Производство риса сокращается из-за изменения климата и его нестабильности в Колумбии.Регуляторы роста растенийбыли использованы в качестве стратегии для снижения теплового стресса у различных культур. Поэтому целью данного исследования была оценка физиологических эффектов (устьичная проводимость, устьичная проводимость, общее содержание хлорофилла, соотношение Fv/Fm двух коммерческих генотипов риса, подвергнутых комбинированному тепловому стрессу (высокие дневные и ночные температуры), температура полога и относительное содержание воды) и биохимических переменных (содержание малонового диальдегида (МДА) и пролиновой кислоты). Первый и второй эксперименты были проведены с использованием растений двух генотипов риса Federrose 67 («F67») и Federrose 2000 («F2000») соответственно. Оба эксперимента анализировались вместе как серия экспериментов. Установленные обработки были следующими: абсолютный контроль (AC) (растения риса, выращенные при оптимальных температурах (дневная/ночная температура 30/25 °C)), контроль теплового стресса (SC) [растения риса, подвергнутые только комбинированному тепловому стрессу (40/25 °C). 30°C)], а растения риса подвергались стрессу и опрыскивались регуляторами роста растений (стресс+AUX, стресс+BR, стресс+CK или стресс+GA) дважды (за 5 дней до и 5 дней после теплового стресса). Опрыскивание СА увеличило общее содержание хлорофилла у обоих сортов (сырой вес растений риса «F67» и «F2000» составил 3,25 и 3,65 мг/г соответственно) по сравнению с растениями SC (сырой вес растений «F67» составил 2,36 и 2,56 мг). г-1)» и риса «F2000″, внекорневая обработка CK также в целом улучшила устьичную проводимость растений риса «F2000″ (499,25 против 150,60 ммоль м-2 с) по сравнению с контролем теплового стресса. При тепловом стрессе температура кроны растения снижается на 2–3 °C, а содержание МДА в растениях уменьшается. Индекс относительной толерантности показывает, что внекорневое применение CK (97,69%) и BR (60,73%) может помочь смягчить проблему комбинированного теплового стресса, в основном у растений риса F2000. В заключение следует отметить, что внекорневое опрыскивание BR или CK можно рассматривать как агрономическую стратегию, помогающую снизить негативное воздействие комбинированных условий теплового стресса на физиологическое поведение растений риса.
Рис (Oryza sativa) относится к семейству Poaceae и является одним из наиболее культивируемых злаков в мире наряду с кукурузой и пшеницей (Bajaj and Mohanty, 2005). Площадь возделывания риса составляет 617 934 га, а национальное производство в 2020 году составило 2 937 840 тонн при средней урожайности 5,02 тонны/га (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Глобальное потепление влияет на посевы риса, что приводит к различным типам абиотических стрессов, таким как высокие температуры и периоды засухи. Изменение климата приводит к повышению глобальной температуры; Прогнозируется, что температура поднимется на 1,0–3,7 °C в 21 веке, что может увеличить частоту и интенсивность теплового стресса. Повышение температуры окружающей среды повлияло на рис, в результате чего урожайность культур снизилась на 6–7%. С другой стороны, изменение климата также приводит к неблагоприятным экологическим условиям для сельскохозяйственных культур, таким как периоды сильной засухи или высокие температуры в тропических и субтропических регионах. Кроме того, такие изменчивые явления, как Эль-Ниньо, могут привести к тепловому стрессу и усугубить ущерб урожаю в некоторых тропических регионах. В Колумбии прогнозируется, что температура в районах производства риса увеличится на 2–2,5 °C к 2050 году, что сократит производство риса и повлияет на потоки продукции на рынки и цепочки поставок.
Большинство рисовых культур выращивают в районах, где температуры близки к оптимальному диапазону для роста урожая (Shah et al., 2011). Сообщается, что оптимальные средние дневные и ночные температуры длярост и развитие рисаобычно составляют 28°C и 22°C соответственно (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Температуры выше этих пороговых значений могут вызывать периоды умеренного или сильного теплового стресса во время чувствительных стадий развития риса (кущение, цветение, цветение и налив зерна), тем самым отрицательно влияя на урожайность зерна. Это снижение урожайности в основном связано с длительными периодами теплового стресса, которые влияют на физиологию растений. Из-за взаимодействия различных факторов, таких как продолжительность стресса и максимально достигнутая температура, тепловой стресс может вызвать ряд необратимых повреждений метаболизма и развития растений.
Тепловой стресс влияет на различные физиологические и биохимические процессы в растениях. Фотосинтез листьев является одним из процессов, наиболее восприимчивых к тепловому стрессу в растениях риса, поскольку скорость фотосинтеза снижается на 50%, когда дневные температуры превышают 35°C. Физиологические реакции растений риса различаются в зависимости от типа теплового стресса. Например, скорость фотосинтеза и устьичная проводимость подавляются, когда растения подвергаются воздействию высоких дневных температур (33–40°C) или высоких дневных и ночных температур (35–40°C днем, 28–30°C). C означает ночь) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Высокие ночные температуры (30°C) вызывают умеренное угнетение фотосинтеза, но усиливают ночное дыхание (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Независимо от периода стресса тепловой стресс также влияет на содержание хлорофилла в листьях, отношение переменной флуоресценции хлорофилла к максимальной флуоресценции хлорофилла (Fv/Fm) и активацию Рубиско в растениях риса (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). ) Sanchez Reynoso et al., 2014).
Биохимические изменения являются еще одним аспектом адаптации растений к тепловому стрессу (Wahid et al., 2007). Содержание пролина использовалось в качестве биохимического индикатора стресса растений (Ahmed and Hassan 2011). Пролин играет важную роль в метаболизме растений, поскольку он действует как источник углерода или азота и как стабилизатор мембран в условиях высоких температур (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Высокие температуры также влияют на стабильность мембран через перекисное окисление липидов, что приводит к образованию малонового диальдегида (МДА) (Wahid et al., 2007). Поэтому содержание МДА также использовалось для понимания структурной целостности клеточных мембран в условиях теплового стресса (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). Наконец, комбинированный тепловой стресс [37/30°C (день/ночь)] увеличил процент утечки электролитов и содержание малонового диальдегида в рисе (Лю и др., 2013).
Использование регуляторов роста растений (ГР) было оценено для смягчения негативных последствий теплового стресса, поскольку эти вещества активно участвуют в реакциях растений или физиологических защитных механизмах от такого стресса (Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al. et al., 2011 ; Ahmed et al., 2015). Экзогенное применение генетических ресурсов оказало положительное влияние на устойчивость к тепловому стрессу у различных культур. Исследования показали, что фитогормоны, такие как гиббереллины (ГА), цитокинины (ЦК), ауксины (AUX) или брассиностероиды (БР), приводят к увеличению различных физиологических и биохимических переменных (Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011 ; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014). В Колумбии экзогенное применение генетических ресурсов и его влияние на посевы риса не были полностью поняты и изучены. Однако предыдущее исследование показало, что опрыскивание листьев BR может улучшить устойчивость риса за счет улучшения характеристик газообмена, содержания хлорофилла или пролина в листьях проростков риса (Quintero-Calderón et al., 2021).
Цитокинины опосредуют реакцию растений на абиотические стрессы, включая тепловой стресс (Ha et al., 2012). Кроме того, сообщалось, что экзогенное применение CK может уменьшить тепловое повреждение. Например, экзогенное применение зеатина увеличило скорость фотосинтеза, содержание хлорофилла a и b и эффективность транспорта электронов у полевицы повислой (Agrotis estolonifera) во время теплового стресса (Xu and Huang, 2009; Jespersen and Huang, 2015). Экзогенное применение зеатина также может улучшить антиоксидантную активность, усилить синтез различных белков, уменьшить повреждение активными формами кислорода (ROS) и продукцию малонового диальдегида (MDA) в тканях растений (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009). , 2016; Kumar et al., 2020).
Использование гибберелловой кислоты также показало положительный ответ на тепловой стресс. Исследования показали, что биосинтез ГА опосредует различные метаболические пути и повышает толерантность в условиях высоких температур (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Абдель-Наби и др. (2020) обнаружили, что опрыскивание листьев экзогенным ГА (25 или 50 мг*л) может увеличить скорость фотосинтеза и антиоксидантную активность у апельсиновых растений, подвергшихся тепловому стрессу, по сравнению с контрольными растениями. Также было отмечено, что экзогенное внесение ГА увеличивает относительное содержание влаги, содержание хлорофилла и каротиноидов и снижает перекисное окисление липидов у финиковой пальмы (Phoenix dactylifera) в условиях теплового стресса (Khan et al., 2020). Ауксин также играет важную роль в регуляции адаптивных реакций роста на условия высоких температур (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Этот регулятор роста действует как биохимический маркер в различных процессах, таких как синтез или деградация пролина при абиотическом стрессе (Ali et al. 2007). Кроме того, AUX также усиливает антиоксидантную активность, что приводит к снижению МДА в растениях из-за снижения перекисного окисления липидов (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) наблюдали, что в растениях гороха (Pisum sativum) при тепловом стрессе увеличивается содержание пролина – диметиламиноэтоксикарбонилметил)нафтилхлорметилового эфира (TA-14). В том же эксперименте они также наблюдали более низкие уровни МДА в обработанных растениях по сравнению с растениями, не обработанными AUX.
Брассиностероиды — еще один класс регуляторов роста, используемых для смягчения последствий теплового стресса. Огвено и др. (2008) сообщили, что экзогенное распыление BR увеличило чистую скорость фотосинтеза, устьичную проводимость и максимальную скорость карбоксилирования Rubisco растений томата (Solanum lycopersicum) при тепловом стрессе в течение 8 дней. Лиственное распыление эпибрассиностероидов может увеличить чистую скорость фотосинтеза растений огурца (Cucumis sativus) при тепловом стрессе (Yu et al., 2004). Кроме того, экзогенное применение BR задерживает деградацию хлорофилла и увеличивает эффективность использования воды и максимальный квантовый выход фотохимии PSII у растений при тепловом стрессе (Holá et al., 2010; Toussagunpanit et al., 2015).
Из-за изменения и изменчивости климата посевы риса сталкиваются с периодами высоких дневных температур (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). При фенотипировании растений использование фитонутриентов или биостимуляторов изучалось как стратегия смягчения теплового стресса в районах выращивания риса (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). Кроме того, использование биохимических и физиологических переменных (температура листьев, устьичная проводимость, параметры флуоресценции хлорофилла, хлорофилл и относительное содержание воды, синтез малонового диальдегида и пролина) является надежным инструментом для скрининга растений риса в условиях теплового стресса на местном и международном уровне (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017; Однако исследования по использованию листовых фитогормональных спреев на рисе на местном уровне остаются редкими. Поэтому изучение физиологических и биохимических реакций применения регуляторов роста растений имеет большое значение для предложения практических агрономических стратегий для этого. устранения негативных последствий периода сложного теплового стресса на рисе. Поэтому целью данного исследования была оценка физиологических (устьичная проводимость, параметры флуоресценции хлорофилла и относительное содержание воды) и биохимических эффектов листовой обработки четырьмя регуляторами роста растений (AUX, CK, GA и BR). (Фотосинтетические пигменты, содержание малонового диальдегида и пролина) Переменные в двух коммерческих генотипах риса, подвергнутых комбинированному тепловому стрессу (высокие дневные/ночные температуры).
В этом исследовании были проведены два независимых эксперимента. Генотипы Federrose 67 (F67: генотип, разработанный при высоких температурах в течение последнего десятилетия) и Federrose 2000 (F2000: генотип, разработанный в последнее десятилетие 20-го века, проявляющий устойчивость к вирусу белой листвы) были использованы впервые. семена. и второй эксперимент, соответственно. Оба генотипа широко выращиваются колумбийскими фермерами. Семена высевали в 10-литровые лотки (длина 39,6 см, ширина 28,8 см, высота 16,8 см), содержащие супесчаную почву с 2% органического вещества. В каждый лоток высаживали по пять предварительно пророщенных семян. Поддоны были размещены в теплице факультета сельскохозяйственных наук Национального университета Колумбии, кампус Богота (43°50′56″ с.ш., 74°04′051″ з.д.), на высоте 2556 м над уровнем моря (н.у.м.) и проводились с октября по декабрь 2019 года. Один эксперимент (Federroz 67) и второй эксперимент (Federroz 2000) в один и тот же сезон 2020 года.
Условия окружающей среды в теплице во время каждого сезона посадки следующие: дневная и ночная температура 30/25 °C, относительная влажность 60~80%, естественный фотопериод 12 часов (фотосинтетически активная радиация 1500 мкмоль (фотонов) м-2 с-). 1 в полдень). Растения удобрялись в соответствии с содержанием каждого элемента через 20 дней после появления всходов семян (DAE), согласно Санчес-Рейносо и др. (2019): 670 мг азота на растение, 110 мг фосфора на растение, 350 мг калия на растение, 68 мг кальция на растение, 20 мг магния на растение, 20 мг серы на растение, 17 мг кремния на растение. Растения содержат 10 мг бора на растение, 17 мг меди на растение и 44 мг цинка на растение. Растения риса поддерживались при DAE до 47 в каждом эксперименте, когда они достигали фенологической стадии V5 в течение этого периода. Предыдущие исследования показали, что эта фенологическая стадия является подходящим временем для проведения исследований теплового стресса у риса (Санчес-Рейносо и др., 2014; Альварадо-Санабриа и др., 2017).
В каждом эксперименте выполнялось два отдельных применения регулятора роста листьев. Первый набор листовых опрыскиваний фитогормонами применялся за 5 дней до обработки тепловым стрессом (42 DAE) для подготовки растений к стрессу окружающей среды. Затем второе листовое опрыскивание проводилось через 5 дней после того, как растения подвергались воздействию стрессовых условий (52 DAE). Использовались четыре фитогормона, и свойства каждого активного ингредиента, распыляемого в этом исследовании, перечислены в Дополнительной таблице 1. Концентрации используемых регуляторов роста листьев были следующими: (i) ауксин (1-нафтилуксусная кислота: NAA) в концентрации 5 × 10−5 M (ii) гиббереллин (гибберелловая кислота: NAA); GA3); (iii) Цитокинин (транс-зеатин) 1 × 10-5 М (iv) Брассиностероиды [Спиростан-6-он, 3,5-дигидрокси-, (3b,5a,25R)] 5 × 10-5; М. Эти концентрации были выбраны, поскольку они вызывают положительные реакции и повышают устойчивость растений к тепловому стрессу (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Растения риса без опрыскивания регуляторами роста растений обрабатывали только дистиллированной водой. Все растения риса опрыскивали ручным распылителем. Нанесите 20 мл H2O на растение, чтобы увлажнить верхнюю и нижнюю поверхности листьев. Во всех опрыскиваниях листьев использовался сельскохозяйственный адъювант (Agrotin, Bayer CropScience, Колумбия) в концентрации 0,1% (об./об.). Расстояние между горшком и распылителем — 30 см.
Обработка тепловым стрессом проводилась через 5 дней после первого опрыскивания листьев (47 DAE) в каждом эксперименте. Растения риса переносились из теплицы в камеру роста объемом 294 л (MLR-351H, Sanyo, IL, США) для создания теплового стресса или поддержания тех же условий окружающей среды (47 DAE). Комбинированная обработка тепловым стрессом проводилась путем установки камеры на следующие дневные/ночные температуры: дневная высокая температура [40 °C в течение 5 часов (с 11:00 до 16:00)] и ночной период [30 °C в течение 5 часов]. 8 дней подряд (с 19:00 до 24:00). Температура стресса и время воздействия были выбраны на основе предыдущих исследований (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). С другой стороны, группа растений, перенесенных в камеру роста, содержалась в теплице при той же температуре (30°C днем/25°C ночью) в течение 8 дней подряд.
В конце эксперимента были получены следующие группы обработки: (i) условия температуры роста + применение дистиллированной воды [Абсолютный контроль (AC)], (ii) условия теплового стресса + применение дистиллированной воды [Контроль теплового стресса (SC)], (iii) условия условия теплового стресса + применение ауксина (AUX), (iv) условия теплового стресса + применение гиббереллина (GA), (v) условия теплового стресса + применение цитокинина (CK) и (vi) условия теплового стресса + применение брассиностероида (BR) Приложение. Эти группы обработки использовались для двух генотипов (F67 и F2000). Все обработки проводились в полностью рандомизированном дизайне с пятью повторениями, каждое из которых состояло из одного растения. Каждое растение использовалось для считывания переменных, определенных в конце эксперимента. Эксперимент длился 55 DAE.
Устьичная проводимость (gs) измерялась с помощью портативного порозометра (SC-1, METER Group Inc., США) в диапазоне от 0 до 1000 ммоль м-2 с-1, с апертурой камеры образца 6,35 мм. Измерения проводились путем прикрепления зонда стоматометра к зрелому листу с полностью развернутым основным побегом растения. Для каждой обработки показания gs снимались на трех листьях каждого растения между 11:00 и 16:00 и усреднялись.
RWC определяли в соответствии с методом, описанным Ghoulam et al. (2002). Полностью развернутый лист, используемый для определения g, также использовали для измерения RWC. Свежий вес (FW) определяли сразу после сбора урожая с помощью цифровых весов. Затем листья помещали в пластиковый контейнер, наполненный водой, и оставляли в темноте при комнатной температуре (22°C) на 48 часов. Затем взвешивали на цифровых весах и записывали развернутый вес (TW). Набухшие листья сушили в духовке при температуре 75°C в течение 48 часов, и записывали их сухой вес (DW).
Относительное содержание хлорофилла определялось с помощью хлорофиллметра (atLeafmeter, FT Green LLC, США) и выражалось в единицах atLeaf (Dey et al., 2016). Максимальные показания квантовой эффективности PSII (соотношение Fv/Fm) регистрировались с помощью хлорофиллового флуориметра с непрерывным возбуждением (Handy PEA, Hansatech Instruments, Великобритания). Листья адаптировались к темноте с помощью листовых зажимов в течение 20 минут перед измерениями Fv/Fm (Restrepo-Diaz и Garces-Varon, 2013). После акклиматизации листьев к темноте измерялись базовый уровень (F0) и максимальная флуоресценция (Fm). Из этих данных были рассчитаны переменная флуоресценция (Fv = Fm – F0), отношение переменной флуоресценции к максимальной флуоресценции (Fv/Fm), максимальный квантовый выход фотохимии ФСII (Fv/F0) и отношение Fm/F0 (Baker, 2008; Lee et al. ., 2017). Относительные показания хлорофилла и флуоресценции хлорофилла были получены на тех же листьях, которые использовались для измерений gs.
Около 800 мг свежего веса листьев было собрано в качестве биохимических переменных. Затем образцы листьев были гомогенизированы в жидком азоте и сохранены для дальнейшего анализа. Спектрометрический метод, используемый для оценки содержания хлорофилла a, b и каротиноидов в тканях, основан на методе и уравнениях, описанных Уэллберном (1994). Образцы ткани листьев (30 мг) были собраны и гомогенизированы в 3 мл 80% ацетона. Затем образцы были центрифугированы (модель 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, США) при 5000 об/мин в течение 10 минут для удаления частиц. Супернатант был разбавлен до конечного объема 6 мл путем добавления 80% ацетона (Sims and Gamon, 2002). Содержание хлорофилла определяли при 663 (хлорофилл а) и 646 (хлорофилл b) нм, а каротиноидов — при 470 нм с помощью спектрофотометра (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, США).
Метод тиобарбитуровой кислоты (ТБК), описанный Ходжесом и др. (1999), использовался для оценки перекисного окисления липидов мембран (МДА). Примерно 0,3 г листовой ткани также гомогенизировали в жидком азоте. Образцы центрифугировали при 5000 об/мин, а поглощение измеряли на спектрофотометре при 440, 532 и 600 нм. Наконец, концентрацию МДА рассчитывали с использованием коэффициента экстинкции (157 М мл−1).
Содержание пролина во всех вариантах обработки определялось с использованием метода, описанного Бейтсом и др. (1973). Добавьте 10 мл 3%-ного водного раствора сульфосалициловой кислоты к хранящемуся образцу и профильтруйте через фильтровальную бумагу Whatman (№ 2). Затем 2 мл этого фильтрата прореагировали с 2 мл нингидриновой кислоты и 2 мл ледяной уксусной кислоты. Смесь поместили в водяную баню при температуре 90°C на 1 час. Остановите реакцию, инкубировав на льду. Энергично встряхните пробирку с помощью вихревого шейкера и растворите полученный раствор в 4 мл толуола. Показания поглощения определяли при 520 нм с использованием того же спектрофотометра, который использовался для количественной оценки фотосинтетических пигментов (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA).
Метод, описанный Герхардсом и др. (2016) для расчета температуры полога и CSI. Тепловые фотографии были сделаны камерой FLIR 2 (FLIR Systems Inc., Бостон, Массачусетс, США) с точностью ±2°C в конце стрессового периода. Поместите белую поверхность позади растения для фотографирования. Опять же, в качестве эталонных моделей рассматривались два завода. Растения были помещены на белую поверхность; один был покрыт сельскохозяйственным адъювантом (Agrotin, Bayer CropScience, Богота, Колумбия) для имитации открытия всех устьиц [влажный режим (Twet)], а другой представлял собой лист без какого-либо нанесения [сухой режим (Tdry)] (Кастро-Дуке и др., 2020). Расстояние между камерой и горшком во время съемки составляло 1 м.
Индекс относительной толерантности рассчитывался косвенно с использованием устьичной проводимости (gs) обработанных растений по сравнению с контрольными растениями (растения без стрессовых обработок и с применением регуляторов роста) для определения толерантности обработанных генотипов, оцениваемых в этом исследовании. RTI был получен с использованием уравнения, адаптированного из Chávez-Arias et al. (2020).
В каждом эксперименте все физиологические переменные, упомянутые выше, определялись и регистрировались при 55 DAE с использованием полностью развернутых листьев, собранных с верхнего полога. Кроме того, измерения проводились в камере роста, чтобы избежать изменения условий окружающей среды, в которых растут растения.
Данные первого и второго экспериментов анализировались вместе как серия экспериментов. Каждая экспериментальная группа состояла из 5 растений, и каждое растение составляло экспериментальную единицу. Был проведен дисперсионный анализ (ANOVA) (P ≤ 0,05). При обнаружении значительных различий использовался апостериорный сравнительный тест Тьюки при P ≤ 0,05. Используйте функцию арксинуса для преобразования процентных значений. Данные анализировались с помощью программного обеспечения Statistix v 9.0 (Analytical Software, Таллахасси, Флорида, США) и строились с помощью SigmaPlot (версия 10.0; Systat Software, Сан-Хосе, Калифорния, США). Основной компонентный анализ проводился с помощью программного обеспечения InfoStat 2016 (Analysis Software, Национальный университет Кордовы, Аргентина) для выявления лучших изучаемых регуляторов роста растений.
Таблица 1 суммирует ANOVA, показывающий эксперименты, различные обработки и их взаимодействие с фотосинтетическими пигментами листьев (хлорофилл a, b, общий и каротиноиды), малоновый диальдегид (MDA) и содержание пролина, а также устьичная проводимость. Влияние gs, относительное содержание воды. (RWC), содержание хлорофилла, параметры флуоресценции хлорофилла альфа, температура кроны (PCT) (°C), индекс стресса культуры (CSI) и относительный индекс толерантности растений риса при 55 DAE.
Таблица 1. Сводка данных ANOVA по физиологическим и биохимическим переменным риса между экспериментами (генотипами) и обработками тепловым стрессом.
Различия (P≤0,01) во взаимодействии фотосинтетических пигментов листьев, относительном содержании хлорофилла (показания Atleaf) и параметрах флуоресценции альфа-хлорофилла между экспериментами и обработками показаны в Таблице 2. Высокие дневные и ночные температуры увеличивали общее содержание хлорофилла и каротиноидов. Сеянцы риса без опрыскивания листьев фитогормонами (2,36 мг г-1 для «F67» и 2,56 мг г-1 для «F2000») по сравнению с растениями, выращенными в оптимальных температурных условиях (2,67 мг г-1)) показали более низкое общее содержание хлорофилла. В обоих экспериментах «F67» составил 2,80 мг г-1, а «F2000» — 2,80 мг г-1. Кроме того, проростки риса, обработанные комбинацией опрыскиваний AUX и GA в условиях теплового стресса, также показали снижение содержания хлорофилла в обоих генотипах (AUX = 1,96 мг г-1 и GA = 1,45 мг г-1 для «F67»; AUX = 1,96 мг г-1 и GA = 1,45 мг г-1 для «F67″; AUX = 2,24 мг) г-1 и GA = 1,43 мг г-1 (для «F2000″) в условиях теплового стресса. В условиях теплового стресса обработка листьев BR привела к небольшому увеличению этой переменной в обоих генотипах. Наконец, опрыскивание листьев CK показало самые высокие значения фотосинтетического пигмента среди всех обработок (обработки AUX, GA, BR, SC и AC) в генотипах F67 (3,24 мг г-1) и F2000 (3,65 мг г-1). Относительное содержание хлорофилла (единица Atleaf) также было снижено комбинированным тепловым стрессом. Самые высокие значения были также зарегистрированы у растений, опрысканных CC в обоих генотипах (41,66 для «F67» и 49,30 для «F2000»). Соотношения Fv и Fv/Fm показали значительные различия между обработками и сортами (таблица 2). В целом, среди этих переменных сорт F67 был менее восприимчив к тепловому стрессу, чем сорт F2000. Соотношения Fv и Fv/Fm пострадали больше во втором эксперименте. Стрессовые сеянцы 'F2000′, которые не были опрысканы никакими фитогормонами, имели самые низкие значения Fv (2120,15) и соотношения Fv/Fm (0,59), но опрыскивание листьев CK помогло восстановить эти значения (Fv: 2591, 89, соотношение Fv/Fm: 0,73). , получив показания, аналогичные тем, которые были зарегистрированы на растениях «F2000», выращенных в оптимальных температурных условиях (Fv: 2955,35, соотношение Fv/Fm: 0,73:0,72). Не было никаких существенных различий в начальной флуоресценции (F0), максимальной флуоресценции (Fm), максимальном фотохимическом квантовом выходе ФСII (Fv/F0) и соотношении Fm/F0. Наконец, BR продемонстрировал аналогичную тенденцию, наблюдаемую с CK (Fv 2545,06, соотношение Fv/Fm 0,73).
Таблица 2. Влияние комбинированного теплового стресса (40°/30°C день/ночь) на фотосинтетические пигменты листьев [общий хлорофилл (Chl Total), хлорофилл a (Chl a), хлорофилл b (Chl b) и каротиноиды Cx+c] эффект], относительное содержание хлорофилла (единица Atliff), параметры флуоресценции хлорофилла (начальная флуоресценция (F0), максимальная флуоресценция (Fm), переменная флуоресценция (Fv), максимальная эффективность ФСII (Fv/Fm), фотохимический максимальный квантовый выход ФСII (Fv/F0 ) и Fm/F0 у растений двух генотипов риса [Federrose 67 (F67) и Federrose 2000 (F2000)] через 55 дней после появления всходов (DAE)).
Относительное содержание воды (RWC) по-разному обработанных растений риса показало различия (P ≤ 0,05) во взаимодействии между экспериментальной и листовой обработкой (рис. 1A). При обработке СА самые низкие значения были зарегистрированы для обоих генотипов (74,01% для F67 и 76,6% для F2000). В условиях теплового стресса RWC растений риса обоих генотипов, обработанных различными фитогормонами, значительно увеличилось. В целом, листовые обработки CK, GA, AUX или BR увеличили RWC до значений, аналогичных значениям растений, выращенных в оптимальных условиях во время эксперимента. Абсолютный контроль и растения, обработанные листовой обработкой, зарегистрировали значения около 83% для обоих генотипов. С другой стороны, gs также показали значительные различия (P ≤ 0,01) во взаимодействии эксперимента и обработки (рис. 1B). Растение абсолютного контроля (AC) также зафиксировало самые высокие значения для каждого генотипа (440,65 ммоль м-2с-1 для F67 и 511,02 ммоль м-2с-1 для F2000). Растения риса, подвергнутые только комбинированному тепловому стрессу, показали самые низкие значения gs для обоих генотипов (150,60 ммоль м-2с-1 для F67 и 171,32 ммоль м-2с-1 для F2000). Обработка листьев всеми регуляторами роста растений также увеличила g. На растениях риса F2000, опрысканных CC, эффект опрыскивания листьев фитогормонами был более очевиден. Эта группа растений не показала никаких различий по сравнению с растениями абсолютного контроля (AC 511,02 и CC 499,25 ммоль м-2с-1).
Рисунок 1. Влияние комбинированного теплового стресса (40°/30°C днем/ночью) на относительное содержание воды (RWC) (A), устьичную проводимость (gs) (B), продукцию малонового диальдегида (MDA) (C) и содержание пролина (D) у растений двух генотипов риса (F67 и F2000) через 55 дней после появления всходов (DAE). Для каждого генотипа оценивались следующие обработки: абсолютный контроль (AC), контроль теплового стресса (SC), тепловой стресс + ауксин (AUX), тепловой стресс + гиббереллин (GA), тепловой стресс + клеточный митоген (CK) и тепловой стресс + брассиностероид (BR). Каждый столбец представляет среднее значение ± стандартная ошибка пяти точек данных (n = 5). Столбцы, за которыми следуют разные буквы, указывают на статистически значимые различия в соответствии с тестом Тьюки (P ≤ 0,05). Буквы со знаком равенства указывают на то, что среднее значение статистически незначимо (≤ 0,05).
Содержание МДА (P ≤ 0,01) и пролина (P ≤ 0,01) также показало значительные различия во взаимодействии между экспериментом и обработкой фитогормонами (рис. 1C, D). Повышенное перекисное окисление липидов наблюдалось при обработке SC в обоих генотипах (рисунок 1C), однако растения, обработанные спреем регулятора роста листьев, показали снижение перекисного окисления липидов в обоих генотипах; В целом, использование фитогормонов (CA, AUC, BR или GA) приводит к снижению перекисного окисления липидов (содержание МДА). Не было обнаружено никаких различий между растениями AC двух генотипов и растениями, подвергшимися тепловому стрессу и опрысканными фитогормонами (наблюдаемые значения FW у растений «F67» составляли от 4,38 до 6,77 мкмоль г-1, а у растений FW «F2000» наблюдаемые значения составляли от 2,84 до 9,18 мкмоль г-1 (растений). С другой стороны, синтез пролина у растений «F67» был ниже, чем у растений «F2000» при комбинированном стрессе, что приводило к увеличению продукции пролина. у растений риса, подвергшихся тепловому стрессу, в обоих экспериментах было замечено, что введение этих гормонов значительно увеличивало содержание аминокислот в растениях F2000 (AUX и BR составляли 30,44 и 18,34 мкмоль г-1) соответственно (рис. 1G).
Эффекты опрыскивания регулятором роста растений на листьях и комбинированного теплового стресса на температуру полога растений и индекс относительной толерантности (RTI) показаны на рисунках 2A и B. Для обоих генотипов температура полога растений AC была близка к 27 °C, а для растений SC была около 28 °C. С. Также было отмечено, что обработка листьев CK и BR привела к снижению температуры полога на 2–3 °C по сравнению с растениями SC (рисунок 2A). RTI демонстрировал схожее поведение с другими физиологическими переменными, показывая значительные различия (P ≤ 0,01) во взаимодействии между экспериментом и обработкой (рисунок 2B). Растения SC показали более низкую толерантность растений в обоих генотипах (34,18% и 33,52% для растений риса «F67» и «F2000» соответственно). Внекорневая подкормка фитогормонами улучшает RTI у растений, подвергшихся высокотемпературному стрессу. Этот эффект был более выражен у растений «F2000», опрысканных CC, у которых RTI составил 97,69. С другой стороны, существенные различия наблюдались только в индексе напряжения текучести (CSI) растений риса в условиях стресса от опрыскивания листового фактора (P ≤ 0,01) (рис. 2B). Только растения риса, подвергнутые сложному тепловому стрессу, показали самое высокое значение индекса стресса (0,816). Когда растения риса опрыскивали различными фитогормонами, индекс стресса был ниже (значения от 0,6 до 0,67). Наконец, растение риса, выращенное в оптимальных условиях, имело значение 0,138.
Рисунок 2. Влияние комбинированного теплового стресса (40°/30°C днем/ночью) на температуру полога (A), индекс относительной толерантности (RTI) (B) и индекс стресса урожая (CSI) (C) двух видов растений. Коммерческие генотипы риса (F67 и F2000) подвергались различным тепловым обработкам. Обработки, оцениваемые для каждого генотипа, включали: абсолютный контроль (AC), контроль теплового стресса (SC), тепловой стресс + ауксин (AUX), тепловой стресс + гиббереллин (GA), тепловой стресс + клеточный митоген (CK) и тепловой стресс + брассиностероид. (BR). Комбинированный тепловой стресс подразумевает воздействие на растения риса высоких дневных/ночных температур (40°/30°C днем/ночью). Каждый столбец представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка пяти точек данных (n = 5). Столбцы, за которыми следуют разные буквы, указывают на статистически значимые различия в соответствии с тестом Тьюки (P ≤ 0,05). Буквы со знаком равенства указывают на то, что среднее значение статистически незначимо (≤ 0,05).
Анализ главных компонент (PCA) показал, что переменные, оцененные при 55 DAE, объясняли 66,1% физиологических и биохимических реакций растений риса, подвергшихся тепловому стрессу и обработанных спреем регулятора роста (рис. 3). Векторы представляют переменные, а точки представляют регуляторы роста растений (GR). Векторы gs, содержания хлорофилла, максимальной квантовой эффективности PSII (Fv/Fm) и биохимических параметров (TChl, MDA и пролин) находятся под близким углом к началу координат, что указывает на высокую корреляцию между физиологическим поведением растений и их. переменной. Одна группа (V) включала проростки риса, выращенные при оптимальной температуре (AT), и растения F2000, обработанные CK и BA. В то же время большинство растений, обработанных GR, образовали отдельную группу (IV), а обработка GA в F2000 образовала отдельную группу (II). Напротив, проростки риса, подвергшиеся тепловому стрессу (группы I и III) без какой-либо внекорневой обработки фитогормонами (оба генотипа были SC), располагались в зоне, противоположной группе V, что демонстрирует влияние теплового стресса на физиологию растений.
Рисунок 3. Биграфический анализ эффектов комбинированного теплового стресса (40°/30°C день/ночь) на растениях двух генотипов риса (F67 и F2000) на 55 день после появления всходов (DAE). Сокращения: AC F67, абсолютный контроль F67; SC F67, контроль теплового стресса F67; AUX F67, тепловой стресс + ауксин F67; GA F67, тепловой стресс + гиббереллин F67; CK F67, тепловой стресс + деление клеток BR F67, тепловой стресс + брассиностероид. F67; AC F2000, абсолютный контроль F2000; SC F2000, контроль теплового стресса F2000; AUX F2000, тепловой стресс + ауксин F2000; GA F2000, тепловой стресс + гиббереллин F2000; CK F2000, тепловой стресс + цитокинин, BR F2000, тепловой стресс + латунь-стероид; F2000.
Такие переменные, как содержание хлорофилла, устьичная проводимость, соотношение Fv/Fm, CSI, MDA, RTI и содержание пролина, могут помочь понять адаптацию генотипов риса и оценить влияние агрономических стратегий в условиях теплового стресса (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Целью этого эксперимента была оценка влияния применения четырех регуляторов роста на физиологические и биохимические параметры проростков риса в условиях сложного теплового стресса. Тестирование проростков является простым и быстрым методом одновременной оценки растений риса в зависимости от размера или состояния доступной инфраструктуры (Sarsu et al. 2018). Результаты этого исследования показали, что комбинированный тепловой стресс вызывает различные физиологические и биохимические реакции в двух генотипах риса, что указывает на процесс адаптации. Эти результаты также указывают на то, что опрыскивание листовыми регуляторами роста (в основном цитокининами и брассиностероидами) помогает рису адаптироваться к сложному тепловому стрессу, поскольку благоприятное воздействие в основном влияет на gs, RWC, соотношение Fv/Fm, фотосинтетические пигменты и содержание пролина.
Применение регуляторов роста помогает улучшить водный статус растений риса в условиях теплового стресса, что может быть связано с более высоким стрессом и более низкими температурами растительного полога. Это исследование показало, что среди растений «F2000» (восприимчивый генотип) растения риса, обработанные в первую очередь CK или BR, имели более высокие значения gs и более низкие значения PCT, чем растения, обработанные SC. Предыдущие исследования также показали, что gs и PCT являются точными физиологическими индикаторами, которые могут определять адаптивную реакцию растений риса и влияние агрономических стратегий на тепловой стресс (Restrepo-Diaz и Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero). -Carr DeLong et al., 2021). Листовые CK или BR усиливают g в условиях стресса, поскольку эти растительные гормоны могут способствовать открытию устьиц посредством синтетических взаимодействий с другими сигнальными молекулами, такими как АБК (стимулятор закрытия устьиц при абиотическом стрессе) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). 2013). ). , 2014). Открытие устьиц способствует охлаждению листьев и помогает снизить температуру полога (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). По этим причинам температура полога растений риса, опрысканных CK или BR, может быть ниже при комбинированном тепловом стрессе.
Высокий температурный стресс может снизить содержание фотосинтетических пигментов в листьях (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). В этом исследовании, когда растения риса находились в условиях теплового стресса и не опрыскивались какими-либо регуляторами роста растений, фотосинтетические пигменты имели тенденцию к снижению в обоих генотипах (таблица 2). Feng et al. (2013) также сообщили о значительном снижении содержания хлорофилла в листьях двух генотипов пшеницы, подвергшихся тепловому стрессу. Воздействие высоких температур часто приводит к снижению содержания хлорофилла, что может быть связано со снижением биосинтеза хлорофилла, деградацией пигментов или их совместным действием при тепловом стрессе (Fahad et al., 2017). Однако растения риса, обработанные в основном CK и BA, увеличили концентрацию фотосинтетических пигментов листьев при тепловом стрессе. Аналогичные результаты были также получены Jespersen и Huang (2015) и Suchsagunpanit et al. (2015), которые наблюдали увеличение содержания хлорофилла в листьях после применения зеатина и эпибрассиностероидных гормонов у полевицы и риса, подвергшихся тепловому стрессу, соответственно. Разумным объяснением того, почему CK и BR способствуют увеличению содержания хлорофилла в листьях при комбинированном тепловом стрессе, является то, что CK может усиливать инициацию устойчивой индукции промоторов экспрессии (таких как промотор, активирующий старение (SAG12) или промотор HSP18) и снижать потерю хлорофилла в листьях. , задерживать старение листьев и повышать устойчивость растений к теплу (Liu et al., 2020). BR может защищать хлорофилл листьев и увеличивать содержание хлорофилла листьев, активируя или индуцируя синтез ферментов, участвующих в биосинтезе хлорофилла в условиях стресса (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Наконец, два фитогормона (CK и BR) также способствуют экспрессии белков теплового шока и улучшают различные процессы метаболической адаптации, такие как усиление биосинтеза хлорофилла (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Параметры флуоресценции хлорофилла a обеспечивают быстрый и неразрушающий метод, который может оценить устойчивость растений или адаптацию к условиям абиотического стресса (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Такие параметры, как соотношение Fv/Fm, использовались в качестве индикаторов адаптации растений к стрессовым условиям (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). В этом исследовании растения SC показали самые низкие значения этой переменной, в основном растения риса «F2000». Yin et al. (2010) также обнаружили, что соотношение Fv/Fm самых высококустистых листьев риса значительно снижалось при температурах выше 35 °C. По данным Feng et al. (2013), более низкое отношение Fv/Fm при тепловом стрессе указывает на то, что скорость захвата и преобразования энергии возбуждения реакционным центром ФСII снижается, что указывает на то, что реакционный центр ФСII распадается при тепловом стрессе. Это наблюдение позволяет нам сделать вывод, что нарушения в фотосинтетическом аппарате более выражены у чувствительных сортов (Fedearroz 2000), чем у устойчивых сортов (Fedearroz 67).
Использование CK или BR в целом повышало производительность PSII в условиях сложного теплового стресса. Аналогичные результаты были получены Suchsagunpanit et al. (2015), которые наблюдали, что применение BR повышало эффективность PSII в условиях теплового стресса у риса. Kumar et al. (2020) также обнаружили, что растения нута, обработанные CK (6-бензиладенином) и подвергнутые тепловому стрессу, увеличивали соотношение Fv/Fm, делая вывод, что внекорневое применение CK путем активации цикла пигмента зеаксантина способствовало активности PSII. Кроме того, опрыскивание листьев BR способствовало фотосинтезу PSII в условиях комбинированного стресса, указывая на то, что применение этого фитогормона приводило к снижению рассеивания энергии возбуждения антенн PSII и способствовало накоплению небольших белков теплового шока в хлоропластах (Ogweno et al. 2008; Kothari and Lachowitz ). , 2021).
Содержание МДА и пролина часто увеличивается, когда растения подвергаются абиотическому стрессу по сравнению с растениями, выращенными в оптимальных условиях (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Предыдущие исследования также показали, что уровни МДА и пролина являются биохимическими индикаторами, которые можно использовать для понимания процесса адаптации или влияния агрономических приемов на рис при высоких дневных или ночных температурах (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al. . , 2021). Эти исследования также показали, что содержание МДА и пролина, как правило, выше у растений риса, подвергавшихся воздействию высоких температур ночью или днем соответственно. Однако опрыскивание листьев CK и BR способствовало снижению уровня МДА и повышению уровня пролина, в основном в толерантном генотипе (Federroz 67). Спрей CK может способствовать сверхэкспрессии цитокининоксидазы/дегидрогеназы, тем самым увеличивая содержание защитных соединений, таких как бетаин и пролин (Liu et al., 2020). BR способствует индукции осмопротекторов, таких как бетаин, сахара и аминокислоты (включая свободный пролин), поддерживая клеточный осмотический баланс во многих неблагоприятных условиях окружающей среды (Kothari and Lachowiec, 2021).
Индекс стресса растений (CSI) и индекс относительной толерантности (RTI) используются для определения того, помогают ли оцениваемые обработки смягчить различные стрессы (абиотические и биотические) и оказывают ли они положительное влияние на физиологию растений (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). Значения CSI могут варьироваться от 0 до 1, представляя нестрессовые и стрессовые условия соответственно (Lee et al., 2010). Значения CSI растений, подвергшихся тепловому стрессу (SC), варьировались от 0,8 до 0,9 (рисунок 2B), что указывает на то, что растения риса были негативно затронуты комбинированным стрессом. Однако опрыскивание листьев BC (0,6) или CK (0,6) в основном приводило к снижению этого показателя в условиях абиотического стресса по сравнению с растениями риса SC. У растений F2000 RTI показал более высокий рост при использовании CA (97,69%) и BC (60,73%) по сравнению с SA (33,52%), что указывает на то, что эти регуляторы роста растений также способствуют улучшению реакции риса на толерантность к составу. Перегрев. Эти индексы были предложены для управления стрессовыми условиями у разных видов. Исследование, проведенное Ли и др. (2010), показало, что CSI двух сортов хлопка при умеренном водном стрессе составил около 0,85, тогда как значения CSI хорошо орошаемых сортов варьировались от 0,4 до 0,6, что делает вывод о том, что этот индекс является индикатором адаптации сортов к воде. стрессовых условиях. Более того, Чавес-Ариас и др. (2020) оценили эффективность синтетических элиситоров в качестве комплексной стратегии управления стрессом у растений C. elegans и обнаружили, что растения, опрысканные этими соединениями, показали более высокий RTI (65%). Исходя из вышеизложенного, CK и BR можно рассматривать как агрономические стратегии, направленные на повышение устойчивости риса к сложному тепловому стрессу, поскольку эти регуляторы роста растений вызывают положительные биохимические и физиологические реакции.
В последние несколько лет исследования риса в Колумбии были сосредоточены на оценке генотипов, устойчивых к высоким дневным или ночным температурам, с использованием физиологических или биохимических признаков (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). Однако в последние несколько лет анализ практических, экономичных и прибыльных технологий стал все более важным для предложения интегрированного управления урожаем для улучшения последствий сложных периодов теплового стресса в стране (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). Таким образом, физиологические и биохимические реакции растений риса на сложный тепловой стресс (40 °C днем/30 °C ночью), наблюдаемые в этом исследовании, позволяют предположить, что опрыскивание листьев CK или BR может быть подходящим методом управления урожаем для смягчения неблагоприятных последствий. Влияние периодов умеренного теплового стресса. Эти обработки улучшили толерантность обоих генотипов риса (низкий CSI и высокий RTI), продемонстрировав общую тенденцию в физиологических и биохимических реакциях растений при комбинированном тепловом стрессе. Основной реакцией растений риса было снижение содержания GC, общего хлорофилла, хлорофиллов α и β и каротиноидов. Кроме того, растения страдают от повреждения PSII (снижение параметров флуоресценции хлорофилла, таких как отношение Fv/Fm) и повышенного перекисного окисления липидов. С другой стороны, когда рис обрабатывали CK и BR, эти негативные эффекты были смягчены, а содержание пролина увеличилось (рис. 4).
Рисунок 4. Концептуальная модель эффектов комбинированного теплового стресса и внекорневой обработки регулятором роста растений на растениях риса. Красные и синие стрелки указывают на отрицательные или положительные эффекты взаимодействия между тепловым стрессом и внекорневой обработкой BR (брассиностероид) и CK (цитокинин) на физиологические и биохимические реакции соответственно. gs: устьичная проводимость; Total Chl: общее содержание хлорофилла; Chl α: содержание хлорофилла β; Cx+c: содержание каротиноидов;
Подводя итог, физиологические и биохимические реакции в этом исследовании указывают на то, что растения риса Fedearroz 2000 более восприимчивы к периоду сложного теплового стресса, чем растения риса Fedearroz 67. Все регуляторы роста, оцененные в этом исследовании (ауксины, гиббереллины, цитокинины или брассиностероиды), продемонстрировали некоторую степень снижения комбинированного теплового стресса. Однако цитокинин и брассиностероиды вызвали лучшую адаптацию растений, поскольку оба регулятора роста растений увеличили содержание хлорофилла, параметры флуоресценции альфа-хлорофилла, gs и RWC по сравнению с растениями риса без какого-либо применения, а также снизили содержание МДА и температуру полога. Подводя итог, мы приходим к выводу, что использование регуляторов роста растений (цитокининов и брассиностероидов) является полезным инструментом в управлении стрессовыми условиями у рисовых культур, вызванными сильным тепловым стрессом в периоды высоких температур.
Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью, дополнительные запросы можно направлять автору, имеющему отношение к статье.
Время публикации: 08-08-2024