Plantengroeiregulatoren (PGR's)zijn een kosteneffectieve manier om de afweer van planten onder stressomstandigheden te versterken. Deze studie onderzocht het vermogen van tweePGR's, thioureum (TU) en arginine (Arg), om zoutstress in tarwe te verlichten. De resultaten toonden aan dat TU en Arg, vooral in combinatie, de plantengroei onder zoutstress konden reguleren. Hun behandelingen verhoogden de activiteit van antioxidante enzymen aanzienlijk, terwijl de niveaus van reactieve zuurstofsoorten (ROS), malondialdehyde (MDA) en relatieve elektrolytlekkage (REL) in tarwezaailingen werden verlaagd. Bovendien verlaagden deze behandelingen de Na+- en Ca2+-concentraties en de Na+/K+-verhouding aanzienlijk, terwijl de K+-concentratie aanzienlijk werd verhoogd, waardoor de ionosmotische 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, alleen of in combinatie gebruikt, konden de drogestofaccumulatie met 9,03-47,45% verhogen, en de toename was het grootst wanneer ze samen werden gebruikt. Concluderend benadrukt deze studie dat het handhaven van redoxhomeostase en ionenbalans belangrijk is voor het verbeteren van de planttolerantie voor zoutstress. Bovendien werden TU en Arg aanbevolen als potentiëleplantengroeiregulatoren,vooral wanneer ze samen worden gebruikt om de tarweopbrengst te verbeteren.
Snelle veranderingen in klimaat en landbouwpraktijken zorgen voor een toenemende degradatie van landbouwecosystemen1. Een van de ernstigste gevolgen is verzilting van land, wat de wereldwijde voedselzekerheid bedreigt2. Verzilting treft momenteel ongeveer 20% van het landbouwareaal wereldwijd, en dit percentage zou tegen 2050 kunnen oplopen tot 50%3. Zout-alkalistress kan osmotische stress veroorzaken in gewaswortels, wat de ionenbalans in de plant verstoort4. Dergelijke ongunstige omstandigheden kunnen ook leiden tot versnelde chlorofylafbraak, verminderde fotosynthese en metabolische verstoringen, wat uiteindelijk resulteert in een lagere opbrengst5,6. Bovendien is een veelvoorkomend ernstig effect de verhoogde productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS), die oxidatieve schade kunnen veroorzaken aan verschillende biomoleculen, waaronder DNA, eiwitten en lipiden7.
Tarwe (Triticum aestivum) is een van de belangrijkste graangewassen ter wereld. Het is niet alleen het meest verbouwde 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 verminderen. De belangrijkste strategieën om de effecten van zoutstress te verminderen zijn genetische modificatie en het gebruik van plantengroeiregulatoren. Genetisch gemodificeerde organismen (GM) maken gebruik van genbewerking en andere technieken om zouttolerante tarwevariëteiten te ontwikkelen9,10. Aan de andere kant verbeteren plantengroeiregulatoren de zouttolerantie in tarwe door de fysiologische activiteiten en niveaus van zoutgerelateerde stoffen te reguleren, waardoor stressschade wordt verminderd11. Deze regulatoren worden over het algemeen meer geaccepteerd en breder gebruikt dan transgene benaderingen. Ze kunnen de tolerantie van planten voor verschillende abiotische stressfactoren zoals zoutgehalte, droogte en zware metalen verbeteren en de zaadkieming, nutriëntenopname en reproductieve groei bevorderen, waardoor de opbrengst en kwaliteit van gewassen worden verhoogd. 12 Plantengroeiregulatoren zijn cruciaal voor het waarborgen van gewasgroei en het behoud van opbrengst en kwaliteit vanwege hun milieuvriendelijkheid, gebruiksgemak, kosteneffectiviteit en praktische bruikbaarheid. 13 Omdat deze modulatoren echter vergelijkbare werkingsmechanismen hebben, is het gebruik van één ervan op zichzelf mogelijk niet effectief. Het vinden van een combinatie van groeiregulatoren die de zouttolerantie in 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. Daarom was het doel van deze studie om te bepalen of deze twee groeiregulatoren de nadelige effecten van zoutstress op tarwe synergetisch kunnen verlichten. Hiertoe hebben we een kortdurend hydrocultuurexperiment met tarwezaailingen uitgevoerd om de voordelen van de gecombineerde toepassing van TU en Arg op tarwe onder zoutstress te onderzoeken, met de nadruk op de redox- en ionenbalans van de planten. Onze hypothese was dat de combinatie van TU en Arg synergetisch zou kunnen werken om door zoutstress veroorzaakte oxidatieve schade te verminderen en de ionenbalans te beheersen, waardoor de zouttolerantie in tarwe zou verbeteren.
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 gedurende 20 minuten bij 10.000 g en verzamel de bovenstaande vloeistof. Het extract werd gemengd met een gelijk volume 0,75% thiobarbituurzuur en gedurende 15 minuten geïncubeerd bij 100 °C. Na incubatie werd de bovenstaande vloeistof verzameld door middel van 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 driedaagse behandeling verhoogde de toediening van Arg en Tu ook de antioxiderende enzymactiviteit van tarwezaailingen significant tijdens de zesdaagse behandeling. De combinatie van TU en Arg was nog steeds het meest effectief. Zes dagen na de behandeling vertoonden de activiteiten van de vier antioxiderende enzymen onder verschillende behandelingsomstandigheden echter een dalende trend vergeleken met drie dagen na de behandeling (Figuur 6).
Fotosynthese is 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 de cellulaire osmotische balans, schade aan de ultrastructuur van chloroplasten36, chlorofylafbraak veroorzaken, de activiteit van Calvincyclusenzymen (waaronder Rubisco) verminderen en de elektronenoverdracht van PS II naar PS I37 verminderen. 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 huidmondjesgeleiding in tarwe vermindert, wat resulteert in een lagere bladtranspiratiesnelheid en intracellulaire CO2-concentratie, wat uiteindelijk leidt tot een verminderde fotosynthesecapaciteit en een verminderde biomassa van tarwe (Fig. 1 en 3). Met name de toepassing van TU en Arg kan de fotosynthetische efficiëntie van tarweplanten onder zoutstress verbeteren. De verbetering in fotosynthetische efficiëntie was vooral significant wanneer TU en Arg gelijktijdig werden toegepast (Fig. 3). Dit kan te wijten zijn aan het feit dat TU en Arg het openen en sluiten van huidmondjes reguleren, waardoor de fotosynthese-efficiëntie wordt verbeterd, wat wordt ondersteund door eerdere studies. Bencarti et al. ontdekten bijvoorbeeld dat TU onder zoutstress de huidmondjesgeleiding, de CO2-assimilatiesnelheid en de maximale kwantumefficiëntie van PSII-fotochemie in Atriplex portulacoides L.39 aanzienlijk verhoogde. Hoewel er geen directe rapporten zijn die bewijzen dat Arg het openen en sluiten van huidmondjes kan reguleren bij planten die worden blootgesteld aan zoutstress, gaven Silveira et al. aan dat Arg de gasuitwisseling in bladeren onder droogteomstandigheden kan bevorderen22.
Samenvattend benadrukt deze studie dat TU en Arg, ondanks hun verschillende werkingsmechanismen en fysicochemische eigenschappen, een vergelijkbare weerstand kunnen bieden tegen NaCl-stress in tarwezaailingen, vooral wanneer ze samen worden toegepast. De toepassing van TU en Arg kan het antioxidante enzymafweersysteem van tarwezaailingen activeren, het ROS-gehalte verlagen en de stabiliteit van membraanlipiden behouden, waardoor de fotosynthese en de Na+/K+-balans in zaailingen behouden blijven. Deze studie heeft echter ook beperkingen; hoewel het synergetische effect van TU en Arg werd bevestigd en het fysiologische mechanisme ervan tot op zekere hoogte werd verklaard, blijft het complexere moleculaire mechanisme onduidelijk. Daarom is verder onderzoek naar het synergetische mechanisme van TU en Arg met behulp van transcriptoom-, metaboloom- en andere methoden noodzakelijk.
De datasets die in het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.
Geplaatst op: 19 mei 2025