, RWC, Fv/Fm-förhållande, fotosyntetiska pigment och prolinhalt.
Tillämpning av tillväxtregulatorer hjälper till att förbättra vattenstatusen för risplantor under värmestress, vilket kan vara förknippat med högre stress och lägre temperaturer på plantorna. Denna studie visade att bland "F2000" (mottagliga genotyp) växter, hade risplantor behandlade primärt med CK eller BR högre gs-värden och lägre PCT-värden än växter behandlade med SC. Tidigare studier har också visat att gs och PCT är korrekta fysiologiska indikatorer som kan bestämma det adaptiva svaret hos risplantor och effekterna av agronomiska strategier på värmestress (Restrepo-Diaz och Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero). -Carr DeLong et al., 2021). Blad CK eller BR förstärker g under stress eftersom dessa växthormoner kan främja stomatal öppning genom syntetiska interaktioner med andra signalmolekyler såsom ABA (promotor för stomatal stängning under abiotisk stress) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). 2013). ). , 2014). Stomatal öppning främjar bladkylning och hjälper till att sänka baldakintemperaturerna (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Av dessa skäl kan baldakintemperaturen för risplantor besprutade med CK eller BR vara lägre under kombinerad värmestress.
Hög temperaturstress kan minska det fotosyntetiska pigmentinnehållet i löv (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). I denna studie, när risplantor var under värmestress och inte besprutades med några växttillväxtregulatorer, tenderade fotosyntetiska pigment att minska i båda genotyperna (tabell 2). Feng et al. (2013) rapporterade också en signifikant minskning av klorofyllinnehållet i löv av två vetegenotyper utsatta för värmestress. Exponering för höga temperaturer resulterar ofta i minskat klorofyllinnehåll, vilket kan bero på minskad klorofyllbiosyntes, nedbrytning av pigment eller deras kombinerade effekter under värmestress (Fahad et al., 2017). Risplantor som huvudsakligen behandlats med CK och BA ökade dock koncentrationen av bladfotosyntetiska pigment under värmestress. Liknande resultat rapporterades också av Jespersen och Huang (2015) och Suchsagunpanit et al. (2015), som observerade en ökning av bladklorofyllinnehållet efter applicering av zeatin och epibrassinosteroidhormoner i värmestressat bentgräs respektive ris. En rimlig förklaring till varför CK och BR främjar ökat bladklorofyllinnehåll under kombinerad värmestress är att CK kan öka initieringen av ihållande induktion av uttryckspromotorer (såsom den åldrandeaktiverande promotorn (SAG12) eller HSP18-promotorn) och minska klorofyllförlusten i bladen. , fördröjer lövens åldrande och ökar växternas motståndskraft mot värme (Liu et al., 2020). BR kan skydda bladklorofyll och öka bladklorofyllinnehåll genom att aktivera eller inducera syntesen av enzymer involverade i klorofyllbiosyntes under stressförhållanden (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Slutligen, två fytohormoner (CK och BR) främjar också uttrycket av värmechockproteiner och förbättrar olika metaboliska anpassningsprocesser, såsom ökad klorofyllbiosyntes (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Klorofyll a-fluorescensparametrar ger en snabb och oförstörande metod som kan bedöma växttolerans eller anpassning till abiotiska stressförhållanden (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Parametrar som Fv/Fm-förhållandet har använts som indikatorer på växternas anpassning till stressförhållanden (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). I denna studie visade SC-växter de lägsta värdena av denna variabel, främst "F2000" risplantor. Yin et al. (2010) fann också att Fv/Fm-förhållandet för de risblad som har högst roterande minskade signifikant vid temperaturer över 35°C. Enligt Feng et al. (2013) indikerar det lägre Fv/Fm-förhållandet under värmestress att hastigheten för excitationsenergifångning och omvandling av PSII-reaktionscentret minskas, vilket indikerar att PSII-reaktionscentret sönderfaller under värmestress. Denna observation låter oss dra slutsatsen att störningar i fotosyntesapparaten är mer uttalade hos känsliga sorter (Fedearroz 2000) än hos resistenta sorter (Fedearroz 67).
Användningen av CK eller BR förbättrade generellt prestandan hos PSII under komplexa värmestressförhållanden. Liknande resultat erhölls av Suchsagunpanit et al. (2015), som observerade att BR-applikation ökade effektiviteten av PSII under värmestress i ris. Kumar et al. (2020) fann också att kikärtsplantor behandlade med CK (6-bensyladenin) och utsatta för värmestress ökade Fv/Fm-förhållandet, och drog slutsatsen att bladapplicering av CK genom att aktivera zeaxantinpigmentcykeln främjade PSII-aktivitet. Dessutom gynnade BR lövspray PSII-fotosyntes under kombinerade stressförhållanden, vilket indikerar att applicering av detta fytohormon resulterade i minskad spridning av excitationsenergi från PSII-antenner och främjade ackumuleringen av små värmechockproteiner i kloroplaster (Ogweno et al. 2008; Kothari och Lachowitz ). , 2021).
MDA- och prolinhalterna ökar ofta när växter är under abiotisk stress jämfört med växter som odlas under optimala förhållanden (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Tidigare studier har också visat att MDA- och prolinnivåer är biokemiska indikatorer som kan användas för att förstå anpassningsprocessen eller effekterna av agronomiska metoder i ris under dag- eller nattetemperaturer (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al. . , 2021). Dessa studier visade också att MDA- och prolinhalten tenderade att vara högre i risplantor som exponerades för höga temperaturer på natten respektive under dagen. Bladbesprutning av CK och BR bidrog dock till en minskning av MDA och en ökning av prolinnivåer, främst i den toleranta genotypen (Federroz 67). CK-spray kan främja överuttrycket av cytokininoxidas/dehydrogenas och därigenom öka innehållet av skyddande föreningar som betain och prolin (Liu et al., 2020). BR främjar induktionen av osmoprotektanter som betain, sockerarter och aminosyror (inklusive fritt prolin), vilket upprätthåller cellulär osmotisk balans under många ogynnsamma miljöförhållanden (Kothari och Lachowiec, 2021).
Crop stress index (CSI) och relativ tolerance index (RTI) används för att avgöra om de behandlingar som utvärderas hjälper till att mildra olika påfrestningar (abiotiska och biotiska) och har en positiv effekt på växtfysiologi (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). CSI-värden kan variera från 0 till 1, vilket representerar icke-stress- respektive stresstillstånd (Lee et al., 2010). CSI-värdena för värmestressade (SC) växter varierade från 0,8 till 0,9 (Figur 2B), vilket indikerar att risplantor påverkades negativt av kombinerad stress. Emellertid ledde bladbesprutning av BC (0,6) eller CK (0,6) främst till en minskning av denna indikator under abiotiska stressförhållanden jämfört med SC-risplantor. I F2000-växter visade RTI en högre ökning vid användning av CA (97,69 %) och BC (60,73 %) jämfört med SA (33,52 %), vilket indikerar att dessa växttillväxtregulatorer också bidrar till att förbättra svaret från ris på toleransen av kompositionen. Överhettad. Dessa index har föreslagits för att hantera stressförhållanden hos olika arter. En studie utförd av Lee et al. (2010) visade att CSI för två bomullssorter under måttlig vattenstress var cirka 0,85, medan CSI-värdena för välbevattnade sorter varierade från 0,4 till 0,6, vilket drar slutsatsen att detta index är en indikator på vattenanpassningen av sorterna. stressiga förhållanden. Dessutom har Chavez-Arias et al. (2020) utvärderade effektiviteten av syntetiska elicitorer som en omfattande stresshanteringsstrategi i C. elegans växter och fann att växter besprutade med dessa föreningar uppvisade högre RTI (65 %). Baserat på ovanstående kan CK och BR betraktas som agronomiska strategier som syftar till att öka toleransen hos ris mot komplex värmestress, eftersom dessa växttillväxtregulatorer inducerar positiva biokemiska och fysiologiska svar.
Under de senaste åren har risforskningen i Colombia fokuserat på att utvärdera genotyper som är toleranta mot höga dag- eller natttemperaturer med hjälp av fysiologiska eller biokemiska egenskaper (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). Men under de senaste åren har analysen av praktiska, ekonomiska och lönsamma tekniker blivit allt viktigare för att föreslå integrerad odling för att förbättra effekterna av komplexa perioder av värmestress i landet (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). Således tyder de fysiologiska och biokemiska svaren från risplantor på komplex värmestress (40°C dag/30°C natt) som observerats i denna studie att bladbesprutning med CK eller BR kan vara en lämplig odlingsmetod för att mildra negativa effekter. Effekt av perioder med måttlig värmestress. Dessa behandlingar förbättrade toleransen för båda risgenotyperna (lågt CSI och högt RTI), vilket visar en generell trend i växtfysiologiska och biokemiska svar under kombinerad värmestress. Risplantornas huvudsakliga reaktion var en minskning av innehållet av GC, totalt klorofyll, klorofyll α och β och karotenoider. Dessutom lider växter av PSII-skada (minskade klorofyllfluorescensparametrar såsom Fv/Fm-förhållande) och ökad lipidperoxidation. Å andra sidan, när ris behandlades med CK och BR, mildrades dessa negativa effekter och prolinhalten ökade (Fig. 4).
Figur 4. Konceptuell modell av effekterna av kombinerad värmestress och bladväxttillväxtregulatorspray på risplantor. Röda och blå pilar indikerar de negativa eller positiva effekterna av interaktionen mellan värmestress och bladapplicering av BR (brassinosteroid) och CK (cytokinin) på fysiologiska respektive biokemiska svar. gs: stomatal konduktans; Totalt Chl: totalt klorofyllinnehåll; Chla: klorofyll p-innehåll; Cx+c: karotenoidhalt;
Sammanfattningsvis indikerar de fysiologiska och biokemiska svaren i denna studie att Fedearroz 2000-risplantor är mer mottagliga för en period av komplex värmestress än Fedearroz 67-risplantor. Alla tillväxtregulatorer som utvärderades i denna studie (auxiner, gibberelliner, cytokininer eller brassinosteroider) visade en viss grad av kombinerad värmestressreduktion. Cytokinin och brassinosteroider inducerade dock bättre växtanpassning eftersom båda växttillväxtregulatorerna ökade klorofyllhalten, alfa-klorofyllfluorescensparametrarna, gs och RWC jämfört med risplantor utan någon applicering, och även minskade MDA-halten och baldakintemperaturen. Sammanfattningsvis drar vi slutsatsen att användningen av växttillväxtregulatorer (cytokininer och brassinosteroider) är ett användbart verktyg för att hantera stressförhållanden i risgrödor orsakade av svår värmestress under perioder med höga temperaturer.
Det originalmaterial som presenteras i studien ingår i artikeln, och ytterligare förfrågningar kan riktas till motsvarande författare.
Posttid: 2024-08-08