Växttillväxtregulatorer har använts som en strategi för att minska värmestress i olika grödor

Risproduktionen minskar på grund av klimatförändringar och variationer i Colombia.Växttillväxtregulatorerhar använts som en strategi för att minska värmestress i olika grödor. Syftet med denna studie var därför att utvärdera de fysiologiska effekterna (stomatakonduktans, stomatakonduktans, totalt klorofyllinnehåll, Fv/Fm-förhållande hos två kommersiella risgenotyper utsatta för kombinerad värmestress (höga dag- och nattemperaturer), trädkronetemperatur och relativ vattenhalt) och biokemiska variabler (malondialdehyd (MDA) och prolinsyrahalt). Det första och andra experimentet utfördes med plantor av två risgenotyper Federrose 67 ("F67") respektive Federrose 2000 ("F2000"). Båda experimenten analyserades tillsammans som en serie experiment. De etablerade behandlingarna var följande: absolut kontroll (AC) (risplantor odlade vid optimala temperaturer (dag/natttemperatur 30/25 °C)), värmestresskontroll (SC) [endast risplantor utsatta 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 det totala klorofyllinnehållet i båda sorterna (färskvikten för risplantorna "F67" och "F2000" var 3,25 respektive 3,65 mg/g) jämfört med SC-plantor (färskvikten för "F67"-plantor var 2,36 respektive 2,56 mg). g-1)” och ris "F2000", bladapplicering av CK förbättrade generellt också den stomatala konduktansen hos ris "F2000"-plantor (499,25 vs. 150,60 mmol m-2 s) jämfört med värmestresskontrollen. Vid värmestress minskar temperaturen på växtkronan med 2–3 °C och MDA-innehållet i växterna minskar. Det relativa toleransindexet visar att bladbesprutning av CK (97,69 %) och BR (60,73 %) kan bidra till att lindra problemet med kombinerad värmestress, främst hos F2000-risplantor. Sammanfattningsvis kan bladbesprutning av BR eller CK betraktas som en agronomisk strategi för att minska de negativa effekterna av kombinerad värmestress på risplantornas fysiologiska beteende.
Ris (Oryza sativa) tillhör familjen Poaceae och är ett av de mest odlade sädesslagen i världen tillsammans med majs och vete (Bajaj och Mohanty, 2005). Den odlade risarealen är 617 934 hektar, och den nationella produktionen år 2020 var 2 937 840 ton med en genomsnittlig avkastning på 5,02 ton/ha (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Global uppvärmning påverkar risodlingar, vilket leder till olika typer av abiotiska stressfaktorer, såsom höga temperaturer och perioder av torka. Klimatförändringarna orsakar stigande globala temperaturer. Temperaturerna förväntas stiga med 1,0–3,7 °C under 2000-talet, vilket kan öka frekvensen och intensiteten av värmestress. Ökade miljötemperaturer har påverkat ris, vilket orsakar att skördarna minskar 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 variable händelser som El Niño leda till värmestress och förvärra skador på grödor i vissa tropiska regioner. I Colombia förväntas temperaturerna i risproducerande områden öka med 2–2,5 °C till 2050, vilket minskar risproduktionen och påverkar produktflödena till marknader och leveranskedjor.
De flesta risgrödor odlas i områden där temperaturerna ligger nära det optimala intervallet för grödors tillväxt (Shah et al., 2011). Det har rapporterats att de optimala genomsnittliga dag- och nattemperaturerna förris tillväxt och utvecklingär generellt 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 risets utveckling (rotbildning, antes, blomning och kornfyllning), vilket påverkar kornsutbytet negativt. Denna minskade avkastning beror främst på långa perioder av värmestress, vilket påverkar växtfysiologin. På grund av samspelet mellan olika faktorer, såsom stressens varaktighet och maximal uppnådd temperatur, kan värmestress orsaka en rad irreversibla skador på växters ämnesomsättning och utveckling.
Värmestress påverkar olika fysiologiska och biokemiska processer i växter. Bladens fotosyntes är en av de processer som är mest mottagliga för värmestress hos risplantor, eftersom fotosynteshastigheten minskar med 50 % när dagstemperaturen överstiger 35 °C. De fysiologiska reaktionerna hos risplantor varierar beroende på typen av värmestress. Till exempel hämmas fotosynteshastigheter och stomatal konduktans när växter utsätts för höga dagstemperaturer (33–40 °C) eller höga dag- och nattemperaturer (35–40 °C under dagen, 28–30 °C). C betyder natt) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Höga nattemperaturer (30 °C) orsakar måttlig hämning av fotosyntesen men ökar nattandningen (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Oavsett stressperiod påverkar värmestress även bladens klorofyllinnehåll, förhållandet mellan variabel klorofyllfluorescens och maximal klorofyllfluorescens (Fv/Fm) och Rubisco-aktivering i risplantor (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). Sanchez Reynoso et al., 2014).
Biokemiska förändringar är en annan aspekt av växters anpassning till värmestress (Wahid et al., 2007). Prolinhalten 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 temperaturförhållanden (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-halten 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 malondialdehydhalten i ris (Liu et al., 2013).
Användningen av växttillväxtregulatorer (GR) har utvärderats för att mildra de negativa effekterna av värmestress, eftersom dessa ämnen är aktivt involverade i växters reaktioner eller fysiologiska försvarsmekanismer mot sådan stress (Peleg och Blumwald, 2011; Yin et al. et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Exogen tillämpning av genetiska resurser har haft en positiv effekt på värmestresstolerans 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., 2012; Zhou et al., 2014). I Colombia har exogen tillämpning av genetiska resurser och dess inverkan på risgrödor inte blivit helt förstådd och studerad. En tidigare studie visade dock att bladbesprutning av BR kunde förbättra risets tolerans genom att förbättra gasutbytesegenskaperna, klorofyll- eller prolininnehållet i risplantornas blad (Quintero-Calderón et al., 2021).
Cytokininer medierar växters reaktioner på abiotisk stress, inklusive värmestress (Ha et al., 2012). Dessutom har det rapporterats att exogen applicering av CK kan minska termisk skada. Till exempel ökade exogen applicering av zeatin fotosynteshastigheten, klorofyll a- och b-halten och elektrontransporteffektiviteten i krypven (Agrotis estolonifera) under värmestress (Xu och Huang, 2009; Jespersen och Huang, 2015). Exogen applicering av zeatin kan också förbättra antioxidantaktiviteten, öka syntesen av olika proteiner, minska skador på reaktiva syreradikaler (ROS) och malondialdehyd (MDA)-produktion i växtvävnader (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009, 2016; Kumar et al., 2020).
Användningen av gibberellinsyra har också visat en positiv respons på värmestress. Studier har visat att GA-biosyntes medierar olika metaboliska vägar och ökar toleransen under höga temperaturförhållanden (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) fann att bladbesprutning av exogen GA (25 eller 50 mg*L) kunde öka fotosynteshastigheten och antioxidantaktiviteten i värmestressade apelsinplantor jämfört med kontrollplantor. Det har också observerats att exogen applicering av HA ökar relativ fukthalt, klorofyll- och karotenoidinnehåll och minskar lipidperoxidation i dadelpalm (Phoenix dactylifera) under värmestress (Khan et al., 2020). Auxin spelar också en viktig roll i att reglera adaptiva tillväxtreaktioner på höga temperaturförhållanden (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 även antioxidantaktiviteten, 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 ärtplantor (Pisum sativum) under värmestress ökar innehållet av prolin – dimetylaminoetoxikarbonylmetyl)naftylklorometyleter (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-sprayning ökade nettofotosynteshastigheten, stomatal konduktans och maximal hastighet av Rubisco-karboxylering hos tomatplantor (Solanum lycopersicum) under värmestress i 8 dagar. Bladbesprutning av epibrassinosteroider kan öka nettofotosynteshastigheten hos gurkplantor (Cucumis sativus) under värmestress (Yu et al., 2004). Dessutom fördröjer exogen applicering av BR klorofyllnedbrytning och ökar vattenanvändningseffektiviteten och maximalt kvantumutbyte 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 konduktans, klorofyllfluorescensparametrar, klorofyll och relativ vattenhalt, malondialdehyd- och prolinsyntes) ett tillförlitligt verktyg för att screena risplantor under värmestress lokalt och internationellt (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017); Forskning om användningen av bladmässiga fytohormonala sprayer i ris på lokal nivå är dock fortfarande sällsynt. Därför är studier av de fysiologiska och biokemiska reaktionerna vid applicering av växttillväxtregulatorer av stor betydelse för förslaget på praktiska agronomiska strategier för att ta itu med de negativa effekterna av en period av komplex värmestress i ris. Syftet med denna studie var därför att utvärdera de fysiologiska (stomatal konduktans, klorofyllfluorescensparametrar och relativ vattenhalt) och biokemiska effekterna av bladapplicering av fyra växttillväxtregulatorer (AUX, CK, GA och BR). (Fotosyntetiska pigment, malondialdehyd- och prolinhalter) Variabler i två kommersiella risgenotyper som utsattes för på grund av kombinerad värmestress (höga dag-/natttemperaturer).
I denna studie utfördes två oberoende experiment. Genotyperna Federrose 67 (F67: en genotyp som utvecklats i höga temperaturer under det senaste decenniet) och Federrose 2000 (F2000: en genotyp som utvecklats under 1900-talets sista decennium och visar resistens mot vitbladsvirus) användes för första gången. respektive det andra experimentet. Båda genotyperna odlas i stor utsträckning av colombianska jordbrukare. Fröna såddes i 10-liters 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 lantbruksvetenskap vid National University of Colombia, Bogotá campus (43°50′56″ N, 74°04′051″ V), 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 nattemperatur 30/25 °C, relativ luftfuktighet 60~80 %, naturlig fotoperiod 12 timmar (fotosyntetiskt aktiv strålning 1500 µmol (fotoner) m-2 s-). 1 vid middagstid). Växterna gödslades enligt innehållet av 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. Plantorna 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 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 omgången bladsprayningar med fytohormoner applicerades 5 dagar före värmestressbehandlingen (42 DAE) för att förbereda plantorna för miljöstress. En andra bladsprayning gavs sedan 5 dagar efter att plantorna exponerats för stressförhållanden (52 DAE). Fyra fytohormoner användes och egenskaperna hos varje aktiv ingrediens som sprayades i denna studie listas i tilläggstabell 1. Koncentrationerna av bladtillväxtregulatorer som användes var följande: (i) Auxin (1-naftyläktiksyra: NAA) vid en koncentration av 5 × 10−5 M (ii) 5 × 10−5 M gibberellin (gibberellinsyra: NAA); GA3); (iii) Cytokinin (trans-zeatin) 1 × 10-5 M (iv) Brassinosteroider [Spirostan-6-on, 3,5-dihydroxi-, (3b,5a,25R)] 5 × 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 tillväxtregulatoriska sprayer behandlades endast med destillerat vatten. Alla risplantor sprayades med en handspruta. Applicera 20 ml H2O på växten för att fukta bladens övre och nedre ytor. Alla bladsprayer använde jordbrukshjälpmedel (Agrotin, Bayer CropScience, Colombia) vid 0,1 % (v/v). Avståndet mellan krukan och sprutan är 30 cm.
Värmestressbehandlingar administrerades 5 dagar efter den första bladbesprutningen (47 DAE) i varje experiment. Risplantor flyttades från växthuset till en 294 liters tillväxtkammare (MLR-351H, Sanyo, IL, USA) för att etablera värmestress eller bibehålla samma miljöförhållanden (47 DAE). Kombinerad värmestressbehandling utfördes genom att ställa in kammaren på följande dag-/natttemperaturer: hög dagtemperatur [40 °C i 5 timmar (från 11:00 till 16:00)] och natperiod [30 °C i 5 timmar] 8 dagar i rad (från 19:00 till 24:00). Stresstemperaturen och exponeringstiden valdes baserat på tidigare studier (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Å andra sidan hölls en grupp plantor som överfördes till odlingskammaren i växthuset vid samma temperatur (30 °C under dagen/25 °C på natten) i 8 dagar i följd.
Vid experimentets slut erhölls följande behandlingsgrupper: (i) tillväxttemperatur + applicering av destillerat vatten [Absolut kontroll (AC)], (ii) värmestress + applicering av destillerat vatten [Värmestresskontroll (SC)], (iii) förhållanden värmestress + auxinapplicering (AUX), (iv) värmestress + gibberellinapplicering (GA), (v) värmestress + cytokininapplicering (CK), och (vi) värmestress + brassinosteroid (BR) appendix. Dessa behandlingsgrupper användes för två genotyper (F67 och F2000). Alla behandlingar utfördes i en helt randomiserad design med fem replikat, var och en bestående av en planta. Varje planta användes för att läsa av de variabler som bestämdes vid experimentets slut. Experimentet varade i 55 dagar.
Stomatal konduktans (gs) mättes med en bärbar porosometer (SC-1, METER Group Inc., USA) i intervallet 0 till 1000 mmol m-2 s-1, med en provkammaröppning på 6,35 mm. Mätningarna görs genom att en stomametersond fästs på ett moget blad med växtens huvudskott helt expanderat. För varje behandling togs gs-avläsningar på tre blad från varje växt mellan 11:00 och 16:00 och medelvärdet beräknades.
RWC bestämdes enligt den metod som beskrivs 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 en digital våg. Bladen placerades sedan i en plastbehållare fylld med vatten och lämnades i mörker vid rumstemperatur (22 °C) i 48 timmar. Vägdes sedan på en digital våg och den expanderade vikten (TW) registrerades. De svullna bladen ugnstorkades vid 75 °C i 48 timmar och deras torrvikt (DW) registrerades.
Relativ klorofyllhalt bestämdes med hjälp av en klorofyllmätare (atLeafmeter, FT Green LLC, USA) och uttrycktes i atLeaf-enheter (Dey et al., 2016). PSII maximala kvanteffektivitetsavläsningar (Fv/Fm-förhållande) registrerades med en kontinuerlig excitationsklorofyllfluorimeter (Handy PEA, Hansatech Instruments, Storbritannien). Bladen mörkeranpassades med bladklämmor i 20 minuter före Fv/Fm-mätningar (Restrepo-Diaz och Garces-Varon, 2013). Efter att bladen hade mörkeranpassats mättes baslinjefluorescens (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., 2017). Relativa klorofyll- och klorofyllfluorescensavläsningar togs på samma blad som användes för gs-mätningar.
Cirka 800 mg färsk bladvikt samlades in som biokemiska variabler. Bladproverna homogeniserades sedan i flytande kväve och förvarades för vidare analys. Den spektrometriska metoden som används för att uppskatta vävnadens klorofyll 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 i 10 minuter för att avlägsna partiklar. Supernatanten späddes till en slutlig volym av 6 ml genom att tillsätta 80 % aceton (Sims och Gamon, 2002). Innehållet klorofyll bestämdes vid 663 (klorofyll a) och 646 (klorofyll b) nm, och karotenoidinnehållet vid 470 nm med hjälp av en spektrofotometer (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA).
Tiobarbitursyrametoden (TBA) som beskrivs 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 i alla behandlingar bestämdes med hjälp av den metod 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 bringades 2 ml av detta filtrat att reagera med 2 ml nitrogensyra och 2 ml isättiksyra. Blandningen placerades i ett vattenbad vid 90 °C i 1 timme. Stoppa reaktionen genom inkubation på is. Skaka röret kraftigt med en vortexskakare och lös upp den resulterande lösningen i 4 ml toluen. Absorbansavläsningarna bestämdes vid 520 nm med samma spektrofotometer som används 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 kronans temperatur och CSI. Termiska fotografier togs med en FLIR 2-kamera (FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA) med en noggrannhet på ±2°C vid slutet av stressperioden. Placera en vit yta bakom växten för fotografering. Återigen användes två fabriker som referensmodeller. Växterna placerades på en vit yta; en belagdes med ett jordbrukshjälpmedel (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Colombia) för att simulera öppningen av alla klyvöppningar [våtläge (Twet)], och den andra var ett löv utan applicering [torrläge (Tdry)] (Castro-Duque et al., 2020). Avståndet mellan kameran och krukan under filmning var 1 m.
Det relativa toleransindexet beräknades indirekt med hjälp av stomatal konduktans (gs) hos behandlade plantor jämfört med kontrollplantor (plantor utan stressbehandlingar och med tillväxtregulatorer) för att bestämma toleransen hos de behandlade genotyper som utvärderades i denna studie. RTI erhölls med hjälp av en ekvation anpassad från Chávez-Arias et al. (2020).
I varje experiment bestämdes och registrerades alla ovan nämnda fysiologiska variabler vid 55 DAE med fullt expanderade blad insamlade från den övre delen av trädkronan. Dessutom utfördes mätningar i en tillväxtkammare för att undvika att förändra de miljöförhållanden under vilka växterna växer.
Data från det första och andra experimentet 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 arcussinusfunktionen för att konvertera procentvärden. Data analyserades med hjälp av Statistix v 9.0-programvara (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA) och plottades med SigmaPlot (version 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA). Huvudkomponentanalysen utfördes med hjälp av InfoStat 2016-programvara (Analysis Software, National University of Cordoba, Argentina) för att identifiera de bästa växttillväxtregulatorerna som studerades.
Tabell 1 sammanfattar ANOVA-analysen som visar experimenten, de olika behandlingarna och deras interaktioner med bladens fotosyntetiska pigment (klorofyll a, b, totalt och karotenoider), malondialdehyd (MDA) och prolininnehåll, samt stomatal konduktans. Effekt av gs, relativ vattenhalt (RWC), klorofyllinnehåll, klorofyll-alfa-fluorescensparametrar, krontemperatur (PCT) (°C), grödans stressindex (CSI) och relativ toleransindex för risplantor vid 55 DAE.
Tabell 1. Sammanfattning av ANOVA-data om fysiologiska och biokemiska variabler för ris mellan experiment (genotyper) och värmestressbehandlingar.
Skillnader (P≤0,01) i interaktioner mellan bladens fotosyntetiska pigment, relativ klorofyllhalt (Atleaf-avläsningar) och alfa-klorofyllfluorescensparametrar mellan experiment och behandlingar visas i tabell 2. Höga dag- och nattemperaturer ökade det totala klorofyll- och karotenoidinnehållet. Risplantor utan bladbesprutning med 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 behandlade med en kombination av AUX- och GA-sprayer under värmestress också en minskning av klorofyllinnehållet 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 = 1,45 mg g-1 för "F67"; AUX = 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-enheten) minskade också av kombinerad värmestress. De högsta värdena registrerades också i plantor besprutade med CC i båda genotyperna (41,66 för "F67" och 49,30 för "F2000"). Fv- och Fv/Fm-förhållandena visade signifikanta skillnader mellan behandlingar och sorter (tabell 2). Sammantaget, bland dessa variabler, var sort F67 mindre mottaglig för värmestress än sort F2000. Fv- och Fv/Fm-förhållandena drabbades mer i det andra experimentet. Stressade 'F2000'-plantor som inte besprutades med några fytohormoner hade de lägsta Fv-värdena (2120,15) och Fv/Fm-förhållandena (0,59), men bladbesprutning med CK hjälpte till att återställa dessa värden (Fv: 2591, 89, Fv/Fm-förhållande: 0,73). , vilket gav avläsningar liknande de som registrerats på "F2000"-plantor 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 bladens fotosyntetiska pigment [total klorofyll (Chl Total), klorofyll a (Chl a), klorofyll b (Chl b) och karotenoider Cx+c] effekt], relativ klorofyllhalt (Atliff-enhet), klorofyllfluorescensparametrar (initial fluorescens (F0), maximal fluorescens (Fm), variabel fluorescens (Fv), maximal PSII-effektivitet (Fv/Fm), fotokemisk maximal kvantutbyte av PSII (Fv/F0) och Fm/F0 i växter av två risgenotyper [Federrose 67 (F67) och Federrose 2000 (F2000)] 55 dagar efter uppkomst (DAE)).
Relativ vattenhalt (RWC) hos risplantor som behandlats med olika metoder visade skillnader (P ≤ 0,05) i interaktionen mellan experimentell behandling och bladbehandling (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 hos risplantor av båda genotyperna behandlade med olika fytohormoner signifikant. Sammantaget ökade bladbehandlingar med CK, GA, AUX eller BR RWC till värden som liknade de hos plantor som odlats under optimala förhållanden under experimentet. Absoluta kontroll- och bladbesprutade plantor 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 kontrollplantan (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). Risplantor som enbart utsattes 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 som besprutats med CC var effekten av bladbesprutning med fytohormoner mer tydlig. Denna grupp av plantor visade inga skillnader jämfört med absoluta kontrollplantor (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), malondialdehyd (MDA) produktion (C) och prolinhalt (D) i plantor 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 ± standardfelet 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) halter visade också signifikanta skillnader i interaktionen mellan experimentet och fytohormonbehandlingar (Fig. 1C, D). Ökad lipidperoxidation observerades med SC-behandling i båda genotyperna (Figur 1C), men växter behandlade med bladtillväxtregulatorspray visade minskad lipidperoxidation i båda genotyperna. I allmänhet leder användningen av fytohormoner (CA, AUC, BR eller GA) till en minskning av lipidperoxidation (MDA-halt). 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 varierade de observerade värdena från 2,84 till 9,18 µmol g-1 (växter). Å andra sidan var prolinsyntesen i "F67"-växter lägre än i "F2000"-växter under kombinerad stress, vilket ledde till en ökning av prolinproduktionen. I värmestressade risplantor observerades det i båda experimenten att administreringen av dessa hormoner signifikant ökade aminosyrahalten i F2000-växter (AUX och BR var 30,44 respektive 18,34 µmol g-1) (Fig. 1G).
Effekterna av bladbehandling med tillväxtregulator för växter och kombinerad värmestress på växternas kronatemperatur och relativa toleransindex (RTI) visas i figur 2A och B. För båda genotyperna var kronatemperaturen för AC-plantor nära 27 °C och för SC-plantor runt 28 °C. Det observerades också att bladbehandlingar med CK och BR resulterade i en minskning av kronatemperaturen med 2–3 °C jämfört med SC-plantor (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-plantor uppvisade lägre växttolerans i båda genotyperna (34,18 % respektive 33,52 % för risplantor "F67" respektive "F2000"). Bladgödsling med fytohormoner förbättrar RTI hos plantor som utsätts för hög temperaturstress. Denna effekt var mer uttalad i "F2000"-plantor som besprutats med CC, där RTI var 97,69. Å andra sidan observerades signifikanta skillnader endast i avkastningsspänningsindex (CSI) hos risplantor under stressförhållanden med bladfaktorsprutning (P ≤ 0,01) (Fig. 2B). Endast risplantor som utsattes för komplex värmestress uppvisade det högsta stressindexvärdet (0,816). När risplantor sprutades med olika fytohormoner var stressindexet lägre (värden från 0,6 till 0,67). Slutligen hade risplantan som odlades under optimala förhållanden ett värde på 0,138.
Figur 2. Effekter av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på trädkronans temperatur (A), relativt toleransindex (RTI) (B) och grödans stressindex (CSI) (C) hos 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 exponeras för höga dag/natttemperaturer (40°/30°C dag/natt). Varje kolumn representerar medelvärdet ± standardfelet 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).
Principal component analysis (PCA) visade att variablerna som bedömdes vid 55 DAE förklarade 66,1 % av de fysiologiska och biokemiska svaren hos värmestressade risplantor behandlade med tillväxtregulatorspray (Fig. 3). Vektorer representerar variabler och punkter representerar växttillväxtregulatorer (GR). Vektorerna för gs, klorofyllinnehåll, maximal kvanteffektivitet av PSII (Fv/Fm) och biokemiska parametrar (TChl, MDA och prolin) är i nära vinklar till origo, vilket indikerar en hög korrelation mellan växternas fysiologiska beteende och deras variabel. En grupp (V) inkluderade risplantor odlade vid optimal temperatur (AT) och F2000-plantor behandlade med CK och BA. Samtidigt bildade majoriteten av plantorna behandlade med GR en separat grupp (IV), och behandling med GA i F2000 bildade en separat grupp (II). Däremot var värmestressade risplantor (grupperna I och III) utan någon bladspray av fytohormoner (båda genotyperna var SC) belägna i en zon mittemot grupp V, vilket visar effekten av värmestress på växtfysiologi. .
Figur 3. Bigrafisk analys av effekterna av kombinerad värmestress (40°/30°C dag/natt) på plantor 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 + brassinosteroid; F2000.
Variabler som klorofyllinnehåll, stomatal konduktans, Fv/Fm-förhållande, CSI, MDA, RTI och prolininnehåll 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 hos risplantor under komplexa värmestressförhållanden. Planttestning är en enkel och snabb metod för samtidig bedömning av risplantor beroende på storleken eller tillståndet hos tillgänglig infrastruktur (Sarsu et al. 2018). Resultaten av denna studie visade att kombinerad värmestress inducerar olika fysiologiska och biokemiska svar hos de två risgenotyperna, vilket indikerar en anpassningsprocess. Dessa resultat indikerar också att bladtillväxtregulatoriska sprayer (främst cytokininer och brassinosteroider) hjälper ris att anpassa sig till komplex värmestress eftersom fördelningen huvudsakligen påverkar ris, RWC, Fv/Fm-förhållande, fotosyntetiska pigment och prolininnehåll.
Tillämpning av tillväxtregulatorer hjälper till att förbättra vattenstatusen hos risplantor under värmestress, vilket kan vara förknippat med högre stress och lägre temperaturer i växtkronorna. Denna studie visade att bland "F2000"-plantor (känslig genotyp) hade risplantor som primärt behandlats med CK eller BR högre gs-värden och lägre PCT-värden än plantor behandlade med SC. Tidigare studier har också visat att gs och PCT är exakta fysiologiska indikatorer som kan bestämma risplantors adaptiva respons 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 ökar g under stress eftersom dessa växthormoner kan främja stomatalöppning genom syntetiska interaktioner med andra signalmolekyler såsom ABA (promotor av stomatal stängning under abiotisk stress) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). , 2014). Öppnande av klyvöppningar främjar bladens kylning och hjälper till att sänka temperaturen i trädkronorna (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Av dessa skäl kan trädkronans temperatur hos risplantor som besprutats med CK eller BR vara lägre under kombinerad värmestress.
Hög temperaturstress kan minska innehållet av fotosyntetiska pigment i bladen (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). I denna studie, när risplantor var under värmestress och inte besprutades med några tillväxtregulatorer, tenderade fotosyntetiska pigment att minska i båda genotyperna (tabell 2). Feng et al. (2013) rapporterade också en signifikant minskning av klorofyllinnehållet i bladen från två vetegenotyper som utsattes 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 behandlades huvudsakligen med CK och BA ökade dock koncentrationen av fotosyntetiska pigment i bladen 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 värmestressad benträs respektive ris. En rimlig förklaring till varför CK och BR främjar ökat bladklorofyllinnehåll under kombinerad värmestress är att CK kan öka initieringen av fördröjd induktion av uttryckspromotorer (såsom senescensaktiverande promotor (SAG12) eller HSP18-promotorn) och minska klorofyllförlust i bladen, fördröja bladens åldrande och öka växternas motståndskraft mot värme (Liu et al., 2020). BR kan skydda bladklorofyll och öka bladklorofyllinnehållet genom att aktivera eller inducera syntesen av enzymer involverade i klorofyllbiosyntes under stressförhållanden (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Slutligen främjar två fytohormoner (CK och BR) 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 icke-destruktiv metod som kan bedöma växters tolerans eller anpassning till abiotiska stressförhållanden (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Parametrar som Fv/Fm-förhållandet har använts som indikatorer på växters anpassning till stressförhållanden (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). I denna studie uppvisade SC-plantor de lägsta värdena för denna variabel, främst "F2000"-risplantor. Yin et al. (2010) fann också att Fv/Fm-förhållandet för de högst rotbildande risbladen minskade signifikant vid temperaturer över 35°C. Enligt Feng et al. (2013) indikerar det lägre Fv/Fm-förhållandet under värmestress att hastigheten för excitationsenergiinfångning och omvandling av PSII-reaktionscentret minskar, vilket indikerar att PSII-reaktionscentret sönderfaller under värmestress. Denna observation gör att vi kan dra slutsatsen att störningar i den fotosyntetiska apparaten 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-applicering ökade effektiviteten hos PSII under värmestress hos 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-bladspray PSII-fotosyntes under kombinerade stressförhållanden, vilket indikerar att applicering av detta fytohormon resulterade i minskad dissipation av excitationsenergi från PSII-antenner och främjade ackumulering av små värmechockproteiner i kloroplaster (Ogweno et al. 2008; Kothari och Lachowitz, 2021).
MDA- och prolinhalterna ökar ofta när växter utsätts för 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 effekten av agronomiska metoder hos ris under höga temperaturer dagtid eller nattetid (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Dessa studier visade också att MDA- och prolinhalterna tenderade att vara högre hos risplantor som exponerats för höga temperaturer nattetid respektive dagtid. Bladbesprutning av CK och BR bidrog dock till en minskning av MDA och en ökning av prolinnivåerna, främst i den toleranta genotypen (Federroz 67). CK-besprutning kan främja överuttryck av cytokininoxidas/dehydrogenas, vilket ökar innehållet av skyddande föreningar som betain och prolin (Liu et al., 2020). BR främjar induktionen av osmoprotektanter såsom betain, sockerarter och aminosyror (inklusive fritt prolin), vilket upprätthåller cellulär osmotisk balans under många ogynnsamma miljöförhållanden (Kothari och Lachowiec, 2021).
CRI (Cross Stress Index) och RTI (Relative Tolerance Index) används för att avgöra om de behandlingar som utvärderas hjälper till att mildra olika stressfaktorer (abiotiska och biotiska) och har en positiv effekt på växtfysiologin (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). CSI-värden kan variera från 0 till 1, vilket representerar icke-stressade respektive stressförhållanden (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. Bladbesprutning av BC (0,6) eller CK (0,6) ledde dock huvudsakligen till en minskning av denna indikator under abiotiska stressförhållanden jämfört med SC-risplantor. I F2000-plantor 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 risets respons på toleransen för kompositionen. Överhettning. 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 visar att detta index är en indikator på sorternas vattenanpassning till stressiga förhållanden. Dessutom utvärderade Chavez-Arias et al. (2020) effektiviteten hos syntetiska elicitorer som en omfattande stresshanteringsstrategi i C. elegans-plantor och fann att plantor som besprutats med dessa föreningar uppvisade högre RTI (65 %). Baserat på ovanstående kan CK och BR betraktas som agronomiska strategier som syftar till att öka risets tolerans mot komplex värmestress, eftersom dessa tillväxtregulatorer inducerar positiva biokemiska och fysiologiska svar.
Under de senaste åren har risforskning 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). Under de senaste åren har dock analysen av praktiska, ekonomiska och lönsamma tekniker blivit allt viktigare för att föreslå integrerad grödhantering 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 reaktionerna hos risplantor på komplex värmestress (40 °C dag/30 °C natt) som observerats i denna studie på att bladbesprutning med CK eller BR kan vara en lämplig grödhanteringsmetod för att mildra negativa effekter. Effekt av perioder med måttlig värmestress. Dessa behandlingar förbättrade toleransen för båda risgenotyperna (låg CSI och hög RTI), vilket visar en generell trend i växtfysiologiska och biokemiska reaktioner under kombinerad värmestress. Risplantornas huvudsakliga respons var en minskning av innehållet av GC, totalt klorofyll, klorofyllerna α och β och karotenoider. Dessutom drabbas växterna av PSII-skador (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 bladbesprutning med tillväxtregulator på risplantor. Röda och blå pilar indikerar de negativa eller positiva effekterna av interaktionen mellan värmestress och bladbesprutning av BR (brassinosteroid) och CK (cytokinin) på fysiologiska respektive biokemiska svar. gs: stomatal konduktans; Total Chl: totalt klorofyllinnehåll; Chl α: klorofyll β-innehåll; Cx+c: karotenoidinnehåll;
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) uppvisade en viss grad av kombinerad minskning av värmestress. Cytokinin och brassinosteroider inducerade dock bättre växtanpassning eftersom båda växttillväxtregulatorerna ökade klorofyllinnehållet, alfa-klorofyllfluorescensparametrar, gs och RWC jämfört med risplantor utan någon applicering, och även minskade MDA-innehållet och kronans temperatur. Sammanfattningsvis drar vi slutsatsen att användningen av växttillväxtregulatorer (cytokininer och brassinosteroider) är ett användbart verktyg för att hantera stressförhållanden i riskrödor orsakade av svår värmestress under perioder med höga temperaturer.
Originalmaterialet som presenteras i studien bifogas artikeln, och ytterligare frågor kan riktas till respektive författare.