Plantengroeiregulatoren worden gebruikt als strategie om hittestress bij verschillende gewassen te verminderen.

De rijstproductie in Colombia daalt als gevolg van klimaatverandering en -variabiliteit.Plantengroeiregulatorenzijn gebruikt als strategie om hittestress bij verschillende gewassen te verminderen. Het doel van deze studie was daarom om de fysiologische effecten (stomatale geleidbaarheid, stomatale geleidbaarheid, totaal chlorofylgehalte, Fv/Fm-ratio van twee commerciële rijstgenotypen onderworpen aan gecombineerde hittestress (hoge dag- en nachttemperaturen), temperatuur van het bladerdak en relatief watergehalte) en biochemische variabelen (malondialdehyde (MDA) en prolinezuurgehalte) te evalueren. De eerste en tweede experimenten werden uitgevoerd met planten van de twee rijstgenotypen Federrose 67 (“F67”) en Federrose 2000 (“F2000”), respectievelijk. Beide experimenten werden samen geanalyseerd als een reeks experimenten. De toegepaste behandelingen waren als volgt: absolute controle (AC) (rijstplanten geteeld bij optimale temperaturen (dag/nachttemperatuur 30/25 °C)), hittestresscontrole (SC) [rijstplanten onderworpen aan alleen gecombineerde hittestress (40/25 °C)]. 30°C)], en rijstplanten werden blootgesteld aan stress en tweemaal bespoten met plantengroeiregulatoren (stress+AUX, stress+BR, stress+CK of stress+GA) (5 dagen voor en 5 dagen na hittestress). Bespuiting met SA verhoogde het totale chlorofylgehalte van beide variëteiten (versgewicht van rijstplanten "F67" en "F2000" was respectievelijk 3,25 en 3,65 mg/g) vergeleken met SC-planten (versgewicht van "F67"-planten was 2,36 en 2,56 mg). Bij rijst "F2000" verbeterde bladtoepassing van CK over het algemeen ook de stomatale geleidbaarheid van rijst "F2000"-planten (499,25 versus 150,60 mmol m-2 s) vergeleken met de hittestresscontrole. Bij hittestress daalt de temperatuur van de plantenkroon met 2-3 °C en neemt het MDA-gehalte in de planten af. De relatieve tolerantie-index laat zien dat bladbespuiting met CK (97,69%) en BR (60,73%) kan helpen bij het verlichten van de problemen van gecombineerde hittestress, met name bij F2000-rijstplanten. Concluderend kan bladbespuiting met BR of CK worden beschouwd als een agronomische strategie om de negatieve effecten van gecombineerde hittestress op het fysiologische gedrag van rijstplanten te verminderen.
Rijst (Oryza sativa) behoort tot de grassenfamilie (Poaceae) en is, samen met maïs en tarwe, een van de meest verbouwde granen ter wereld (Bajaj en Mohanty, 2005). Het areaal dat voor de rijstteelt wordt gebruikt, bedraagt ​​617.934 hectare en de nationale productie in 2020 was 2.937.840 ton met een gemiddelde opbrengst van 5,02 ton/ha (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
De opwarming van de aarde heeft gevolgen voor de rijstteelt en leidt tot verschillende vormen van abiotische stress, zoals hoge temperaturen en perioden van droogte. Klimaatverandering zorgt ervoor dat de wereldwijde temperaturen stijgen; naar verwachting zullen de temperaturen in de 21e eeuw met 1,0–3,7 °C stijgen, wat de frequentie en intensiteit van hittestress zou kunnen vergroten. Hogere omgevingstemperaturen hebben de rijstteelt al beïnvloed, waardoor de oogst met 6–7% is gedaald. Aan de andere kant leidt klimaatverandering ook tot ongunstige omgevingsomstandigheden voor gewassen, zoals perioden van ernstige droogte of hoge temperaturen in tropische en subtropische gebieden. Daarnaast kunnen variabiliteitsverschijnselen zoals El Niño leiden tot hittestress en gewasschade in sommige tropische regio's verergeren. In Colombia zal de temperatuur in rijstproducerende gebieden naar verwachting met 2–2,5 °C stijgen tegen 2050, wat de rijstproductie zal verminderen en de productstromen naar markten en toeleveringsketens zal beïnvloeden.
De meeste rijstgewassen worden verbouwd in gebieden waar de temperaturen dicht bij het optimale bereik voor gewasgroei liggen (Shah et al., 2011). Er is gerapporteerd dat de optimale gemiddelde dag- en nachttemperaturen voorrijstgroei en -ontwikkelingDe drempelwaarden liggen over het algemeen respectievelijk 28 °C en 22 °C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Temperaturen boven deze drempelwaarden kunnen leiden tot perioden van matige tot ernstige hittestress tijdens gevoelige ontwikkelingsstadia van rijst (uitstoeling, bloei, bloei en korrelvulling), waardoor de korrelopbrengst negatief wordt beïnvloed. Deze opbrengstvermindering is voornamelijk te wijten aan langdurige hittestress, die de plantfysiologie aantast. Door de interactie van verschillende factoren, zoals de duur van de stress en de maximaal bereikte temperatuur, kan hittestress een reeks onomkeerbare schade toebrengen aan het metabolisme en de ontwikkeling van de plant.
Hittestress beïnvloedt diverse fysiologische en biochemische processen in planten. Bladfotosynthese is een van de processen die het meest gevoelig zijn voor hittestress bij rijstplanten, aangezien de fotosynthesesnelheid met 50% afneemt wanneer de dagtemperatuur boven de 35 °C komt. De fysiologische reacties van rijstplanten variëren afhankelijk van het type hittestress. Zo worden de fotosynthesesnelheid en de stomatale geleidbaarheid geremd wanneer planten worden blootgesteld aan hoge temperaturen overdag (33-40 °C) of aan hoge temperaturen overdag en 's nachts (35-40 °C overdag, 28-30 °C 's nachts) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Hoge nachttemperaturen (30 °C) veroorzaken een matige remming van de fotosynthese, maar verhogen de nachtelijke ademhaling (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Ongeacht de duur van de stressperiode, beïnvloedt hittestress ook het chlorofylgehalte in bladeren, de verhouding tussen de variabele en maximale chlorofylfluorescentie (Fv/Fm) en de Rubisco-activering in rijstplanten (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010; Sanchez Reynoso et al., 2014).
Biochemische veranderingen vormen een ander aspect van de aanpassing van planten aan hittestress (Wahid et al., 2007). Het prolinegehalte is gebruikt als biochemische indicator voor plantenstress (Ahmed en Hassan 2011). Proline speelt een belangrijke rol in het plantenmetabolisme, omdat het fungeert als koolstof- of stikstofbron en als membraanstabilisator onder hoge temperaturen (Sánchez-Reinoso et al., 2014). Hoge temperaturen beïnvloeden ook de membraanstabiliteit door lipideperoxidatie, wat leidt tot de vorming van malondialdehyde (MDA) (Wahid et al., 2007). Daarom is het MDA-gehalte ook gebruikt om de structurele integriteit van celmembranen onder hittestress te begrijpen (Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). Ten slotte verhoogde gecombineerde hittestress [37/30 °C (dag/nacht)] het percentage elektrolytlekkage en het malondialdehydegehalte in rijst (Liu et al., 2013).
Het gebruik van plantengroeiregulatoren (GR's) is onderzocht om de negatieve effecten van hittestress te verminderen, aangezien deze stoffen actief betrokken zijn bij plantreacties of fysiologische afweermechanismen tegen dergelijke stress (Peleg en Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Ahmed et al., 2015). Exogene toepassing van genetische hulpbronnen heeft een positief effect gehad op de hittestresstolerantie van verschillende gewassen. Studies hebben aangetoond dat fytohormonen zoals gibberellinen (GA), cytokininen (CK), auxinen (AUX) of brassinosteroïden (BR) leiden tot een toename van verschillende fysiologische en biochemische variabelen (Peleg en Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014). In Colombia is de exogene toepassing van genetische hulpbronnen en de impact ervan op rijstgewassen nog niet volledig begrepen en onderzocht. Uit een eerder onderzoek is echter gebleken dat het bespuiten van bladeren met BR de tolerantie van rijst kan verbeteren door de gasuitwisselingseigenschappen, het chlorofyl- of prolinegehalte van de bladeren van rijstzaailingen te verbeteren (Quintero-Calderón et al., 2021).
Cytokininen bemiddelen de reacties van planten op abiotische stress, waaronder hittestress (Ha et al., 2012). Daarnaast is gerapporteerd dat exogene toepassing van cytokininen thermische schade kan verminderen. Zo verhoogde exogene toepassing van zeatine de fotosynthesesnelheid, het chlorofyl a- en b-gehalte en de efficiëntie van elektronentransport in kruipend struisgras (Agrotis estolonifera) tijdens hittestress (Xu en Huang, 2009; Jespersen en Huang, 2015). Exogene toepassing van zeatine kan ook de antioxidantactiviteit verbeteren, de synthese van verschillende eiwitten bevorderen, schade door reactieve zuurstofsoorten (ROS) en de productie van malondialdehyde (MDA) in plantenweefsels verminderen (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009, 2016; Kumar et al., 2020).
Het gebruik van gibberellinezuur heeft ook een positief effect op hittestress laten zien. Studies hebben aangetoond dat de GA-biosynthese verschillende metabolische processen medieert en de tolerantie onder hoge temperaturen verhoogt (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) ontdekten dat bladbespuiting met exogeen GA (25 of 50 mg*L) de fotosynthesesnelheid en de antioxidantactiviteit in door hitte gestreste sinaasappelplanten kon verhogen in vergelijking met controleplanten. Ook is waargenomen dat exogene toepassing van HA het relatieve vochtgehalte, het chlorofyl- en carotenoïdegehalte verhoogt en de lipideperoxidatie vermindert in dadelpalmen (Phoenix dactylifera) onder hittestress (Khan et al., 2020). Auxine speelt ook een belangrijke rol bij het reguleren van adaptieve groeireacties op hoge temperaturen (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Deze groeiregulator fungeert als biochemische marker in diverse processen, zoals de synthese of afbraak van proline onder abiotische stress (Ali et al. 2007). Daarnaast versterkt AUX ook de antioxidantactiviteit, wat leidt tot een afname van MDA in planten als gevolg van verminderde lipideperoxidatie (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) observeerden dat in erwtenplanten (Pisum sativum) onder hittestress het gehalte aan proline-dimethylaminoethoxycarbonylmethyl)naftylchloormethylether (TA-14) toeneemt. In hetzelfde experiment observeerden ze ook lagere MDA-niveaus in behandelde planten vergeleken met planten die niet met AUX waren behandeld.
Brassinosteroïden vormen een andere klasse groeiregulatoren die worden gebruikt om de effecten van hittestress te verminderen. Ogweno et al. (2008) rapporteerden dat exogene BR-bespuiting de netto fotosynthesesnelheid, de stomatale geleidbaarheid en de maximale snelheid van Rubisco-carboxylering van tomatenplanten (Solanum lycopersicum) gedurende 8 dagen onder hittestress verhoogde. Bladbespuiting met epibrassinosteroïden kan de netto fotosynthesesnelheid van komkommerplanten (Cucumis sativus) onder hittestress verhogen (Yu et al., 2004). Bovendien vertraagt ​​exogene toepassing van BR de afbraak van chlorofyl en verhoogt het de watergebruiksefficiëntie en de maximale kwantumopbrengst van PSII-fotochemie in planten onder hittestress (Holá et al., 2010; Toussagunpanit et al., 2015).
Als gevolg van klimaatverandering en variabiliteit worden rijstgewassen geconfronteerd met periodes van hoge dagelijkse temperaturen (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). Bij de fenotypering van planten is het gebruik van fytonutriënten of biostimulantia onderzocht als strategie om hittestress in rijstteeltgebieden te verminderen (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). Daarnaast is het gebruik van biochemische en fysiologische variabelen (bladtemperatuur, stomatale geleidbaarheid, chlorofylfluorescentieparameters, chlorofyl- en relatief watergehalte, malondialdehyde- en prolinesynthese) een betrouwbaar instrument voor het screenen van rijstplanten onder hittestress, zowel lokaal als internationaal (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Onderzoek naar het gebruik van fytohormonale bladsprays in rijst op lokaal niveau is echter schaars. Daarom is de studie van de fysiologische en biochemische reacties van de toepassing van plantengroeiregulatoren van groot belang voor het ontwikkelen van praktische agronomische strategieën om de negatieve effecten van een periode van complexe hittestress in rijst aan te pakken. Het doel van deze studie was dan ook om de fysiologische (stomatale geleidbaarheid, chlorofylfluorescentieparameters en relatief watergehalte) en biochemische effecten te evalueren van bladtoepassing van vier plantengroeiregulatoren (AUX, CK, GA en BR). (Fotosynthetische pigmenten, malondialdehyde- en prolinegehalte) Variabelen in twee commerciële rijstgenotypen die werden blootgesteld aan gecombineerde hittestress (hoge dag/nachttemperaturen).
In deze studie werden twee onafhankelijke experimenten uitgevoerd. De genotypen Federrose 67 (F67: een genotype ontwikkeld bij hoge temperaturen in het afgelopen decennium) en Federrose 2000 (F2000: een genotype ontwikkeld in het laatste decennium van de 20e eeuw met resistentie tegen het witbladvirus) werden respectievelijk voor het eerst gebruikt. Beide genotypen worden veelvuldig geteeld door Colombiaanse boeren. De zaden werden gezaaid in trays van 10 liter (lengte 39,6 cm, breedte 28,8 cm, hoogte 16,8 cm) gevuld met zandige leemgrond met 2% organische stof. In elke tray werden vijf voorgekiemde zaden geplant. De pallets werden geplaatst in de kas van de Faculteit Landbouwwetenschappen van de Nationale Universiteit van Colombia, campus Bogotá (43°50′56″ N, 74°04′051″ W), op een hoogte van 2556 m boven zeeniveau (m.s.l.) en werden uitgevoerd van oktober tot december 2019. Eén experiment (Federroz 67) en een tweede experiment (Federroz 2000) in hetzelfde seizoen van 2020.
De omgevingsomstandigheden in de kas gedurende elk plantseizoen zijn als volgt: dag- en nachttemperatuur 30/25 °C, relatieve luchtvochtigheid 60-80%, natuurlijke fotoperiode 12 uur (fotosynthetisch actieve straling 1500 µmol (fotonen) m⁻² s⁻¹). De planten werden 20 dagen na opkomst (DAE) bemest volgens de samenstelling van elk element, zoals beschreven door Sánchez-Reinoso et al. (2019): 670 mg stikstof per plant, 110 mg fosfor per plant, 350 mg kalium per plant, 68 mg calcium per plant, 20 mg magnesium per plant, 20 mg zwavel per plant en 17 mg silicium per plant. De planten bevatten 10 mg boor per plant, 17 mg koper per plant en 44 mg zink per plant. Rijstplanten werden in elk experiment tot 47 dagen na opkomst (DAE) in stand gehouden, totdat ze gedurende deze periode het fenologische stadium V5 bereikten. Eerdere studies hebben aangetoond dat dit fenologische stadium een ​​geschikt moment is om onderzoek naar hittestress bij rijst uit te voeren (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
In elk experiment werden twee afzonderlijke toepassingen van de bladgroeiregulator uitgevoerd. De eerste reeks bladsprays met fytohormonen werd 5 dagen vóór de hittestressbehandeling (42 DAE) toegepast om de planten voor te bereiden op omgevingsstress. Een tweede bladspray werd vervolgens 5 dagen nadat de planten aan de stressomstandigheden waren blootgesteld (52 DAE) toegediend. Vier fytohormonen werden gebruikt en de eigenschappen van elk actief bestanddeel dat in dit onderzoek werd gespoten, staan ​​vermeld in Aanvullende Tabel 1. De gebruikte concentraties bladgroeiregulatoren waren als volgt: (i) Auxine (1-naftylazijnzuur: NAA) in een concentratie van 5 × 10⁻⁵ M (ii) 5 × 10⁻⁵ M gibberelline (gibberellinezuur: NAA); GA₃); (iii) Cytokinine (trans-zeatine) 1 × 10-5 M (iv) Brassinosteroïden [Spirostan-6-on, 3,5-dihydroxy-, (3b,5a,25R)] 5 × 10-5 M. Deze concentraties werden gekozen omdat ze positieve reacties teweegbrengen en de plantweerstand tegen hittestress verhogen (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Rijstplanten zonder plantengroeiregulatoren werden alleen met gedestilleerd water behandeld. Alle rijstplanten werden bespoten met een handsproeier. Breng 20 ml H2O aan op de plant om de boven- en onderkant van de bladeren te bevochtigen. Bij alle bladbespuitingen werd een landbouwhulpstof (Agrotin, Bayer CropScience, Colombia) gebruikt in een concentratie van 0,1% (v/v). De afstand tussen de pot en de sproeier is 30 cm.
In elk experiment werden hittestressbehandelingen uitgevoerd 5 dagen na de eerste bladbespuiting (47 DAE). Rijstplanten werden vanuit de kas overgebracht naar een groeikamer van 294 liter (MLR-351H, Sanyo, IL, VS) om hittestress te creëren of dezelfde omgevingsomstandigheden te handhaven (47 DAE). De gecombineerde hittestressbehandeling werd uitgevoerd door de kamer in te stellen op de volgende dag/nacht-temperaturen: overdag een hoge temperatuur [40 °C gedurende 5 uur (van 11:00 tot 16:00)] en 's nachts [30 °C gedurende 5 uur], gedurende 8 dagen achter elkaar (van 19:00 tot 24:00). De temperatuur en de blootstellingstijd voor de stressbehandeling werden gekozen op basis van eerdere studies (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Daarentegen werd een groep planten die naar de groeikamer waren overgebracht, gedurende 8 opeenvolgende dagen in de kas op dezelfde temperatuur gehouden (30 °C overdag/25 °C 's nachts).
Aan het einde van het experiment werden de volgende behandelingsgroepen verkregen: (i) groeitemperatuurconditie + toepassing van gedestilleerd water [Absolute controle (AC)], (ii) hittestressconditie + toepassing van gedestilleerd water [Hittestresscontrole (SC)], (iii) hittestressconditie + toepassing van auxine (AUX), (iv) hittestressconditie + toepassing van gibberelline (GA), (v) hittestressconditie + toepassing van cytokinine (CK), en (vi) hittestressconditie + brassinosteroïde (BR) Appendix. Deze behandelingsgroepen werden gebruikt voor twee genotypen (F67 en F2000). Alle behandelingen werden uitgevoerd volgens een volledig gerandomiseerd ontwerp met vijf herhalingen, elk bestaande uit één plant. Elke plant werd gebruikt om de variabelen te meten die aan het einde van het experiment werden bepaald. Het experiment duurde 55 dagen na opkomst (DAE).
De stomatale geleidbaarheid (gs) werd gemeten met een draagbare porosometer (SC-1, METER Group Inc., VS) met een bereik van 0 tot 1000 mmol m-2 s-1 en een monsterkameropening van 6,35 mm. De metingen werden uitgevoerd door een stomameterprobe te bevestigen aan een volwassen blad waarvan de hoofdstengel volledig was ontwikkeld. Voor elke behandeling werden gs-waarden gemeten op drie bladeren van elke plant tussen 11:00 en 16:00 uur en vervolgens gemiddeld.
Het relatieve watergehalte (RWC) werd bepaald volgens de methode beschreven door Ghoulam et al. (2002). Het volledig uitgevouwen blad dat werd gebruikt om de gramgewicht (g) te bepalen, werd ook gebruikt om het RWC te meten. Het versgewicht (FW) werd direct na de oogst bepaald met behulp van een digitale weegschaal. De bladeren werden vervolgens in een plastic bak met water geplaatst en 48 uur in het donker bij kamertemperatuur (22 °C) bewaard. Daarna werden ze gewogen op een digitale weegschaal en het uitgevouwen gewicht (TW) genoteerd. De gezwollen bladeren werden 48 uur in een oven gedroogd bij 75 °C en hun drooggewicht (DW) werd geregistreerd.
Het relatieve chlorofylgehalte werd bepaald met behulp van een chlorofylmeter (atLeafmeter, FT Green LLC, VS) en uitgedrukt in atLeaf-eenheden (Dey et al., 2016). De maximale kwantumefficiëntie van PSII (Fv/Fm-ratio) werd gemeten met een chlorofylfluorimeter met continue excitatie (Handy PEA, Hansatech Instruments, VK). Bladeren werden 20 minuten in het donker gehouden met behulp van bladklemmen voordat de Fv/Fm-metingen werden uitgevoerd (Restrepo-Diaz en Garces-Varon, 2013). Nadat de bladeren in het donker waren geacclimatiseerd, werden de basislijn (F0) en de maximale fluorescentie (Fm) gemeten. Uit deze gegevens werden de variabele fluorescentie (Fv = Fm – F0), de verhouding van variabele fluorescentie tot maximale fluorescentie (Fv/Fm), de maximale kwantumopbrengst van PSII-fotochemie (Fv/F0) en de verhouding Fm/F0 berekend (Baker, 2008; Lee et al., 2017). Relatieve chlorofyl- en chlorofylfluorescentiemetingen werden uitgevoerd op dezelfde bladeren die voor de gs-metingen werden gebruikt.
Ongeveer 800 mg vers bladgewicht werd verzameld voor biochemische analyse. De bladmonsters werden vervolgens gehomogeniseerd in vloeibare stikstof en bewaard voor verdere analyse. De spectrometrische methode die werd gebruikt om het gehalte aan chlorofyl a, b en carotenoïden in het weefsel te bepalen, is gebaseerd op de methode en vergelijkingen beschreven door Wellburn (1994). Bladweefselmonsters (30 mg) werden verzameld en gehomogeniseerd in 3 ml 80% aceton. De monsters werden vervolgens gecentrifugeerd (model 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, VS) bij 5000 tpm gedurende 10 minuten om deeltjes te verwijderen. Het supernatant werd verdund tot een eindvolume van 6 ml door toevoeging van 80% aceton (Sims en Gamon, 2002). Het chlorofylgehalte werd bepaald bij 663 nm (chlorofyl a) en 646 nm (chlorofyl b), en het carotenoïdengehalte bij 470 nm met behulp van een spectrofotometer (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA).
De thiobarbituurzuurmethode (TBA) beschreven door Hodges et al. (1999) werd gebruikt om membraanlipideperoxidatie (MDA) te beoordelen. Ongeveer 0,3 g bladweefsel werd tevens gehomogeniseerd in vloeibare stikstof. De monsters werden gecentrifugeerd bij 5000 tpm en de absorptie werd gemeten met een spectrofotometer bij 440, 532 en 600 nm. Ten slotte werd de MDA-concentratie berekend met behulp van de extinctiecoëfficiënt (157 M mL−1).
Het prolinegehalte van alle behandelingen werd bepaald met behulp van de methode beschreven door Bates et al. (1973). Voeg 10 ml van een 3% waterige oplossing van sulfosalicylzuur toe aan het opgeslagen monster en filtreer door Whatman-filterpapier (nr. 2). Vervolgens werd 2 ml van dit filtraat gereageerd met 2 ml ninhydrinezuur en 2 ml ijsazijn. Het mengsel werd gedurende 1 uur in een waterbad van 90 °C geplaatst. Stop de reactie door het mengsel op ijs te laten incuberen. Schud het buisje krachtig met een vortexmixer en los de resulterende oplossing op in 4 ml tolueen. De absorptiemetingen werden uitgevoerd bij 520 nm met dezelfde spectrofotometer die werd gebruikt voor de kwantificering van fotosynthetische pigmenten (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, VS).
De methode beschreven door Gerhards et al. (2016) werd gebruikt om de temperatuur van het bladerdak en de CSI te berekenen. Thermische foto's werden gemaakt met een FLIR 2-camera (FLIR Systems Inc., Boston, MA, VS) met een nauwkeurigheid van ±2 °C aan het einde van de stressperiode. Plaats een wit oppervlak achter de plant voor de fotografie. Opnieuw werden twee fabrieken als referentiemodellen beschouwd. De planten werden op een wit oppervlak geplaatst; het ene blad was behandeld met een landbouwhulpstof (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Colombia) om de opening van alle huidmondjes te simuleren [natte modus (Twet)], en het andere blad was onbedekt [droge modus (Tdry)] (Castro-Duque et al., 2020). De afstand tussen de camera en de pot tijdens het filmen was 1 m.
De relatieve tolerantie-index werd indirect berekend met behulp van de stomatale geleidbaarheid (gs) van behandelde planten in vergelijking met controleplanten (planten zonder stressbehandelingen en met toegepaste groeiregulatoren) om de tolerantie van de in deze studie geëvalueerde behandelde genotypen te bepalen. De RTI werd verkregen met behulp van een vergelijking aangepast van Chávez-Arias et al. (2020).
In elk experiment werden alle bovengenoemde fysiologische variabelen bepaald en geregistreerd op 55 dagen na opkomst (DAE) met behulp van volledig ontwikkelde bladeren die uit de bovenste laag van het bladerdak waren verzameld. Bovendien werden de metingen uitgevoerd in een klimaatkamer om te voorkomen dat de omgevingsomstandigheden waarin de planten groeien, werden beïnvloed.
De gegevens van het eerste en tweede experiment werden samen geanalyseerd als een reeks experimenten. Elke experimentele groep bestond uit 5 planten, waarbij elke plant een experimentele eenheid vormde. Er werd een variantieanalyse (ANOVA) uitgevoerd (P ≤ 0,05). Wanneer significante verschillen werden geconstateerd, werd de post-hoc vergelijkende test van Tukey gebruikt bij P ≤ 0,05. De arcsinusfunctie werd gebruikt om percentagewaarden om te rekenen. De gegevens werden geanalyseerd met Statistix v 9.0 software (Analytical Software, Tallahassee, FL, VS) en gevisualiseerd met SigmaPlot (versie 10.0; Systat Software, San Jose, CA, VS). De hoofdcomponentenanalyse werd uitgevoerd met InfoStat 2016 software (Analysis Software, Nationale Universiteit van Córdoba, Argentinië) om de beste plantengroeiregulatoren te identificeren.
Tabel 1 vat de ANOVA samen met de experimenten, de verschillende behandelingen en hun interacties met fotosynthetische pigmenten in bladeren (chlorofyl a, b, totaal en carotenoïden), malondialdehyde (MDA) en prolinegehalte, en stomatale geleidbaarheid. Effect van gs, relatief watergehalte (RWC), chlorofylgehalte, chlorofyl-alfa-fluorescentieparameters, kroontemperatuur (PCT) (°C), gewasstressindex (CSI) en relatieve tolerantie-index van rijstplanten op 55 DAE.
Tabel 1. Samenvatting van de ANOVA-gegevens over fysiologische en biochemische variabelen van rijst tussen experimenten (genotypen) en hittestressbehandelingen.
Verschillen (P≤0,01) in interacties tussen fotosynthetische pigmenten in bladeren, relatief chlorofylgehalte (Atleaf-metingen) en alfa-chlorofylfluorescentieparameters tussen experimenten en behandelingen worden weergegeven in Tabel 2. Hoge dag- en nachttemperaturen verhoogden het totale chlorofyl- en carotenoïdegehalte. Rijstzaailingen zonder bladbespuiting met fytohormonen (2,36 mg g⁻¹ voor “F67” en 2,56 mg g⁻¹ voor “F2000”) vertoonden een lager totaal chlorofylgehalte dan planten die onder optimale temperatuuromstandigheden werden gekweekt (2,67 mg g⁻¹). In beide experimenten was het gehalte voor “F67” 2,80 mg g⁻¹ en voor “F2000” 2,80 mg g⁻¹. Bovendien vertoonden rijstzaailingen die onder hittestress met een combinatie van AUX- en GA-sprays waren behandeld, een afname van het chlorofylgehalte in beide genotypes (AUX = 1,96 mg g⁻¹ en GA = 1,45 mg g⁻¹ voor “F67”; AUX = 1,96 mg g⁻¹ en GA = 1,45 mg g⁻¹ voor “F67”; AUX = 2,24 mg) g⁻¹ en GA = 1,43 mg g⁻¹ (voor “F2000”) onder hittestressomstandigheden. Onder hittestressomstandigheden resulteerde bladbespuiting met BR in een lichte toename van deze variabele in beide genotypes. Ten slotte vertoonde de CK-bladbespuiting de hoogste waarden voor fotosynthetische pigmenten van alle behandelingen (AUX, GA, BR, SC en AC) in de genotypes F67 (3,24 mg g⁻¹) en F2000 (3,65 mg g⁻¹). Het relatieve chlorofylgehalte (per bladeenheid) werd ook verlaagd door gecombineerde hittestress. De hoogste waarden werden eveneens gemeten bij planten die met CC waren bespoten, in beide genotypen (41,66 voor "F67" en 49,30 voor "F2000"). Fv en Fv/Fm-ratio's vertoonden significante verschillen tussen behandelingen en cultivars (Tabel 2). Over het algemeen was cultivar F67 minder gevoelig voor hittestress dan cultivar F2000. De Fv en Fv/Fm-ratio's leden meer onder de tweede experimentele periode. Gestresste 'F2000'-zaailingen die niet met fytohormonen waren bespoten, hadden de laagste Fv-waarden (2120,15) en Fv/Fm-ratio's (0,59), maar bladbespuiting met CK hielp deze waarden te herstellen (Fv: 2591, 89, Fv/Fm-ratio: 0,73). waarbij metingen werden verkregen die vergelijkbaar waren met die van “F2000”-planten die onder optimale temperatuuromstandigheden waren gekweekt (Fv: 2955,35, Fv/Fm-verhouding: 0,73:0,72). Er waren geen significante verschillen in initiële fluorescentie (F0), maximale fluorescentie (Fm), maximale fotochemische kwantumopbrengst van PSII (Fv/F0) en Fm/F0-verhouding. Ten slotte vertoonde BR een vergelijkbare trend als waargenomen bij CK (Fv 2545,06, Fv/Fm-verhouding 0,73).
Tabel 2. Effect van gecombineerde hittestress (40°/30°C dag/nacht) op fotosynthetische pigmenten in bladeren [totaal chlorofyl (Chl Totaal), chlorofyl a (Chl a), chlorofyl b (Chl b) en carotenoïden Cx+c], relatief chlorofylgehalte (Atliff-eenheid), chlorofylfluorescentieparameters (initiële fluorescentie (F0), maximale fluorescentie (Fm), variabele fluorescentie (Fv), maximale PSII-efficiëntie (Fv/Fm), fotochemisch maximaal kwantumrendement van PSII (Fv/F0) en Fm/F0 in planten van twee rijstgenotypen [Federrose 67 (F67) en Federrose 2000 (F2000)] 55 dagen na opkomst (DAE)).
Het relatieve watergehalte (RWC) van verschillend behandelde rijstplanten vertoonde significante verschillen (P ≤ 0,05) in de interactie tussen experimentele en bladbespuitingsbehandelingen (Fig. 1A). Bij behandeling met salicylzuur (SA) werden de laagste waarden gemeten voor beide genotypen (74,01% voor F67 en 76,6% voor F2000). Onder hittestressomstandigheden nam het RWC van rijstplanten van beide genotypen, behandeld met verschillende fytohormonen, significant toe. Over het algemeen verhoogden bladbespuitingen met CK, GA, AUX of BR het RWC tot waarden die vergelijkbaar waren met die van planten die tijdens het experiment onder optimale omstandigheden werden geteeld. Zowel de controleplanten als de met bladbespuiting behandelde planten vertoonden waarden van ongeveer 83% voor beide genotypen. Aan de andere kant vertoonde gs ook significante verschillen (P ≤ 0,01) in de interactie tussen experiment en behandeling (Fig. 1B). De absolute controleplanten (AC) vertoonden ook de hoogste waarden voor elk genotype (440,65 mmol m⁻²s⁻¹ voor F67 en 511,02 mmol m⁻²s⁻¹ voor F2000). Rijstplanten die alleen aan gecombineerde hittestress werden blootgesteld, vertoonden de laagste gs-waarden voor beide genotypes (150,60 mmol m⁻²s⁻¹ voor F67 en 171,32 mmol m⁻²s⁻¹ voor F2000). Bladbehandeling met alle plantengroeiregulatoren verhoogde ook de g-waarde. Bij F2000-rijstplanten die met CC werden bespoten, was het effect van bladbespuiting met fytohormonen duidelijker. Deze groep planten vertoonde geen verschillen ten opzichte van de absolute controleplanten (AC 511,02 en CC 499,25 mmol m⁻²s⁻¹).
Figuur 1. Effect van gecombineerde hittestress (40°/30°C dag/nacht) op het relatieve watergehalte (RWC) (A), stomatale geleidbaarheid (gs) (B), malondialdehyde (MDA)-productie (C) en prolinegehalte (D) in planten van twee rijstgenotypen (F67 en F2000) 55 dagen na opkomst (DAE). De behandelingen die voor elk genotype werden beoordeeld, waren: absolute controle (AC), hittestresscontrole (SC), hittestress + auxine (AUX), hittestress + gibberelline (GA), hittestress + celmitogeen (CK) en hittestress + brassinosteroïde (BR). Elke kolom geeft het gemiddelde ± standaardfout weer van vijf datapunten (n = 5). Kolommen met verschillende letters geven statistisch significante verschillen aan volgens de Tukey-test (P ≤ 0,05). Letters met een gelijkteken geven aan dat het gemiddelde niet statistisch significant is (≤ 0,05).
Het MDA-gehalte (P ≤ 0,01) en het prolinegehalte (P ≤ 0,01) vertoonden ook significante verschillen in de interactie tussen experiment en fytohormoonbehandelingen (Fig. 1C, D). Verhoogde lipideperoxidatie werd waargenomen bij SC-behandeling in beide genotypes (Figuur 1C), terwijl planten behandeld met bladgroeiregulatorspray een verlaagde lipideperoxidatie vertoonden in beide genotypes. Over het algemeen leidt het gebruik van fytohormonen (CA, AUC, BR of GA) tot een afname van lipideperoxidatie (MDA-gehalte). Er werden geen verschillen gevonden tussen AC-planten van twee genotypen en planten onder hittestress die met fytohormonen waren bespoten (de waargenomen FW-waarden in "F67"-planten varieerden van 4,38–6,77 µmol g-1, en in FW "F2000"-planten varieerden de waargenomen waarden van 2,84 tot 9,18 µmol g-1). Aan de andere kant was de prolinesynthese in "F67"-planten lager dan in "F2000"-planten onder gecombineerde stress, wat leidde tot een toename van de prolineproductie in rijstplanten onder hittestress. In beide experimenten werd waargenomen dat de toediening van deze hormonen het aminozuurgehalte van F2000-planten significant verhoogde (AUX en BR waren respectievelijk 30,44 en 18,34 µmol g-1) (Fig. 1G).
De effecten van bespuiting met plantengroeiregulatoren en gecombineerde hittestress op de temperatuur van het bladerdak en de relatieve tolerantie-index (RTI) worden weergegeven in figuren 2A en B. Voor beide genotypen lag de temperatuur van het bladerdak van AC-planten rond de 27 °C en die van SC-planten rond de 28 °C. Er werd ook waargenomen dat bladbehandelingen met CK en BR resulteerden in een daling van de temperatuur van het bladerdak met 2-3 °C in vergelijking met SC-planten (figuur 2A). De RTI vertoonde een vergelijkbaar gedrag als andere fysiologische variabelen, met significante verschillen (P ≤ 0,01) in de interactie tussen experiment en behandeling (figuur 2B). SC-planten vertoonden een lagere tolerantie bij beide genotypen (respectievelijk 34,18% en 33,52% voor de rijstplanten "F67" en "F2000"). Bladbespuiting met fytohormonen verbetert de RTI bij planten die worden blootgesteld aan hoge temperatuurstress. Dit effect was sterker bij “F2000”-planten die met CC werden bespoten, waarbij de RTI 97,69 bedroeg. Aan de andere kant werden significante verschillen alleen waargenomen in de opbrengststressindex (CSI) van rijstplanten onder omstandigheden van stress door bespuiting met bladfactoren (P ≤ 0,01) (Fig. 2B). Alleen rijstplanten die werden blootgesteld aan complexe hittestress vertoonden de hoogste stressindexwaarde (0,816). Wanneer rijstplanten werden bespoten met verschillende fytohormonen, was de stressindex lager (waarden van 0,6 tot 0,67). Ten slotte had de rijstplant die onder optimale omstandigheden werd geteeld een waarde van 0,138.
Figuur 2. Effecten van gecombineerde hittestress (40°/30°C dag/nacht) op de temperatuur van het bladerdak (A), de relatieve tolerantie-index (RTI) (B) en de gewasstressindex (CSI) (C) van twee plantensoorten. Commerciële rijstgenotypen (F67 en F2000) werden blootgesteld aan verschillende hittebehandelingen. De behandelingen die voor elk genotype werden beoordeeld, omvatten: absolute controle (AC), hittestresscontrole (SC), hittestress + auxine (AUX), hittestress + gibberelline (GA), hittestress + celmitogeen (CK) en hittestress + brassinosteroïde (BR). Gecombineerde hittestress houdt in dat rijstplanten worden blootgesteld aan hoge dag/nacht-temperaturen (40°/30°C dag/nacht). Elke kolom geeft het gemiddelde ± standaardfout weer van vijf datapunten (n = 5). Kolommen met verschillende letters geven statistisch significante verschillen aan volgens de Tukey-test (P ≤ 0,05). Letters met een gelijkteken geven aan dat het gemiddelde niet statistisch significant is (≤ 0,05).
Hoofdcomponentenanalyse (PCA) toonde aan dat de variabelen die op 55 dagen na opkomst (DAE) werden beoordeeld, 66,1% van de fysiologische en biochemische reacties verklaarden van door hitte gestreste rijstplanten die met groeiregulatoren werden bespoten (Fig. 3). Vectoren representeren variabelen en stippen representeren plantengroeiregulatoren (GR's). De vectoren van gs, chlorofylgehalte, maximale kwantumefficiëntie van PSII (Fv/Fm) en biochemische parameters (TChl, MDA en proline) staan ​​onder een kleine hoek ten opzichte van de oorsprong, wat wijst op een hoge correlatie tussen het fysiologische gedrag van de planten en deze variabelen. Eén groep (V) omvatte rijstzaailingen die bij optimale temperatuur (AT) waren gekweekt en F2000-planten die met CK en BA waren behandeld. Tegelijkertijd vormde de meerderheid van de met GR behandelde planten een aparte groep (IV), en de behandeling met GA in F2000 vormde een aparte groep (II). Daarentegen bevonden de door hitte gestreste rijstzaailingen (groepen I en III) zonder bladbespuiting met fytohormonen (beide genotypen waren SC) zich in een zone tegenover groep V, wat het effect van hittestress op de plantenfysiologie aantoont.
Figuur 3. Biografische analyse van de effecten van gecombineerde hittestress (40°/30°C dag/nacht) op planten van twee rijstgenotypen (F67 en F2000) 55 dagen na opkomst (DAE). Afkortingen: AC F67, absolute controle F67; SC F67, hittestresscontrole F67; AUX F67, hittestress + auxine F67; GA F67, hittestress + gibberelline F67; CK F67, hittestress + celdeling BR F67, hittestress + brassinosteroïde F67; AC F2000, absolute controle F2000; SC F2000, hittestresscontrole F2000; AUX F2000, hittestress + auxine F2000; GA F2000, hittestress + gibberelline F2000; CK F2000, hittestress + cytokinine, BR F2000, hittestress + kopersteroïde; F2000.
Variabelen zoals chlorofylgehalte, stomatale geleidbaarheid, Fv/Fm-ratio, CSI, MDA, RTI en prolinegehalte kunnen helpen bij het begrijpen van de aanpassing van rijstgenotypen en het evalueren van de impact van agronomische strategieën onder hittestress (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Het doel van dit experiment was om het effect van de toepassing van vier groeiregulatoren op de fysiologische en biochemische parameters van rijstzaailingen onder complexe hittestressomstandigheden te evalueren. Zaailingtesten zijn een eenvoudige en snelle methode voor gelijktijdige beoordeling van rijstplanten, afhankelijk van de grootte of de staat van de beschikbare infrastructuur (Sarsu et al., 2018). De resultaten van deze studie toonden aan dat gecombineerde hittestress verschillende fysiologische en biochemische reacties teweegbrengt in de twee rijstgenotypen, wat wijst op een aanpassingsproces. Deze resultaten geven ook aan dat bladbespuitingen met groeiregulatoren (voornamelijk cytokininen en brassinosteroïden) rijst helpen zich aan te passen aan complexe hittestress, aangezien dit met name van invloed is op gs, RWC, Fv/Fm-verhouding, fotosynthetische pigmenten en prolinegehalte.
De toepassing van groeiregulatoren helpt de waterhuishouding van rijstplanten te verbeteren onder hittestress, wat mogelijk samenhangt met hogere stressniveaus en lagere temperaturen van het bladerdak. Deze studie toonde aan dat rijstplanten van het "F2000"-genotype (gevoelig genotype) die voornamelijk met CK of BR waren behandeld, hogere gs-waarden en lagere PCT-waarden hadden dan planten die met SC waren behandeld. Eerdere studies hebben ook aangetoond dat gs en PCT nauwkeurige fysiologische indicatoren zijn die de adaptieve respons van rijstplanten en de effecten van agronomische strategieën op hittestress kunnen bepalen (Restrepo-Diaz en Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero-Carr DeLong et al., 2021). Blad-CK of BR verhogen de stomatale geleidbaarheid (g) onder stress, omdat deze plantenhormonen de opening van de huidmondjes kunnen bevorderen door synthetische interacties met andere signaalmoleculen zoals ABA (bevordert de sluiting van huidmondjes onder abiotische stress) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013, 2014). De opening van de huidmondjes bevordert de afkoeling van de bladeren en helpt de temperatuur van het bladerdak te verlagen (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Om deze redenen kan de temperatuur van het bladerdak van rijstplanten die met CK of BR zijn bespoten lager zijn onder gecombineerde hittestress.
Hoge temperaturen kunnen het gehalte aan fotosynthetische pigmenten in bladeren verminderen (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). In deze studie vertoonden rijstplanten die onder hittestress stonden en niet bespoten werden met plantengroeiregulatoren, een tendens tot afname van fotosynthetische pigmenten in beide genotypes (Tabel 2). Feng et al. (2013) rapporteerden ook een significante afname van het chlorofylgehalte in de bladeren van twee tarwegenotypes die aan hittestress werden blootgesteld. Blootstelling aan hoge temperaturen resulteert vaak in een verlaagd chlorofylgehalte, wat te wijten kan zijn aan een verminderde chlorofylbiosynthese, afbraak van pigmenten of een combinatie van beide onder hittestress (Fahad et al., 2017). Rijstplanten die voornamelijk met CK en BA werden behandeld, vertoonden echter een toename van de concentratie fotosynthetische pigmenten in de bladeren onder hittestress. Soortgelijke resultaten werden ook gerapporteerd door Jespersen en Huang (2015) en Suchsagunpanit et al. (2015), die een toename van het bladchlorofylgehalte observeerden na toepassing van zeatine en epibrassinosteroïde hormonen in respectievelijk door hitte gestreste struisgras en rijst. Een plausibele verklaring voor waarom CK en BR een verhoogd bladchlorofylgehalte bevorderen onder gecombineerde hittestress is dat CK de initiatie van aanhoudende inductie van expressiepromotoren (zoals de senescentie-activerende promotor (SAG12) of de HSP18-promotor) kan versterken en chlorofylverlies in bladeren kan verminderen, bladveroudering kan vertragen en de plantweerstand tegen hitte kan verhogen (Liu et al., 2020). BR kan bladchlorofyl beschermen en het bladchlorofylgehalte verhogen door de synthese van enzymen die betrokken zijn bij de chlorofylbiosynthese onder stressomstandigheden te activeren of te induceren (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Ten slotte bevorderen twee fytohormonen (CK en BR) ook de expressie van hitte-schokproteïnen en verbeteren ze verschillende metabolische aanpassingsprocessen, zoals een verhoogde chlorofylbiosynthese (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Chlorofyl a-fluorescentieparameters bieden een snelle en niet-destructieve methode om de tolerantie of aanpassing van planten aan abiotische stressomstandigheden te beoordelen (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Parameters zoals de Fv/Fm-ratio zijn gebruikt als indicatoren voor de aanpassing van planten aan stressomstandigheden (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). In deze studie vertoonden SC-planten de laagste waarden van deze variabele, voornamelijk de rijstplanten van het ras "F2000". Yin et al. (2010) vonden ook dat de Fv/Fm-ratio van de bladeren van rijstplanten met de hoogste uitstoeling significant daalde bij temperaturen boven 35 °C. Volgens Feng et al. (2013) duidt de lagere Fv/Fm-ratio onder hittestress erop dat de snelheid van de opname en omzetting van excitatie-energie door het PSII-reactiecentrum is verminderd, wat erop wijst dat het PSII-reactiecentrum onder hittestress desintegreert. Uit deze observatie kunnen we concluderen dat verstoringen in het fotosynthetische apparaat meer uitgesproken zijn bij gevoelige variëteiten (Fedearroz 2000) dan bij resistente variëteiten (Fedearroz 67).
Het gebruik van CK of BR verbeterde over het algemeen de prestaties van PSII onder complexe hittestressomstandigheden. Soortgelijke resultaten werden verkregen door Suchsagunpanit et al. (2015), die observeerden dat BR-toepassing de efficiëntie van PSII onder hittestress in rijst verhoogde. Kumar et al. (2020) vonden ook dat kikkererwtenplanten die behandeld waren met CK (6-benzyladenine) en blootgesteld werden aan hittestress, een verhoogde Fv/Fm-ratio vertoonden. Hieruit werd geconcludeerd dat bladtoepassing van CK, door activering van de zeaxanthinepigmentcyclus, de PSII-activiteit bevorderde. Bovendien bevorderde bladbespuiting met BR de PSII-fotosynthese onder gecombineerde stressomstandigheden. Dit duidt erop dat de toepassing van dit fytohormoon resulteerde in een verminderde dissipatie van excitatie-energie van PSII-antennes en de accumulatie van kleine hitteschokproteïnen in chloroplasten bevorderde (Ogweno et al. 2008; Kothari en Lachowitz, 2021).
Het gehalte aan MDA en proline neemt vaak toe wanneer planten onder abiotische stress staan, vergeleken met planten die onder optimale omstandigheden groeien (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Eerdere studies hebben ook aangetoond dat MDA- en prolinegehaltes biochemische indicatoren zijn die gebruikt kunnen worden om het adaptatieproces of de impact van agronomische praktijken in rijstplanten te begrijpen bij hoge temperaturen overdag of 's nachts (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Deze studies toonden ook aan dat het gehalte aan MDA en proline hoger was in rijstplanten die respectievelijk 's nachts of overdag aan hoge temperaturen werden blootgesteld. Bladbespuiting met CK en BR droeg echter bij aan een afname van het MDA-gehalte en een toename van het prolinegehalte, met name in het tolerante genotype (Federroz 67). CK-spray kan de overexpressie van cytokinine-oxidase/dehydrogenase bevorderen, waardoor het gehalte aan beschermende stoffen zoals betaïne en proline toeneemt (Liu et al., 2020). BR bevordert de inductie van osmoprotectanten zoals betaïne, suikers en aminozuren (waaronder vrije proline), waardoor het osmotisch evenwicht van cellen onder veel ongunstige omgevingsomstandigheden behouden blijft (Kothari en Lachowiec, 2021).
De gewasstressindex (CSI) en de relatieve tolerantie-index (RTI) worden gebruikt om te bepalen of de geëvalueerde behandelingen helpen bij het verminderen van verschillende stressfactoren (abiotische en biotische) en een positief effect hebben op de plantfysiologie (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). CSI-waarden kunnen variëren van 0 tot 1, wat respectievelijk staat voor niet-stress en stress (Lee et al., 2010). De CSI-waarden van hittegestreste (SC) planten varieerden van 0,8 tot 0,9 (Figuur 2B), wat aangeeft dat rijstplanten negatief werden beïnvloed door gecombineerde stress. Bladbespuiting met BC (0,6) of CK (0,6) leidde echter voornamelijk tot een afname van deze indicator onder abiotische stressomstandigheden in vergelijking met SC-rijstplanten. Bij F2000-planten vertoonde de RTI een grotere toename bij gebruik van CA (97,69%) en BC (60,73%) vergeleken met SA (33,52%), wat aangeeft dat deze plantengroeiregulatoren ook bijdragen aan een verbeterde reactie van rijst op de tolerantie voor oververhitting. Deze indices zijn voorgesteld om stressomstandigheden bij verschillende soorten te beheersen. Een studie uitgevoerd door Lee et al. (2010) toonde aan dat de CSI van twee katoenvariëteiten onder matige waterstress ongeveer 0,85 was, terwijl de CSI-waarden van goed geïrrigeerde variëteiten varieerden van 0,4 tot 0,6. Hieruit werd geconcludeerd dat deze index een indicator is voor de wateradaptatie van de variëteiten aan stressvolle omstandigheden. Bovendien beoordeelden Chavez-Arias et al. (2020) de effectiviteit van synthetische elicitoren als een alomvattende stressmanagementstrategie bij C. elegans-planten en vonden dat planten die met deze verbindingen waren bespoten een hogere RTI vertoonden (65%). Op basis van het bovenstaande kunnen CK en BR worden beschouwd als agronomische strategieën die gericht zijn op het verhogen van de tolerantie van rijst voor complexe hittestress, aangezien deze plantengroeiregulatoren positieve biochemische en fysiologische reacties teweegbrengen.
De afgelopen jaren heeft rijstonderzoek in Colombia zich gericht op het evalueren van genotypen die tolerant zijn voor hoge dag- of nachttemperaturen, met behulp van fysiologische of biochemische kenmerken (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). De laatste jaren is de analyse van praktische, economische en winstgevende technologieën echter steeds belangrijker geworden om geïntegreerd gewasbeheer voor te stellen dat de effecten van complexe hittestressperioden in het land kan verminderen (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). De fysiologische en biochemische reacties van rijstplanten op complexe hittestress (40 °C overdag/30 °C 's nachts) die in deze studie zijn waargenomen, suggereren dat bladbespuiting met CK of BR een geschikte gewasbeheersmethode kan zijn om de nadelige effecten te verminderen. Effect van perioden van matige hittestress. Deze behandelingen verbeterden de tolerantie van beide rijstgenotypen (lage CSI en hoge RTI), wat een algemene trend laat zien in de fysiologische en biochemische reacties van planten onder gecombineerde hittestress. De belangrijkste reactie van rijstplanten was een afname van het gehalte aan GC, totaal chlorofyl, chlorofyl α en β en carotenoïden. Daarnaast leden de planten aan PSII-schade (verminderde chlorofylfluorescentieparameters zoals de Fv/Fm-ratio) en verhoogde lipideperoxidatie. Aan de andere kant werden deze negatieve effecten verzacht en nam het prolinegehalte toe wanneer rijst werd behandeld met CK en BR (Fig. 4).
Figuur 4. Conceptueel model van de effecten van gecombineerde hittestress en bespuiting met een plantengroeiregulator op rijstplanten. Rode en blauwe pijlen geven respectievelijk de negatieve of positieve effecten aan van de interactie tussen hittestress en bladtoepassing van BR (brassinosteroïde) en CK (cytokinine) op fysiologische en biochemische reacties. gs: stomatale geleidbaarheid; Totaal Chl: totaal chlorofylgehalte; Chl α: chlorofyl β-gehalte; Cx+c: carotenoïdegehalte;
Samenvattend wijzen de fysiologische en biochemische reacties in dit onderzoek erop dat Fedearroz 2000 rijstplanten gevoeliger zijn voor een periode van complexe hittestress dan Fedearroz 67 rijstplanten. Alle in dit onderzoek beoordeelde groeiregulatoren (auxinen, gibberellinen, cytokininen en brassinosteroïden) vertoonden een zekere mate van gecombineerde vermindering van hittestress. Cytokininen en brassinosteroïden zorgden echter voor een betere aanpassing van de planten, aangezien beide groeiregulatoren het chlorofylgehalte, de alfa-chlorofylfluorescentieparameters, gs en RWC verhoogden in vergelijking met rijstplanten zonder toepassing, en tevens het MDA-gehalte en de temperatuur van het bladerdak verlaagden. Kortom, we concluderen dat het gebruik van plantengroeiregulatoren (cytokininen en brassinosteroïden) een nuttig hulpmiddel is bij het beheersen van stressomstandigheden in rijstgewassen die worden veroorzaakt door ernstige hittestress tijdens perioden met hoge temperaturen.
Het originele materiaal dat in de studie is gepresenteerd, is bij het artikel gevoegd. Voor verdere vragen kunt u contact opnemen met de corresponderende auteur.