Analisi dell'effetto dello stress salino composto sulla germinazione dei semi e analisi della tolleranza al sale del pepe (Capsicum annuum L.)
Summary
Il documento seguente presenta un protocollo per misurare la germinazione dei semi, la crescita delle piantine e gli indici fisiologici di due varietà di peperoni con differenze di tolleranza alla salinità in risposta a sei concentrazioni di sale miste. Questo protocollo può essere utilizzato per valutare la tolleranza al sale delle varietà di pepe.
Abstract
Per determinare la tolleranza al sale e il meccanismo fisiologico del pepe (Capsicum annuum L.) nella fase di germinazione, le varietà Hongtianhu 101 e Xinxiang 8, che hanno grandi differenze nella tolleranza al sale, sono impiegate come materiali di studio. Vengono utilizzate sei concentrazioni di sale miste di 0, 3, 5, 10, 15 e 20 g/L derivate utilizzando rapporti molari uguali di Na 2 CO 3, NaHCO3, NaCl, CaCl 2, MgCl 2, MgSO 4 e Na 2 SO4. Per determinare i loro effetti, vengono misurati i relativi indici di germinazione dei semi, crescita della piantina e fisiologia e la tolleranza al sale viene valutata in modo completo utilizzando l’analisi della funzione di appartenenza. I risultati mostrano che all’aumentare della concentrazione di sale misto, il potenziale di germinazione, l’indice di germinazione, il tasso di germinazione, l’indice di vigore della germinazione dei semi, la lunghezza delle radici e il peso fresco delle due cultivar diminuiscono significativamente, mentre il tasso di sale relativo aumenta gradualmente. La lunghezza dell’ipocotile e il peso fresco fuori terra aumentano prima e poi diminuiscono, mentre l’attività di malondialdeide (MDA), prolina (Pro), catalasi (CAT), perossidasi (POD) e superossido dismutasi (SOD) diminuisce e poi aumenta. Il potenziale germinativo, l’indice di germinazione, il tasso di germinazione, l’indice di vigore della germinazione dei semi, la lunghezza della radice, il peso fresco della radice, il contenuto di MDA e Pro e l’attività CAT dei semi di Hongtianhu 101 sono superiori a quelli di Xinxiang 8 per tutte le concentrazioni di sale impiegate qui. Tuttavia, la lunghezza dell’ipocotile, il peso fresco fuori terra e il tasso di sale relativo sono inferiori in Hongtianhu 101 rispetto a Xinxiang 8. La valutazione completa della tolleranza al sale rivela che i valori ponderati totali dei due indici delle funzioni di appartenenza aumentano prima e poi diminuiscono all’aumentare della concentrazione di sale misto. Rispetto a 5 g / L, che ha il più alto valore di funzione di appartenenza, l’indice sotto le concentrazioni di sale di 3 g / L, 10 g / L e 15 g / L diminuisce rispettivamente del 4,7% -11,1%, 25,3% -28,3% e 41,4% -45,1%. Questo studio fornisce una guida teorica per l’allevamento di varietà di pepe tolleranti al sale e un’analisi dei meccanismi fisiologici coinvolti nella tolleranza al sale e nella coltivazione tollerante al sale.
Introduction
La salinità è un importante fattore limitante per la produttività delle colture in tutto il mondo1. Attualmente, quasi il 19,5% delle terre irrigate del mondo e il 2,1% delle terre aride sono colpite dalla salinità e circa l’1% dei terreni agricoli degenera in terreni salino-alcalini ogni anno. Entro il 2050, si prevede che il 50% dei seminativi sarà interessato dalla salinizzazione 2,3. Oltre ai fattori naturali, come gli agenti atmosferici naturali delle rocce e l’acqua piovana salata vicino o intorno alla costa, la rapida evaporazione superficiale, le scarse precipitazioni e i metodi di gestione agricola irragionevoli hanno esacerbato il processo di salinizzazione del suolo. La salinizzazione del suolo inibisce la crescita delle radici delle piante e riduce l’assorbimento e il trasporto di acqua e sostanze nutritive dalle radici delle piante alle foglie. Questa inibizione provoca carenze fisiologiche di acqua, squilibri nutrizionali e tossicità ionica, che portano a una riduzione della produttività delle colture e a una completa perdita di resa delle colture. La salinizzazione dei terreni coltivati sta gradualmente diventando uno dei fattori di stress abiotici più critici che influenzano la produzione alimentare agricola globale4. Lo stress salino riduce i seminativi disponibili per l’agricoltura, il che può comportare uno squilibrio significativo tra l’offerta e la domanda di futuri prodotti agricoli. Pertanto, esplorare gli effetti della salinizzazione del suolo sulla crescita delle colture e sui meccanismi fisiologici e biochimici favorisce l’allevamento di varietà tolleranti al sale, l’utilizzo sostenibile del suolo salino e la sicurezza dei prodotti agricoli.
Il pepe (Capsicum annuum L.) è piantato in tutto il mondo grazie al suo alto valore nutrizionale e medicinale. Ad esempio, la capsaicina è un alcaloide responsabile del sapore piccante del pepe. La capsaicina può essere utilizzata per alleviare il dolore, perdita di peso, migliorare cardiovascolare, tratto gastrointestinale, e sistemi respiratori, e in diverse altre applicazioni5. Il pepe è anche ricco di sostanze bioattive, in particolare diversi composti antiossidanti (carotenoidi, fenoli e flavonoidi) e vitamina C6. Attualmente, il pepe è segnalato per essere la coltura vegetale con la più grande area di coltivazione in Cina, con un’area di piantagione annuale di oltre 1,5 x 106 ettari, rappresentando così l’8% -10% della superficie totale di piantagione di ortaggi in Cina. L’industria del pepe è diventata una delle più grandi industrie vegetali in Cina e ha il più alto valore di produzione7. Tuttavia, la coltivazione del peperone è spesso soggetta a una varietà di stress biologici (parassiti e funghi) e abiotici, in particolare lo stress salino, che ha un impatto negativo diretto sulla germinazione, la crescita e lo sviluppo dei semi, con conseguente riduzione della resa e della qualità del frutto del pepe8.
La germinazione dei semi è il primo stadio di interazione tra le piante e l’ambiente. La germinazione dei semi è altamente sensibile alle fluttuazioni dei mezzi circostanti, in particolare allo stress salino del suolo, che può esercitare effetti invertiti sulla fisiologia e sul metabolismo e alla fine disturbare la normale crescita, lo sviluppo e la morfogenesi delle colture9. In studi precedenti, la germinazione dei semi di pepe e la crescita della piantina sotto stress salino sono state ampiamente studiate; tuttavia, la maggior parte degli studi ha utilizzato NaCl come unico sale per l’induzione dello stress10,11,12. Tuttavia, il danno salino del suolo è dovuto principalmente alla tossicità degli ioni Na+, Ca 2+, Mg 2+, Cl-, CO3 2- e SO42- generata dalla dissociazione dei sali di sodio, calcio e magnesio. A causa della sinergia e dell’antagonismo tra ioni, gli effetti del sale misto e del sale singolo sulla crescita e lo sviluppo delle colture possono essere molto diversi. Tuttavia, le caratteristiche corrispondenti della germinazione dei semi di pepe e della crescita nel sale misto non sono ancora chiare. Pertanto, due varietà di pepe con notevoli differenze nella tolleranza al sale sono utilizzate come materiali in questo studio. L’analisi degli effetti delle diverse concentrazioni di sale sulla germinazione dei semi di pepe, sulla crescita e sugli indici fisiologici e biochimici dopo la miscelazione equimolare di sette sali può rivelare il meccanismo di risposta della germinazione dei semi di pepe allo stress di salinità. Può anche fornire una base teorica per la coltivazione di forti piantine di peperone, nonché una coltivazione ad alta resa e di alta qualità in terreni coltivati a soluzione salina.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo metodo di ricerca comprende quattro passaggi chiave che influenzano l’accuratezza dei risultati sperimentali. In primo luogo, a causa della scarsa dissoluzione dei sali misti causata dall’aumento del contenuto di soluti nelle soluzioni ad alta concentrazione salina e della bassa solubilità di reagenti come il cloruro di calcio, che sono più difficili da solubilizzare in acqua, i reagenti pesati devono essere completamente macinati in una malta. Inoltre, i reagenti devono essere sciolti tramite onde ultr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento di Scienza e Tecnologia della Provincia di Jiangxi (20203BBFL63065) e dal Progetto Generale di Ricerca Scientifica e Tecnologica del Dipartimento di Educazione del Jiangxi (GJJ211430). Vorremmo ringraziare Editage (www.editage.cn) per l’editing in lingua inglese.
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) |
References
- 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).
