Pflanzenwachstumsregulatoren (PGRs)sind eine kostengünstige Methode, um die Pflanzenabwehr unter Stressbedingungen zu stärken. Diese Studie untersuchte die Fähigkeit von zweiPGRsThioharnstoff (TU) und Arginin (Arg) wurden eingesetzt, um Salzstress in Weizen zu lindern. Die Ergebnisse zeigten, dass TU und Arg, insbesondere in Kombination, das Pflanzenwachstum unter Salzstress regulieren können. Ihre Behandlung erhöhte signifikant die Aktivität antioxidativer Enzyme und senkte gleichzeitig den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), Malondialdehyd (MDA) und die relative Elektrolytleitfähigkeit (REL) in Weizenkeimlingen. Darüber hinaus reduzierten diese Behandlungen signifikant die Na+- und Ca2+-Konzentrationen sowie das Na+/K+-Verhältnis, während die K+-Konzentration signifikant anstieg, wodurch das Ionen-Osmotische Gleichgewicht aufrechterhalten wurde. Besonders wichtig ist, dass TU und Arg den Chlorophyllgehalt, die Nettophotosyntheserate und die Gasaustauschrate von Weizenkeimlingen unter Salzstress signifikant erhöhten. TU und Arg, einzeln oder in Kombination angewendet, konnten die Trockenmasseakkumulation um 9,03–47,45 % steigern, wobei die Steigerung bei gemeinsamer Anwendung am größten war. Zusammenfassend unterstreicht diese Studie, dass die Aufrechterhaltung der Redoxhomöostase und des Ionengleichgewichts wichtig ist, um die Salztoleranz von Pflanzen zu verbessern. Darüber hinaus wurden TU und Arg als potenzielle Wirkstoffe empfohlen.Pflanzenwachstumsregulatoreninsbesondere in Kombination, um den Weizenertrag zu steigern.
Rasante Klima- und Landwirtschaftsveränderungen führen zu einer verstärkten Degradierung landwirtschaftlicher Ökosysteme1. Eine der gravierendsten Folgen ist die Bodenversalzung, die die globale Ernährungssicherheit bedroht2. Weltweit sind derzeit etwa 20 % der Ackerflächen versalzt, und dieser Anteil könnte bis 2050 auf 50 % ansteigen3. Salz-Alkali-Stress kann osmotischen Stress in den Wurzeln von Nutzpflanzen verursachen und so das Ionengleichgewicht der Pflanze stören4. Solche ungünstigen Bedingungen können außerdem zu einem beschleunigten Chlorophyllabbau, verringerten Photosyntheseraten und Stoffwechselstörungen führen, was letztendlich geringere Pflanzenerträge zur Folge hat5,6. Darüber hinaus ist die vermehrte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) eine häufige und schwerwiegende Folge, die oxidative Schäden an verschiedenen Biomolekülen, darunter DNA, Proteine und Lipide, verursachen kann7.
Weizen (Triticum aestivum) zählt zu den wichtigsten Getreidearten weltweit. Er ist nicht nur die am weitesten verbreitete Getreideart, sondern auch eine bedeutende Handelspflanze8. Weizen reagiert jedoch empfindlich auf Salz, was sein Wachstum hemmen, physiologische und biochemische Prozesse stören und den Ertrag erheblich mindern kann. Zu den wichtigsten Strategien zur Milderung der Auswirkungen von Salzstress gehören die genetische Modifikation und der Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren. Gentechnisch veränderte Organismen (GV) entstehen durch die Anwendung von Genomeditierung und anderen Techniken zur Entwicklung salztoleranter Weizensorten9,10. Pflanzenwachstumsregulatoren hingegen verbessern die Salztoleranz von Weizen, indem sie physiologische Aktivitäten und den Gehalt an salzrelevanten Substanzen regulieren und so Stressschäden mindern11. Diese Regulatoren sind im Allgemeinen akzeptierter und weiter verbreitet als transgene Verfahren. Sie können die Toleranz der Pflanzen gegenüber verschiedenen abiotischen Stressfaktoren wie Salinität, Trockenheit und Schwermetallen erhöhen und die Keimung, Nährstoffaufnahme und das generative Wachstum fördern, wodurch Ertrag und Qualität der Ernte gesteigert werden. 12 Pflanzenwachstumsregulatoren sind aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit, einfachen Anwendung, Kosteneffizienz und Praktikabilität entscheidend für das Pflanzenwachstum und die Erhaltung von Ertrag und Qualität. 13 Da diese Modulatoren jedoch ähnliche Wirkmechanismen aufweisen, ist die alleinige Anwendung eines einzelnen Wirkstoffs möglicherweise nicht ausreichend. Die Entwicklung einer Kombination von Wachstumsregulatoren, die die Salztoleranz von Weizen verbessert, ist daher entscheidend für die Weizenzüchtung unter widrigen Bedingungen, die Steigerung der Erträge und die Sicherstellung der Ernährungssicherheit.
Es liegen keine Studien zur kombinierten Anwendung von TU und Arg vor. Unklar ist, ob diese innovative Kombination das Weizenwachstum unter Salzstress synergistisch fördern kann. Ziel dieser Studie war es daher, zu untersuchen, ob diese beiden Wachstumsregulatoren die negativen Auswirkungen von Salzstress auf Weizen synergistisch abmildern können. Zu diesem Zweck führten wir ein Kurzzeitexperiment mit hydroponischen Weizenkeimlingen durch, um die Vorteile der kombinierten Anwendung von TU und Arg unter Salzstress zu untersuchen, wobei wir uns auf den Redox- und Ionenhaushalt der Pflanzen konzentrierten. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Kombination von TU und Arg synergistisch wirken und salzstressbedingte oxidative Schäden reduzieren sowie das Ionenungleichgewicht ausgleichen könnte, wodurch die Salztoleranz von Weizen erhöht würde.
Der MDA-Gehalt der Proben wurde mittels der Thiobarbitursäure-Methode bestimmt. Dazu wurden 0,1 g frisches Probenpulver genau eingewogen, 10 min mit 1 ml 10%iger Trichloressigsäure extrahiert, 20 min bei 10.000 g zentrifugiert und der Überstand abgenommen. Dieser wurde mit dem gleichen Volumen 0,75%iger Thiobarbitursäure versetzt und 15 min bei 100 °C inkubiert. Nach der Inkubation wurde der Überstand durch Zentrifugation abgenommen und die OD-Werte bei 450 nm, 532 nm und 600 nm gemessen. Die MDA-Konzentration wurde wie folgt berechnet:
Ähnlich wie bei der dreitägigen Behandlung erhöhte die Anwendung von Arg und Tu auch nach sechstägiger Behandlung die Aktivität antioxidativer Enzyme in Weizenkeimlingen signifikant. Die Kombination von TU und Arg erwies sich weiterhin als am wirksamsten. Sechs Tage nach der Behandlung zeigte sich jedoch im Vergleich zu drei Tagen nach der Behandlung ein abnehmender Trend bei der Aktivität der vier antioxidativen Enzyme unter den verschiedenen Behandlungsbedingungen (Abbildung 6).
Die Photosynthese ist die Grundlage der Trockenmasseakkumulation in Pflanzen und findet in Chloroplasten statt, die extrem salzempfindlich sind. Salzstress kann zur Oxidation der Plasmamembran, zur Störung des zellulären osmotischen Gleichgewichts, zur Schädigung der Chloroplasten-Ultrastruktur36, zum Chlorophyllabbau, zur Verringerung der Aktivität von Enzymen des Calvin-Zyklus (einschließlich Rubisco) und zur Reduktion des Elektronentransfers von PS II zu PS I37 führen. Darüber hinaus kann Salzstress den Stomatenschluss induzieren, wodurch die CO2-Konzentration im Blatt sinkt und die Photosynthese gehemmt wird38. Unsere Ergebnisse bestätigen frühere Befunde, dass Salzstress die Stomata-Leitfähigkeit in Weizen reduziert, was zu einer verringerten Blatttranspirationsrate und intrazellulären CO2-Konzentration führt und letztendlich die Photosynthesekapazität und die Biomasse des Weizens verringert (Abb. 1 und 3). Die Anwendung von TU und Arg konnte die Photosyntheseeffizienz von Weizenpflanzen unter Salzstress deutlich steigern. Die Verbesserung der Photosyntheseeffizienz war besonders signifikant bei gleichzeitiger Anwendung von TU und Arg (Abb. 3). Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass TU und Arg die Öffnung und Schließung der Stomata regulieren und dadurch die Photosynthese-Effizienz steigern, was durch frühere Studien gestützt wird. So stellten Bencarti et al. beispielsweise fest, dass TU unter Salzstress die Stomata-Leitfähigkeit, die CO₂-Assimilationsrate und die maximale Quantenausbeute der PSII-Photochemie in Atriplex portulacoides L. signifikant erhöhte.39 Obwohl es keine direkten Belege dafür gibt, dass Arg die Öffnung und Schließung der Stomata in Pflanzen unter Salzstress reguliert, wiesen Silveira et al. darauf hin, dass Arg den Gasaustausch in Blättern unter Trockenstressbedingungen fördert.22
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass TU und Arg trotz ihrer unterschiedlichen Wirkmechanismen und physikochemischen Eigenschaften eine vergleichbare Resistenz gegenüber NaCl-Stress in Weizenkeimlingen bewirken können, insbesondere bei gemeinsamer Anwendung. Die Anwendung von TU und Arg kann das antioxidative Enzymsystem der Weizenkeimlinge aktivieren, den ROS-Gehalt reduzieren und die Stabilität der Membranlipide erhalten, wodurch die Photosynthese und das Na+/K+-Gleichgewicht in den Keimlingen aufrechterhalten werden. Diese Studie weist jedoch auch Einschränkungen auf: Obwohl der synergistische Effekt von TU und Arg bestätigt und sein physiologischer Mechanismus teilweise erklärt wurde, bleibt der komplexere molekulare Mechanismus unklar. Daher sind weitere Untersuchungen des synergistischen Mechanismus von TU und Arg mittels Transkriptomik, Metabolomik und anderer Methoden erforderlich.
Die im Rahmen dieser Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze können auf Anfrage beim korrespondierenden Autor angefordert werden.
Veröffentlichungsdatum: 19. Mai 2025