Регуляторы роста растений использовались в качестве стратегии для снижения теплового стресса у различных культур.

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 растениями 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 увеличивало общее содержание хлорофилла у обоих сортов (сырой вес растений риса «F67» и «F2000» составлял 3,25 и 3,65 мг/г соответственно) по сравнению с растениями SC (сырой вес растений «F67» составлял 2,36 и 2,56 мг). г-1)» и риса «F2000», внекорневая подкормка CK также в целом улучшала устьичную проводимость растений риса «F2000» (499,25 против 150,60 ммоль м-2 с) по сравнению с контролем с тепловым стрессом. При тепловом стрессе температура кроны растения снижается на 2–3 °C, а содержание МДА в растениях уменьшается. Индекс относительной толерантности показывает, что внекорневая обработка CK (97,69%) и BR (60,73%) может помочь смягчить проблему комбинированного теплового стресса, особенно у растений риса F2000. В заключение, внекорневую обработку BR или CK можно рассматривать как агрономическую стратегию, способствующую снижению негативного воздействия комбинированного теплового стресса на физиологическое поведение растений риса.
Рис (Oryza sativa) относится к семейству злаковых и является одним из самых культивируемых злаковых культур в мире наряду с кукурузой и пшеницей (Bajaj and Mohanty, 2005). Площадь посевов риса составляет 617 934 га, а его 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 вызывает повышение глобальной температуры; Прогнозируется, что температура повысится 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 снижается 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, явления изменчивости, такие 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 повысится 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 выращивается в регионах с температурой, близкой к оптимальной для роста растений (Шах и др., 2011). Сообщается, что оптимальные средние дневные и ночные температуры длярост и развитие рисаОбычно температура составляет 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 обусловлено 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 у растений риса, поскольку скорость фотосинтеза снижается на 50%, когда суточная температура превышает 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 ингибирование 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, соотношение 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).
Было оценено использование регуляторов роста растений (ГР) для смягчения негативных последствий теплового стресса, поскольку эти вещества активно участвуют в реакциях растений или физиологических защитных механизмах от такого стресса (Peleg и 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 сельскохозяйственных культур. Исследования показали, что фитогормоны, такие как гиббереллины (ГА), цитокинины (ЦК), ауксины (АУКС) или брассиностероиды (БР), приводят к увеличению различных физиологических и биохимических переменных (Peleg и 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 до конца не изучены. Однако предыдущее исследование показало, что опрыскивание листьев BR может повысить устойчивость риса за счёт 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 внесение ЦК может уменьшить тепловое повреждение. Например, экзогенное внесение зеатина увеличивало скорость фотосинтеза, содержание хлорофиллов 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 внесение зеатина также может улучшать антиоксидантную активность, усиливать синтез различных белков, снижать повреждение активными формами кислорода (АФК) и продукцию малонового диальдегида (МДА) в тканях растений (Чернядьев, 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 к условиям высоких температур (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Абдель-Наби и др. (2020) обнаружили, что опрыскивание листьев экзогенной ГА (25 или 50 мг*л) может увеличить скорость фотосинтеза и антиоксидантную активность у растений апельсина, подвергшихся тепловому стрессу, по сравнению с контрольными растениями. Также было отмечено, что экзогенное внесение ГК 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 высокие температуры (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 уровня МДА в растениях из-за снижения перекисного окисления липидов (Bielach et al., 2017). Сергеев и соавторы (2018) наблюдали, что у растений 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 — ещё один класс регуляторов роста, используемых для смягчения последствий теплового стресса. Огвено и др. (2008) сообщили, что экзогенное распыление БР увеличивало чистую скорость фотосинтеза, устьичную проводимость и максимальную скорость карбоксилирования Рубиско у растений томата (Solanum lycopersicum) при тепловом стрессе в течение 8 дней. Опрыскивание листьев эпибрассиностероидами может увеличивать чистую скорость фотосинтеза у растений огурца (Cucumis sativus) при тепловом стрессе (Yu et al., 2004). Кроме того, экзогенное внесение БР задерживает деградацию хлорофилла и увеличивает эффективность использования воды и максимальный квантовый выход фотохимии ФСII 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, содержание хлорофилла 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 опрыскиваний риса на местном уровне остаются редкими. Поэтому изучение физиологических и биохимических реакций на применение регуляторов роста растений имеет большое значение для предложения практических агрономических стратегий для этого. устранения негативных последствий периода сложного теплового стресса у риса. Поэтому целью данного исследования была оценка физиологических (устьичная проводимость, параметры флуоресценции хлорофилла и относительное содержание воды) и биохимических эффектов листовой подкормки 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 и ночные температуры).
В данном исследовании были проведены два независимых эксперимента. Впервые были использованы генотипы Federrose 67 (F67: генотип, выведенный в условиях высоких температур в течение последнего десятилетия) и Federrose 2000 (F2000: генотип, выведенный в последнее десятилетие XX века и проявляющий устойчивость к вирусу белой листовой ржавчины). Оба генотипа широко культивируются колумбийскими фермерами. Семена высевали в 10-литровые лотки (длина 39,6 см, ширина 28,8 см, высота 16,8 см) с супесчаной почвой 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 Боготы (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) были проведены 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 воздуха 60~80 %, естественный фотопериод 12 часов (фотосинтетически активная радиация 1500 мкмоль (фотонов) м-2 с-). 1 в полдень). Растения удобряли 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 до 47 DAE 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 (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
В каждом эксперименте проводили два отдельных применения регулятора роста листьев. Первая серия опрыскиваний фитогормонами листьев была проведена за 5 дней до воздействия теплового стресса (42 DAE) для подготовки растений к стрессовым факторам окружающей среды. Вторая обработка листьев проводилась через 5 дней после воздействия на растения стрессовых условий (52 DAE). Были использованы четыре фитогормона, и свойства каждого активного ингредиента, распыляемого в данном 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 M (iv) Брассиностероиды [спиростан-6-он, 3,5-дигидрокси-, (3b,5a,25R)] 5 × 10-5; M. Эти концентрации были выбраны, потому что они вызывают положительные ответы 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 по листьям использовался сельскохозяйственный адъювант (Agrotin, Bayer CropScience, Колумбия) в концентрации 0,1% (об./об.). Расстояние между горшком и распылителем — 30 см.
Тепловая обработка 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 тепловая обработка 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). Стрессовая температура 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°С днем/25°С ночью) в течение 8 дней подряд.
В конце эксперимента были получены следующие группы обработки: (i) условия температуры роста + внесение дистиллированной воды [Абсолютный контроль (AC)], (ii) условия теплового стресса + внесение дистиллированной воды [Контроль теплового стресса (SC)], (iii) условия условия теплового стресса + внесение ауксина (AUX), (iv) условия теплового стресса + внесение гиббереллина (GA), (v) условия теплового стресса + внесение цитокинина (CK) и (vi) условия теплового стресса + внесение брассиностероида (BR) Аппликация. Эти группы обработки использовались для двух генотипов (F67 и F2000). Все обработки проводились по полностью рандомизированному дизайну 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 (устьичная проводимость) измерялась с помощью портативного порозометра (SC-1, METER Group Inc., США) в диапазоне от 0 до 1000 ммоль м-2 с-1 с ​​диаметром апертуры камеры для образцов 6,35 мм. Измерения проводились путём прикрепления зонда стомаметра к зрелому листу при полностью развившемся главном побеге растения. Для каждого варианта измерения устьичной проводимости снимались с трёх листьев каждого растения в период с 11:00 до 16:00 и усреднялись.
ОСВ определяли по методу, описанному Гуламом и соавторами (2002). Полностью развёрнутый лист, используемый для определения g, также использовался для измерения ОСВ. Сырой вес (СВ) определяли сразу после сбора с помощью цифровых весов. Затем листья помещали в пластиковый контейнер с водой и оставляли в темноте при комнатной температуре (22 °C) на 48 часов. Затем взвешивали на цифровых весах и записывали развёрнутый вес (СВ). Развёрнутые листья сушили в духовке при температуре 75 °C в течение 48 часов, после чего измеряли их сухой вес (СВ).
Относительное содержание хлорофилла определяли с помощью хлорофиллметра (atLeafmeter, FT Green LLC, США) и выражали в единицах atLeaf (Dey et al., 2016). Максимальные значения квантовой эффективности ФСII (соотношение Fv/Fm) регистрировали с помощью хлорофиллфлуориметра непрерывного возбуждения (Handy PEA, Hansatech Instruments, Великобритания). Листья адаптировали к темноте с помощью листовых зажимов в течение 20 минут перед измерением Fv/Fm (Restrepo-Diaz и Garces-Varon, 2013). После акклиматизации листьев к темноте измеряли базовую интенсивность (F0) и максимальную флуоресценцию (Fm). На основании 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 значения хлорофилла и флуоресценции хлорофилла измеряли на тех же листьях, что и для измерений gs.
Для биохимических исследований было собрано около 800 мг сырой массы листьев. Образцы листьев гомогенизировали в жидком азоте и сохраняли для дальнейшего анализа. Спектрометрический метод, используемый для оценки содержания хлорофиллов a, b и каротиноидов в тканях, основан на методе и уравнениях, описанных Уэллберном (1994). Образцы листовой ткани (30 мг) собирали и гомогенизировали в 3 мл 80% ацетона. Затем образцы центрифугировали (модель 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, США) при 5000 об/мин в течение 10 минут для удаления частиц. Надосадочную жидкость разбавляли до конечного объема 6 мл, добавляя 80% ацетон (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).
Для оценки перекисного окисления липидов мембран (МДА) использовали метод с тиобарбитуровой кислотой (ТБК), описанный Ходжесом и соавторами (1999). Примерно 0,3 г листовой ткани также гомогенизировали в жидком азоте. Образцы центрифугировали при 5000 об/мин и измеряли поглощение на спектрофотометре при 440, 532 и 600 нм. Концентрацию МДА рассчитывали по коэффициенту экстинкции (157 М мл−1).
Содержание пролина во всех вариантах обработки определяли по методу, описанному Бейтсом и соавторами (1973). К хранящемуся образцу добавляли 10 мл 3%-ного водного раствора сульфосалициловой кислоты и фильтровали через фильтровальную бумагу Whatman (№ 2). Затем 2 мл этого фильтрата вводили в реакцию с 2 мл нингидриновой кислоты и 2 мл ледяной уксусной кислоты. Смесь помещали на водяную баню при температуре 90 °C на 1 час. Остановили реакцию инкубацией на льду. Энергично встряхивали пробирку на вихревом шейкере и растворяли полученный раствор в 4 мл толуола. Показания поглощения определяли при длине волны 520 нм с использованием того же спектрофотометра, который использовался для количественного определения фотосинтетических пигментов (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, США).
Метод, описанный Герхардсом и соавторами (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 референтных моделей рассматривались два растения. Растения были помещены на белую поверхность; одно было покрыто сельскохозяйственным адъювантом (Agrotin, Bayer CropScience, Богота, Колумбия) для имитации открытия всех устьиц [влажный режим (Twet)], а другое представляло собой лист без какого-либо нанесения [сухой режим (Tdry)] (Castro-Duque и соавторы, 2020). Расстояние между камерой и горшком во время съемки составляло 1 м.
Индекс относительной толерантности рассчитывался косвенно, используя устьичную проводимость (устьичная проводимость) обработанных растений в сравнении с контрольными растениями (растениями без стрессовых воздействий и с применением регуляторов роста), для определения толерантности обработанных генотипов, оцениваемых в данном исследовании. Индекс относительной толерантности (RTI) рассчитывался с использованием уравнения, адаптированного из работы Чавес-Ариас и др. (2020).
В каждом эксперименте все упомянутые выше физиологические параметры определялись и регистрировались при температуре 55 DAE с использованием полностью распустившихся листьев, собранных с верхней части кроны. Кроме того, измерения проводились в вегетационной камере, чтобы избежать изменения условий окружающей среды, в которых произрастают растения.
Данные первого и второго экспериментов анализировались совместно 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 значимых различий использовался апостериорный сравнительный тест Тьюки при P ≤ 0,05. Для преобразования процентных значений использовалась функция арксинуса. Данные анализировались с помощью программного обеспечения Statistix v 9.0 (Analytical Software, Таллахасси, Флорида, США) и строились в виде графиков с помощью SigmaPlot (версия 10.0; Systat Software, Сан-Хосе, Калифорния, США). Анализ главных компонентов проводился с помощью программного обеспечения InfoStat 2016 (Analysis Software, Национальный университет Кордовы, Аргентина) для выявления наилучших изучаемых регуляторов роста растений.
В таблице 1 представлены результаты дисперсионного анализа (ANOVA), показывающие эксперименты, различные варианты обработки и их взаимодействие с фотосинтетическими пигментами листьев (хлорофиллами a, b, общими и каротиноидами), содержанием малонового диальдегида (МДА) и пролина, а также устьичной проводимостью. Влияние gs, относительного содержания воды (RWC), содержания хлорофилла, параметров флуоресценции хлорофилла альфа, температуры кроны (PCT) (°C), индекса стресса культуры (CSI) и индекса относительной 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 вариантами обработки показаны в таблице 2. Высокие дневные и ночные температуры увеличивали общее содержание хлорофилла и каротиноидов. Проростки риса без опрыскивания листьев фитогормонами (2,36 мг/г для «F67» и 2,56 мг/г для «F2000») по сравнению с растениями, выращенными в оптимальных температурных условиях (2,67 мг/г)), показали более низкое общее содержание хлорофилла. В обоих экспериментах «F67» составило 2,80 мг/г, а «F2000» — 2,80 мг/г. Кроме того, в условиях теплового стресса у проростков риса, обработанных комбинацией AUX и GA, также наблюдалось снижение содержания хлорофилла у обоих генотипов (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 у обоих генотипов. Наконец, опрыскивание листьев CK показало самые высокие значения фотосинтетических пигментов среди всех обработок (обработки AUX, GA, BR, SC и AC) у генотипов 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 у обоих генотипов (41,66 для «F67» и 49,30 для «F2000»). Отношения 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. Отношения Fv и Fv/Fm пострадали больше во втором эксперименте. У стрессированных сеянцев «F2000», не обрабатывавшихся фитогормонами, наблюдались самые низкие значения Fv (2120,15) и соотношения Fv/Fm (0,59), однако опрыскивание листьев CK способствовало восстановлению этих значений (Fv: 2591, 89, соотношение Fv/Fm: 0,73). , получая показания, аналогичные показаниям, полученным у растений «F2000», выращенных в оптимальных температурных условиях (Fv: 2955,35, соотношение Fv/Fm: 0,73:0,72). Не было выявлено 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), максимальный фотохимический 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 некорневой обработкой (рис. 1A). При обработке СК 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, некорневые 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 некорневой 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 зарегистрировало 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 день/ночь) 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 были оценены 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 критерием 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 значительно различалось во взаимодействии между экспериментом и обработкой фитогормонами (рис. 1C, D). Усиление перекисного окисления липидов наблюдалось при обработке СК у обоих генотипов (рис. 1C), однако у растений, обработанных регулятором роста листьев, наблюдалось снижение перекисного окисления липидов у обоих генотипов. В целом, применение фитогормонов (CA, AUC, BR или GA) приводит к снижению перекисного окисления липидов (содержания МДА). Не было обнаружено никаких различий между растениями AC двух генотипов и растениями, подвергшимися тепловому стрессу и обработанными фитогормонами (наблюдаемые значения FW у растений «F67» варьировались от 4,38 до 6,77 мкмоль г-1, а у растений FW «F2000» наблюдаемые значения варьировались 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 привело к увеличению продукции пролина. у растений риса, подвергшихся тепловому стрессу, в обоих экспериментах было замечено, что введение этих гормонов значительно увеличило содержание аминокислот в растениях F2000 (AUX и BR составили 30,44 и 18,34 мкмоль г-1) соответственно (рис. 1G).
Эффекты опрыскивания регулятором роста растений по листу и комбинированного теплового стресса на температуру полога растений и индекс относительной толерантности (RTI) показаны на рисунках 2А и В. Для обоих генотипов температура полога растений AC была близка к 27 ° C, а у растений SC - около 28 ° C. Было также отмечено, что обработка листьев CK и BR привела к снижению температуры полога на 2-3 ° C по сравнению с растениями SC (рисунок 2А). RTI продемонстрировал сходное поведение с другими физиологическими переменными, показав значительные различия (P ≤ 0,01) во взаимодействии между экспериментом и обработкой (рисунок 2В). Растения SC показали более низкую толерантность растений в обоих генотипах (34,18% и 33,52% для растений риса «F67» и «F2000» соответственно). Некорневая 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, значимые различия наблюдались только в индексе напряжения текучести (CSI) растений риса в условиях стресса от опрыскивания по листовому фактору (P ≤ 0,01) (рис. 2B). Только растения риса, подвергнутые сложному тепловому стрессу, показали самое высокое значение индекса напряжения стресса (0,816). При опрыскивании растений риса различными фитогормонами индекс напряжения 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 день/ночь) на температуру полога (A), индекс относительной толерантности (RTI) (B) и индекс стресса культуры (CSI) (C) двух видов растений. Коммерческие генотипы риса (F67 и F2000) подвергались различным тепловым обработкам. 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). Комбинированный тепловой стресс включает в себя воздействие на растения риса высоких дневных/ночных температур (40°/30°C день/ночь). 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 критерием 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 регулятором роста (рис. 3). Векторы представляют переменные, а точки представляют регуляторы роста растений (GR). Векторы gs, содержания хлорофилла, максимальной квантовой эффективности ФСII (Fv/Fm) и биохимических параметров (TChl, MDA и пролина) 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 + латунный 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 данного 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 данного исследования показали, что комбинированный тепловой стресс вызывает различные физиологические и биохимические реакции у двух генотипов риса, что указывает на процесс адаптации. Эти результаты также свидетельствуют о том, что опрыскивание регуляторами роста листьев (в основном цитокининами и брассиностероидами) помогает рису адаптироваться к сложному тепловому стрессу, поскольку благоприятное воздействие в основном оказывает 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 и др., 2018; Quintero). -Carr DeLong и др., 2021). Листовые CK или BR усиливают g в условиях стресса, поскольку эти фитогормоны 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 листового полога (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). По этим причинам температура листового полога растений риса, опрысканных CK или BR, может быть ниже при комбинированном тепловом стрессе.
Высокотемпературный 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 у обоих генотипов (таблица 2). Feng et al. (2013) также сообщили о значительном снижении содержания хлорофилла в листьях двух генотипов пшеницы, подвергнутых тепловому стрессу. Воздействие высоких температур часто приводит к снижению содержания хлорофилла, что может быть связано со снижением биосинтеза хлорофилла, деградацией пигментов или их комбинированным действием при тепловом стрессе (Fahad et al., 2017). Однако растения риса, обработанные в основном ЦК и БА, увеличили концентрацию фотосинтетических пигментов в листьях 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 стрессовых условиях (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Наконец, два фитогормона (CK и BR) также стимулируют экспрессию 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 абиотическим стрессовым условиям (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, преимущественно 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 снижение скорости захвата и преобразования энергии возбуждения реакционным центром ФСII, что указывает на разрушение реакционного центра ФСII при тепловом стрессе. Это наблюдение позволяет сделать вывод о том, что нарушения в фотосинтетическом аппарате более выражены у чувствительных сортов (Fedearroz, 2000), чем у устойчивых сортов (Fedearroz, 67).
Использование CK или BR в целом усиливало производительность PSII в условиях сложного теплового стресса. Аналогичные результаты были получены в работе 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 внекорневая обработка CK путем активации цикла пигментации зеаксантина стимулировала активность PSII. Кроме того, опрыскивание листьев BR способствовало фотосинтезу PSII в условиях комбинированного стресса, что указывает на то, что применение этого фитогормона приводило к снижению рассеивания энергии возбуждения антенн PSII и способствовало накоплению малых 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, выращиваемыми 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 рисе 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 у толерантного генотипа (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 культуры (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 композиции. Перегрев. Эти индексы были предложены для управления стрессовыми условиями у разных видов. Исследование, проведенное Ли и др. (2010), показало, что CSI двух сортов хлопчатника при умеренном водном стрессе составлял 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. стрессовым условиям. Кроме 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, демонстрировали более высокий RTI (65%). На основании 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, экономических и прибыльных технологий стал все более важным для предложения интегрированного управления сельскохозяйственными культурами с целью 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 сельскохозяйственными культурами для смягчения неблагоприятных последствий. Влияние периодов умеренного теплового стресса. Эти обработки улучшили устойчивость обоих генотипов риса (с низким CSI и высоким RTI), продемонстрировав общую тенденцию в физиологических и биохимических реакциях растений на комбинированный тепловой стресс. Основной реакцией растений риса было снижение содержания ГЦ, общего хлорофилла, хлорофиллов α и β и каротиноидов. Кроме того, растения страдают от повреждения ФСII (снижение параметров флуоресценции хлорофилла, таких как соотношение Fv/Fm) и повышенного перекисного окисления липидов. С другой стороны, при обработке риса ЦК и БР эти негативные эффекты были смягчены, а содержание пролина увеличилось (рис. 4).
Рисунок 4. Концептуальная модель воздействия комбинированного теплового стресса и внекорневой обработки регулятором роста растений на растения риса. Красные и синие стрелки указывают на отрицательное или положительное влияние взаимодействия теплового стресса и внекорневой обработки BR (брассиностероидом) и CK (цитокинином) 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, можно сказать, что 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 комбинированного снижения теплового стресса. Однако цитокинин и брассиностероиды вызывали лучшую адаптацию растений, поскольку оба регулятора роста растений увеличивали содержание хлорофилла, параметры флуоресценции альфа-хлорофилла, gs и RWC по сравнению с растениями риса без какого-либо применения, а также снижали 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, дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.