Регуляторы роста растений (PGR)являются экономически эффективным способом повышения защиты растений в условиях стресса. В этом исследовании изучалась способность двухГРР, тиомочевина (TU) и аргинин (Arg) для смягчения солевого стресса у пшеницы. Результаты показали, что TU и Arg, особенно при совместном использовании, могут регулировать рост растений в условиях солевого стресса. Их обработка значительно увеличила активность антиоксидантных ферментов, одновременно снизив уровни активных форм кислорода (ROS), малонового диальдегида (MDA) и относительной утечки электролитов (REL) в проростках пшеницы. Кроме того, эти обработки значительно снизили концентрации Na+ и Ca2+ и соотношение Na+/K+, при этом значительно увеличили концентрацию K+, тем самым поддерживая ионно-осмотический баланс. Что еще более важно, TU и Arg значительно увеличили содержание хлорофилла, чистую скорость фотосинтеза и скорость газообмена проростков пшеницы в условиях солевого стресса. TU и Arg, используемые по отдельности или в комбинации, могли увеличить накопление сухого вещества на 9,03–47,45%, и наибольший рост был при их совместном использовании. В заключение, данное исследование подчёркивает, что поддержание окислительно-восстановительного гомеостаза и ионного баланса важно для повышения устойчивости растений к солевому стрессу. Кроме того, ТУ и аргинин были рекомендованы в качестве потенциальныхрегуляторы роста растений,особенно при совместном использовании для повышения урожайности пшеницы.
Быстрые изменения климата и методов ведения сельского хозяйства усиливают деградацию сельскохозяйственных экосистем1. Одним из наиболее серьезных последствий является засоление земель, которое угрожает глобальной продовольственной безопасности2. В настоящее время засоление затрагивает около 20% пахотных земель во всем мире, и к 2050 году этот показатель может увеличиться до 50%3. Солево-щелочной стресс может вызывать осмотический стресс в корнях сельскохозяйственных культур, что нарушает ионный баланс в растении4. Такие неблагоприятные условия также могут приводить к ускоренному распаду хлорофилла, снижению скорости фотосинтеза и метаболическим нарушениям, что в конечном итоге приводит к снижению урожайности растений5,6. Более того, распространенным серьезным последствием является повышенное образование активных форм кислорода (АФК), которые могут вызывать окислительное повреждение различных биомолекул, включая ДНК, белки и липиды7.
Пшеница (Triticum aestivum) – одна из важнейших зерновых культур в мире. Это не только самая распространённая зерновая культура, но и важная коммерческая культура8. Однако пшеница чувствительна к соли, которая может подавлять её рост, нарушать физиологические и биохимические процессы и значительно снижать урожайность. Основные стратегии смягчения последствий солевого стресса включают генетическую модификацию и использование регуляторов роста растений. Генетически модифицированные организмы (ГМ) – это использование редактирования генов и других методов для создания солеустойчивых сортов пшеницы9,10. С другой стороны, регуляторы роста растений повышают солеустойчивость пшеницы, регулируя физиологические процессы и уровни связанных с солью веществ, тем самым смягчая стрессовые повреждения11. Эти регуляторы, как правило, более приемлемы и широко используются, чем трансгенные подходы. Они могут повышать устойчивость растений к различным абиотическим стрессам, таким как засоление, засуха и тяжёлые металлы, а также способствовать прорастанию семян, усвоению питательных веществ и репродуктивному росту, тем самым повышая урожайность и качество культуры. 12 Регуляторы роста растений имеют решающее значение для обеспечения роста сельскохозяйственных культур и поддержания урожайности и качества благодаря своей экологичности, простоте применения, экономической эффективности и практичности. 13 Однако, поскольку эти модуляторы имеют схожие механизмы действия, использование одного из них в отдельности может быть неэффективным. Поиск комбинации регуляторов роста, способных повысить солеустойчивость пшеницы, имеет решающее значение для селекции пшеницы в неблагоприятных условиях, повышения урожайности и обеспечения продовольственной безопасности.
Исследований, изучающих совместное применение TU и Arg, не проводилось. Неясно, может ли эта инновационная комбинация синергетически способствовать росту пшеницы в условиях солевого стресса. Поэтому целью данного исследования было определить, могут ли эти два регулятора роста синергетически смягчать неблагоприятное воздействие солевого стресса на пшеницу. С этой целью мы провели краткосрочный эксперимент с проростками пшеницы на гидропонике, чтобы изучить преимущества совместного применения TU и Arg к пшенице в условиях солевого стресса, уделяя особое внимание окислительно-восстановительному и ионному балансу растений. Мы предположили, что комбинация TU и Arg может действовать синергетически, снижая окислительные повреждения, вызванные солевым стрессом, и регулировать ионный дисбаланс, тем самым повышая солеустойчивость пшеницы.
Содержание МДА в образцах определяли методом с использованием тиобарбитуровой кислоты. Точно взвешивали 0,1 г порошка свежего образца, экстрагировали 1 мл 10%-ной трихлоруксусной кислоты в течение 10 мин, центрифугировали при 10 000 g в течение 20 мин и собирали надосадочную жидкость. Экстракт смешивали с равным объемом 0,75%-ной тиобарбитуровой кислоты и инкубировали при 100 °C в течение 15 мин. После инкубации надосадочную жидкость центрифугировали и измеряли значения оптической плотности (ОП) при 450 нм, 532 нм и 600 нм. Концентрацию МДА рассчитывали следующим образом:
Подобно трёхдневной обработке, применение Арг и Ту также значительно увеличило активность антиоксидантных ферментов проростков пшеницы при шестидневной обработке. Комбинация Ту и Арг по-прежнему была наиболее эффективной. Однако через шесть дней после обработки активность четырёх антиоксидантных ферментов при различных условиях обработки продемонстрировала тенденцию к снижению по сравнению с тремя днями после обработки (рисунок 6).
Фотосинтез является основой накопления сухого вещества в растениях и происходит в хлоропластах, которые чрезвычайно чувствительны к соли. Солевой стресс может привести к окислению плазматической мембраны, нарушению осмотического баланса клеток, повреждению ультраструктуры хлоропластов36, вызвать деградацию хлорофилла, снизить активность ферментов цикла Кальвина (включая Рубиско) и уменьшить перенос электронов от ФС II к ФС I37. Кроме того, солевой стресс может вызвать закрытие устьиц, тем самым снижая концентрацию CO2 в листьях и подавляя фотосинтез38. Наши результаты подтвердили предыдущие выводы о том, что солевой стресс снижает устьичную проводимость у пшеницы, что приводит к снижению скорости транспирации листьев и внутриклеточной концентрации CO2, что в конечном итоге приводит к снижению фотосинтетической способности и уменьшению биомассы пшеницы (рис. 1 и 3). В частности, внесение ТУ и Арг может повысить эффективность фотосинтеза растений пшеницы в условиях солевого стресса. Повышение эффективности фотосинтеза было особенно значительным при одновременном внесении ТУ и Арг (рис. 3). Это может быть связано с тем, что TU и Arg регулируют открытие и закрытие устьиц, тем самым повышая эффективность фотосинтеза, что подтверждается предыдущими исследованиями. Например, Бенкарти и соавторы обнаружили, что в условиях солевого стресса TU значительно увеличивал устьичную проводимость, скорость ассимиляции CO2 и максимальную квантовую эффективность фотохимии ФСII у Atriplex portulacoides L.39. Хотя прямых сообщений, подтверждающих способность Arg регулировать открытие и закрытие устьиц у растений, подверженных солевому стрессу, нет, Силвейра и соавторы указали, что Arg может способствовать газообмену в листьях в условиях засухи22.
Подводя итог, можно сказать, что данное исследование подчеркивает, что, несмотря на различные механизмы действия и физико-химические свойства, TU и Arg могут обеспечивать сопоставимую устойчивость к стрессу NaCl у проростков пшеницы, особенно при совместном применении. Применение TU и Arg может активировать антиоксидантную ферментативную систему защиты проростков пшеницы, снижать содержание активных форм кислорода (ROS) и поддерживать стабильность мембранных липидов, тем самым поддерживая фотосинтез и баланс Na+/K+ у проростков. Однако данное исследование также имеет ограничения; хотя синергический эффект TU и Arg был подтвержден, а его физиологический механизм в некоторой степени объяснен, более сложный молекулярный механизм остается неясным. Поэтому необходимо дальнейшее изучение синергического механизма TU и Arg с использованием транскриптомных, метаболомных и других методов.
Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, могут быть предоставлены соответствующим автором по обоснованному запросу.
Время публикации: 19 мая 2025 г.