Регуляторы роста растений (РРР)являются экономически эффективным способом повышения защитных механизмов растений в стрессовых условиях. В данном исследовании изучалась способность двух из них.PGRsТиомочевина (ТУ) и аргинин (Арг) использовались для снижения солевого стресса у пшеницы. Результаты показали, что ТУ и Арг, особенно при совместном применении, могут регулировать рост растений в условиях солевого стресса. Их обработка значительно повысила активность антиоксидантных ферментов, одновременно снижая уровни активных форм кислорода (АФК), малонового диальдегида (МДА) и относительной утечки электролитов (ОЭЭ) в ростках пшеницы. Кроме того, эти обработки значительно снизили концентрации Na+ и Ca2+ и соотношение Na+/K+, одновременно значительно повысив концентрацию K+, тем самым поддерживая ионно-осмотический баланс. Что еще более важно, ТУ и Арг значительно увеличили содержание хлорофилла, чистую скорость фотосинтеза и скорость газообмена ростков пшеницы в условиях солевого стресса. ТУ и Арг, используемые по отдельности или в комбинации, могли увеличить накопление сухой массы на 9,03–47,45%, причем наибольшее увеличение наблюдалось при их совместном применении. В заключение, данное исследование подчеркивает важность поддержания окислительно-восстановительного гомеостаза и ионного баланса для повышения устойчивости растений к солевому стрессу. Кроме того, ТУ и Аргинин были рекомендованы в качестве потенциальных кандидатов.регуляторы роста растений,особенно при совместном использовании для повышения урожайности пшеницы.
Быстрые изменения климата и сельскохозяйственной практики приводят к усилению деградации сельскохозяйственных экосистем1. Одним из наиболее серьезных последствий является засоление почв, угрожающее глобальной продовольственной безопасности2. В настоящее время засоление затрагивает около 20% пахотных земель во всем мире, и к 2050 году эта цифра 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 привести к ускоренному разрушению хлорофилла, снижению скорости фотосинтеза и метаболическим нарушениям, что в конечном итоге приводит к снижению урожайности5,6. Кроме 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 распространенная зерновая культура, но и важная товарная культура⁸. Однако пшеница чувствительна к соли, которая может подавлять ее 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 разработки солеустойчивых сортов пшеницы⁹,¹⁰. С другой стороны, регуляторы роста растений повышают солеустойчивость пшеницы, регулируя физиологическую активность и уровни веществ, связанных с солью, тем самым смягчая повреждения от стресса¹¹. Эти регуляторы, как правило, более распространены и используются, чем трансгенные подходы. Они могут повышать устойчивость растений к различным абиотическим стрессам, таким как засоление, засуха и тяжелые металлы, а также способствовать прорастанию семян, усвоению питательных веществ и репродуктивному росту, тем самым увеличивая урожайность и качество сельскохозяйственных культур. 12 Регуляторы роста растений имеют решающее значение для обеспечения роста сельскохозяйственных культур и поддержания урожайности и качества благодаря своей экологичности, простоте использования, экономичности и практичности. 13 Однако, поскольку эти модуляторы имеют схожие механизмы действия, использование одного из них в одиночку может быть неэффективным. Поиск комбинации регуляторов роста, способной повысить солеустойчивость пшеницы, имеет решающее значение для селекции пшеницы в неблагоприятных условиях, повышения урожайности и обеспечения продовольственной безопасности.
Исследований, изучающих комбинированное применение ТУ и аргинина, не проводилось. Неясно, может ли эта инновационная комбинация синергически способствовать росту пшеницы в условиях солевого стресса. Поэтому целью данного исследования было определить, могут ли эти два регулятора роста синергически смягчить неблагоприятные последствия солевого стресса для пшеницы. С этой целью мы провели краткосрочный эксперимент по выращиванию рассады пшеницы в гидропонике, чтобы изучить преимущества комбинированного применения ТУ и аргинина для пшеницы в условиях солевого стресса, сосредоточив внимание на окислительно-восстановительном и ионном балансе растений. Мы предположили, что комбинация ТУ и аргинина может синергически снижать окислительное повреждение, вызванное солевым стрессом, и регулировать ионный дисбаланс, тем самым повышая солеустойчивость пшеницы.
Содержание МДА в образцах определяли методом тиобарбитуровой кислоты. Точно взвешивали 0,1 г свежего порошка 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 собирали центрифугированием, и измеряли значения оптической плотности при 450 нм, 532 нм и 600 нм. Концентрацию МДА рассчитывали следующим образом:
Аналогично 3-дневному лечению, применение аргинина и тубулина также значительно повысило активность антиоксидантных ферментов в ростках пшеницы при 6-дневном лечении. Комбинация тубулина и аргинина по-прежнему оставалась наиболее эффективной. Однако через 6 дней после лечения активность четырех антиоксидантных ферментов при различных условиях лечения показала тенденцию к снижению по сравнению с 3 днями после лечения (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 клеточного осмотического баланса, 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 устьев, тем самым снижая концентрацию CO2 в листьях и ингибируя фотосинтез38. Наши результаты подтвердили предыдущие данные 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). Примечательно, что применение ТУ и аргинина может повысить эффективность фотосинтеза растений пшеницы в условиях солевого стресса. Улучшение эффективности фотосинтеза было особенно значительным при одновременном применении ТУ и аргинина (рис. 3). Это может быть связано с тем, что ТУ и аргинин регулируют открытие и закрытие устьиц, тем самым повышая эффективность фотосинтеза, что подтверждается предыдущими исследованиями. Например, Бенкарти и др. обнаружили, что в условиях солевого стресса ТУ значительно увеличивал устьичную проводимость, скорость ассимиляции CO2 и максимальную квантовую эффективность фотохимии ФСII у Atriplex portulacoides L.39. Хотя нет прямых доказательств того, что аргинин может регулировать открытие и закрытие устьиц у растений, подверженных солевому стрессу, Сильвейра и др. указали, что аргинин может способствовать газообмену в листьях в условиях засухи22.
В заключение, данное исследование показывает, что, несмотря на различные механизмы действия и физико-химические свойства, ТУ и аргинин могут обеспечивать сопоставимую устойчивость к солевому стрессу у проростков пшеницы, особенно при совместном применении. Применение ТУ и аргинина может активировать антиоксидантную ферментативную защитную систему проростков пшеницы, снизить содержание АФК и поддерживать стабильность мембранных липидов, тем самым поддерживая фотосинтез и баланс Na+/K+ в проростках. Однако данное исследование также имеет ограничения; хотя синергетический эффект ТУ и аргинина был подтвержден, и его физиологический механизм был в некоторой степени объяснен, более сложный молекулярный механизм остается неясным. Поэтому необходимы дальнейшие исследования синергетического механизма ТУ и аргинина с использованием транскриптомных, метаболомных и других методов.
Использованные и/или проанализированные в ходе данного исследования наборы данных доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.
Дата публикации: 19 мая 2025 г.