Aufgrund des Klimawandels und der Klimaschwankungen geht die Reisproduktion in Kolumbien zurück.Pflanzenwachstumsregulatorenwurden als Strategie zur Verringerung von Hitzestress bei verschiedenen Nutzpflanzen eingesetzt. Deshalb bestand das Ziel dieser Studie darin, die physiologischen Wirkungen (Stomatenleitfähigkeit, Gesamtchlorophyllgehalt, Fv/Fm-Verhältnis) von zwei kommerziellen Reisgenotypen, die kombiniertem Hitzestress (hohe Tag- und Nachttemperaturen), Kronendachtemperatur und relativer Wassergehalt) ausgesetzt waren, sowie biochemische Variablen (Malondialdehyd- (MDA) und Prolinsäuregehalt) zu bewerten. Das erste und zweite Experiment wurden mit Pflanzen zweier Reisgenotypen durchgeführt, nämlich Federrose 67 („F67“) und Federrose 2000 („F2000“). Beide Experimente wurden zusammen als Versuchsreihe analysiert. Die etablierten Behandlungen waren wie folgt: absolute Kontrolle (AC) (Reispflanzen, die bei optimalen Temperaturen angebaut wurden (Tag-/Nachttemperatur 30/25 °C)), Hitzestresskontrolle (SC) [Reispflanzen, die nur kombiniertem Hitzestress ausgesetzt waren (40/25 °C). 30 °C)], und Reispflanzen wurden gestresst und zweimal (5 Tage vor und 5 Tage nach Hitzestress) mit Pflanzenwachstumsregulatoren (Stress+AUX, Stress+BR, Stress+CK oder Stress+GA) besprüht. Das Besprühen mit SA erhöhte den Gesamtchlorophyllgehalt beider Sorten (Frischgewicht der Reispflanzen „F67“ und „F2000“ betrug 3,25 bzw. 3,65 mg/g) im Vergleich zu SC-Pflanzen (Frischgewicht der Pflanzen „F67“ betrug 2,36 und 2,56 mg). Bei Reis „F2000“ verbesserte die Blattanwendung von CK auch allgemein die stomatäre Leitfähigkeit von Reis „F2000“ (499,25 vs. 150,60 mmol m-2 s) im Vergleich zur Hitzestresskontrolle. Bei 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 %) das Problem des kombinierten Hitzestresses, insbesondere bei F2000-Reispflanzen, lindern kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Blattdüngung mit BR oder CK als agronomische Strategie zur Verringerung der negativen Auswirkungen kombinierter Hitzestressbedingungen auf das physiologische Verhalten von Reispflanzen angesehen werden kann.
Reis (Oryza sativa) gehört zur Familie der Süßgräser (Poaceae) und ist neben Mais und Weizen eine der am häufigsten angebauten Getreidearten der Welt (Bajaj und Mohanty, 2005). Die Reisanbaufläche beträgt 617.934 Hektar, und die nationale Produktion im Jahr 2020 betrug 2.937.840 Tonnen bei einem durchschnittlichen Ertrag von 5,02 Tonnen/ha (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Die globale Erwärmung beeinträchtigt den Reisernteanbau und führt zu verschiedenen Arten von abiotischem Stress, beispielsweise hohen Temperaturen und Dürreperioden. Der Klimawandel lässt die globalen Temperaturen ansteigen. Prognosen zufolge wird im 21. Jahrhundert ein Temperaturanstieg von 1,0–3,7 °C erwartet, wodurch sich Häufigkeit und Intensität von Hitzestress erhöhen könnten. Die gestiegenen Außentemperaturen haben sich auf den Reis ausgewirkt und zu Ernterückgängen von 6–7 % geführt. Andererseits führt der Klimawandel auch zu ungünstigen Umweltbedingungen für Nutzpflanzen, beispielsweise zu Perioden schwerer Dürre oder hohen Temperaturen in tropischen und subtropischen Regionen. Außerdem können Wetterkapriolen wie El Niño zu Hitzestress führen und in einigen tropischen Regionen die Ernteschäden verschlimmern. In Kolumbien werden die Temperaturen in Reisanbaugebieten bis 2050 voraussichtlich um 2–2,5 °C ansteigen, was die Reisproduktion verringert und den Produktfluss zu den Märkten und in die Lieferketten beeinträchtigt.
Die meisten Reispflanzen werden in Gebieten angebaut, in denen die Temperaturen nahe dem optimalen Bereich für das Pflanzenwachstum liegen (Shah et al., 2011). Es wurde berichtet, dass die optimalen durchschnittlichen Tag- und Nachttemperaturen fürReiswachstum und -entwicklungliegen im Allgemeinen bei 28 °C bzw. 22 °C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Temperaturen über diesen Schwellenwerten können in sensiblen Phasen der Reisentwicklung (Bestockung, Anthese, Blüte und Kornfüllung) zu Perioden mit mäßigem bis starkem Hitzestress führen und sich dadurch negativ auf den Kornertrag auswirken. Dieser Ertragsrückgang ist hauptsächlich auf lange Perioden von Hitzestress zurückzuführen, die die Physiologie der Pflanzen beeinträchtigen. Aufgrund des Zusammenspiels verschiedener Faktoren, wie Stressdauer und erreichter Maximaltemperatur, kann Hitzestress eine Reihe irreversibler Schäden am Stoffwechsel und der Entwicklung der Pflanzen verursachen.
Hitzestress beeinflusst verschiedene physiologische und biochemische Prozesse in Pflanzen. Die Blattphotosynthese ist einer der Prozesse, die bei Reispflanzen am anfälligsten für Hitzestress sind, da die Photosyntheserate um 50 % abnimmt, wenn die Tagestemperaturen 35 °C übersteigen. Die physiologischen Reaktionen von Reispflanzen variieren je nach Art des Hitzestresses. Beispielsweise werden die Photosyntheserate und die stomatäre Leitfähigkeit gehemmt, wenn Pflanzen hohen Tagestemperaturen (33–40 °C) oder hohen Tages- und Nachttemperaturen (35–40 °C tagsüber, 28–30 °C bedeutet Nacht) ausgesetzt sind (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Hohe Nachttemperaturen (30 °C) verursachen eine mäßige 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 Chlorophyllfluoreszenz zur maximalen Chlorophyllfluoreszenz (Fv/Fm) und die Rubisco-Aktivierung bei 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 wurde als biochemischer Indikator für Pflanzenstress verwendet (Ahmed und Hassan 2011). Prolin spielt eine wichtige Rolle im Pflanzenstoffwechsel, da es als Kohlenstoff- oder Stickstoffquelle und als Membranstabilisator bei hohen Temperaturen wirkt (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Hohe Temperaturen beeinträchtigen außerdem die Membranstabilität durch Lipidperoxidation, was zur Bildung von Malondialdehyd (MDA) führt (Wahid et al., 2007). Daher wurde der MDA-Gehalt auch verwendet, um die strukturelle Integrität von Zellmembranen unter Hitzestress zu verstehen (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). Schließlich erhöhte kombinierter Hitzestress [37/30 °C (Tag/Nacht)] den Prozentsatz des Elektrolytverlusts und den Malondialdehydgehalt im Reis (Liu et al., 2013).
Der Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren (GRs) wurde zur Milderung der negativen Auswirkungen von Hitzestress untersucht, da diese Substanzen aktiv an der Reaktion von Pflanzen oder den physiologischen Abwehrmechanismen gegen solchen Stress beteiligt sind (Peleg und Blumwald, 2011; Yin et al. et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Die exogene Anwendung genetischer Ressourcen hat sich positiv auf die Hitzestresstoleranz verschiedener Nutzpflanzen ausgewirkt. Studien haben gezeigt, dass Phytohormone wie Gibberelline (GA), Cytokinine (CK), Auxine (AUX) oder Brassinosteroide (BR) zu einer Zunahme verschiedener physiologischer und biochemischer Variablen führen (Peleg und Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014). In Kolumbien sind die exogene Anwendung genetischer Ressourcen und ihre Auswirkungen auf Reisernten noch nicht vollständig verstanden und untersucht. Eine frühere Studie zeigte jedoch, dass das Besprühen der Blätter mit BR die Reistoleranz verbessern kann, indem es die Gasaustauscheigenschaften sowie den Chlorophyll- oder Prolingehalt der Blätter von Reiskeimlingen verbessert ( Quintero-Calderón et al., 2021 ).
Cytokinine vermitteln die Reaktion von Pflanzen auf abiotischen Stress, einschließlich Hitzestress (Ha et al., 2012). Darüber hinaus wurde berichtet, dass die exogene Gabe von CK thermische Schäden reduzieren kann. Beispielsweise erhöhte die exogene Gabe von Zeatin die Photosyntheserate, den Chlorophyll-a- und -b-Gehalt sowie die Elektronentransporteffizienz im Kriechenden Straußgras (Agrotis estolonifera) während Hitzestress (Xu und Huang, 2009; Jespersen und Huang, 2015). Die exogene Gabe von Zeatin kann zudem die antioxidative Aktivität verbessern, die Synthese verschiedener Proteine steigern, Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und die Malondialdehydproduktion (MDA) in Pflanzengeweben reduzieren (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009, 2016; Kumar et al., 2020).
Die Verwendung von Gibberellinsäure hat auch eine positive Reaktion auf Hitzestress gezeigt. Studien haben gezeigt, dass die GA-Biosynthese verschiedene Stoffwechselwege vermittelt und die Toleranz unter Hochtemperaturbedingungen erhöht (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) fanden heraus, dass das Besprühen der Blätter mit exogenem GA (25 oder 50 mg*l) die Photosyntheserate und die antioxidative Aktivität bei hitzegestressten Orangenpflanzen im Vergleich zu Kontrollpflanzen erhöhen konnte. Es wurde auch beobachtet, dass die exogene Anwendung von HA den relativen Feuchtigkeitsgehalt, den Chlorophyll- und Carotinoidgehalt erhöht und die Lipidperoxidation bei Dattelpalmen (Phoenix dactylifera) unter Hitzestress verringert (Khan et al., 2020). Auxin spielt auch eine wichtige Rolle bei der Regulierung adaptiver Wachstumsreaktionen auf Hochtemperaturbedingungen (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Dieser Wachstumsregulator fungiert als biochemischer Marker in verschiedenen Prozessen wie der Prolinsynthese oder dem Abbau unter abiotischem Stress (Ali et al. 2007). Darüber hinaus verstärkt AUX auch die antioxidative Aktivität, was aufgrund der verringerten Lipidperoxidation zu einem Rückgang von MDA in Pflanzen führt (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) beobachteten, dass bei Erbsenpflanzen (Pisum sativum) unter Hitzestress der Gehalt an Prolin (Dimethylaminoethoxycarbonylmethyl)naphthylchloromethylether (TA-14) ansteigt. Im selben Experiment beobachteten sie auch niedrigere MDA-Werte in behandelten Pflanzen im Vergleich zu nicht mit AUX behandelten Pflanzen.
Brassinosteroide sind eine weitere Klasse von Wachstumsregulatoren, die zur Abschwächung der Auswirkungen von Hitzestress eingesetzt werden. Ogweno et al. (2008) berichteten, dass exogenes BR-Spray die Netto-Photosyntheserate, die stomatäre Leitfähigkeit und die maximale Rubisco-Carboxylierungsrate von Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum) unter Hitzestress acht Tage lang erhöhte. Das Besprühen der Blätter mit Epibrassinosteroiden kann die Netto-Photosyntheserate von Gurkenpflanzen (Cucumis sativus) unter Hitzestress erhöhen (Yu et al., 2004). Darüber hinaus verzögert die exogene Anwendung von BR den Chlorophyllabbau und erhöht die Wassernutzungseffizienz und 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, stomatäre Leitfähigkeit, Chlorophyllfluoreszenzparameter, Chlorophyll- und relativer Wassergehalt, Malondialdehyd- und Prolinsynthese) ein zuverlässiges Instrument zum Screening von Reispflanzen unter Hitzestress auf lokaler und internationaler Ebene (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017; Allerdings ist die Forschung zur Verwendung von phytohormonellen Blattsprays bei Reis auf lokaler Ebene nach wie vor selten. Daher ist die Untersuchung der physiologischen und biochemischen Reaktionen der Anwendung von Pflanzenwachstumsregulatoren von großer Bedeutung für die Entwicklung praktischer agronomischer Strategien zur Bewältigung der negativen Auswirkungen einer Periode komplexen Hitzestresses bei Reis. Daher bestand der Zweck dieser Studie darin, die physiologischen (stomatäre Leitfähigkeit, Chlorophyllfluoreszenzparameter und relativer Wassergehalt) und biochemischen Auswirkungen der Blattanwendung von vier Pflanzenwachstumsregulatoren (AUX, CK, GA und BR) zu bewerten. (Photosynthetische Pigmente, Malondialdehyd- und Prolingehalte) Variablen in zwei kommerziellen Reisgenotypen, die kombiniertem Hitzestress (hohe Tag-/Nachttemperaturen) ausgesetzt sind.
In dieser Studie wurden zwei unabhängige Experimente durchgeführt. Die Genotypen Federrose 67 (F67: ein Genotyp, der im letzten Jahrzehnt bei hohen Temperaturen entwickelt wurde) und Federrose 2000 (F2000: ein Genotyp, der im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde und Resistenz gegen das Weißblattvirus zeigt) wurden zum ersten Mal verwendet. Samen. und das zweite Experiment. Beide Genotypen werden von kolumbianischen Bauern häufig angebaut. Die Samen wurden in 10-Liter-Schalen (Länge 39,6 cm, Breite 28,8 cm, Höhe 16,8 cm) mit sandigem Lehmboden mit 2 % organischer Substanz ausgesät. In jede Schale wurden fünf vorgekeimte Samen gepflanzt. 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 (asl. m.) aufgestellt und von Oktober bis Dezember 2019 durchgeführt. Ein Experiment (Federroz 67) und ein zweites Experiment (Federroz 2000) in derselben Saison 2020.
Die Umweltbedingungen im Gewächshaus sind während jeder Pflanzsaison 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 mittags). Die Pflanzen wurden 20 Tage nach dem Auflaufen der Samen (DAE) entsprechend dem Gehalt jedes Elements gedüngt, gemäß Sánchez-Reinoso et al. (2019): 670 mg Stickstoff pro Pflanze, 110 mg Phosphor pro Pflanze, 350 mg Kalium pro Pflanze, 68 mg Kalzium pro Pflanze, 20 mg Magnesium pro Pflanze, 20 mg Schwefel pro Pflanze, 17 mg Silizium pro Pflanze. Die Pflanzen enthalten 10 mg Bor pro Pflanze, 17 mg Kupfer pro Pflanze und 44 mg Zink pro Pflanze. Reispflanzen wurden in jedem Experiment bei bis zu 47 DAE gehalten, wenn sie während dieser Zeit das phänologische Stadium V5 erreichten. Frühere Studien haben gezeigt, dass dieses phänologische Stadium ein geeigneter Zeitpunkt ist, um Hitzestressstudien bei Reis durchzuführen (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
In jedem Experiment wurden zwei separate Anwendungen des Blattwachstumsregulators durchgeführt. Die erste Reihe von Phytohormon-Blattsprays wurde 5 Tage vor der Hitzestressbehandlung (42 DAE) ausgebracht, um die Pflanzen auf Umweltstress vorzubereiten. Ein zweites Blattspray wurde dann 5 Tage, nachdem die Pflanzen den Stressbedingungen ausgesetzt waren, verabreicht (52 DAE). Es wurden vier Phytohormone verwendet und die Eigenschaften jedes in dieser Studie versprühten Wirkstoffs sind in der Ergänzungstabelle 1 aufgeführt. Die Konzentrationen der verwendeten Blattwachstumsregulatoren waren wie folgt: (i) Auxin (1-Naphthylessigsäure: NAA) in einer Konzentration von 5 × 10−5 M (ii) 5 × 10–5 M Gibberellin (Gibberellinsäure: NAA); GA3); (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, weil sie positive Reaktionen hervorrufen und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Hitzestress erhöhen (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017 ). Reispflanzen ohne Wachstumsregulatorsprays wurden nur mit destilliertem Wasser behandelt. Alle Reispflanzen wurden mit einem Handsprüher besprüht. Tragen Sie 20 ml H2O auf die Pflanze auf, um die Ober- und Unterseite der Blätter zu befeuchten. Bei allen Blattsprays wurde ein landwirtschaftliches Adjuvans (Agrotin, Bayer CropScience, Kolumbien) mit 0,1 % (v/v) verwendet. Der Abstand zwischen Topf und Sprüher beträgt 30 cm.
Hitzestressbehandlungen wurden in jedem Experiment 5 Tage nach der ersten Blattbesprühung (47 DAE) verabreicht. Reispflanzen wurden vom Gewächshaus in eine 294-l-Wachstumskammer (MLR-351H, Sanyo, IL, USA) überführt, um Hitzestress zu etablieren oder die gleichen Umweltbedingungen aufrechtzuerhalten (47 DAE). Eine kombinierte Hitzestressbehandlung wurde durchgeführt, indem die Kammer auf die folgenden Tag-/Nachttemperaturen eingestellt wurde: tagsüber Höchsttemperatur [40 °C für 5 Stunden (von 11:00 bis 16:00 Uhr)] und Nachtperiode [30 °C für 5 Stunden]. 8 Tage hintereinander (von 19:00 bis 24:00 Uhr). Die Stresstemperatur und die Expositionsdauer wurden auf Grundlage früherer Studien ausgewählt (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Andererseits wurde eine Gruppe von Pflanzen, die in die Wachstumskammer überführt wurden, acht aufeinanderfolgende Tage lang im Gewächshaus bei der gleichen Temperatur (30 °C tagsüber/25 °C nachts) gehalten.
Am Ende des Experiments lagen die folgenden Behandlungsgruppen vor: (i) Wachstumstemperaturbedingung + Anwendung von destilliertem Wasser [Absolute Kontrolle (AC)], (ii) Hitzestressbedingung + Anwendung von destilliertem Wasser [Hitzestresskontrolle (SC)], (iii) Bedingungen Hitzestressbedingung + Auxinanwendung (AUX), (iv) Hitzestressbedingung + Gibberellinanwendung (GA), (v) Hitzestressbedingung + Cytokininanwendung (CK), und (vi) Hitzestressbedingung + Brassinosteroid (BR). Diese Behandlungsgruppen wurden für zwei Genotypen (F67 und F2000) verwendet. Alle Behandlungen wurden in einem vollständig randomisierten Design mit fünf Replikaten durchgeführt, die jeweils aus einer Pflanze bestanden. Jede Pflanze wurde verwendet, um die am Ende des Experiments ermittelten Variablen abzulesen. Das Experiment dauerte 55 DAE.
Die stomatäre Leitfähigkeit (gs) wurde mit einem tragbaren Porosometer (SC-1, METER Group Inc., USA) im Bereich von 0 bis 1000 mmol m-2 s-1 und einer Probenkammeröffnung von 6,35 mm gemessen. Die Messungen wurden durchgeführt, indem eine Stomametersonde an einem reifen Blatt befestigt wurde, wobei der Haupttrieb der Pflanze vollständig entfaltet war. Für jede Behandlung wurden zwischen 11:00 und 16:00 Uhr gs-Werte an drei Blättern jeder Pflanze gemessen und gemittelt.
Der RWC wurde nach der von Ghoulam et al. (2002) beschriebenen Methode bestimmt. Das vollständig entfaltete Blatt, das zur Bestimmung von g verwendet wurde, wurde auch zur Messung des RWC verwendet. Das Frischgewicht (FW) wurde unmittelbar nach der Ernte mit einer Digitalwaage ermittelt. Die Blätter wurden dann in einen mit Wasser gefüllten Plastikbehälter gegeben und 48 Stunden bei Raumtemperatur (22 °C) im Dunkeln stehen gelassen. Anschließend wurden sie auf einer Digitalwaage gewogen und das expandierte Gewicht (TW) aufgezeichnet. Die gequollenen Blätter wurden 48 Stunden bei 75 °C im Ofen getrocknet und ihr Trockengewicht (DW) aufgezeichnet.
Der relative Chlorophyllgehalt wurde mit einem Chlorophyllmeter (atLeafmeter, FT Green LLC, USA) bestimmt und in atLeaf-Einheiten ausgedrückt (Dey et al., 2016). Die maximalen PSII-Quanteneffizienzwerte (Fv/Fm-Verhältnis) wurden mit einem Chlorophyll-Fluorimeter mit kontinuierlicher Anregung (Handy PEA, Hansatech Instruments, UK) aufgezeichnet. Die Blätter wurden vor den Fv/Fm-Messungen 20 Minuten lang mit Blattklammern an die Dunkelheit angepasst (Restrepo-Diaz und Garces-Varon, 2013). Nachdem die Blätter an die Dunkelheit gewöhnt waren, wurden die Basislinie (F0) und die maximale Fluoreszenz (Fm) gemessen. Aus diesen Daten wurden die variable Fluoreszenz (Fv = Fm – F0), das Verhältnis der variablen Fluoreszenz zur maximalen Fluoreszenz (Fv/Fm), die maximale Quantenausbeute der PSII-Photochemie (Fv/F0) und das Verhältnis Fm/F0 berechnet (Baker, 2008; Lee et al., 2017). Die relativen Chlorophyll- und Chlorophyllfluoreszenzwerte wurden an denselben Blättern gemessen, die auch für die GS-Messungen verwendet wurden.
Etwa 800 mg Frischgewicht der Blätter wurden als biochemische Variablen gesammelt. Die Blattproben wurden dann in flüssigem Stickstoff homogenisiert und für weitere Analysen aufbewahrt. Die spektrometrische Methode zur Bestimmung des Chlorophyll-a-, -b- und Carotinoidgehalts des Gewebes basiert auf der Methode und den Gleichungen von Wellburn (1994). Blattgewebeproben (30 mg) wurden gesammelt und in 3 ml 80%igem Aceton homogenisiert. Die Proben wurden dann 10 Minuten lang 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 (Chlorophyll a) und 646 (Chlorophyll b) nm und der Carotinoidegehalt bei 470 nm mit einem Spektralphotometer (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA) bestimmt.
Zur Bestimmung der Membranlipidperoxidation (MDA) wurde die von Hodges et al. (1999) beschriebene Thiobarbitursäure-Methode (TBA) verwendet. Ca. 0,3 g Blattgewebe wurden zusätzlich in flüssigem Stickstoff homogenisiert. Die Proben wurden bei 5000 U/min zentrifugiert und die Absorption mit einem Spektralphotometer bei 440, 532 und 600 nm gemessen. Abschließend wurde die MDA-Konzentration anhand des Extinktionskoeffizienten (157 M mL−1) berechnet.
Der Prolingehalt aller Behandlungen wurde mit der von Bates et al. (1973) beschriebenen Methode bestimmt. Dazu werden 10 ml einer 3%igen wässrigen Lösung von Sulfosalicylsäure zur gelagerten Probe gegeben und durch Whatman-Filterpapier (Nr. 2) gefiltert. Anschließend werden 2 ml dieses Filtrats mit 2 ml Neunwertiger Säure und 2 ml Eisessig versetzt. Die Mischung wird 1 Stunde in ein 90 °C heißes Wasserbad gestellt. Die Reaktion wird durch Inkubation auf Eis gestoppt. Das Röhrchen wird kräftig mit einem Vortex-Schüttler geschüttelt und die Lösung in 4 ml Toluol gelöst. Die Absorptionswerte wurden bei 520 nm mit demselben Spektralphotometer bestimmt, das auch zur Quantifizierung photosynthetischer Pigmente verwendet wird (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA).
Die von Gerhards et al. (2016) beschriebene Methode zur Berechnung der Kronendachtemperatur und des CSI. Wärmebilder wurden mit einer FLIR 2-Kamera (FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA) mit einer Genauigkeit von ±2 °C am Ende der Stressperiode aufgenommen. Platzieren Sie für die Fotografie eine weiße Oberfläche hinter der Pflanze. Auch hier wurden zwei Fabriken als Referenzmodelle betrachtet. Die Pflanzen wurden auf eine weiße Oberfläche gestellt; eine wurde mit einem landwirtschaftlichen Adjuvans (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Kolumbien) beschichtet, um die Öffnung aller Stomata zu simulieren [Nassmodus (Twet)], und die andere war ein Blatt ohne jegliche Anwendung [Trockenmodus (Tdry)] (Castro-Duque et al., 2020). Der Abstand zwischen der Kamera und dem Topf während der Aufnahme betrug 1 m.
Der relative Toleranzindex wurde indirekt anhand der stomatären Leitfähigkeit (gs) behandelter Pflanzen im Vergleich zu Kontrollpflanzen (Pflanzen ohne Stressbehandlung und 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 bei 55 DAE anhand vollständig entfalteter Blätter aus dem oberen Kronendach bestimmt und aufgezeichnet. Zusätzlich wurden Messungen in einer Wachstumskammer durchgeführt, um Veränderungen der Umweltbedingungen, unter denen die Pflanzen wachsen, zu vermeiden.
Daten aus dem ersten und zweiten Experiment wurden zusammen als Versuchsreihe analysiert. Jede Versuchsgruppe bestand aus 5 Pflanzen und jede Pflanze stellte eine Versuchseinheit dar. Es wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt (P ≤ 0,05). Bei signifikanten Unterschieden wurde Tukeys Post-hoc-Vergleichstest bei P ≤ 0,05 verwendet. Verwenden Sie die Arkussinusfunktion, um Prozentwerte umzurechnen. Die Daten wurden mit der Software Statistix v 9.0 (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA) analysiert und mit SigmaPlot (Version 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA) dargestellt. Die Hauptkomponentenanalyse wurde mit der Software InfoStat 2016 (Analysis Software, National University of Cordoba, Argentinien) durchgeführt, um die besten untersuchten Pflanzenwachstumsregulatoren zu identifizieren.
Tabelle 1 fasst die ANOVA zusammen und zeigt die Experimente, die verschiedenen Behandlungen und ihre Wechselwirkungen mit photosynthetischen Blattpigmenten (Chlorophyll a, b, gesamt und Carotinoide), Malondialdehyd (MDA) und Prolingehalt sowie stomatäre Leitfähigkeit. Einfluss von gs, relativem Wassergehalt (RWC), Chlorophyllgehalt, Chlorophyll-Alpha-Fluoreszenzparametern, Kronentemperatur (PCT) (°C), Pflanzenstressindex (CSI) und relativer Toleranzindex von Reispflanzen bei 55 DAE.
Tabelle 1. Zusammenfassung der ANOVA-Daten zu physiologischen und biochemischen Variablen von Reis zwischen Experimenten (Genotypen) und Hitzestressbehandlungen.
Unterschiede (P≤0,01) in den photosynthetischen Pigmentwechselwirkungen des Blattes, dem relativen Chlorophyllgehalt (Blattwerte) und den Alpha-Chlorophyll-Fluoreszenzparametern zwischen Experimenten und Behandlungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Hohe Tages- und Nachttemperaturen erhöhten den Gesamtchlorophyll- und Carotinoidgehalt. Reissetzlinge ohne Blattspray mit Phytohormonen (2,36 mg g-1 für „F67“ und 2,56 mg g-1 für „F2000“) zeigten im Vergleich zu unter optimalen Temperaturbedingungen gewachsenen Pflanzen (2,67 mg g-1) einen niedrigeren Gesamtchlorophyllgehalt. In beiden Experimenten lag der Gehalt bei „F67“ bei 2,80 mg g-1 und bei „F2000“ bei 2,80 mg g-1. Darüber hinaus zeigten Reissetzlinge, die unter Hitzestress mit einer Kombination aus AUX- und GA-Sprays behandelt wurden, unter Hitzestressbedingungen auch einen Rückgang des Chlorophyllgehalts bei 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 bei beiden Genotypen zu einem leichten Anstieg dieser Variablen. Schließlich zeigte das CK-Blattspray die höchsten photosynthetischen Pigmentwerte unter allen Behandlungen (AUX-, GA-, BR-, SC- und AC-Behandlungen) bei den Genotypen F67 (3,24 mg g-1) und F2000 (3,65 mg g-1). Der relative Chlorophyllgehalt (A-Blatt-Einheit) wurde durch kombinierten Hitzestress ebenfalls reduziert. Die höchsten Werte wurden ebenfalls bei mit CC besprühten Pflanzen beider Genotypen verzeichnet (41,66 für „F67“ und 49,30 für „F2000“). Die Fv- und Fv/Fm-Verhältnisse zeigten signifikante Unterschiede zwischen Behandlungen und Sorten (Tabelle 2). Insgesamt war Sorte F67 unter diesen Variablen weniger anfällig für Hitzestress als Sorte F2000. Die Fv- und Fv/Fm-Verhältnisse litten im zweiten Experiment stärker. Gestresste „F2000“-Sämlinge, die nicht mit Phytohormonen besprüht wurden, wiesen die niedrigsten Fv-Werte (2120,15) und Fv/Fm-Verhältnisse (0,59) auf, aber Blattspritzungen mit CK halfen, diese Werte wiederherzustellen (Fv: 2591, 89, Fv/Fm-Verhältnis: 0,73). , wobei ähnliche Messwerte wie bei „F2000“-Pflanzen unter optimalen Temperaturbedingungen (Fv: 2955,35, Fv/Fm-Verhältnis: 0,73:0,72) erzielt wurden. Es gab keine signifikanten Unterschiede bei der anfänglichen Fluoreszenz (F0), der maximalen Fluoreszenz (Fm), der maximalen photochemischen Quantenausbeute von PSII (Fv/F0) und dem Fm/F0-Verhältnis. Schließlich zeigte BR einen ähnlichen Trend wie bei CK (Fv 2545,06, Fv/Fm-Verhältnis 0,73).
Tabelle 2. Wirkung von kombiniertem Hitzestress (40°/30°C Tag/Nacht) auf photosynthetische Blattpigmente [Gesamtchlorophyll (Chl Total), Chlorophyll a (Chl a), Chlorophyll b (Chl b) und Carotinoide Cx+c] Wirkung ], relativer Chlorophyllgehalt (Atliff-Einheit), Chlorophyll-Fluoreszenzparameter (anfängliche Fluoreszenz (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 Unterschiede (P ≤ 0,05) in der Interaktion zwischen experimenteller und Blattbehandlung (Abb. 1A). Bei der Behandlung mit SA wurden für beide Genotypen die niedrigsten Werte verzeichnet (74,01 % für F67 und 76,6 % für F2000). Unter Hitzestressbedingungen stieg der RWC von Reispflanzen beider Genotypen, die mit unterschiedlichen Phytohormonen behandelt wurden, signifikant an. Insgesamt erhöhten Blattanwendungen von CK, GA, AUX oder BR den RWC auf Werte, die denen von Pflanzen ähnelten, die während des Experiments unter optimalen Bedingungen gewachsen waren. Absolute Kontrollpflanzen und blattbesprühte Pflanzen verzeichneten Werte von etwa 83 % für beide Genotypen. Andererseits zeigten gs auch signifikante Unterschiede (P ≤ 0,01) in der Experiment-Behandlungs-Interaktion (Abb. 1B). Die absolute Kontrollpflanze (AC) verzeichnete auch die höchsten Werte für jeden Genotyp (440,65 mmol m-2s-1 für F67 und 511,02 mmol m-2s-1 für F2000). Reispflanzen, die nur kombiniertem Hitzestress ausgesetzt waren, zeigten die niedrigsten g-Werte für beide Genotypen (150,60 mmol m-2s-1 für F67 und 171,32 mmol m-2s-1 für F2000). Die Blattbehandlung mit allen Pflanzenwachstumsregulatoren erhöhte g ebenfalls. Bei mit CC besprühten F2000-Reispflanzen war die Wirkung der Blattbehandlung mit Phytohormonen deutlicher. Diese Pflanzengruppe zeigte keine Unterschiede im Vergleich zu den absoluten Kontrollpflanzen (AC 511,02 und CC 499,25 mmol m-2s-1).
Abbildung 1. Wirkung von kombiniertem Hitzestress (40°/30°C Tag/Nacht) auf den relativen Wassergehalt (RWC) (A), die stomatäre Leitfähigkeit (gs) (B), die Malondialdehydproduktion (MDA) (C) und den Prolingehalt (D) bei Pflanzen zweier Reisgenotypen (F67 und F2000) 55 Tage nach dem Auflaufen (DAE). Für jeden Genotyp wurden folgende Behandlungen untersucht: absolute Kontrolle (AC), Hitzestresskontrolle (SC), Hitzestress + Auxin (AUX), Hitzestress + Gibberellin (GA), Hitzestress + Zellmitogen (CK) und Hitzestress + Brassinosteroid (BR). Jede Spalte stellt den Mittelwert ± Standardfehler von fünf Datenpunkten dar (n = 5). Spalten mit unterschiedlichen Buchstaben kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede gemäß Tukey-Test (P ≤ 0,05). Buchstaben mit einem Gleichheitszeichen kennzeichnen, dass der Mittelwert nicht statistisch signifikant ist (≤ 0,05).
Auch die MDA- (P ≤ 0,01) und Prolin-Gehalte (P ≤ 0,01) zeigten signifikante Unterschiede in der Interaktion zwischen Experiment und Phytohormonbehandlung (Abb. 1C, D). Bei beiden Genotypen wurde bei der SC-Behandlung eine erhöhte Lipidperoxidation beobachtet (Abb. 1C), wohingegen Pflanzen, die mit einem Blattwachstumsregulatorspray behandelt wurden, bei beiden Genotypen eine verringerte Lipidperoxidation aufwiesen; Im Allgemeinen führt die Verwendung von Phytohormonen (CA, AUC, BR oder GA) zu einer Verringerung der Lipidperoxidation (MDA-Gehalt). Es wurden keine Unterschiede zwischen AC-Pflanzen zweier Genotypen und Pflanzen unter Hitzestress festgestellt, die mit Phytohormonen besprüht wurden (die beobachteten FW-Werte bei „F67“-Pflanzen lagen zwischen 4,38 und 6,77 µmol g-1 und bei FW-„F2000“-Pflanzen lagen die beobachteten Werte zwischen 2,84 und 9,18 µmol g-1 (Pflanzen). Andererseits war die Prolinsynthese bei „F67“-Pflanzen unter kombiniertem Stress geringer als bei „F2000“-Pflanzen, was zu einer erhöhten Prolinproduktion führte. Bei hitzegestressten Reispflanzen wurde in beiden Experimenten 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 einer Blattbehandlung mit einem Pflanzenwachstumsregulator und kombiniertem Hitzestress auf die Kronendachtemperatur und den relativen Toleranzindex (RTI) sind in Abbildung 2A und B dargestellt. Bei beiden Genotypen lag die Kronendachtemperatur der AC-Pflanzen bei nahezu 27 °C und die der SC-Pflanzen bei etwa 28 °C. MIT. Es wurde auch beobachtet, dass Blattbehandlungen mit CK und BR zu einer Verringerung der Kronendachtemperatur um 2–3 °C im Vergleich zu SC-Pflanzen führten (Abbildung 2A). RTI zeigte ein ähnliches Verhalten wie andere physiologische Variablen und zeigte signifikante Unterschiede (P ≤ 0,01) in der Wechselwirkung zwischen Experiment und Behandlung (Abbildung 2B). SC-Pflanzen zeigten bei beiden Genotypen eine geringere Pflanzentoleranz (34,18 % und 33,52 % für „F67“- und „F2000“-Reispflanzen). Die Blattdüngung mit Phytohormonen verbessert den RTI bei Pflanzen, die hohem Temperaturstress ausgesetzt sind. Dieser Effekt war bei mit CC besprühten „F2000“-Pflanzen stärker ausgeprägt, bei denen der RTI 97,69 betrug. Signifikante Unterschiede wurden dagegen nur beim Ertragsspannungsindex (CSI) von Reispflanzen unter Blattfaktor-Sprühstressbedingungen beobachtet (P ≤ 0,01) (Abb. 2B). Nur Reispflanzen, die komplexem Hitzestress ausgesetzt waren, wiesen den höchsten Stressindexwert (0,816) auf. Bei Reispflanzen, die mit verschiedenen Phytohormonen besprüht wurden, war der Stressindex niedriger (Werte von 0,6 bis 0,67). Schließlich hatte die unter optimalen Bedingungen gewachsene Reispflanze einen Wert von 0,138.
Abbildung 2. Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress (40°/30°C Tag/Nacht) auf Kronendachtemperatur (A), relativen Toleranzindex (RTI) (B) und Pflanzenstressindex (CSI) (C) von zwei Pflanzenarten. Kommerzielle Reisgenotypen (F67 und F2000) wurden unterschiedlichen Hitzebehandlungen unterzogen. Für jeden Genotyp wurden folgende Behandlungen untersucht: absolute Kontrolle (AC), Hitzestresskontrolle (SC), Hitzestress + Auxin (AUX), Hitzestress + Gibberellin (GA), Hitzestress + Zellmitogen (CK) und Hitzestress + Brassinosteroid (BR). Bei kombiniertem Hitzestress werden Reispflanzen hohen Tag-/Nachttemperaturen (40°/30°C Tag/Nacht) ausgesetzt. Jede Spalte stellt den Mittelwert ± Standardfehler von fünf Datenpunkten dar (n = 5). Spalten mit unterschiedlichen Buchstaben kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede gemäß Tukey-Test (P ≤ 0,05). Buchstaben mit einem Gleichheitszeichen zeigen an, dass der Mittelwert nicht statistisch signifikant ist (≤ 0,05).
Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) hat gezeigt, dass die bei 55 DAE ermittelten Variablen 66,1 % der physiologischen und biochemischen Reaktionen von hitzegestressten Reispflanzen erklären, die mit Wachstumsregulatorspray behandelt wurden (Abb. 3). Vektoren stellen Variablen dar und Punkte stellen Pflanzenwachstumsregulatoren (GRs) dar. Die Vektoren von gs, Chlorophyllgehalt, maximaler Quanteneffizienz von PSII (Fv/Fm) und biochemischen Parametern (TChl, MDA und Prolin) stehen in engen Winkeln zum Ursprung, was auf eine hohe Korrelation zwischen dem physiologischen Verhalten der Pflanzen und diesen Variablen hindeutet. Eine Gruppe (V) umfasste bei optimaler Temperatur (AT) gewachsene Reissetzlinge und mit CK und BA behandelte F2000-Pflanzen. Gleichzeitig bildete die Mehrheit der mit GR behandelten Pflanzen eine separate Gruppe (IV), und die Behandlung mit GA in F2000 bildete eine separate Gruppe (II). Im Gegensatz dazu befanden sich hitzegestresste Reissetzlinge (Gruppen I und III) ohne Blattspray mit Phytohormonen (beide Genotypen waren SC) in einer Zone gegenüber der Gruppe V, was die Auswirkung von Hitzestress auf die Pflanzenphysiologie verdeutlicht. .
Abbildung 3. Biographische Analyse der Auswirkungen von kombiniertem Hitzestress (40°/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 + Cytokinin, BR F2000, Hitzestress + Messingsteroid; F2000.
Variablen wie Chlorophyllgehalt, Spaltöffnungsleitfähigkeit, Fv/Fm-Verhältnis, CSI, MDA, RTI und Prolingehalt können helfen, die Anpassung von Reisgenotypen zu verstehen und die Auswirkungen agronomischer Strategien unter Hitzestress zu bewerten (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Der Zweck dieses Experiments bestand darin, die Wirkung der Anwendung von vier Wachstumsregulatoren auf die physiologischen und biochemischen Parameter von Reissetzlingen unter komplexen Hitzestressbedingungen zu bewerten. Die Prüfung an Setzlingen ist eine einfache und schnelle Methode zur gleichzeitigen Beurteilung von Reispflanzen, abhängig von der Größe oder 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 zeigen auch, dass Blattwachstumsregulatorsprays (hauptsächlich Cytokinine und Brassinosteroide) dem Reis helfen, sich an komplexen Hitzestress anzupassen, da sich dies hauptsächlich auf gs, RWC, Fv/Fm-Verhältnis, photosynthetische Pigmente und Prolingehalt auswirkt.
Die Anwendung von Wachstumsregulatoren trägt dazu bei, den Wasserstatus von Reispflanzen unter Hitzestress zu verbessern, der mit höherem Stress und niedrigeren Kronendachtemperaturen verbunden sein kann. Diese Studie zeigte, dass unter den „F2000“-Pflanzen (anfälliger Genotyp) Reispflanzen, die hauptsächlich mit CK oder BR behandelt wurden, höhere gs-Werte und niedrigere PCT-Werte aufwiesen als mit SC behandelte Pflanzen. Frühere Studien haben auch gezeigt, dass gs und PCT genaue 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 Spaltöffnung durch synthetische Wechselwirkungen mit anderen Signalmolekülen wie ABA (Promotor der Spaltöffnungsschließung unter abiotischem Stress) fördern können (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). 2013). ). , 2014). Das Öffnen der Stomata fördert die Blattkühlung und trägt zur Senkung der Kronendachtemperatur bei (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Aus diesen Gründen kann die Kronendachtemperatur von mit CK oder BR besprühten Reispflanzen unter kombiniertem Hitzestress niedriger sein.
Hoher Temperaturstress kann den photosynthetischen Pigmentgehalt der Blätter reduzieren (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). In dieser Studie nahmen die photosynthetischen Pigmente bei Reispflanzen, die Hitzestress ausgesetzt waren und nicht mit Pflanzenwachstumsregulatoren besprüht wurden, in beiden Genotypen tendenziell ab (Tabelle 2). Feng et al. (2013) berichteten auch von einem signifikanten Rückgang des Chlorophyllgehalts in Blättern von zwei Weizengenotypen, die Hitzestress ausgesetzt waren. Hohe Temperaturen führen oft zu einem verringerten Chlorophyllgehalt, was auf eine verringerte Chlorophyllbiosynthese, einen Abbau der Pigmente oder ihre kombinierten Effekte unter Hitzestress zurückzuführen sein kann (Fahad et al., 2017). Bei Reispflanzen, die hauptsächlich mit CK und BA behandelt wurden, war unter Hitzestress jedoch die Konzentration photosynthetischer Blattpigmente erhöht. Ähnliche Ergebnisse wurden auch von Jespersen und Huang (2015) und Suchsagunpanit et al. berichtet. (2015), die einen Anstieg des Blattchlorophyllgehalts nach der Anwendung von Zeatin- und Epibrassinosteroidhormonen in hitzegestresstem Straußgras bzw. Reis beobachteten. Eine plausible Erklärung dafür, warum CK und BR einen erhöhten Blattchlorophyllgehalt unter kombiniertem Hitzestress fördern, ist, dass CK die Einleitung einer anhaltenden Induktion von Expressionspromotoren (wie dem Seneszenz-aktivierenden Promotor (SAG12) oder dem HSP18-Promotor) verstärken und den Chlorophyllverlust in Blättern verringern, die Blattalterung verzögern und die Hitzeresistenz der Pflanze erhöhen kann (Liu et al., 2020). BR kann Blattchlorophyll schützen und den Blattchlorophyllgehalt erhöhen, indem es die Synthese von Enzymen aktiviert oder induziert, die an der Chlorophyllbiosynthese unter Stressbedingungen beteiligt sind (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 beispielsweise eine erhöhte Chlorophyllbiosynthese (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Chlorophyll-a-Fluoreszenzparameter bieten eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Toleranz oder 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 zeigten SC-Pflanzen die niedrigsten Werte dieser Variable, vorwiegend „F2000“-Reispflanzen. Yin et al. (2010) stellten außerdem fest, dass das Fv/Fm-Verhältnis der Reisblätter mit der höchsten Bestockung bei Temperaturen über 35 °C signifikant abnahm. Laut Feng et al. (2013) weist das niedrigere Fv/Fm-Verhältnis unter Hitzestress darauf hin, dass die Rate der Aufnahme und Umwandlung von Anregungsenergie durch das PSII-Reaktionszentrum verringert ist, was wiederum darauf hindeutet, dass das PSII-Reaktionszentrum unter Hitzestress zerfällt. Diese Beobachtung lässt den Schluss zu, dass Störungen des Photosyntheseapparates 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 wurden von Suchsagunpanit et al. (2015) erzielt, die beobachteten, dass die BR-Anwendung die Effizienz von PSII unter Hitzestress bei Reis erhöhte. Kumar et al. (2020) fanden auch heraus, dass mit CK (6-Benzyladenin) behandelte und Hitzestress ausgesetzte Kichererbsenpflanzen das Fv/Fm-Verhältnis erhöhten, und kamen zu dem Schluss, dass die Blattanwendung von CK durch Aktivierung des Zeaxanthin-Pigmentzyklus die PSII-Aktivität förderte. Darüber hinaus begünstigte das Besprühen von Blättern mit BR die PSII-Photosynthese unter kombinierten Stressbedingungen, was darauf hindeutet, dass die Anwendung dieses Phytohormons zu einer verringerten Dissipation der Anregungsenergie von PSII-Antennen führte und die Ansammlung kleiner Hitzeschockproteine in Chloroplasten förderte (Ogweno et al. 2008; Kothari und Lachowitz). , 2021).
Der MDA- und Prolingehalt steigt bei Pflanzen unter abiotischem Stress häufig im Vergleich zu Pflanzen an, die unter optimalen Bedingungen wachsen (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Frühere Studien haben auch gezeigt, dass MDA- und Prolinwerte biochemische Indikatoren sind, die verwendet werden können, um den Anpassungsprozess oder die Auswirkungen agronomischer Praktiken bei Reis an hohe Temperaturen tagsüber oder nachts zu verstehen (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Diese Studien haben auch gezeigt, dass der MDA- und Prolingehalt bei Reispflanzen, die nachts bzw. tagsüber hohen Temperaturen ausgesetzt sind, tendenziell höher ist. Das Besprühen der Blätter mit CK und BR trug jedoch zu einer Abnahme des MDA- und einer Zunahme des Prolinspiegels bei, hauptsächlich beim toleranten Genotyp (Federroz 67). CK-Spray kann die Überexpression von Cytokininoxidase/-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 osmotische Gleichgewicht der Zellen unter vielen widrigen Umweltbedingungen (Kothari und Lachowiec, 2021).
Der Crop Stress Index (CSI) und der Relative Toleranzindex (RTI) werden verwendet, um zu bestimmen, ob die bewerteten Behandlungen dazu beitragen, verschiedene Stressfaktoren (abiotisch und biotisch) zu mildern und sich positiv auf die Pflanzenphysiologie auswirken (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). CSI-Werte können zwischen 0 und 1 liegen und repräsentieren jeweils stressfreie bzw. stressige Bedingungen (Lee et al., 2010). Die CSI-Werte von hitzegestressten (SC) Pflanzen lagen zwischen 0,8 und 0,9 (Abbildung 2B), was darauf hindeutet, dass Reispflanzen durch kombinierten Stress negativ beeinflusst wurden. Das Besprühen der Blätter mit BC (0,6) oder CK (0,6) führte jedoch hauptsächlich unter abiotischen Stressbedingungen zu einem Rückgang dieses Indikators im Vergleich zu SC-Reispflanzen. Bei F2000-Pflanzen zeigte sich bei Verwendung von CA (97,69 %) und BC (60,73 %) ein stärkerer RTI-Anstieg als bei SA (33,52 %). Dies weist darauf hin, dass diese Pflanzenwachstumsregulatoren auch dazu beitragen, die Reaktion von Reis auf die Überhitzungstoleranz der Zusammensetzung zu verbessern. Diese Indizes wurden zur Bewältigung von Stressbedingungen bei verschiedenen Arten vorgeschlagen. Eine von Lee et al. (2010) durchgeführte Studie zeigte, dass der CSI von zwei Baumwollsorten unter mäßigem Wasserstress etwa 0,85 betrug, während die CSI-Werte von gut bewässerten Sorten zwischen 0,4 und 0,6 lagen. Daraus wurde der Schluss gezogen, 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 Strategie zur Stressbewältigung bei C. elegans-Pflanzen und fanden heraus, dass mit diesen Verbindungen besprühte Pflanzen einen höheren RTI (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, die anhand physiologischer oder biochemischer Merkmale tolerant gegenüber hohen Tages- oder Nachttemperaturen sind (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). In den letzten Jahren hat jedoch die Analyse praktischer, wirtschaftlicher und rentabler Technologien zunehmend an Bedeutung gewonnen, um einen integrierten Pflanzenbau vorzuschlagen, der die Auswirkungen komplexer Hitzestressperioden im Land verbessert (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 tagsüber/30 °C nachts) legen daher nahe, dass das Besprühen der Blätter mit CK oder BR eine geeignete Pflanzenbaumethode sein könnte, um die negativen Auswirkungen von Perioden mit mäßigem Hitzestress zu mildern. Diese Behandlungen verbesserten die Toleranz beider Reisgenotypen (niedriger CSI und hoher RTI) und zeigten einen allgemeinen Trend in den physiologischen und biochemischen Reaktionen der Pflanzen unter kombiniertem Hitzestress. Die Hauptreaktion der Reispflanzen war ein Rückgang des GC-Gehalts, des Gesamtchlorophylls, der Chlorophylle α und β sowie der Carotinoide. Darüber hinaus erlitten die Pflanzen PSII-Schäden (verminderte Chlorophyllfluoreszenzparameter wie das Fv/Fm-Verhältnis) und eine erhöhte Lipidperoxidation. Wurde Reis hingegen mit CK und BR behandelt, wurden diese negativen Effekte gemildert und der Prolingehalt erhöht (Abb. 4).
Abbildung 4. Konzeptmodell der Auswirkungen einer Kombination aus Hitzestress und Blattspritzung mit Wachstumsregulatoren auf Reispflanzen. Rote und blaue Pfeile zeigen die negativen bzw. positiven Auswirkungen der Wechselwirkung zwischen Hitzestress und Blattapplikation von BR (Brassinosteroid) und CK (Cytokinin) auf physiologische bzw. biochemische Reaktionen an. gs: stomatäre Leitfähigkeit; Gesamt-Chl: Gesamtchlorophyllgehalt; Chl α: Chlorophyll-β-Gehalt; Cx+c: Carotinoidgehalt;
Zusammenfassend deuten die physiologischen und biochemischen Reaktionen in dieser Studie darauf hin, dass Fedearroz 2000-Reispflanzen anfälliger für eine Periode komplexen Hitzestresses sind als Fedearroz 67-Reispflanzen. Alle in dieser Studie untersuchten Wachstumsregulatoren (Auxine, Gibberelline, Cytokinine oder Brassinosteroide) zeigten ein gewisses Maß an kombinierter Hitzestressreduktion. Cytokinin und Brassinosteroide induzierten jedoch eine bessere Pflanzenanpassung, da beide Pflanzenwachstumsregulatoren den Chlorophyllgehalt, die Alpha-Chlorophyll-Fluoreszenzparameter, gs und RWC im Vergleich zu Reispflanzen ohne jegliche Anwendung erhöhten und auch den MDA-Gehalt und die Kronentemperatur senkten. Zusammenfassend kommen wir zu dem Schluss, dass der Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren (Cytokinine und Brassinosteroide) ein nützliches Mittel zur Bewältigung von Stressbedingungen bei Reispflanzen ist, die durch starken Hitzestress während Hochtemperaturperioden verursacht werden.
Die in der Studie vorgestellten Originalmaterialien sind dem Artikel beigefügt. Weitere Anfragen können an den entsprechenden Autor gerichtet werden.
Beitragszeit: 08.08.2024