Plantevekstregulatorer (PGR-er)er en kostnadseffektiv måte å forbedre planteforsvaret under stressforhold. Denne studien undersøkte evnen til toPGR-er, tiourea (TU) og arginin (Arg), for å lindre saltstress i hvete. Resultatene viste at TU og Arg, spesielt når de brukes sammen, kunne regulere plantevekst under saltstress. Behandlingene deres økte aktiviteten til antioksidantenzymer betydelig, samtidig som de reduserte nivåene av reaktive oksygenforbindelser (ROS), malondialdehyd (MDA) og relativ elektrolyttlekkasje (REL) i hveteplanter. I tillegg reduserte disse behandlingene Na+- og Ca2+-konsentrasjonene og Na+/K+-forholdet betydelig, samtidig som de økte K+-konsentrasjonen betydelig, og dermed opprettholdt den ion-osmotiske balansen. Enda viktigere er det at TU og Arg økte klorofyllinnholdet, netto fotosyntesehastigheten og gassutvekslingshastigheten til hveteplanter under saltstress betydelig. TU og Arg brukt alene eller i kombinasjon kunne øke tørrstoffakkumuleringen med 9,03–47,45 %, og økningen var størst når de ble brukt sammen. Avslutningsvis fremhever denne studien at det å opprettholde redokshomeostase og ionbalanse er viktig for å forbedre plantenes toleranse for saltstress. I tillegg ble TU og Arg anbefalt som potensielle behandlinger.plantevekstregulatorer,spesielt når de brukes sammen, for å forbedre hveteavlingen.
Raske endringer i klima og landbrukspraksis øker forringelsen av landbruksøkosystemer1. En av de mest alvorlige konsekvensene er forsalting av land, som truer global matsikkerhet2. Forsalting påvirker for tiden omtrent 20 % av dyrkbar jord over hele verden, og dette tallet kan øke til 50 % innen 20503. Salt-alkalistress kan forårsake osmotisk stress i avlingsrøtter, noe som forstyrrer ionebalansen i planten4. Slike ugunstige forhold kan også føre til akselerert klorofyllnedbrytning, redusert fotosyntese og metabolske forstyrrelser, noe som til slutt resulterer i reduserte planteavlinger5,6. Dessuten er en vanlig alvorlig effekt økt generering av reaktive oksygenforbindelser (ROS), som kan forårsake oksidativ skade på ulike biomolekyler, inkludert DNA, proteiner og lipider7.
Hvete (Triticum aestivum) er en av de viktigste kornavlingene i verden. Det er ikke bare den mest dyrkede kornavlingen, men også en viktig kommersiell avling8. Hvete er imidlertid følsom for salt, som kan hemme veksten, forstyrre dens fysiologiske og biokjemiske prosesser og redusere avlingen betydelig. De viktigste strategiene for å redusere effektene av saltstress inkluderer genetisk modifisering og bruk av plantevekstregulatorer. Genmodifiserte organismer (GM) er bruk av genredigering og andre teknikker for å utvikle salttolerante hvetesorter9,10. På den annen side forbedrer plantevekstregulatorer salttoleransen i hvete ved å regulere fysiologiske aktiviteter og nivåer av saltrelaterte stoffer, og dermed redusere stressskader11. Disse regulatorene er generelt mer aksepterte og mye brukt enn transgene tilnærminger. De kan forbedre plantetoleransen for ulike abiotiske stressfaktorer som saltinnhold, tørke og tungmetaller, og fremme frøspiring, næringsopptak og reproduktiv vekst, og dermed øke avlingens utbytte og kvalitet.12 Plantevekstregulatorer er avgjørende for å sikre avlingsvekst og opprettholde avling og kvalitet på grunn av deres miljøvennlighet, brukervennlighet, kostnadseffektivitet og praktiske egenskaper. 13 Siden disse modulatorene har lignende virkningsmekanismer, er det imidlertid ikke sikkert at det er effektivt å bruke én av dem alene. Det er avgjørende for hveteforedling under ugunstige forhold å finne en kombinasjon av vekstregulatorer som kan forbedre salttoleransen hos hvete, noe som øker avlingene og sikrer matsikkerhet.
Det finnes ingen studier som undersøker kombinert bruk av TU og Arg. Det er uklart om denne innovative kombinasjonen synergistisk kan fremme hvetevekst under saltstress. Målet med denne studien var derfor å bestemme om disse to vekstregulatorene synergistisk kan lindre de negative effektene av saltstress på hvete. For dette formålet utførte vi et kortsiktig hydroponisk hveteplanteeksperiment for å undersøke fordelene ved kombinert bruk av TU og Arg på hvete under saltstress, med fokus på redoks- og ionebalansen til plantene. Vi antok at kombinasjonen av TU og Arg kunne virke synergistisk for å redusere saltstressindusert oksidativ skade og håndtere ioneubalanse, og dermed forbedre salttoleransen hos hvete.
MDA-innholdet i prøvene ble bestemt ved hjelp av tiobarbitursyremetoden. Vei nøyaktig 0,1 g ferskt prøvepulver, ekstraher med 1 ml 10 % trikloreddiksyre i 10 minutter, sentrifuger ved 10 000 g i 20 minutter, og samle opp supernatanten. Ekstraktet ble blandet med et likt volum 0,75 % tiobarbitursyre og inkubert ved 100 °C i 15 minutter. Etter inkubering ble supernatanten samlet opp ved sentrifugering, og OD-verdiene ved 450 nm, 532 nm og 600 nm ble målt. MDA-konsentrasjonen ble beregnet som følger:
I likhet med 3-dagersbehandlingen økte også påføringen av Arg og Tu betydelig aktiviteten til antioksidantenzymer hos hveteplanter under 6-dagersbehandlingen. Kombinasjonen av TU og Arg var fortsatt den mest effektive. Imidlertid viste aktiviteten til de fire antioksidantenzymene under forskjellige behandlingsforhold en synkende trend 6 dager etter behandlingen sammenlignet med 3 dager etter behandlingen (figur 6).
Fotosyntese er grunnlaget for tørrstoffakkumulering i planter og forekommer i kloroplaster, som er ekstremt følsomme for salt. Saltstress kan føre til oksidasjon av plasmamembranen, forstyrrelse av cellulær osmotisk balanse, skade på kloroplastens ultrastruktur36, forårsake klorofyllnedbrytning, redusere aktiviteten til Calvin-syklusenzymer (inkludert Rubisco) og redusere elektronoverføring fra PS II til PS I37. I tillegg kan saltstress indusere lukking av stomata, og dermed redusere CO2-konsentrasjonen i bladene og hemme fotosyntesen38. Resultatene våre bekreftet tidligere funn om at saltstress reduserer stomatal konduktans i hvete, noe som resulterer i redusert bladtranspirasjonshastighet og intracellulær CO2-konsentrasjon, noe som til slutt fører til redusert fotosyntetisk kapasitet og redusert biomasse av hvete (fig. 1 og 3). Det er verdt å merke seg at påføring av TU og Arg kan forbedre fotosyntetisk effektivitet hos hveteplanter under saltstress. Forbedringen i fotosyntetisk effektivitet var spesielt signifikant når TU og Arg ble påført samtidig (fig. 3). Dette kan skyldes at TU og Arg regulerer åpning og lukking av stomata, og dermed forbedrer fotosyntetisk effektivitet, noe som støttes av tidligere studier. For eksempel fant Bencarti et al. at under saltstress økte TU betydelig stomatal konduktans, CO2-assimileringshastighet og maksimal kvanteeffektivitet av PSII-fotokjemi i Atriplex portulacoides L.39. Selv om det ikke finnes direkte rapporter som beviser at Arg kan regulere åpning og lukking av stomata i planter utsatt for saltstress, indikerte Silveira et al. at Arg kan fremme gassutveksling i blader under tørkeforhold .
Oppsummert fremhever denne studien at til tross for deres ulike virkningsmekanismer og fysisk-kjemiske egenskaper, kan TU og Arg gi sammenlignbar motstand mot NaCl-stress i hveteplanter, spesielt når de brukes sammen. Bruken av TU og Arg kan aktivere det antioksidante enzymforsvarssystemet i hveteplanter, redusere ROS-innholdet og opprettholde stabiliteten til membranlipider, og dermed opprettholde fotosyntese og Na+/K+-balanse i plantene. Denne studien har imidlertid også begrensninger; selv om den synergistiske effekten av TU og Arg ble bekreftet og dens fysiologiske mekanisme ble forklart til en viss grad, forblir den mer komplekse molekylære mekanismen uklar. Derfor er videre studier av den synergistiske mekanismen til TU og Arg ved bruk av transkriptomiske, metabolomiske og andre metoder nødvendig.
Datasettene som ble brukt og/eller analysert i løpet av den nåværende studien er tilgjengelige fra den korresponderende forfatteren på rimelig forespørsel.
Publiseringstid: 19. mai 2025