Ρυθμιστές ανάπτυξης φυτών (PGR)αποτελούν έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για την ενίσχυση της άμυνας των φυτών υπό συνθήκες στρες. Αυτή η μελέτη διερεύνησε την ικανότητα δύοPGRs, θειουρία (TU) και αργινίνη (Arg), για την ανακούφιση του αλατούχου στρες στο σιτάρι. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η TU και η Arg, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται μαζί, θα μπορούσαν να ρυθμίσουν την ανάπτυξη των φυτών υπό αλατούχο στρες. Οι θεραπείες τους αύξησαν σημαντικά τις δραστηριότητες των αντιοξειδωτικών ενζύμων, μειώνοντας παράλληλα τα επίπεδα των δραστικών ειδών οξυγόνου (ROS), της μαλονδιαλδεΰδης (MDA) και της σχετικής διαρροής ηλεκτρολυτών (REL) στα σπορόφυτα του σιταριού. Επιπλέον, αυτές οι θεραπείες μείωσαν σημαντικά τις συγκεντρώσεις Na+ και Ca2+ και την αναλογία Na+/K+, ενώ αύξησαν σημαντικά τη συγκέντρωση K+, διατηρώντας έτσι την ιοντο-οσμωτική ισορροπία. Το πιο σημαντικό είναι ότι η TU και η Arg αύξησαν σημαντικά την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, τον καθαρό ρυθμό φωτοσύνθεσης και τον ρυθμό ανταλλαγής αερίων των σπορόφυτων σιταριού υπό αλατούχο στρες. Η TU και η Arg, όταν χρησιμοποιούνται μόνα τους ή σε συνδυασμό, θα μπορούσαν να αυξήσουν τη συσσώρευση ξηράς ουσίας κατά 9,03-47,45% και η αύξηση ήταν μεγαλύτερη όταν χρησιμοποιήθηκαν μαζί. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη υπογραμμίζει ότι η διατήρηση της ομοιόστασης της οξειδοαναγωγής και της ισορροπίας ιόντων είναι σημαντική για την ενίσχυση της ανοχής των φυτών στο αλατούχο στρες. Επιπλέον, η TU και η Arg συνιστώνται ως πιθανέςρυθμιστές ανάπτυξης φυτών,ειδικά όταν χρησιμοποιούνται μαζί, για την ενίσχυση της απόδοσης του σιταριού.
Οι ραγδαίες αλλαγές στο κλίμα και τις γεωργικές πρακτικές αυξάνουν την υποβάθμιση των γεωργικών οικοσυστημάτων1. Μία από τις πιο σοβαρές συνέπειες είναι η αλάτωση της γης, η οποία απειλεί την παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια2. Η αλάτωση επηρεάζει σήμερα περίπου το 20% της καλλιεργήσιμης γης παγκοσμίως και αυτό το ποσοστό θα μπορούσε να αυξηθεί στο 50% έως το 20503. Το αλατούχο-αλκαλικό στρες μπορεί να προκαλέσει οσμωτικό στρες στις ρίζες των καλλιεργειών, το οποίο διαταράσσει την ιοντική ισορροπία στο φυτό4. Τέτοιες δυσμενείς συνθήκες μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε επιταχυνόμενη διάσπαση της χλωροφύλλης, μειωμένους ρυθμούς φωτοσύνθεσης και μεταβολικές διαταραχές, με τελικό αποτέλεσμα τη μείωση των αποδόσεων των φυτών5,6. Επιπλέον, μια κοινή σοβαρή επίδραση είναι η αυξημένη παραγωγή δραστικών ειδών οξυγόνου (ROS), τα οποία μπορούν να προκαλέσουν οξειδωτική βλάβη σε διάφορα βιομόρια, συμπεριλαμβανομένου του DNA, των πρωτεϊνών και των λιπιδίων7.
Το σιτάρι (Triticum aestivum) είναι μια από τις σημαντικότερες καλλιέργειες δημητριακών στον κόσμο. Δεν είναι μόνο η πιο ευρέως καλλιεργούμενη καλλιέργεια δημητριακών, αλλά και μια σημαντική εμπορική καλλιέργεια8. Ωστόσο, το σιτάρι είναι ευαίσθητο στο αλάτι, το οποίο μπορεί να αναστείλει την ανάπτυξή του, να διαταράξει τις φυσιολογικές και βιοχημικές διεργασίες του και να μειώσει σημαντικά την απόδοσή του. Οι κύριες στρατηγικές για τον μετριασμό των επιπτώσεων του στρες από το αλάτι περιλαμβάνουν τη γενετική τροποποίηση και τη χρήση ρυθμιστών ανάπτυξης των φυτών. Οι γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί (ΓΤ) είναι η χρήση επεξεργασίας γονιδίων και άλλων τεχνικών για την ανάπτυξη ποικιλιών σίτου ανθεκτικών στο αλάτι9,10. Από την άλλη πλευρά, οι ρυθμιστές ανάπτυξης των φυτών ενισχύουν την ανοχή στο αλάτι στο σιτάρι ρυθμίζοντας τις φυσιολογικές δραστηριότητες και τα επίπεδα ουσιών που σχετίζονται με το αλάτι, μετριάζοντας έτσι τη ζημιά από το στρες11. Αυτοί οι ρυθμιστές είναι γενικά πιο αποδεκτοί και χρησιμοποιούνται ευρέως από τις διαγονιδιακές προσεγγίσεις. Μπορούν να ενισχύσουν την ανοχή των φυτών σε διάφορες αβιοτικές καταπονήσεις όπως η αλατότητα, η ξηρασία και τα βαρέα μέταλλα, και να προωθήσουν τη βλάστηση των σπόρων, την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών και την αναπαραγωγική ανάπτυξη, αυξάνοντας έτσι την απόδοση και την ποιότητα των καλλιεργειών.12 Οι ρυθμιστές ανάπτυξης των φυτών είναι κρίσιμοι για τη διασφάλιση της ανάπτυξης των καλλιεργειών και τη διατήρηση της απόδοσης και της ποιότητας λόγω της φιλικότητας προς το περιβάλλον, της ευκολίας χρήσης, της οικονομικής αποδοτικότητας και της πρακτικότητας. 13 Ωστόσο, δεδομένου ότι αυτοί οι ρυθμιστές έχουν παρόμοιους μηχανισμούς δράσης, η χρήση ενός από αυτούς μόνο του μπορεί να μην είναι αποτελεσματική. Η εύρεση ενός συνδυασμού ρυθμιστών ανάπτυξης που μπορεί να βελτιώσει την ανοχή στο αλάτι στο σιτάρι είναι κρίσιμη για την αναπαραγωγή σιταριού υπό αντίξοες συνθήκες, αυξάνοντας τις αποδόσεις και διασφαλίζοντας την επισιτιστική ασφάλεια.
Δεν υπάρχουν μελέτες που να διερευνούν τη συνδυασμένη χρήση TU και Arg. Δεν είναι σαφές εάν αυτός ο καινοτόμος συνδυασμός μπορεί να προωθήσει συνεργιστικά την ανάπτυξη του σιταριού υπό αλατική καταπόνηση. Επομένως, ο στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να προσδιοριστεί εάν αυτοί οι δύο ρυθμιστές ανάπτυξης μπορούν να μετριάσουν συνεργιστικά τις δυσμενείς επιπτώσεις της αλατικής καταπόνησης στο σιτάρι. Για το σκοπό αυτό, διεξήγαμε ένα βραχυπρόθεσμο πείραμα υδροπονίας σε σπορόφυτα σιταριού για να διερευνήσουμε τα οφέλη της συνδυασμένης εφαρμογής TU και Arg στο σιτάρι υπό αλατική καταπόνηση, εστιάζοντας στην οξειδοαναγωγική και ιοντική ισορροπία των φυτών. Υποθέσαμε ότι ο συνδυασμός TU και Arg θα μπορούσε να λειτουργήσει συνεργιστικά για να μειώσει την οξειδωτική βλάβη που προκαλείται από την αλατική καταπόνηση και να διαχειριστεί την ιοντική ανισορροπία, ενισχύοντας έτσι την ανοχή στο αλάτι στο σιτάρι.
Η περιεκτικότητα των δειγμάτων σε MDA προσδιορίστηκε με τη μέθοδο του θειοβαρβιτουρικού οξέος. Ζυγίστε με ακρίβεια 0,1 g φρέσκιας σκόνης δείγματος, εκχυλίστε με 1 ml τριχλωροοξικού οξέος 10% για 10 λεπτά, φυγοκεντρήστε στα 10.000 g για 20 λεπτά και συλλέξτε το υπερκείμενο. Το εκχύλισμα αναμίχθηκε με ίσο όγκο θειοβαρβιτουρικού οξέος 0,75% και επωάστηκε στους 100 °C για 15 λεπτά. Μετά την επώαση, το υπερκείμενο συλλέχθηκε με φυγοκέντρηση και μετρήθηκαν οι τιμές OD στα 450 nm, 532 nm και 600 nm. Η συγκέντρωση MDA υπολογίστηκε ως εξής:
Όπως και με την 3ήμερη θεραπεία, η εφαρμογή Arg και Tu αύξησε επίσης σημαντικά την αντιοξειδωτική δράση των ενζύμων στα σπορόφυτα σιταριού κατά την 6ήμερη θεραπεία. Ο συνδυασμός TU και Arg ήταν ακόμα ο πιο αποτελεσματικός. Ωστόσο, 6 ημέρες μετά τη θεραπεία, η δράση των τεσσάρων αντιοξειδωτικών ενζύμων υπό διαφορετικές συνθήκες θεραπείας έδειξε μειωμένη τάση σε σύγκριση με 3 ημέρες μετά τη θεραπεία (Σχήμα 6).
Η φωτοσύνθεση αποτελεί τη βάση της συσσώρευσης ξηράς ουσίας στα φυτά και λαμβάνει χώρα στους χλωροπλάστες, οι οποίοι είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στο αλάτι. Το στρες λόγω αλατότητας μπορεί να οδηγήσει σε οξείδωση της πλασματικής μεμβράνης, διαταραχή της κυτταρικής οσμωτικής ισορροπίας, βλάβη στην υπερδομή των χλωροπλαστών36, να προκαλέσει αποικοδόμηση της χλωροφύλλης, να μειώσει τη δραστηριότητα των ενζύμων του κύκλου Calvin (συμπεριλαμβανομένου του Rubisco) και να μειώσει τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το PS II στο PS I37. Επιπλέον, το στρες λόγω αλατότητας μπορεί να προκαλέσει κλείσιμο των στομάτων, μειώνοντας έτσι τη συγκέντρωση CO2 των φύλλων και αναστέλλοντας τη φωτοσύνθεση38. Τα αποτελέσματά μας επιβεβαίωσαν προηγούμενα ευρήματα ότι το στρες λόγω αλατότητας μειώνει την αγωγιμότητα των στομάτων στο σιτάρι, με αποτέλεσμα τη μειωμένη ταχύτητα διαπνοής των φύλλων και την ενδοκυτταρική συγκέντρωση CO2, η οποία τελικά οδηγεί σε μειωμένη φωτοσυνθετική ικανότητα και μειωμένη βιομάζα του σιταριού (Εικόνες 1 και 3). Αξίζει να σημειωθεί ότι η εφαρμογή TU και Arg θα μπορούσε να ενισχύσει την φωτοσυνθετική απόδοση των φυτών σιταριού υπό στρες λόγω αλατότητας. Η βελτίωση στην φωτοσυνθετική απόδοση ήταν ιδιαίτερα σημαντική όταν η TU και η Arg εφαρμόστηκαν ταυτόχρονα (Εικόνα 3). Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι η TU και η Arg ρυθμίζουν το άνοιγμα και το κλείσιμο των στομάτων, ενισχύοντας έτσι την φωτοσυνθετική απόδοση, κάτι που υποστηρίζεται από προηγούμενες μελέτες. Για παράδειγμα, οι Bencarti et al. διαπίστωσαν ότι υπό αλατούχο στρες, το TU αύξησε σημαντικά την αγωγιμότητα των στομάτων, τον ρυθμό αφομοίωσης CO2 και τη μέγιστη κβαντική απόδοση της φωτοχημείας PSII στο Atriplex portulacoides L.39. Παρόλο που δεν υπάρχουν άμεσες αναφορές που να αποδεικνύουν ότι το Arg μπορεί να ρυθμίσει το άνοιγμα και το κλείσιμο των στομάτων σε φυτά που εκτίθενται σε αλατούχο στρες, οι Silveira et al. υπέδειξαν ότι το Arg μπορεί να προάγει την ανταλλαγή αερίων στα φύλλα υπό συνθήκες ξηρασίας22.
Συνοπτικά, η παρούσα μελέτη υπογραμμίζει ότι, παρά τους διαφορετικούς μηχανισμούς δράσης και τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, η TU και η Arg μπορούν να παρέχουν συγκρίσιμη αντοχή στο στρες NaCl σε σπορόφυτα σιταριού, ειδικά όταν εφαρμόζονται μαζί. Η εφαρμογή TU και Arg μπορεί να ενεργοποιήσει το αντιοξειδωτικό ενζυμικό αμυντικό σύστημα των σπορόφυτων σιταριού, να μειώσει την περιεκτικότητα σε ROS και να διατηρήσει τη σταθερότητα των λιπιδίων της μεμβράνης, διατηρώντας έτσι τη φωτοσύνθεση και την ισορροπία Na+/K+ στα σπορόφυτα. Ωστόσο, η παρούσα μελέτη έχει και περιορισμούς. Παρόλο που η συνεργιστική δράση της TU και της Arg επιβεβαιώθηκε και ο φυσιολογικός της μηχανισμός εξηγήθηκε σε κάποιο βαθμό, ο πιο σύνθετος μοριακός μηχανισμός παραμένει ασαφής. Επομένως, είναι απαραίτητη περαιτέρω μελέτη του συνεργιστικού μηχανισμού της TU και της Arg χρησιμοποιώντας μεταγραφωματικές, μεταβολομικές και άλλες μεθόδους.
Τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν ή/και αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια της τρέχουσας μελέτης είναι διαθέσιμα από τον αντίστοιχο συγγραφέα κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Ώρα δημοσίευσης: 19 Μαΐου 2025