Plantengroeiregulatoren (PGR's)zijn een kosteneffectieve manier om de afweer van planten onder stressomstandigheden te versterken. Deze studie onderzocht het vermogen van tweePGR'sThiourea (TU) en arginine (Arg) werden gebruikt om zoutstress bij tarwe te verlichten. De resultaten toonden aan dat TU en Arg, met name in combinatie, de plantengroei onder zoutstress konden reguleren. De behandelingen met deze stoffen verhoogden de activiteit van antioxidatieve enzymen aanzienlijk, terwijl de niveaus van reactieve zuurstofsoorten (ROS), malondialdehyde (MDA) en relatieve elektrolytlekkage (REL) in tarwezaailingen afnamen. Bovendien verlaagden deze behandelingen de Na+- en Ca2+-concentraties en de Na+/K+-verhouding aanzienlijk, terwijl de K+-concentratie significant toenam, waardoor de ionen-osmotische balans behouden bleef. Belangrijker nog, TU en Arg verhoogden het chlorofylgehalte, de netto fotosynthesesnelheid en de gasuitwisselingssnelheid van tarwezaailingen onder zoutstress aanzienlijk. TU en Arg, afzonderlijk of in combinatie gebruikt, konden de droge stofaccumulatie met 9,03–47,45% verhogen, waarbij de toename het grootst was bij gelijktijdig gebruik. Kortom, deze studie benadrukt dat het handhaven van redoxhomeostase en ionenbalans belangrijk is voor het verbeteren van de tolerantie van planten voor zoutstress. Daarnaast werden TU en Arg aanbevolen als potentiële kandidaten.plantengroeiregulatoren,vooral wanneer ze samen worden gebruikt om de tarweopbrengst te verhogen.
Snelle veranderingen in het klimaat en de landbouwpraktijken leiden tot een toenemende degradatie van landbouwecosystemen1. Een van de ernstigste gevolgen is bodemverzouting, die de wereldwijde voedselzekerheid bedreigt2. Verzouting treft momenteel ongeveer 20% van de akkerbouwgrond wereldwijd, en dit percentage zou tegen 2050 kunnen oplopen tot 50%3. Zout-alkalistress kan osmotische stress in de wortels van gewassen veroorzaken, waardoor de ionenbalans in de plant verstoord raakt4. Dergelijke ongunstige omstandigheden kunnen ook leiden tot versnelde afbraak van chlorofyl, lagere fotosynthesesnelheden en verstoringen van de stofwisseling, met als uiteindelijk resultaat lagere opbrengsten5,6. Bovendien is een veelvoorkomend ernstig gevolg de toegenomen productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS), die oxidatieve schade kunnen toebrengen aan diverse biomoleculen, waaronder DNA, eiwitten en lipiden7.
Tarwe (Triticum aestivum) is een van de belangrijkste graangewassen ter wereld. Het is niet alleen het meest geteelde graangewas, maar ook een belangrijk commercieel gewas⁸. Tarwe is echter gevoelig voor zout, wat de groei kan remmen, de fysiologische en biochemische processen kan verstoren en de opbrengst aanzienlijk kan verlagen. De belangrijkste strategieën om de effecten van zoutstress te verminderen, zijn genetische modificatie en het gebruik van plantengroeiregulatoren. Genetisch gemodificeerde organismen (GM) zijn het gebruik van genbewerking en andere technieken om zouttolerante tarwevariëteiten te ontwikkelen⁹,¹⁰. Plantengroeiregulatoren daarentegen verbeteren de zouttolerantie van tarwe door fysiologische activiteiten en de niveaus van zoutgerelateerde stoffen te reguleren, waardoor stressschade wordt verminderd¹¹. Deze regulatoren worden over het algemeen meer geaccepteerd en vaker gebruikt dan transgene benaderingen. Ze kunnen de tolerantie van planten voor verschillende abiotische stressfactoren zoals zout, droogte en zware metalen verhogen en de zaadkieming, de opname van voedingsstoffen en de reproductieve groei bevorderen, waardoor de gewasopbrengst en -kwaliteit toenemen. 12 Groeiregulatoren voor planten zijn essentieel voor de gewasgroei en het behoud van opbrengst en kwaliteit vanwege hun milieuvriendelijkheid, gebruiksgemak, kosteneffectiviteit en praktische toepasbaarheid. 13 Omdat deze modulatoren echter vergelijkbare werkingsmechanismen hebben, is het gebruik van één ervan alleen mogelijk niet effectief. Het vinden van een combinatie van groeiregulatoren die de zouttolerantie van tarwe kan verbeteren, is cruciaal voor de tarweveredeling onder ongunstige omstandigheden, het verhogen van de opbrengst en het waarborgen van de voedselzekerheid.
Er zijn geen studies die het gecombineerde gebruik van TU en Arg onderzoeken. Het is onduidelijk of deze innovatieve combinatie de groei van tarwe onder zoutstress synergetisch kan bevorderen. Het doel van deze studie was daarom om te bepalen of deze twee groeiregulatoren de nadelige effecten van zoutstress op tarwe synergetisch kunnen verminderen. Hiertoe voerden we een kortdurend hydrocultuur-experiment uit met tarwezaailingen om de voordelen van de gecombineerde toepassing van TU en Arg op tarwe onder zoutstress te onderzoeken, met name gericht op de redox- en ionenbalans van de planten. We veronderstelden dat de combinatie van TU en Arg synergetisch zou kunnen werken om door zoutstress veroorzaakte oxidatieve schade te verminderen en de ionenbalans te reguleren, waardoor de zouttolerantie van tarwe zou worden verbeterd.
Het MDA-gehalte van de monsters werd bepaald met de thiobarbituurzuurmethode. Weeg nauwkeurig 0,1 g vers monsterpoeder af, extraheer met 1 ml 10% trichloorazijnzuur gedurende 10 minuten, centrifugeer bij 10.000 g gedurende 20 minuten en verzamel het supernatant. Het extract werd gemengd met een gelijk volume 0,75% thiobarbituurzuur en geïncubeerd bij 100 °C gedurende 15 minuten. Na incubatie werd het supernatant verzameld door centrifugatie en werden de OD-waarden bij 450 nm, 532 nm en 600 nm gemeten. De MDA-concentratie werd als volgt berekend:
Net als bij de behandeling van 3 dagen, zorgde de toepassing van Arg en Tu ook bij de behandeling van 6 dagen voor een significante toename van de activiteit van antioxidantenzymen in tarwezaailingen. De combinatie van TU en Arg bleef het meest effectief. Echter, 6 dagen na de behandeling vertoonde de activiteit van de vier antioxidantenzymen onder de verschillende behandelingsomstandigheden een dalende trend in vergelijking met 3 dagen na de behandeling (Figuur 6).
Fotosynthese vormt de basis voor de accumulatie van droge stof in planten en vindt plaats in chloroplasten, die extreem gevoelig zijn voor zout. Zoutstress kan leiden tot oxidatie van het plasmamembraan, verstoring van het osmotisch evenwicht in de cel, beschadiging van de ultrastructuur van chloroplasten36, afbraak van chlorofyl, een afname van de activiteit van enzymen in de Calvin-cyclus (waaronder Rubisco) en een vermindering van de elektronenoverdracht van PS II naar PS I37. Bovendien kan zoutstress leiden tot sluiting van de huidmondjes, waardoor de CO2-concentratie in het blad afneemt en de fotosynthese wordt geremd38. Onze resultaten bevestigden eerdere bevindingen dat zoutstress de stomatale geleidbaarheid in tarwe vermindert, wat resulteert in een lagere transpiratiesnelheid van het blad en een lagere intracellulaire CO2-concentratie. Dit leidt uiteindelijk tot een verminderde fotosynthetische capaciteit en biomassa van tarwe (figuren 1 en 3). Opvallend is dat de toepassing van TU en Arg de fotosynthetische efficiëntie van tarweplanten onder zoutstress kon verbeteren. De verbetering van de fotosynthetische efficiëntie was met name significant wanneer TU en Arg gelijktijdig werden toegepast (figuur 3). Dit kan te wijten zijn aan het feit dat TU en Arg de opening en sluiting van de huidmondjes reguleren, waardoor de fotosynthetische efficiëntie wordt verbeterd, wat wordt ondersteund door eerdere studies. Bencarti et al. ontdekten bijvoorbeeld dat TU onder zoutstress de stomatale geleidbaarheid, de CO2-assimilatiesnelheid en de maximale kwantumefficiëntie van de PSII-fotochemie in Atriplex portulacoides L. significant verhoogde.39 Hoewel er geen directe rapporten zijn die bewijzen dat Arg de opening en sluiting van de huidmondjes kan reguleren in planten die aan zoutstress zijn blootgesteld, gaven Silveira et al. aan dat Arg de gasuitwisseling in bladeren onder droogteomstandigheden kan bevorderen.22
Samenvattend laat dit onderzoek zien dat TU en Arg, ondanks hun verschillende werkingsmechanismen en fysisch-chemische eigenschappen, een vergelijkbare weerstand tegen NaCl-stress kunnen bieden aan tarwezaailingen, met name wanneer ze samen worden toegepast. De toepassing van TU en Arg activeert het antioxidant-enzymafweersysteem van tarwezaailingen, verlaagt het ROS-gehalte en handhaaft de stabiliteit van membraanlipiden, waardoor de fotosynthese en de Na+/K+-balans in de zaailingen behouden blijven. Dit onderzoek kent echter ook beperkingen; hoewel het synergetische effect van TU en Arg is bevestigd en het fysiologische mechanisme tot op zekere hoogte is verklaard, blijft het complexere moleculaire mechanisme onduidelijk. Daarom is verder onderzoek naar het synergetische mechanisme van TU en Arg met behulp van transcriptomische, metabolomische en andere methoden noodzakelijk.
De datasets die tijdens dit onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.
Geplaatst op: 19 mei 2025