Regulatory wzrostu roślin (PGR)to opłacalny sposób na wzmocnienie obrony roślin w warunkach stresowych. W niniejszym badaniu zbadano zdolność dwóchPGR-y, tiomocznika (TU) i argininy (Arg), w celu złagodzenia stresu solnego u pszenicy. Wyniki pokazały, że TU i Arg, szczególnie stosowane razem, mogą regulować wzrost roślin w warunkach stresu solnego. Ich zabiegi znacząco zwiększyły aktywność enzymów antyoksydacyjnych, jednocześnie zmniejszając poziom reaktywnych form tlenu (ROS), dialdehydu malonowego (MDA) i względnego wycieku elektrolitów (REL) w siewkach pszenicy. Ponadto zabiegi te znacząco zmniejszyły stężenia Na+ i Ca2+ oraz stosunek Na+/K+, jednocześnie znacząco zwiększając stężenie K+, utrzymując w ten sposób równowagę jonowo-osmotyczną. Co ważniejsze, TU i Arg znacząco zwiększyły zawartość chlorofilu, tempo fotosyntezy netto i tempo wymiany gazowej siewek pszenicy w warunkach stresu solnego. TU i Arg stosowane samodzielnie lub w połączeniu mogły zwiększyć akumulację suchej masy o 9,03–47,45%, a wzrost ten był największy, gdy były stosowane razem. Podsumowując, niniejsze badanie podkreśla, że utrzymanie homeostazy redoks i równowagi jonowej jest istotne dla zwiększenia tolerancji roślin na stres solny. Ponadto, TU i Arg zostały zalecone jako potencjalneregulatory wzrostu roślin,szczególnie gdy są stosowane łącznie, w celu zwiększenia plonów pszenicy.
Gwałtowne zmiany klimatu i praktyk rolniczych pogłębiają degradację ekosystemów rolniczych1. Jednym z najpoważniejszych skutków jest zasolenie gleby, które zagraża globalnemu bezpieczeństwu żywnościowemu2. Zasolenie dotyczy obecnie około 20% gruntów ornych na świecie, a do 2050 roku odsetek ten może wzrosnąć do 50%3. Stres solny i zasadowy może powodować stres osmotyczny w korzeniach roślin uprawnych, co zaburza równowagę jonową w roślinie4. Takie niekorzystne warunki mogą również prowadzić do przyspieszonego rozpadu chlorofilu, zmniejszenia tempa fotosyntezy i zaburzeń metabolicznych, co ostatecznie prowadzi do zmniejszenia plonów roślin5,6. Ponadto częstym poważnym skutkiem jest wzmożone wytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT), które mogą powodować uszkodzenia oksydacyjne różnych biocząsteczek, w tym DNA, białek i lipidów7.
Pszenica (Triticum aestivum) jest jedną z najważniejszych upraw zbożowych na świecie. Jest nie tylko najpowszechniej uprawianą rośliną zbożową, ale także ważną uprawą komercyjną8. Pszenica jest jednak wrażliwa na sól, która może hamować jej wzrost, zaburzać jej procesy fizjologiczne i biochemiczne oraz znacząco obniżać plony. Główne strategie łagodzenia skutków stresu solnego obejmują modyfikację genetyczną i stosowanie regulatorów wzrostu roślin. Organizmy genetycznie modyfikowane (GM) to wykorzystanie edycji genów i innych technik w celu opracowania odmian pszenicy odpornych na sól9,10. Z drugiej strony, regulatory wzrostu roślin zwiększają tolerancję pszenicy na sól poprzez regulację aktywności fizjologicznej i poziomu substancji związanych z solą, łagodząc w ten sposób szkody wywołane stresem11. Regulatory te są generalnie bardziej akceptowane i powszechnie stosowane niż metody transgeniczne. Mogą one zwiększać tolerancję roślin na różne stresy abiotyczne, takie jak zasolenie, susza i metale ciężkie, a także wspomagać kiełkowanie nasion, pobieranie składników odżywczych i wzrost reprodukcyjny, zwiększając tym samym plony i jakość plonów. 12 Regulatory wzrostu roślin mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia wzrostu upraw oraz utrzymania plonów i ich jakości ze względu na ich przyjazność dla środowiska, łatwość użycia, opłacalność i praktyczność. 13 Jednakże, ponieważ te modulatory mają podobne mechanizmy działania, stosowanie tylko jednego z nich może być nieskuteczne. Znalezienie kombinacji regulatorów wzrostu, które mogą poprawić tolerancję pszenicy na zasolenie, ma kluczowe znaczenie dla hodowli pszenicy w niesprzyjających warunkach, zwiększenia plonów i zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego.
Brakuje badań dotyczących łącznego stosowania TU i Arg. Nie jest jasne, czy ta innowacyjna kombinacja może synergistycznie wspomagać wzrost pszenicy w warunkach stresu solnego. Dlatego celem niniejszego badania było określenie, czy te dwa regulatory wzrostu mogą synergistycznie łagodzić niekorzystny wpływ stresu solnego na pszenicę. W tym celu przeprowadziliśmy krótkotrwały eksperyment z siewkami pszenicy w uprawie hydroponicznej, aby zbadać korzyści płynące z łącznego stosowania TU i Arg w przypadku pszenicy w warunkach stresu solnego, koncentrując się na równowadze redoks i jonowej roślin. Postawiliśmy hipotezę, że połączenie TU i Arg może działać synergistycznie, redukując uszkodzenia oksydacyjne wywołane stresem solnym i regulując nierównowagę jonową, zwiększając tym samym tolerancję pszenicy na sól.
Zawartość MDA w próbkach oznaczono metodą kwasu tiobarbiturowego. Dokładnie odważyć 0,1 g świeżego proszku próbki, ekstrahować 1 ml 10% kwasu trichlorooctowego przez 10 minut, wirować z prędkością 10 000 g przez 20 minut i zebrać supernatant. Ekstrakt zmieszano z równą objętością 0,75% kwasu tiobarbiturowego i inkubowano w temperaturze 100°C przez 15 minut. Po inkubacji, supernatant odwirowano i zmierzono wartości OD przy długości fali 450 nm, 532 nm i 600 nm. Stężenie MDA obliczono w następujący sposób:
Podobnie jak w przypadku 3-dniowego zabiegu, zastosowanie Arg i Tu również znacząco zwiększyło aktywność enzymów antyoksydacyjnych siewek pszenicy w 6-dniowym zabiegu. Połączenie TU i Arg nadal było najskuteczniejsze. Jednak po 6 dniach od zabiegu aktywność czterech enzymów antyoksydacyjnych w różnych warunkach zabiegu wykazywała tendencję spadkową w porównaniu z 3 dniami po zabiegu (rysunek 6).
Fotosynteza jest podstawą akumulacji suchej masy w roślinach i zachodzi w chloroplastach, które są niezwykle wrażliwe na sól. Stres solny może prowadzić do utleniania błony plazmatycznej, zaburzenia równowagi osmotycznej komórek, uszkodzenia ultrastruktury chloroplastów36, degradacji chlorofilu, zmniejszenia aktywności enzymów cyklu Calvina (w tym Rubisco) oraz ograniczenia transferu elektronów z PS II do PS I37. Ponadto stres solny może indukować zamykanie aparatów szparkowych, zmniejszając w ten sposób stężenie CO2 w liściach i hamując fotosyntezę38. Nasze wyniki potwierdziły wcześniejsze ustalenia, że stres solny zmniejsza przewodnictwo aparatów szparkowych u pszenicy, co skutkuje zmniejszeniem tempa transpiracji liści i wewnątrzkomórkowego stężenia CO2, co ostatecznie prowadzi do zmniejszenia zdolności fotosyntetycznych i zmniejszenia biomasy pszenicy (rys. 1 i 3). Co istotne, zastosowanie TU i Arg może zwiększyć wydajność fotosyntezy roślin pszenicy poddanych stresowi solnemu. Poprawa wydajności fotosyntezy była szczególnie znacząca, gdy TU i Arg stosowano jednocześnie (rys. 3). Może to wynikać z faktu, że TU i Arg regulują otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych, zwiększając tym samym wydajność fotosyntezy, co potwierdzają wcześniejsze badania. Na przykład Bencarti i in. stwierdzili, że w warunkach stresu solnego TU znacząco zwiększa przewodność aparatów szparkowych, tempo asymilacji CO2 i maksymalną wydajność kwantową fotochemii PSII u Atriplex portulacoides L.39. Chociaż nie ma bezpośrednich doniesień potwierdzających, że Arg może regulować otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych u roślin narażonych na stres solny, Silveira i in. wskazali, że Arg może promować wymianę gazową w liściach w warunkach suszy22.
Podsumowując, niniejsze badanie podkreśla, że pomimo odmiennych mechanizmów działania i właściwości fizykochemicznych, TU i Arg mogą zapewnić porównywalną odporność na stres NaCl u siewek pszenicy, zwłaszcza gdy są stosowane łącznie. Zastosowanie TU i Arg może aktywować system obrony antyoksydacyjnej siewek pszenicy przed enzymami, obniżyć zawartość ROS i utrzymać stabilność lipidów błonowych, a tym samym utrzymać fotosyntezę i równowagę Na+/K+ w siewkach. Jednakże niniejsze badanie ma również ograniczenia; chociaż potwierdzono synergistyczne działanie TU i Arg, a jego mechanizm fizjologiczny został w pewnym stopniu wyjaśniony, bardziej złożony mechanizm molekularny pozostaje niejasny. Dlatego konieczne są dalsze badania mechanizmu synergistycznego TU i Arg z wykorzystaniem metod transkryptomowych, metabolomicznych i innych.
Zestawy danych wykorzystane i/lub przeanalizowane w trakcie niniejszego badania są dostępne u autora korespondencyjnego na uzasadnione żądanie.
Czas publikacji: 19 maja 2025 r.