Pflanzenwachstumsregulatoren werden als Strategie zur Reduzierung von Hitzestress bei verschiedenen Nutzpflanzen eingesetzt.

Die Reisproduktion in Kolumbien ist aufgrund des Klimawandels und der damit verbundenen Schwankungen rückläufig.PflanzenwachstumsregulatorenDiese Strategie wurde bereits zur Reduzierung von Hitzestress bei verschiedenen Nutzpflanzen eingesetzt. Ziel dieser Studie war es daher, die physiologischen Auswirkungen (Stomata-Leitfähigkeit, Gesamtchlorophyllgehalt, Fv/Fm-Verhältnis) zweier kommerzieller Reissorten unter kombiniertem Hitzestress (hohe Tag- und Nachttemperaturen, Kronentemperatur und relativer Wassergehalt) sowie biochemische Parameter (Malondialdehyd- (MDA-) und Prolinsäuregehalt) zu untersuchen. Die ersten beiden Versuche wurden mit Pflanzen der Reissorten Federrose 67 („F67“) bzw. Federrose 2000 („F2000“) durchgeführt. Beide Versuche wurden als Versuchsreihe gemeinsam analysiert. Die Behandlungen umfassten eine absolute Kontrolle (AC) (Reispflanzen, die bei optimalen Temperaturen (Tag-/Nachttemperatur 30/25 °C) kultiviert wurden) und eine Hitzestresskontrolle (SC) (Reispflanzen, die ausschließlich kombiniertem Hitzestress (40/25 °C) ausgesetzt waren). Reispflanzen wurden zweimal (5 Tage vor und 5 Tage nach Hitzestress) mit Wachstumsregulatoren (Stress + AUX, Stress + BR, Stress + CK oder Stress + GA) besprüht. Die Besprühung mit SA erhöhte den Gesamtchlorophyllgehalt beider Sorten (Frischgewicht der Reispflanzen „F67“ und „F2000“: 3,25 bzw. 3,65 mg/g) im Vergleich zu den Kontrollpflanzen (Frischgewicht der „F67“-Pflanzen: 2,36 bzw. 2,56 mg/g). Die Blattapplikation von CK verbesserte zudem die Stomata-Leitfähigkeit der Reispflanzen „F2000“ (499,25 vs. 150,60 mmol m⁻² s) im Vergleich zur Hitzestresskontrolle. Unter Hitzestress sinkt die Temperatur der Pflanzenkrone um 2–3 °C, und der MDA-Gehalt in den Pflanzen nimmt ab. Der relative Toleranzindex zeigt, dass die Blattdüngung mit CK (97,69 %) und BR (60,73 %) die Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress, insbesondere bei F2000-Reispflanzen, verringern kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Blattdüngung mit BR oder CK als agronomische Strategie zur Reduzierung der negativen Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress auf das physiologische Verhalten von Reispflanzen in Betracht gezogen werden kann.
Reis (Oryza sativa) gehört zur Familie der Süßgräser (Poaceae) und ist neben Mais und Weizen eines der weltweit am häufigsten angebauten Getreidearten (Bajaj und Mohanty, 2005). Die Anbaufläche für Reis beträgt 617.934 Hektar, und die nationale Produktion belief sich im Jahr 2020 auf 2.937.840 Tonnen mit einem durchschnittlichen Ertrag von 5,02 Tonnen pro Hektar (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Die globale Erwärmung beeinträchtigt den Reisanbau und führt zu verschiedenen abiotischen Stressfaktoren wie hohen Temperaturen und Dürreperioden. Der Klimawandel verursacht einen globalen Temperaturanstieg; Prognosen zufolge werden die Temperaturen im 21. Jahrhundert um 1,0–3,7 °C steigen, was die Häufigkeit und Intensität von Hitzestress erhöhen könnte. Die erhöhten Umgebungstemperaturen haben den Reisanbau beeinträchtigt und zu Ernteausfällen von 6–7 % geführt. Andererseits führt der Klimawandel auch zu ungünstigen Umweltbedingungen für Nutzpflanzen, wie beispielsweise Perioden schwerer Dürre oder hoher Temperaturen in tropischen und subtropischen Regionen. Darüber hinaus können Wetterereignisse wie El Niño Hitzestress verursachen und Ernteschäden in einigen tropischen Regionen verschärfen. In Kolumbien wird ein Temperaturanstieg in den Reisanbaugebieten um 2–2,5 °C bis 2050 prognostiziert, was die Reisproduktion verringern und die Produktströme zu den Märkten und Lieferketten beeinträchtigen wird.
Die meisten Reispflanzen werden in Gebieten angebaut, in denen die Temperaturen nahe am optimalen Bereich für das Pflanzenwachstum liegen (Shah et al., 2011). Es wurde berichtet, dass die optimalen durchschnittlichen Tag- und Nachttemperaturen fürReisanbau und -entwicklungDie Grenzwerte liegen im Allgemeinen bei 28 °C bzw. 22 °C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Temperaturen oberhalb dieser Schwellenwerte können während sensibler Entwicklungsstadien von Reis (Bestockung, Blüte, Blüte und Kornfüllung) zu mäßigem bis starkem Hitzestress führen und dadurch den Kornertrag negativ beeinflussen. Diese Ertragsminderung ist hauptsächlich auf lang anhaltenden Hitzestress zurückzuführen, der die Pflanzenphysiologie beeinträchtigt. Durch das Zusammenspiel verschiedener Faktoren, wie z. B. der Stressdauer und der maximal erreichten Temperatur, kann Hitzestress eine Reihe irreversibler Schäden am Pflanzenstoffwechsel und der Pflanzenentwicklung verursachen.
Hitzestress beeinträchtigt verschiedene physiologische und biochemische Prozesse in Pflanzen. Die Blattphotosynthese ist einer der Prozesse, die bei Reispflanzen am stärksten von Hitzestress betroffen sind, da die Photosyntheserate um 50 % sinkt, wenn die Tagestemperaturen 35 °C übersteigen. Die physiologischen Reaktionen von Reispflanzen variieren je nach Art des Hitzestresses. So werden beispielsweise die Photosyntheserate und die Stomata-Leitfähigkeit gehemmt, wenn die Pflanzen hohen Tagestemperaturen (33–40 °C) oder hohen Tages- und Nachttemperaturen (35–40 °C tagsüber, 28–30 °C nachts) ausgesetzt sind (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Hohe Nachttemperaturen (30 °C) führen zu einer moderaten Hemmung der Photosynthese, erhöhen aber die nächtliche Atmung (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Unabhängig von der Stressperiode beeinflusst Hitzestress auch den Chlorophyllgehalt der Blätter, das Verhältnis der variablen zur maximalen Chlorophyllfluoreszenz (Fv/Fm) sowie die Rubisco-Aktivierung in Reispflanzen (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). (Sanchez Reynoso et al., 2014).
Biochemische Veränderungen sind ein weiterer Aspekt der Anpassung von Pflanzen an Hitzestress (Wahid et al., 2007). Der Prolingehalt wird als biochemischer Indikator für Pflanzenstress verwendet (Ahmed und Hassan, 2011). Prolin spielt eine wichtige Rolle im Pflanzenstoffwechsel, da es unter hohen Temperaturen als Kohlenstoff- oder Stickstoffquelle und Membranstabilisator dient (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Hohe Temperaturen beeinträchtigen die Membranstabilität auch durch Lipidperoxidation, was zur Bildung von Malondialdehyd (MDA) führt (Wahid et al., 2007). Daher wird der MDA-Gehalt auch zur Untersuchung der strukturellen Integrität von Zellmembranen unter Hitzestress herangezogen (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). Schließlich führte kombinierter Hitzestress [37/30°C (Tag/Nacht)] zu einem Anstieg des Elektrolytverlusts und des Malondialdehydgehalts im Reis (Liu et al., 2013).
Der Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren (GRs) zur Milderung der negativen Auswirkungen von Hitzestress wurde untersucht, da diese Substanzen aktiv an Pflanzenreaktionen oder physiologischen Abwehrmechanismen gegen solchen Stress beteiligt sind (Peleg und Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Die exogene Anwendung genetischer Ressourcen hat sich positiv auf die Hitzetoleranz verschiedener Nutzpflanzen ausgewirkt. Studien haben gezeigt, dass Phytohormone wie Gibberelline (GA), Cytokinine (CK), Auxine (AUX) oder Brassinosteroide (BR) zu einem Anstieg verschiedener physiologischer und biochemischer Parameter führen (Peleg und Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014). In Kolumbien sind die Auswirkungen der exogenen Anwendung genetischer Ressourcen auf Reispflanzen noch nicht vollständig erforscht. Eine frühere Studie zeigte jedoch, dass die Blattbesprühung mit BR die Toleranz von Reis verbessern könnte, indem sie die Gasaustauscheigenschaften, den Chlorophyll- oder Prolingehalt der Blätter von Reissämlingen verbessert (Quintero-Calderón et al., 2021 ).
Cytokinine vermitteln Pflanzenreaktionen auf abiotische Stressfaktoren, einschließlich Hitzestress (Ha et al., 2012). Darüber hinaus wurde berichtet, dass die exogene Anwendung von Cytokininen Hitzeschäden reduzieren kann. Beispielsweise erhöhte die exogene Anwendung von Zeatin die Photosyntheserate, den Chlorophyll-a- und -b-Gehalt sowie die Elektronentransporteffizienz in Kriechstraußgras (Agrotis estolonifera) während Hitzestress (Xu und Huang, 2009; Jespersen und Huang, 2015). Die exogene Anwendung von Zeatin kann außerdem die antioxidative Aktivität verbessern, die Synthese verschiedener Proteine ​​steigern, Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und die Malondialdehyd-(MDA)-Produktion im Pflanzengewebe reduzieren (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009; Kumar et al., 2020).
Die Anwendung von Gibberellinsäure (GA) zeigte ebenfalls positive Auswirkungen auf Hitzestress. Studien belegen, dass die GA-Biosynthese verschiedene Stoffwechselwege reguliert und die Toleranz gegenüber hohen Temperaturen erhöht (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) stellten fest, dass die Blattdüngung mit exogenem GA (25 oder 50 mg/L) die Photosyntheserate und die antioxidative Aktivität in hitzegestressten Orangenpflanzen im Vergleich zu Kontrollpflanzen steigern konnte. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die exogene Anwendung von Huminsäure (HA) den relativen Feuchtigkeitsgehalt, den Chlorophyll- und Carotinoidgehalt erhöht und die Lipidperoxidation in Dattelpalmen (Phoenix dactylifera) unter Hitzestress reduziert (Khan et al., 2020). Auxin spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Regulierung adaptiver Wachstumsreaktionen auf hohe Temperaturen (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Dieser Wachstumsregulator dient als biochemischer Marker in verschiedenen Prozessen wie der Prolinsynthese oder dem Prolinabbau unter abiotischem Stress (Ali et al. 2007). Darüber hinaus erhöht AUX die antioxidative Aktivität, was aufgrund der verringerten Lipidperoxidation zu einer Reduktion von MDA in Pflanzen führt (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) beobachteten, dass in Erbsenpflanzen (Pisum sativum) unter Hitzestress der Gehalt an Prolin-Dimethylaminoethoxycarbonylmethyl)naphthylchloromethylether (TA-14) ansteigt. Im selben Experiment stellten sie zudem niedrigere MDA-Werte in behandelten Pflanzen im Vergleich zu unbehandelten Pflanzen fest.
Brassinosteroide sind eine weitere Klasse von Wachstumsregulatoren, die zur Milderung der Auswirkungen von Hitzestress eingesetzt werden. Ogweno et al. (2008) berichteten, dass die exogene Anwendung von Brassinosteroiden (BR) die Nettophotosyntheserate, die Stomata-Leitfähigkeit und die maximale Rubisco-Carboxylierungsrate von Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum) unter achttägigem Hitzestress erhöhte. Die Blattbesprühung mit Epibrassinosteroiden kann die Nettophotosyntheserate von Gurkenpflanzen (Cucumis sativus) unter Hitzestress steigern (Yu et al., 2004). Darüber hinaus verzögert die exogene Anwendung von BR den Chlorophyllabbau und erhöht die Wassernutzungseffizienz sowie die maximale Quantenausbeute der PSII-Photochemie in Pflanzen unter Hitzestress (Holá et al., 2010; Toussagunpanit et al., 2015).
Aufgrund des Klimawandels und der Variabilität sind Reispflanzen mit Perioden hoher Tagestemperaturen konfrontiert (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). Bei der Pflanzenphänotypisierung wurde der Einsatz von Phytonährstoffen oder Biostimulanzien als Strategie zur Linderung von Hitzestress in Reisanbaugebieten untersucht (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). Darüber hinaus ist die Verwendung biochemischer und physiologischer Variablen (Blatttemperatur, Stomata-Leitfähigkeit, Chlorophyllfluoreszenzparameter, Chlorophyll- und relativer Wassergehalt, Malondialdehyd- und Prolinsynthese) ein zuverlässiges Instrument zur Untersuchung von Reispflanzen unter Hitzestress, sowohl lokal als auch international (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Die Forschung zur Anwendung von Blattdüngung mit Phytohormonen im Reisanbau ist jedoch auf lokaler Ebene noch selten. Daher ist die Untersuchung der physiologischen und biochemischen Reaktionen nach der Anwendung von Pflanzenwachstumsregulatoren von großer Bedeutung für die Entwicklung praktischer agronomischer Strategien, um den negativen Auswirkungen einer Phase komplexen Hitzestresses im Reis entgegenzuwirken. Ziel dieser Studie war es daher, die physiologischen (Stomata-Leitfähigkeit, Chlorophyllfluoreszenzparameter und relativer Wassergehalt) und biochemischen Effekte der Blattdüngung mit vier Pflanzenwachstumsregulatoren (AUX, CK, GA und BR) zu bewerten. (Photosynthetische Pigmente, Malondialdehyd- und Prolingehalt) Variablen in zwei kommerziellen Reisgenotypen, die kombiniertem Hitzestress (hohe Tag-/Nachttemperaturen) ausgesetzt waren.
In dieser Studie wurden zwei unabhängige Experimente durchgeführt. Die Genotypen Federrose 67 (F67: ein in den letzten zehn Jahren bei hohen Temperaturen entwickelter Genotyp) und Federrose 2000 (F2000: ein im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts entwickelter Genotyp mit Resistenz gegen das Weißblattvirus) wurden erstmals bzw. im zweiten Experiment verwendet. Beide Genotypen werden von kolumbianischen Landwirten weit verbreitet angebaut. Die Aussaat erfolgte in 10-Liter-Trays (Länge 39,6 cm, Breite 28,8 cm, Höhe 16,8 cm) mit sandigem Lehmboden, der 2 % organische Substanz enthielt. In jedes Tray wurden fünf vorgekeimte Samen gesät. Die Paletten wurden im Gewächshaus der Fakultät für Agrarwissenschaften der Nationalen Universität von Kolumbien, Campus Bogotá (43°50′56″ N, 74°04′051″ W), auf einer Höhe von 2556 m über dem Meeresspiegel platziert und von Oktober bis Dezember 2019 durchgeführt. Ein Versuch (Federroz 67) und ein zweiter Versuch (Federroz 2000) wurden in der gleichen Saison des Jahres 2020 durchgeführt.
Die Umweltbedingungen im Gewächshaus während jeder Pflanzsaison waren wie folgt: Tag- und Nachttemperatur 30/25 °C, relative Luftfeuchtigkeit 60–80 %, natürliche Photoperiode 12 Stunden (photosynthetisch aktive Strahlung 1500 µmol (Photonen) m⁻² s⁻¹). Die Pflanzen wurden 20 Tage nach dem Auflaufen (DAE) gemäß Sánchez-Reinoso et al. (2019) gedüngt: 670 mg Stickstoff, 110 mg Phosphor, 350 mg Kalium, 68 mg Calcium, 20 mg Magnesium, 20 mg Schwefel, 17 mg Silicium, 10 mg Bor, 17 mg Kupfer und 44 mg Zink pro Pflanze. Die Reispflanzen wurden in jedem Versuch bis zum 47. DAE kultiviert, bis sie in diesem Zeitraum das phänologische Stadium V5 erreichten. Frühere Studien haben gezeigt, dass dieses phänologische Stadium ein geeigneter Zeitpunkt ist, um Hitzestressstudien an Reis durchzuführen (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
In jedem Experiment wurden zwei separate Anwendungen des Blattwachstumsregulators durchgeführt. Die erste Blattdüngung mit Phytohormonen erfolgte 5 Tage vor der Hitzestressbehandlung (42 Tage nach der Behandlung), um die Pflanzen auf den Umweltstress vorzubereiten. Eine zweite Blattdüngung wurde 5 Tage nach Beginn der Stressbehandlung (52 Tage nach der Behandlung) durchgeführt. Es wurden vier Phytohormone verwendet; die Eigenschaften der einzelnen Wirkstoffe sind in Tabelle S1 (im Anhang) aufgeführt. Die Konzentrationen der verwendeten Blattwachstumsregulatoren waren wie folgt: (i) Auxin (1-Naphthylessigsäure: NAA) in einer Konzentration von 5 × 10⁻⁵ M; (ii) Gibberellin (Gibberellinsäure: NAA; GA3) in einer Konzentration von 5 × 10⁻⁵ M. (iii) Cytokinin (trans-Zeatin) 1 × 10⁻⁵ M; (iv) Brassinosteroide [Spirostan-6-on, 3,5-Dihydroxy-, (3b,5a,25R)] 5 × 10⁻⁵ M. Diese Konzentrationen wurden gewählt, da sie positive Reaktionen hervorrufen und die Hitzestressresistenz der Pflanzen erhöhen (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Reispflanzen ohne Pflanzenwachstumsregulatoren wurden ausschließlich mit destilliertem Wasser behandelt. Alle Reispflanzen wurden mit einer Handspritze besprüht. Geben Sie 20 ml H₂O auf die Pflanze, um die Ober- und Unterseite der Blätter zu befeuchten. Allen Blattdüngungen wurde ein landwirtschaftliches Hilfsstoff (Agrotin, Bayer CropScience, Kolumbien) in einer Konzentration von 0,1 % (v/v) zugesetzt. Der Abstand zwischen dem Topf und dem Sprühgerät beträgt 30 cm.
Die Hitzestressbehandlungen wurden fünf Tage nach der ersten Blattdüngung (47 Tage nach der Aussaat) in jedem Versuch durchgeführt. Die Reispflanzen wurden vom Gewächshaus in eine 294-Liter-Klimakammer (MLR-351H, Sanyo, IL, USA) überführt, um Hitzestress zu induzieren oder die gleichen Umweltbedingungen beizubehalten (47 Tage nach der Aussaat). Die kombinierte Hitzestressbehandlung erfolgte durch Einstellung der Kammer auf folgende Tag-/Nachttemperaturen: tagsüber hohe Temperatur [40 °C für 5 Stunden (von 11:00 bis 16:00 Uhr)] und nachts [30 °C für 5 Stunden]. Dies wurde acht Tage lang in Folge (von 19:00 bis 24:00 Uhr) durchgeführt. Die Stresstemperatur und die Expositionsdauer wurden auf Grundlage vorheriger Studien gewählt (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Andererseits wurde eine Gruppe von Pflanzen, die in die Wachstumskammer überführt wurden, acht Tage lang im Gewächshaus bei der gleichen Temperatur (30 °C tagsüber/25 °C nachts) gehalten.
Am Ende des Experiments wurden folgende Behandlungsgruppen gebildet: (i) Wachstumstemperatur + Anwendung von destilliertem Wasser [Absolute Kontrolle (AC)], (ii) Hitzestress + Anwendung von destilliertem Wasser [Hitzestresskontrolle (SC)], (iii) Hitzestress + Auxin-Anwendung (AUX), (iv) Hitzestress + Gibberellin-Anwendung (GA), (v) Hitzestress + Cytokinin-Anwendung (CK) und (vi) Hitzestress + Brassinosteroid (BR) (siehe Anhang). Diese Behandlungsgruppen wurden für zwei Genotypen (F67 und F2000) verwendet. Alle Behandlungen wurden in einem vollständig randomisierten Versuchsdesign mit fünf Wiederholungen durchgeführt, wobei jede Wiederholung aus einer Pflanze bestand. An jeder Pflanze wurden die am Ende des Experiments ermittelten Variablen abgelesen. Das Experiment dauerte 55 Tage nach Versuchsbeginn (DAE).
Die Stomata-Leitfähigkeit (gs) wurde mit einem tragbaren Porosometer (SC-1, METER Group Inc., USA) im Messbereich von 0 bis 1000 mmol m⁻² s⁻¹ und mit einer Probenkammeröffnung von 6,35 mm gemessen. Die Messungen erfolgten durch Anbringen einer Stomametersonde an ein ausgewachsenes Blatt mit vollständig entfaltetem Haupttrieb. Für jede Behandlung wurden zwischen 11:00 und 16:00 Uhr an drei Blättern jeder Pflanze gs-Werte gemessen und gemittelt.
Der relative Wassergehalt (RWC) wurde nach der von Ghoulam et al. (2002) beschriebenen Methode bestimmt. Das vollständig expandierte Blatt, das zur Bestimmung der spezifischen Masse (g) verwendet wurde, diente auch zur Messung des RWC. Das Frischgewicht (FG) wurde unmittelbar nach der Ernte mit einer Digitalwaage bestimmt. Anschließend wurden die Blätter in einen mit Wasser gefüllten Plastikbehälter gegeben und 48 Stunden lang im Dunkeln bei Raumtemperatur (22 °C) gelagert. Danach wurden sie mit einer Digitalwaage gewogen und das expandierte Gewicht (TG) notiert. Die gequollenen Blätter wurden 48 Stunden lang bei 75 °C im Trockenschrank getrocknet und ihr Trockengewicht (TG) bestimmt.
Der relative Chlorophyllgehalt wurde mit einem Chlorophyllmeter (atLeafmeter, FT Green LLC, USA) bestimmt und in atLeaf-Einheiten angegeben (Dey et al., 2016). Die maximale Quantenausbeute von PSII (Fv/Fm-Verhältnis) wurde mit einem kontinuierlich anregenden Chlorophyllfluorimeter (Handy PEA, Hansatech Instruments, UK) gemessen. Die Blätter wurden vor den Fv/Fm-Messungen 20 Minuten lang mit Blattklemmen dunkeladaptiert (Restrepo-Diaz und Garces-Varon, 2013). Nach der Dunkeladaptation wurden die Basislinienfluoreszenz (F0) und die maximale Fluoreszenz (Fm) gemessen. Aus diesen Daten wurden die variable Fluoreszenz (Fv = Fm – F0), das Verhältnis von variabler zu maximaler Fluoreszenz (Fv/Fm), die maximale Quantenausbeute der PSII-Photochemie (Fv/F0) und das Verhältnis Fm/F0 berechnet (Baker, 2008; Lee et al., 2017). Die Messungen des relativen Chlorophyllgehalts und der Chlorophyllfluoreszenz erfolgten an denselben Blättern, die auch für die gs-Messungen verwendet wurden.
Etwa 800 mg Blattfrischgewicht wurden für die biochemischen Analysen gesammelt. Die Blattproben wurden anschließend in flüssigem Stickstoff homogenisiert und für weitere Analysen aufbewahrt. Die spektrometrische Methode zur Bestimmung des Chlorophyll-a-, -b- und Carotinoidgehalts im Gewebe basiert auf der von Wellburn (1994) beschriebenen Methode und den zugehörigen Gleichungen. Blattgewebeproben (30 mg) wurden entnommen und in 3 ml 80%igem Aceton homogenisiert. Die Proben wurden anschließend 10 min bei 5000 U/min zentrifugiert (Modell 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, USA), um Partikel zu entfernen. Der Überstand wurde durch Zugabe von 80%igem Aceton auf ein Endvolumen von 6 ml verdünnt (Sims und Gamon, 2002). Der Chlorophyllgehalt wurde bei 663 nm (Chlorophyll a) und 646 nm (Chlorophyll b) nm und der Carotinoidgehalt bei 470 nm mit Hilfe eines Spektralphotometers (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA) bestimmt.
Die von Hodges et al. (1999) beschriebene Thiobarbitursäure-Methode (TBA-Methode) wurde zur Bestimmung der Membranlipidperoxidation (MDA) eingesetzt. Etwa 0,3 g Blattgewebe wurden in flüssigem Stickstoff homogenisiert. Die Proben wurden bei 5000 U/min zentrifugiert und die Absorption bei 440, 532 und 600 nm mit einem Spektralphotometer gemessen. Abschließend wurde die MDA-Konzentration anhand des Extinktionskoeffizienten (157 M mL⁻¹) berechnet.
Der Prolingehalt aller Proben wurde nach der Methode von Bates et al. (1973) bestimmt. Dazu wurden 10 ml einer 3%igen wässrigen Sulfosalicylsäurelösung zur Probe gegeben und durch Whatman-Filterpapier (Nr. 2) filtriert. Anschließend wurden 2 ml des Filtrats mit 2 ml Wassersäure und 2 ml Eisessig versetzt. Die Mischung wurde 1 Stunde lang in einem Wasserbad bei 90 °C inkubiert. Die Reaktion wurde durch Inkubation auf Eis gestoppt. Das Reaktionsgefäß wurde kräftig mit einem Vortex-Schüttler geschüttelt und die resultierende Lösung in 4 ml Toluol gelöst. Die Absorptionsmessungen erfolgten bei 520 nm mit demselben Spektralphotometer (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA), das auch zur Quantifizierung der Photosynthesepigmente verwendet wurde.
Die Methode zur Berechnung der Kronentemperatur und des CSI wurde von Gerhards et al. (2016) beschrieben. Wärmebilder wurden am Ende der Stressperiode mit einer FLIR 2-Kamera (FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA) mit einer Genauigkeit von ±2 °C aufgenommen. Für die Aufnahmen wurde eine weiße Fläche hinter der Pflanze platziert. Zwei Pflanzen dienten als Referenzmodelle. Die Pflanzen wurden auf einer weißen Fläche platziert; eine war mit einem Pflanzenschutzmittel (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Kolumbien) beschichtet, um die Öffnung aller Stomata zu simulieren [Feuchtmodus (Twet)], die andere war ein unbehandeltes Blatt [Trockenmodus (Tdry)] (Castro-Duque et al., 2020). Der Abstand zwischen Kamera und Topf betrug während der Aufnahme 1 m.
Der relative Toleranzindex wurde indirekt anhand der Stomata-Leitfähigkeit (gs) behandelter Pflanzen im Vergleich zu Kontrollpflanzen (Pflanzen ohne Stressbehandlung, aber mit Wachstumsregulatoren) berechnet, um die Toleranz der in dieser Studie untersuchten behandelten Genotypen zu bestimmen. Der RTI wurde mithilfe einer von Chávez-Arias et al. (2020) adaptierten Gleichung ermittelt.
In jedem Experiment wurden alle oben genannten physiologischen Variablen 55 Tage nach dem Austrieb (DAE) anhand vollständig entwickelter Blätter aus dem oberen Kronenbereich bestimmt und aufgezeichnet. Die Messungen erfolgten zudem in einer Klimakammer, um die Umweltbedingungen, unter denen die Pflanzen wachsen, nicht zu verändern.
Die Daten des ersten und zweiten Experiments wurden als Versuchsreihe gemeinsam analysiert. Jede Versuchsgruppe umfasste 5 Pflanzen, wobei jede Pflanze eine Versuchseinheit darstellte. Es wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt (p ≤ 0,05). Bei signifikanten Unterschieden wurde der Tukey-Test (p ≤ 0,05) als Post-hoc-Test angewendet. Prozentwerte wurden mithilfe der Arcussinus-Funktion umgerechnet. Die Datenanalyse erfolgte mit der Software Statistix v 9.0 (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA), die grafische Darstellung mit SigmaPlot (Version 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA). Die Hauptkomponentenanalyse wurde mit der Software InfoStat 2016 (Analysis Software, Nationale Universität Córdoba, Argentinien) durchgeführt, um die wirksamsten Pflanzenwachstumsregulatoren zu identifizieren.
Tabelle 1 fasst die ANOVA zusammen und zeigt die Experimente, die verschiedenen Behandlungen und deren Wechselwirkungen mit den photosynthetischen Pigmenten der Blätter (Chlorophyll a, b, Gesamtchlorophyll und Carotinoide), dem Malondialdehyd- (MDA) und Prolingehalt sowie der Stomata-Leitfähigkeit. Die Tabelle zeigt außerdem den Einfluss der Stomata-Leitfähigkeit (gs), des relativen Wassergehalts (RWC), des Chlorophyllgehalts, der Chlorophyll-alpha-Fluoreszenzparameter, der Kronentemperatur (PCT) (°C), des Pflanzenstressindex (CSI) und des relativen Toleranzindex von Reispflanzen 55 Tage nach der Aussaat (DAE).
Tabelle 1. Zusammenfassung der ANOVA-Daten zu physiologischen und biochemischen Variablen von Reis zwischen den Experimenten (Genotypen) und Hitzestressbehandlungen.
Die Unterschiede (P≤0,01) in den Wechselwirkungen der photosynthetischen Pigmente in den Blättern, dem relativen Chlorophyllgehalt (gemessen an den Blättern) und den Parametern der Alpha-Chlorophyllfluoreszenz zwischen den Versuchen und Behandlungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Hohe Tages- und Nachttemperaturen erhöhten den Gesamtchlorophyll- und Carotinoidgehalt. Reissämlinge ohne Blattdüngung mit Phytohormonen (2,36 mg g⁻¹ für „F67“ und 2,56 mg g⁻¹ für „F2000“) wiesen im Vergleich zu Pflanzen, die unter optimalen Temperaturbedingungen gewachsen waren (2,67 mg g⁻¹), einen geringeren Gesamtchlorophyllgehalt auf. In beiden Versuchen betrug der Chlorophyllgehalt für „F67“ 2,80 mg g⁻¹ und für „F2000“ ebenfalls 2,80 mg g⁻¹. Darüber hinaus zeigten Reissämlinge, die unter Hitzestress mit einer Kombination aus AUX- und GA-Sprays behandelt wurden, ebenfalls einen Rückgang des Chlorophyllgehalts in beiden Genotypen (AUX = 1,96 mg g⁻¹ und GA = 1,45 mg g⁻¹ für „F67“; AUX = 1,96 mg g⁻¹ und GA = 1,45 mg g⁻¹ für „F67“; AUX = 2,24 mg g⁻¹ und GA = 1,43 mg g⁻¹ für „F2000“). Unter Hitzestressbedingungen führte die Blattbehandlung mit BR zu einem leichten Anstieg dieses Parameters in beiden Genotypen. Schließlich zeigte die CK-Blattbehandlung die höchsten Werte an photosynthetischen Pigmenten aller Behandlungen (AUX, GA, BR, SC und AC) in den Genotypen F67 (3,24 mg g⁻¹) und F2000 (3,65 mg g⁻¹). Der relative Chlorophyllgehalt (Blatteinheit) wurde durch kombinierten Hitzestress ebenfalls reduziert. Die höchsten Werte wurden bei Pflanzen beider Genotypen gemessen, die mit CC besprüht wurden (41,66 für „F67“ und 49,30 für „F2000“). Die Fv- und Fv/Fm-Verhältnisse zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen und Sorten (Tabelle 2). Insgesamt war die Sorte F67 im Vergleich zur Sorte F2000 weniger anfällig für Hitzestress. Die Fv- und Fv/Fm-Verhältnisse verschlechterten sich im zweiten Versuch stärker. Gestresste „F2000“-Sämlinge, die nicht mit Phytohormonen besprüht wurden, wiesen die niedrigsten Fv-Werte (2120,15) und Fv/Fm-Verhältnisse (0,59) auf. Eine Blattbesprühung mit CK trug jedoch zur Wiederherstellung dieser Werte bei (Fv: 2591, 89; Fv/Fm-Verhältnis: 0,73). Die Messwerte ähnelten denen von „F2000“-Pflanzen, die unter optimalen Temperaturbedingungen kultiviert wurden (Fv: 2955,35, Fv/Fm-Verhältnis: 0,73:0,72). Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede in der Anfangsfluoreszenz (F0), der maximalen Fluoreszenz (Fm), der maximalen photochemischen Quantenausbeute von PSII (Fv/F0) und dem Fm/F0-Verhältnis. Schließlich wies BR einen ähnlichen Trend wie CK auf (Fv: 2545,06, Fv/Fm-Verhältnis: 0,73).
Tabelle 2. Einfluss von kombiniertem Hitzestress (40°/30°C Tag/Nacht) auf die photosynthetischen Pigmente der Blätter [Gesamtchlorophyll (Chl Total), Chlorophyll a (Chl a), Chlorophyll b (Chl b) und Carotinoide Cx+c], relativen Chlorophyllgehalt (Atliff-Einheit), Chlorophyllfluoreszenzparameter (Anfangsfluoreszenz (F0), maximale Fluoreszenz (Fm), variable Fluoreszenz (Fv), maximale PSII-Effizienz (Fv/Fm), photochemische maximale Quantenausbeute von PSII (Fv/F0) und Fm/F0 in Pflanzen zweier Reisgenotypen [Federrose 67 (F67) und Federrose 2000 (F2000)] 55 Tage nach dem Auflaufen (DAE)).
Der relative Wassergehalt (RWC) unterschiedlich behandelter Reispflanzen zeigte signifikante Unterschiede (P ≤ 0,05) in der Wechselwirkung zwischen Versuchs- und Blattbehandlung (Abb. 1A). Bei Behandlung mit Salicylsäure (SA) wurden die niedrigsten Werte für beide Genotypen gemessen (74,01 % für F67 und 76,6 % für F2000). Unter Hitzestressbedingungen stieg der RWC von Reispflanzen beider Genotypen nach Behandlung mit verschiedenen Phytohormonen signifikant an. Insgesamt erhöhten Blattapplikationen von CK, GA, AUX oder BR den RWC auf Werte, die denen von Pflanzen unter optimalen Versuchsbedingungen ähnelten. Die absolute Kontrolle und die blattbesprühten Pflanzen wiesen für beide Genotypen Werte um 83 % auf. Auch der g-Wert zeigte signifikante Unterschiede (P ≤ 0,01) in der Wechselwirkung zwischen Versuch und Behandlung (Abb. 1B). Die Kontrollpflanzen (AC) wiesen für jeden Genotyp die höchsten Werte auf (440,65 mmol m⁻² s⁻¹ für F67 und 511,02 mmol m⁻² s⁻¹ für F2000). Reispflanzen, die ausschließlich kombiniertem Hitzestress ausgesetzt waren, zeigten für beide Genotypen die niedrigsten gs-Werte (150,60 mmol m⁻² s⁻¹ für F67 und 171,32 mmol m⁻² s⁻¹ für F2000). Die Blattbehandlung mit allen Pflanzenwachstumsregulatoren erhöhte g ebenfalls. Bei mit CC besprühten F2000-Reispflanzen war der Effekt der Blattbehandlung mit Phytohormonen deutlicher. Diese Pflanzengruppe zeigte keine Unterschiede zu den Kontrollpflanzen (AC 511,02 und CC 499,25 mmol m⁻² s⁻¹).
Abbildung 1. Einfluss von kombiniertem Hitzestress (40 °C/30 °C Tag/Nacht) auf den relativen Wassergehalt (RWC) (A), die Stomata-Leitfähigkeit (gs) (B), die Malondialdehyd-Produktion (MDA) (C) und den Prolingehalt (D) in Pflanzen zweier Reisgenotypen (F67 und F2000) 55 Tage nach dem Auflaufen (DAE). Die für jeden Genotyp untersuchten Behandlungen umfassten: absolute Kontrolle (AC), Hitzestresskontrolle (SC), Hitzestress + Auxin (AUX), Hitzestress + Gibberellin (GA), Hitzestress + Zellmitogen (CK) und Hitzestress + Brassinosteroid (BR). Jede Säule repräsentiert den Mittelwert ± Standardfehler von fünf Datenpunkten (n = 5). Säulen mit unterschiedlichen Buchstaben weisen statistisch signifikante Unterschiede gemäß dem Tukey-Test auf (P ≤ 0,05). Ein Gleichheitszeichen bedeutet, dass der Mittelwert nicht statistisch signifikant ist (P ≤ 0,05).
Der MDA- (P ≤ 0,01) und Prolingehalt (P ≤ 0,01) zeigte ebenfalls signifikante Unterschiede in der Wechselwirkung zwischen Versuch und Phytohormonbehandlung (Abb. 1C, D). Eine erhöhte Lipidperoxidation wurde nach SC-Behandlung in beiden Genotypen beobachtet (Abb. 1C). Pflanzen, die mit Blattwachstumsregulator-Spray behandelt wurden, wiesen hingegen in beiden Genotypen eine verringerte Lipidperoxidation auf. Generell führt die Anwendung von Phytohormonen (CA, AUC, BR oder GA) zu einer Verringerung der Lipidperoxidation (MDA-Gehalt). Es wurden keine Unterschiede zwischen AC-Pflanzen beider Genotypen und Pflanzen unter Hitzestress und nach Besprühung mit Phytohormonen festgestellt (die beobachteten Frischgewichtswerte bei „F67“-Pflanzen lagen zwischen 4,38 und 6,77 µmol g⁻¹, bei „F2000“-Pflanzen zwischen 2,84 und 9,18 µmol g⁻¹). Andererseits war die Prolinsynthese in „F67“-Pflanzen unter kombiniertem Stress geringer als in „F2000“-Pflanzen, was zu einer erhöhten Prolinproduktion führte. In beiden Versuchen mit hitzegestressten Reispflanzen wurde beobachtet, dass die Verabreichung dieser Hormone den Aminosäuregehalt von F2000-Pflanzen signifikant erhöhte (AUX und BR betrugen 30,44 bzw. 18,34 µmol g⁻¹) (Abb. 1G).
Die Auswirkungen der Blattdüngung mit Wachstumsregulatoren und kombiniertem Hitzestress auf die Kronentemperatur und den relativen Toleranzindex (RTI) sind in Abbildung 2A und B dargestellt. Bei beiden Genotypen lag die Kronentemperatur der AC-Pflanzen bei etwa 27 °C und die der SC-Pflanzen bei etwa 28 °C. Es wurde außerdem beobachtet, dass Blattbehandlungen mit CK und BR im Vergleich zu SC-Pflanzen zu einer Senkung der Kronentemperatur um 2–3 °C führten (Abbildung 2A). Der RTI zeigte ein ähnliches Verhalten wie andere physiologische Variablen und wies signifikante Unterschiede (P ≤ 0,01) in der Wechselwirkung zwischen Experiment und Behandlung auf (Abbildung 2B). SC-Pflanzen zeigten bei beiden Genotypen eine geringere Toleranz (34,18 % bzw. 33,52 % für Reispflanzen der Sorten „F67“ bzw. „F2000“). Die Blattdüngung mit Phytohormonen verbessert den RTI bei Pflanzen, die Hitzestress ausgesetzt sind. Dieser Effekt war bei mit CC besprühten „F2000“-Pflanzen besonders ausgeprägt; deren RTI betrug 97,69. Signifikante Unterschiede zeigten sich hingegen nur beim Ertragsstressindex (CSI) von Reispflanzen unter Blattstressbedingungen (P ≤ 0,01) (Abb. 2B). Nur Reispflanzen, die komplexem Hitzestress ausgesetzt waren, wiesen den höchsten Stressindexwert (0,816) auf. Bei der Behandlung von Reispflanzen mit verschiedenen Phytohormonen war der Stressindex niedriger (Werte zwischen 0,6 und 0,67). Die unter optimalen Bedingungen gewachsene Reispflanze erreichte schließlich einen Wert von 0,138.
Abbildung 2. Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress (40 °C/30 °C Tag/Nacht) auf die Kronentemperatur (A), den relativen Toleranzindex (RTI) (B) und den Pflanzenstressindex (CSI) (C) zweier Pflanzenarten. Kommerzielle Reissorten (F67 und F2000) wurden verschiedenen Hitzebehandlungen unterzogen. Die für jede Sorte untersuchten Behandlungen umfassten: absolute Kontrolle (AC), Hitzestresskontrolle (SC), Hitzestress + Auxin (AUX), Hitzestress + Gibberellin (GA), Hitzestress + Zellmitogen (CK) und Hitzestress + Brassinosteroid (BR). Kombinierter Hitzestress bedeutet die Exposition der Reispflanzen gegenüber hohen Tag-/Nachttemperaturen (40 °C/30 °C Tag/Nacht). Jede Säule repräsentiert den Mittelwert ± Standardfehler von fünf Datenpunkten (n = 5). Säulen mit unterschiedlichen Buchstaben weisen statistisch signifikante Unterschiede gemäß dem Tukey-Test auf (P ≤ 0,05). Buchstaben mit einem Gleichheitszeichen bedeuten, dass der Mittelwert statistisch nicht signifikant ist (≤ 0,05).
Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) ergab, dass die 55 Tage nach der Aussaat (DAE) erfassten Variablen 66,1 % der physiologischen und biochemischen Reaktionen von hitzegestressten, mit Wachstumsregulatoren besprühten Reispflanzen erklärten (Abb. 3). Die Vektoren repräsentieren die Variablen, die Punkte die Pflanzenwachstumsregulatoren (GRs). Die Vektoren für gs, Chlorophyllgehalt, maximale Quantenausbeute von PSII (Fv/Fm) und biochemische Parameter (TChl, MDA und Prolin) liegen nahe am Ursprung, was auf eine hohe Korrelation zwischen dem physiologischen Verhalten der Pflanzen und den jeweiligen Variablen hinweist. Eine Gruppe (V) umfasste Reissämlinge, die bei optimaler Temperatur (AT) gewachsen waren, sowie F2000-Pflanzen, die mit CK und BA behandelt wurden. Die Mehrheit der mit GR behandelten Pflanzen bildete eine separate Gruppe (IV), und die mit GA behandelten F2000-Pflanzen bildeten eine separate Gruppe (II). Im Gegensatz dazu befanden sich hitzegestresste Reissämlinge (Gruppen I und III) ohne Blattdüngung mit Phytohormonen (beide Genotypen waren SC) in einer Zone, die der Gruppe V gegenüberlag, was den Einfluss von Hitzestress auf die Pflanzenphysiologie verdeutlicht.
Abbildung 3. Biographische Analyse der Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress (40 °C/30 °C Tag/Nacht) auf Pflanzen zweier Reisgenotypen (F67 und F2000) 55 Tage nach dem Auflaufen (DAE). Abkürzungen: AC F67, absolute Kontrolle F67; SC F67, Hitzestresskontrolle F67; AUX F67, Hitzestress + Auxin F67; GA F67, Hitzestress + Gibberellin F67; CK F67, Hitzestress + Zellteilung BR F67, Hitzestress + Brassinosteroid F67; AC F2000, absolute Kontrolle F2000; SC F2000, Hitzestresskontrolle F2000; AUX F2000, Hitzestress + Auxin F2000; GA F2000, Hitzestress + Gibberellin F2000. CK F2000, Hitzestress + Zytokinin, BR F2000, Hitzestress + Messingsteroid; F2000.
Variablen wie Chlorophyllgehalt, Stomata-Leitfähigkeit, Fv/Fm-Verhältnis, CSI, MDA, RTI und Prolingehalt tragen zum Verständnis der Anpassung von Reisgenotypen und zur Bewertung der Auswirkungen agronomischer Strategien unter Hitzestress bei (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Ziel dieses Experiments war es, die Wirkung der Anwendung von vier Wachstumsregulatoren auf die physiologischen und biochemischen Parameter von Reissämlingen unter komplexen Hitzestressbedingungen zu untersuchen. Sämlingstests sind eine einfache und schnelle Methode zur simultanen Beurteilung von Reispflanzen, abhängig von der Größe und dem Zustand der verfügbaren Infrastruktur (Sarsu et al., 2018). Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass kombinierter Hitzestress unterschiedliche physiologische und biochemische Reaktionen in den beiden Reisgenotypen hervorruft, was auf einen Anpassungsprozess hindeutet. Diese Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Blattwachstumsregulatorsprays (hauptsächlich Cytokinine und Brassinosteroide) Reis helfen, sich an komplexen Hitzestress anzupassen, da sie hauptsächlich gs, RWC, Fv/Fm-Verhältnis, Photosynthesepigmente und Prolingehalt beeinflussen.
Die Anwendung von Wachstumsregulatoren trägt zur Verbesserung des Wasserstatus von Reispflanzen unter Hitzestress bei, der mit höherem Stress und niedrigeren Temperaturen im Pflanzenbestand einhergehen kann. Diese Studie zeigte, dass Reispflanzen des anfälligen Genotyps „F2000“, die primär mit CK oder BR behandelt wurden, höhere gs-Werte und niedrigere PCT-Werte aufwiesen als Pflanzen, die mit SC behandelt wurden. Frühere Studien haben ebenfalls gezeigt, dass gs und PCT präzise physiologische Indikatoren sind, die die Anpassungsreaktion von Reispflanzen und die Auswirkungen agronomischer Strategien auf Hitzestress bestimmen können (Restrepo-Diaz und Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero; Carr DeLong et al., 2021). Blatt-CK oder BR erhöhen g unter Stress, da diese Pflanzenhormone die Stomataöffnung durch Wechselwirkungen mit anderen Signalmolekülen wie ABA (einem Förderer des Stomataschlusses unter abiotischem Stress) fördern können (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). 2013). , 2014). Die Öffnung der Stomata fördert die Blattkühlung und trägt zur Senkung der Kronentemperatur bei (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Aus diesen Gründen kann die Kronentemperatur von mit CK oder BR besprühten Reispflanzen unter kombiniertem Hitzestress niedriger sein.
Hitzestress kann den Gehalt an Photosynthesepigmenten in Blättern reduzieren (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). In dieser Studie zeigte sich, dass die Photosynthesepigmente in beiden Reisgenotypen unter Hitzestress und ohne Behandlung mit Wachstumsregulatoren tendenziell abnahmen (Tabelle 2). Feng et al. (2013) berichteten ebenfalls von einem signifikanten Rückgang des Chlorophyllgehalts in Blättern zweier Weizengenotypen unter Hitzestress. Hohe Temperaturen führen häufig zu einem verringerten Chlorophyllgehalt, was auf eine verminderte Chlorophyllbiosynthese, den Abbau von Pigmenten oder deren kombinierte Effekte unter Hitzestress zurückzuführen sein kann (Fahad et al., 2017). Reispflanzen, die hauptsächlich mit CK und BA behandelt wurden, wiesen jedoch unter Hitzestress eine erhöhte Konzentration an Photosynthesepigmenten in den Blättern auf. Ähnliche Ergebnisse wurden auch von Jespersen und Huang (2015) sowie von Suchsagunpanit et al. berichtet. (2015) beobachteten einen Anstieg des Blattchlorophyllgehalts nach der Anwendung von Zeatin bzw. Epibrassinosteroiden in hitzegestresstem Straußgras und Reis. Eine plausible Erklärung dafür, warum CK und BR den Blattchlorophyllgehalt unter kombiniertem Hitzestress erhöhen, ist, dass CK die Initiierung einer anhaltenden Induktion von Expressionspromotoren (wie dem Seneszenz-aktivierenden Promotor (SAG12) oder dem HSP18-Promotor) verstärken und den Chlorophyllverlust in den Blättern reduzieren kann. Zudem können BR die Blattseneszenz verzögern und die Hitzeresistenz der Pflanzen erhöhen (Liu et al., 2020). BR kann das Blattchlorophyll schützen und den Blattchlorophyllgehalt erhöhen, indem es die Synthese von Enzymen, die an der Chlorophyllbiosynthese beteiligt sind, unter Stressbedingungen aktiviert oder induziert (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Schließlich fördern zwei Phytohormone (CK und BR) auch die Expression von Hitzeschockproteinen und verbessern verschiedene metabolische Anpassungsprozesse, wie zum Beispiel die gesteigerte Chlorophyllbiosynthese (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Chlorophyll-a-Fluoreszenzparameter bieten eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Toleranz bzw. Anpassung von Pflanzen an abiotische Stressbedingungen (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Parameter wie das Fv/Fm-Verhältnis wurden als Indikatoren für die Anpassung von Pflanzen an Stressbedingungen verwendet (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). In dieser Studie wiesen SC-Pflanzen, vorwiegend Reispflanzen der Sorte „F2000“, die niedrigsten Werte dieser Variablen auf. Yin et al. (2010) stellten ebenfalls fest, dass das Fv/Fm-Verhältnis der am stärksten bestockenden Reisblätter bei Temperaturen über 35 °C signifikant abnahm. Laut Feng et al. (2013) deutet das niedrigere Fv/Fm-Verhältnis unter Hitzestress darauf hin, dass die Rate der Aufnahme und Umwandlung von Anregungsenergie durch das PSII-Reaktionszentrum reduziert ist, was auf eine Desintegration des PSII-Reaktionszentrums unter Hitzestress hindeutet. Diese Beobachtung erlaubt uns den Schluss, dass Störungen im Photosyntheseapparat bei empfindlichen Sorten (Fedearroz 2000) stärker ausgeprägt sind als bei resistenten Sorten (Fedearroz 67).
Die Verwendung von CK oder BR verbesserte im Allgemeinen die Leistung von PSII unter komplexen Hitzestressbedingungen. Ähnliche Ergebnisse erzielten Suchsagunpanit et al. (2015), die beobachteten, dass die Anwendung von BR die Effizienz von PSII unter Hitzestress in Reis erhöhte. Kumar et al. (2020) stellten ebenfalls fest, dass Kichererbsenpflanzen, die mit CK (6-Benzyladenin) behandelt und Hitzestress ausgesetzt wurden, ein erhöhtes Fv/Fm-Verhältnis aufwiesen. Sie schlussfolgerten, dass die Blattapplikation von CK durch Aktivierung des Zeaxanthin-Pigmentzyklus die PSII-Aktivität förderte. Darüber hinaus begünstigte die Blattbesprühung mit BR die PSII-Photosynthese unter kombinierten Stressbedingungen. Dies deutet darauf hin, dass die Anwendung dieses Phytohormons zu einer verringerten Dissipation der Anregungsenergie der PSII-Antennen führte und die Akkumulation kleiner Hitzeschockproteine ​​in Chloroplasten förderte (Ogweno et al. 2008; Kothari und Lachowitz, 2021).
Der MDA- und Prolingehalt steigt häufig an, wenn Pflanzen unter abiotischem Stress stehen, im Vergleich zu Pflanzen, die unter optimalen Bedingungen wachsen (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Frühere Studien haben zudem gezeigt, dass MDA- und Prolinwerte biochemische Indikatoren sind, die zum Verständnis des Anpassungsprozesses oder der Auswirkungen agronomischer Maßnahmen bei Reis unter hohen Tages- oder Nachttemperaturen genutzt werden können (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Diese Studien zeigten auch, dass der MDA- und Prolingehalt in Reispflanzen tendenziell höher war, wenn diese hohen Temperaturen nachts bzw. tagsüber ausgesetzt waren. Die Blattdüngung mit CK und BR führte jedoch zu einer Senkung des MDA- und einer Erhöhung des Prolingehalts, hauptsächlich beim toleranten Genotyp (Federroz 67). CK-Spray kann die Überexpression von Cytokinin-Oxidase/Dehydrogenase fördern und dadurch den Gehalt an Schutzstoffen wie Betain und Prolin erhöhen (Liu et al., 2020). BR fördert die Induktion von Osmoprotektiva wie Betain, Zuckern und Aminosäuren (einschließlich freiem Prolin) und erhält so das zelluläre osmotische Gleichgewicht unter vielen widrigen Umweltbedingungen aufrecht (Kothari und Lachowiec, 2021).
Der Crop Stress Index (CSI) und der Relative Tolerance Index (RTI) dienen dazu, zu bestimmen, ob die untersuchten Behandlungen verschiedene Stressfaktoren (abiotisch und biotisch) mindern und einen positiven Effekt auf die Pflanzenphysiologie haben (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). Die CSI-Werte liegen zwischen 0 und 1 und repräsentieren stressfreie bzw. Stressbedingungen (Lee et al., 2010). Die CSI-Werte von hitzegestressten (SC) Pflanzen lagen zwischen 0,8 und 0,9 (Abbildung 2B), was darauf hindeutet, dass die Reispflanzen durch den kombinierten Stress negativ beeinflusst wurden. Die Blattdüngung mit BC (0,6) oder CK (0,6) führte jedoch unter abiotischen Stressbedingungen im Vergleich zu SC-Reispflanzen hauptsächlich zu einer Verringerung dieses Indikators. Bei F2000-Pflanzen zeigte der RTI-Wert einen höheren Anstieg bei Verwendung von CA (97,69 %) und BC (60,73 %) im Vergleich zu SA (33,52 %), was darauf hindeutet, dass diese Pflanzenwachstumsregulatoren auch zur Verbesserung der Toleranz von Reis gegenüber Überhitzung beitragen. Diese Indizes wurden vorgeschlagen, um Stressbedingungen in verschiedenen Arten zu bewältigen. Eine Studie von Lee et al. (2010) zeigte, dass der CSI-Wert zweier Baumwollsorten unter moderatem Wasserstress bei etwa 0,85 lag, während die CSI-Werte gut bewässerter Sorten zwischen 0,4 und 0,6 lagen. Daraus wurde geschlossen, dass dieser Index ein Indikator für die Wasseranpassung der Sorten an Stressbedingungen ist. Darüber hinaus bewerteten Chavez-Arias et al. (2020) die Wirksamkeit synthetischer Elicitoren als umfassende Stressmanagementstrategie in C. elegans-Pflanzen und stellten fest, dass mit diesen Verbindungen besprühte Pflanzen einen höheren RTI-Wert (65 %) aufwiesen. Auf dieser Grundlage können CK und BR als agronomische Strategien betrachtet werden, die darauf abzielen, die Toleranz von Reis gegenüber komplexem Hitzestress zu erhöhen, da diese Pflanzenwachstumsregulatoren positive biochemische und physiologische Reaktionen hervorrufen.
In den letzten Jahren konzentrierte sich die Reisforschung in Kolumbien auf die Bewertung von Genotypen mit Toleranz gegenüber hohen Tages- oder Nachttemperaturen anhand physiologischer und biochemischer Merkmale (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). Gleichzeitig gewann die Analyse praktischer, wirtschaftlicher und rentabler Technologien zunehmend an Bedeutung, um integrierte Anbaumethoden zur Verbesserung der Auswirkungen komplexer Hitzestressperioden im Land zu entwickeln (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). Die in dieser Studie beobachteten physiologischen und biochemischen Reaktionen von Reispflanzen auf komplexen Hitzestress (40 °C Tag/30 °C Nacht) legen nahe, dass die Blattdüngung mit CK oder BR eine geeignete Anbaumethode zur Minderung negativer Auswirkungen sein könnte. Auswirkungen von Perioden moderaten Hitzestresses. Diese Behandlungen verbesserten die Toleranz beider Reisgenotypen (niedriger CSI- und hoher RTI-Wert) und zeigten einen allgemeinen Trend in den physiologischen und biochemischen Reaktionen der Pflanzen unter kombiniertem Hitzestress auf. Die Hauptreaktion der Reispflanzen war eine Abnahme des Gehalts an GC, Gesamtchlorophyll, Chlorophyll α und β sowie Carotinoiden. Zusätzlich litten die Pflanzen unter PSII-Schäden (verringerte Chlorophyllfluoreszenzparameter wie das Fv/Fm-Verhältnis) und erhöhter Lipidperoxidation. Wurde der Reis hingegen mit CK und BR behandelt, wurden diese negativen Effekte abgemildert und der Prolingehalt erhöht (Abb. 4).
Abbildung 4. Konzeptuelles Modell der Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress und Blattdüngung mit Wachstumsregulatoren auf Reispflanzen. Rote und blaue Pfeile zeigen die negativen bzw. positiven Auswirkungen der Wechselwirkung zwischen Hitzestress und Blattdüngung mit BR (Brassinosteroid) und CK (Cytokinin) auf physiologische bzw. biochemische Reaktionen an. gs: Stomatale Leitfähigkeit; Gesamtchlorophyll: Gesamtchlorophyllgehalt; Chlorophyll α: Chlorophyll-β-Gehalt; Cx+c: Carotinoidgehalt.
Zusammenfassend deuten die physiologischen und biochemischen Reaktionen dieser Studie darauf hin, dass Fedearroz 2000-Reispflanzen anfälliger für komplexen Hitzestress sind als Fedearroz 67-Reispflanzen. Alle untersuchten Wachstumsregulatoren (Auxine, Gibberelline, Cytokinine und Brassinosteroide) reduzierten den kombinierten Hitzestress in gewissem Maße. Cytokinine und Brassinosteroide bewirkten jedoch eine bessere Anpassung der Pflanzen, da beide Wachstumsregulatoren den Chlorophyllgehalt, die α-Chlorophyllfluoreszenzparameter, die Streckgrenze (gs) und den relativen Wassergehalt (RWC) im Vergleich zu unbehandelten Reispflanzen erhöhten und gleichzeitig den MDA-Gehalt und die Kronentemperatur senkten. Abschließend lässt sich schlussfolgern, dass der Einsatz von Wachstumsregulatoren (Cytokininen und Brassinosteroiden) ein nützliches Instrument zur Bewältigung von Hitzestress in Reiskulturen während Perioden hoher Temperaturen darstellt.
Die im Rahmen der Studie präsentierten Originalmaterialien sind dem Artikel beigefügt; weitere Anfragen können an den entsprechenden Autor gerichtet werden.