Анализ влияния сложного солевого стресса на прорастание семян и анализ солеустойчивости перца (Capsicum annuum L.)
Summary
В приведенной ниже статье представлен протокол измерения всхожести семян, роста рассады и физиологических показателей двух сортов перца с различиями толерантности к солености в ответ на шесть смешанных концентраций соли. Этот протокол может быть использован для оценки толерантности к соли сортов перца.
Abstract
Для определения солеустойчивости и физиологического механизма перца (Capsicum annuum L.) на стадии прорастания в качестве материалов исследования используются сорта Hongtianhu 101 и Xinxiang 8, имеющие большие различия в толерантности к соли. Используют шесть смешанных концентраций соли 0, 3, 5, 10, 15 и 20 г/л, полученных с использованием равных молярных соотношений Na2CO3, NaHCO3, NaCl, CaCl2, MgCl2, MgSO4 и Na2SO4 . Чтобы определить их эффекты, измеряются соответствующие показатели прорастания семян, роста рассады и физиологии, а толерантность к соли всесторонне оценивается с использованием анализа функции принадлежности. Результаты показывают, что по мере увеличения концентрации смешанных солей потенциал всхожести, индекс всхожести, скорость прорастания, индекс всхожести семян, длина корня и свежий вес корней двух сортов значительно уменьшаются, тогда как относительная скорость соли постепенно увеличивается. Длина гипокотила и свежий вес над землей сначала увеличиваются, а затем уменьшаются, в то время как активность малондиальдегида (MDA), пролина (Pro), каталазы (CAT), пероксидазы (POD) и супероксиддисмутазы (SOD) уменьшаются, а затем увеличиваются. Потенциал всхожести, индекс прорастания, скорость прорастания, индекс силы прорастания семян, длина корня, свежий вес корня, содержание MDA и Pro и активность CAT семян Hongtianhu 101 выше, чем у Xinxiang 8 для всех концентраций соли, используемых здесь. Тем не менее, длина гипокотила, свежий вес над землей и относительная норма соли в Hongtianhu 101 ниже, чем в Xinxiang 8. Всесторонняя оценка толерантности к соли показывает, что общие взвешенные значения двух индексов функции членства сначала увеличиваются, а затем уменьшаются по мере увеличения концентрации смешанной соли. По сравнению с 5 г/л, который имеет наибольшее значение функции принадлежности, индекс при концентрациях соли 3 г/л, 10 г/л и 15 г/л снижается на 4,7%-11,1%, 25,3%-28,3% и 41,4%-45,1% соответственно. Это исследование обеспечивает теоретическое руководство по разведению солеустойчивых сортов перца и анализ физиологических механизмов, участвующих в солеустойчивости и солеустойчивом культивировании.
Introduction
Соленость является основным ограничивающим фактором для урожайности сельскохозяйственных культур во всем мире1. В настоящее время почти 19,5% орошаемых земель в мире и 2,1% засушливых земель страдают от солености, и примерно 1% сельскохозяйственных земель ежегодно вырождается в соленые щелочные земли. Ожидается, что к 2050 году 50% пахотных земель будут затронуты засолением 2,3. В дополнение к природным факторам, таким как естественное выветривание горных пород и соленая дождевая вода вблизи или вокруг побережья, быстрое поверхностное испарение, малое количество осадков и необоснованные методы управления сельским хозяйством усугубили процесс засоления почвы. Засоление почвы подавляет рост корней растений и уменьшает поглощение и транспортировку воды и питательных веществ от корней растений к листьям. Это торможение приводит к физиологической нехватке воды, дисбалансу питательных веществ и токсичности ионов, что приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и полной потере урожайности. Засоление обрабатываемых земель постепенно становится одним из наиболее критических абиотических стрессовых факторов, влияющих на мировое сельскохозяйственное производство продовольствия4. Солевой стресс уменьшает пахотные земли, доступные для сельского хозяйства, что может привести к значительному дисбалансу между спросом и предложением будущей сельскохозяйственной продукции. Таким образом, изучение влияния засоления почв на рост сельскохозяйственных культур и физиологические и биохимические механизмы способствует выведению солеустойчивых сортов, устойчивому использованию засоленной почвы и безопасности сельскохозяйственной продукции.
Перец (Capsicum annuum L.) высаживается во всем мире благодаря своей высокой питательной и лекарственной ценности. Например, капсаицин является алкалоидом, отвечающим за пряный вкус перца. Капсаицин может быть использован для облегчения боли, потери веса, улучшения сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и дыхательной системы, а также в ряде других применений5. Перец также богат биологически активными веществами, особенно различными антиоксидантными соединениями (каротиноидами, фенолами и флавоноидами) и витаминомС6. В настоящее время перец, как сообщается, является овощной культурой с самой большой площадью выращивания в Китае, с ежегодной площадью посадки более 1,5 х 106 га, что составляет 8%-10% от общей площади посадки овощей в Китае. Перечная промышленность стала одной из крупнейших овощных отраслей в Китае и имеет самую высокую стоимость выпуска7. Однако выращивание перца часто подвергается различным биологическим (вредители и грибы) и абиотическим стрессам, особенно соляному стрессу, который оказывает прямое негативное влияние на прорастание, рост и развитие семян, что приводит к снижению урожайности плодов перца и качества8.
Прорастание семян является первым этапом взаимодействия растений и окружающей среды. Прорастание семян очень чувствительно к колебаниям в окружающих средах, особенно к соляному стрессу почвы, который может оказывать обратное влияние на физиологию и метаболизм и в конечном итоге нарушать нормальный рост, развитие и морфогенез культур9. В предыдущих исследованиях широко изучалось прорастание семян перца и рост рассады в условиях солевого стресса; однако в большинстве исследований NaCl использовался в качестве единственной соли для индукции стресса 10,11,12. Однако повреждение почвенных солей в основном обусловлено токсичностью ионов Na+, Ca2+, Mg 2+, Cl–,CO32- и SO 4 2-ионной токсичностью, вызванной диссоциацией солей натрия, кальция и магния. Из-за синергизма и антагонизма между ионами воздействие смешанной соли и одной соли на рост и развитие сельскохозяйственных культур может быть совершенно различным. Однако соответствующие характеристики прорастания семян перца и роста в смешанной соли до сих пор неясны. Поэтому в качестве материалов в этом исследовании используются два сорта перца с заметными различиями в толерантности к соли. Анализ влияния различных концентраций соли на прорастание, рост семян перца, физиологические и биохимические показатели после эквимолярного смешивания семи солей может выявить механизм реакции прорастания семян перца на стресс солености. Это также может обеспечить теоретическую основу для выращивания крепких саженцев перца, а также высокой урожайности и качественного выращивания на засоленных обрабатываемых землях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот метод исследования состоит из четырех ключевых этапов, которые влияют на точность экспериментальных результатов. Во-первых, из-за плохого растворения смешанных солей, вызванного повышенным содержанием растворенных веществ в растворах с высокой концентрацией соли, и низкой раств…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Департаментом науки и техники провинции Цзянси (20203BBFL63065) и Общим проектом научно-технического исследовательского проекта Департамента образования Цзянси (GJJ211430). Мы хотели бы поблагодарить Editage (www.editage.cn) за редактирование на английском языке.
Materials
| Calcium chloride | Shanghai Experiment Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Centrifugal machine | Shanghai Luxianyi Centrifuge Instrument Co., Ltd., China | TGL-16M | |
| Centrifuge tube | None | None | |
| Conductivity meter | Shanghai Instrument&Electronics Science Instrument Co., Ltd., China | DDSJ-308F | |
| Constant temperature and humidity box | Ningbo Laifu Technology Co., Ltd.,China | PSX-280H | |
| Digital display vernier caliper | Deli Group Co., Ltd.,China | DL90150 | |
| Electronic balance | Mettler Toledo Instruments (Shanghai) Co., Ltd.,China | ME802E/02 | |
| Filter paper | Hangzhou Fuyang North Wood Pulp and Paper Co., Ltd.,China | GB/T1914-2017 | |
| Grinding rod | None | None | |
| Hongtianhu 101 | Seminis Seed (Beijing) Co., Ltd.,China | 11933955/100147K1-137 | |
| Ice machine | Shanghai Kehuai Instrument Co., Ltd., China | IM150G | |
| Liquid nitrogen | None | None | |
| Magnesium chloride | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Magnesium sulfate | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Petri dish | Jiangsu Yizhe Teaching Instrument Co., Ltd.,China | I-000163 | |
| Pocket knife | None | None | |
| Potassium permanganate (KMnO4 | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Pure water equipment | Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.,China | UPT-I-20T | |
| Sodium bicarbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium carbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium chloride | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium sulfate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Test kit | Suzhou Keming, Biotechnology Co., Ltd, Suzhou.,China | Spectrophotometer method | |
| Ultra-low temperature freezer | SANYO Techno Solution TottoriCo.,Ltd. | MDF-382 | |
| Ultraviolet visible spectrophotometer | Shanghai Precision Scientific Instrument Co., Ltd., China | 760CRT | |
| Xinxiang 8 | Jiangxi Nongwang High Tech Co., Ltd.,China | GPD Pepper 2017(360013) |
Riferimenti
- Szabolcs, I. Soils sand salinisation. Handbook of Plant and Crop Stress. , 3-11 (1994).
- Lakhdar, A., et al. Effectiveness of compost use in salt-affected soil. Journal of Hazardous Materials. 171 (1-3), 29-37 (2009).
- Cheng, Z., Chen, Y., Zhang, F. Effect of cropping systems after abandoned salinized farmland reclamation on soil bacterial communities in arid northwest China. Soil and Tillage Research. 187, 204-213 (2019).
- Shrivastava, P., Kumar, R. Soil salinity: A serious environmental issue and plant growth promoting bacteria as one of the tools for its alleviation. Saudi Journal of Biological Sciences. 22 (2), 123-131 (2015).
- Fattori, V., Hohmann, M. S., Rossaneis, A. C., Pinho-Ribeiro, F. A., Verri, W. A. Capsaicin: Current understanding of its mechanisms and therapy of pain and other pre-clinical and clinical uses. Molecules. 21 (7), 844-878 (2016).
- Zhao, Z., et al. Investigation, collection and identification of pepper germplasm resources in Guangxi. Journal of Plant Genetic .Resources. 21 (4), 908-913 (2020).
- Zhang, J., et al. Biochar alleviated the salt stress of induced saline paddy soil and improved the biochemical characteristics of rice seedlings differing in salt tolerance. Soil and Tillage Research. 195, 104372-104381 (2019).
- Ashraf, M., Foolad, M. R. Pre-sowing seed treatment-A shotgun approach to improve germination, plant growth, and crop yield under saline and non-saline conditions. Advances in Agronomy. 88, 223-271 (2005).
- Esra, K. O. &. #. 1. 9. 9. ;., Üstün, A. S., İşlek, C., Arici, Y. K. Effect of exogenously applied spermine and putrescine on germination and in vitro growth of pepper (Capsicum annuum l.) seeds under salt stress. Anadolu University Journal of Science and Technology C-Life Sciences and Biotechnology. 3 (2), 63-71 (2014).
- Demir, I., Mavi, K. Effect of salt and osmotic stresses on the germination of pepper seeds of different maturation stages. Brazilian Archives of Biology and Technology. 51 (5), 897-902 (2008).
- Khan, H. A., et al. Effect of seed priming with NaCl on salinity tolerance of hot pepper (Capsicum annuum L.) at seedling stage. Soil and Environment. 28 (1), 81-87 (2009).
- Zhou, L. L. Effects of salinity stress on cotton (Gossypium hirsutum L.) root growth and cotton field soil micro-ecology. Nanjing Agricultural University. , (2010).
- Ding, D. X., et al. Exogenous zeaxanthin alleviates low temperature combined with low light induced photosynthesis inhibition and oxidative stress in pepper (Capsicum annuum L.) plants. Current Issues in Molecular Biology. 44 (6), 2453-2471 (2022).
- Liu, Z. B., Yang, B. Z., Ou, L. J., Zou, X. X. The impact of different Ca2+ spraying period on alleviating pepper injury under the waterlogging stress. Acta Horticulturae Sinica. 42 (8), 1487-1494 (2015).
- Aloui, H., Souguir, M., Latique, S., Hannachi, C. Germination and growth in control and primed seeds of pepper as affected by salt stress. Cercetări agronomice în Moldova. 47 (3), 83-95 (2014).
- Zhani, K., Elouer, M. A., Aloui, H., Hannachi, C. Selection of a salt tolerant Tunisian cultivar of chili pepper (Capsicum frutescens). EurAsian Journal of Biosciences. 6, 47-59 (2012).
- Patanè, C., Saita, A., Sortino, O. Comparative effects of salt and water stress on seed germination and early embryo growth in two cultivars of sweet sorghum. Journal of Agronomy and Crop Science. 199 (1), 30-37 (2013).
- Smith, P. T., Cobb, B. G. Accelerated germination of pepper seed by priming with salt solutions and water. Hortscience. 26 (4), 417-419 (2019).
- Mirosavljević, M., et al. Maize germination parameters and early seedlings growth under different levels of salt stress. Ratarstvo i Povrtarstvo. 50 (1), 49-53 (2013).
- Khan, H. A., et al. Hormonal priming alleviates salt stress in hot pepper (Capsicum annuum L.). Soil and Environment. 28 (2), 130-135 (2009).
- Zhang, B. B., et al. Effects of simulated salinization on seed germination and physiological characteristics of muskmelon seedlings. Chinese Journal of Tropical Crops. 41 (5), 912-920 (2020).
- Guzmán-Murillo, M. A., Ascencio, F., Larrinaga-Mayoral, J. A. Germination and ROS detoxification in bell pepper (Capsicum annuum L.) under NaCl stress and treatment with microalgae extracts. Protoplasma. 250 (1), 33-42 (2013).
- Slama, I., Abdelly, C., Bouchereau, A., Flowers, T., Savoure, A. Diversity, distribution and roles of osmoprotective compounds accumulated in halophytes under abiotic stress. Annals of Botany. 115 (3), 433-447 (2015).
- Muchate, N. S., Nikalje, G. C., Rajurkar, N. S., Suprasanna, P., Nikamd, T. D. Physiological responses of the halophyte Sesuvium portulacastrum to salt stress and their relevance for saline soil bio-reclamation. Flora. 224, 96-105 (2016).
- Javed, S. A., et al. Can different salt formulations revert the depressing effect of salinity on maize by modulating plant biochemical attributes and activating stress regulators through improved N supply. Sustainability. 13 (14), 8022-8037 (2021).
- Chen, J., et al. Effects of salt stress on form of polyamine and antioxidation in germinating tomato seed. Acta Pedologica Sinica. 58 (6), 1598-1609 (2021).
