Pflanzenwachstumsregulatoren (PGRs)sind eine kostengünstige Möglichkeit, die Abwehrkräfte von Pflanzen unter Stressbedingungen zu stärken. Diese Studie untersuchte die Fähigkeit von zweiWachstumsregulatoren, Thioharnstoff (TU) und Arginin (Arg), um Salzstress bei Weizen zu lindern. Die Ergebnisse zeigten, dass TU und Arg, insbesondere bei gemeinsamer Anwendung, das Pflanzenwachstum unter Salzstress regulieren können. Ihre Behandlungen erhöhten die Aktivitäten antioxidativer Enzyme signifikant und senkten gleichzeitig die Werte reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), Malondialdehyd (MDA) und des relativen Elektrolytverlusts (REL) in Weizensetzlingen. Darüber hinaus senkten diese Behandlungen die Na+- und Ca2+-Konzentrationen und das Na+/K+-Verhältnis signifikant und erhöhten gleichzeitig die K+-Konzentration signifikant, wodurch das ionenosmotische Gleichgewicht aufrechterhalten wurde. Noch wichtiger ist, dass TU und Arg den Chlorophyllgehalt, die Netto-Photosyntheserate und die Gasaustauschrate von Weizensetzlingen unter Salzstress signifikant erhöhten. TU und Arg, allein oder in Kombination verwendet, konnten die Trockenmasseansammlung um 9,03–47,45 % steigern, und der Anstieg war am größten, wenn sie zusammen verwendet wurden. Zusammenfassend unterstreicht diese Studie, dass die Aufrechterhaltung der Redoxhomöostase und des Ionengleichgewichts wichtig für die Verbesserung der Pflanzentoleranz gegenüber Salzstress ist. Darüber hinaus wurden TU und Arg als potenziellePflanzenwachstumsregulatoren,insbesondere bei gemeinsamer Verwendung zur Steigerung des Weizenertrags.
Rasche Veränderungen des Klimas und der landwirtschaftlichen Praktiken verstärken die Degradation landwirtschaftlicher Ökosysteme1. Eine der schwerwiegendsten Folgen ist die Versalzung von Böden, die die globale Ernährungssicherheit bedroht2. Derzeit sind etwa 20 % der weltweiten Ackerflächen versalzen, und diese Zahl könnte bis 2050 auf 50 % ansteigen3. Salz-Basen-Stress kann osmotischen Stress in den Wurzeln von Nutzpflanzen verursachen, wodurch das Ionengleichgewicht in der Pflanze gestört wird4. Solche widrigen Bedingungen können auch zu beschleunigtem Chlorophyllabbau, verringerter Photosyntheserate und Stoffwechselstörungen führen, was letztlich zu geringeren Pflanzenerträgen führt5,6. Eine häufige schwerwiegende Auswirkung ist außerdem die erhöhte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die oxidative Schäden an verschiedenen Biomolekülen wie DNA, Proteinen und Lipiden verursachen können7.
Weizen (Triticum aestivum) ist eine der wichtigsten Getreidearten der Welt. Er ist nicht nur die am weitesten verbreitete Getreideart, sondern auch eine wichtige Nutzpflanze8. Weizen reagiert jedoch empfindlich auf Salz, das sein Wachstum hemmen, seine physiologischen und biochemischen Prozesse stören und seinen Ertrag deutlich verringern kann. Die wichtigsten Strategien zur Milderung der Auswirkungen von Salzstress umfassen genetische Modifikation und den Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren. Genetisch veränderte Organismen (GM) sind die Verwendung von Genomeditierung und anderen Techniken zur Entwicklung salztoleranter Weizensorten9,10. Andererseits erhöhen Pflanzenwachstumsregulatoren die Salztoleranz von Weizen, indem sie physiologische Aktivitäten und den Gehalt salzbedingter Substanzen regulieren und so Stressschäden mildern11. Diese Regulatoren sind im Allgemeinen akzeptierter und werden häufiger eingesetzt als gentechnisch veränderte Ansätze. Sie können die Toleranz von Pflanzen gegenüber verschiedenen abiotischen Stressfaktoren wie Salzgehalt, Dürre und Schwermetallen erhöhen und die Samenkeimung, Nährstoffaufnahme und das reproduktive Wachstum fördern 12 Pflanzenwachstumsregulatoren sind aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit, Benutzerfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität entscheidend für das Pflanzenwachstum und die Aufrechterhaltung von Ertrag und Qualität. 13 Da diese Modulatoren jedoch ähnliche Wirkmechanismen haben, ist die alleinige Anwendung eines einzelnen Präparats möglicherweise nicht wirksam. Die Entwicklung einer Kombination von Wachstumsregulatoren, die die Salztoleranz von Weizen verbessern kann, ist für die Weizenzüchtung unter widrigen Bedingungen, die Steigerung der Erträge und die Gewährleistung der Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung.
Es gibt keine Studien zur kombinierten Anwendung von TU und Arg. Es ist unklar, ob diese innovative Kombination das Weizenwachstum unter Salzstress synergistisch fördern kann. Ziel dieser Studie war es daher, festzustellen, ob diese beiden Wachstumsregulatoren die negativen Auswirkungen von Salzstress auf Weizen synergistisch lindern können. Zu diesem Zweck führten wir ein kurzfristiges Experiment mit hydroponischen Weizensetzlingen durch, um die Vorteile der kombinierten Anwendung von TU und Arg auf Weizen unter Salzstress zu untersuchen. Dabei konzentrierten wir uns auf das Redox- und Ionengleichgewicht der Pflanzen. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Kombination von TU und Arg synergistisch wirken könnte, um durch Salzstress verursachte oxidative Schäden zu reduzieren und das Ionenungleichgewicht zu regulieren und so die Salztoleranz des Weizens zu verbessern.
Der MDA-Gehalt der Proben wurde mit der Thiobarbitursäure-Methode bestimmt. 0,1 g frisches Probenpulver wurden genau abgewogen, 10 Minuten lang mit 1 ml 10%iger Trichloressigsäure extrahiert, 20 Minuten lang bei 10.000 g zentrifugiert und der Überstand gesammelt. Der Extrakt wurde mit der gleichen Menge 0,75%iger Thiobarbitursäure vermischt und 15 Minuten lang bei 100 °C inkubiert. Nach der Inkubation wurde der Überstand durch Zentrifugation gesammelt 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 auch die Anwendung von Arg und Tu die antioxidativen Enzymaktivitäten der Weizenkeimlinge unter der sechstägigen Behandlung signifikant. Die Kombination aus TU und Arg war weiterhin am wirksamsten. Sechs Tage nach der Behandlung zeigten die Aktivitäten der vier antioxidativen Enzyme unter verschiedenen Behandlungsbedingungen jedoch einen abnehmenden Trend im Vergleich zum dritten Tag nach der Behandlung (Abbildung 6).
Die Photosynthese ist die Grundlage der Trockenmasseansammlung in Pflanzen und findet in Chloroplasten statt, die äußerst salzempfindlich sind. Salzstress kann zur Oxidation der Plasmamembran, Störung des osmotischen Zellgleichgewichts, Schädigung der Chloroplasten-Ultrastruktur36, Chlorophyllabbau, verringerter Aktivität von Calvin-Zyklus-Enzymen (einschließlich Rubisco) und reduziertem Elektronentransfer von PS II zu PS I37 führen. Außerdem kann Salzstress das Schließen der Spaltöffnungen induzieren und dadurch die CO2-Konzentration im Blatt reduzieren und die Photosynthese hemmen38. Unsere Ergebnisse bestätigten frühere Erkenntnisse, dass Salzstress die stomatäre Leitfähigkeit bei Weizen reduziert, was zu einer verringerten Blatttranspirationsrate und intrazellulären CO2-Konzentration führt, was letztendlich zu verringerter photosynthetischer Kapazität und verringerter Biomasse des Weizens führt (Abb. 1 und 3). Insbesondere konnte die Anwendung von TU und Arg die photosynthetische Effizienz von Weizenpflanzen unter Salzstress verbessern. Die Verbesserung der photosynthetischen Effizienz war besonders signifikant, wenn TU und Arg gleichzeitig angewendet wurden (Abb. 3). Dies könnte daran liegen, dass TU und Arg das Öffnen und Schließen der Stomata regulieren und dadurch die photosynthetische Effizienz steigern, was durch frühere Studien gestützt wird. So fanden Bencarti et al. heraus, dass TU unter Salzstress die stomatäre Leitfähigkeit, die CO2-Assimilierungsrate und die maximale Quanteneffizienz der PSII-Photochemie in Atriplex portulacoides L.39 signifikant erhöhte. Obwohl es keine direkten Berichte gibt, die belegen, dass Arg das Öffnen und Schließen der Stomata bei Pflanzen regulieren kann, die Salzstress ausgesetzt sind, wiesen Silveira et al. darauf hin, dass Arg den Gasaustausch in Blättern unter Dürrebedingungen fördern kann22.
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass TU und Arg trotz ihrer unterschiedlichen Wirkmechanismen und physikochemischen Eigenschaften eine vergleichbare Resistenz gegen NaCl-Stress bei Weizenkeimlingen bewirken können, insbesondere bei gemeinsamer Anwendung. Die Anwendung von TU und Arg kann das antioxidative Enzymabwehrsystem von Weizenkeimlingen aktivieren, den ROS-Gehalt senken und die Stabilität der Membranlipide aufrechterhalten, 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 mithilfe transkriptomischer, metabolomischer und anderer Methoden erforderlich.
Die während der vorliegenden Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.
Veröffentlichungszeit: 19. Mai 2025