بررسی تغییرات عملکرد و برخی پاسخ‌های فیزیولوژیک ژنوتیپ‌های مختلف گندم نان در شرایط اعمال تنش کم‌آبی انتهای فصل رشد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه باغبانی و علوم زراعی، دانشکده کشاورزی و صنایع غذایی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 بخش ژنتیک و بانک ژن ملی گیاهی ایران، موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، کرج، ایران

3 گروه کشاورزی، دانشگاه پیام نور، کرج، ایران

چکیده

مقدمه: گندم محصولی استراتژیک در امنیت غذایی جهان به شمار می‌رود، به طوریکه بیش از 15 درصد سطح زیر کشت جهان را پوشش می‌دهد. تغییرات جوی که به طور غالب در نتیجه فعالیت صنعتی زیاد ایجاد شده است، سبب ایجاد تنش خشکی در بیش‌تر نقاط جهان گردیده است. تنش خشکی سبب پیامدهای مخرب از جمله کاهش رشد و عملکرد با تغییر فعالیت‌های بیوشیمایی گیاه می‌شود. بنابراین به منظور دستیابی به بیش‌ترین سازگاری و عملکرد گندم در شرایط کم‌آبی، آزمایش حاضر در شرایط آب و هوایی کرج روی هشت ژنوتیپ مهم گندم نان (تهیه شده از بانک ژن گیاهی ملی ایران) انجام شد.
مواو و روش‌ها: آزمایش در قالب طرح کرت‌های خرد شده و بر پایه طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار در سال زراعی 96-1395 در شرایط آب و هوایی کرج انجام شد. تیمار رطوبتی در دو سطح شامل شاهد (آبیاری براساس نیاز آبی گیاه در طول دوره نمو تا زمان رسیدگی فیزیولوژیک) و تنش کم‌آبی به صورت قطع آبیاری از زمان ظهور سنبله‌ها تا رسیدگی فیزیولوژیک در کر‌های اصلی و 8 ژنوتیپ مختلف گندم نان (استار، سیروان، روشن، مهرگان، 1399، 3737، 3729 و 4228) در کرت‌های فرعی قرار گرفتند. سپس در زمان رسیدگی تکنولوژیک عملکرد دانه و برخی صفت‌های مرتبط با آن و همچنین در اوایل مرحله نموی رسیدگی فیزیولوژیکی صفت‌های فیزیولوژیک و بیوشیمایی شامل محتوای نسبی آب برگ، محتوای رنگدانه‌های فتوسنتزی برگ، محتوی اسید آمینه پرولین برگ، و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی شامل: کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز اندازه‌گیری شدند و در ادامه توسط روش تحلیل مولفه‌های اصلی و خوشه‌بندی مورد بررسی قرار گرفتند.
یافته‌ها: طبق نتایج تحقیق، اختلاف معنی‌داری بین ژنوتیپ‌های مختلف گندم از نظر کاهش عملکرد بیولوژیک و عملکرد دانه در شرایط تنش کم‌آبی نسبت به تیمار کنترل مشاهده شد. در این شرایط بیش‌ترین و کم‌ترین کاهش عملکرد دانه به ترتیب در ژنوتیپ‌های 3737 (47 درصد) و 4228 (24 درصد) مشاهده شد. همچنین محتوای رنگدانه‌های فتوسنتزی و محتوای نسبی آب برگ‌های ژنوتیپ‌های مورد بررسی در تیمار تنش کم‌آبی کاهش یافت. در شرایط تنش کم‌آبی، علی‌رغم کاهش محتوی کلروفیل a در ژنوتیپ‌های 4228 و 3729، اختلاف معنی‌داری با تیمار شاهد نداشتند. بیش‌ترین تغییرات در این شرایط مربوط به ژنوتیپ 3737 با 25 درصد کاهش نسبت به تیمار شاهد بود. محتوای اسید آمینه پرولین برگ‌ها به عنوان فاکتوری مهم در شرایط کم‌آبی، برعکس عملکرد گیاه افزایش یافت. بیش‌ترین تجمع پرولین برگ‌ها در شرایط تنش در ژنوتیپ 4228 با 1/9 برابر و کم‌ترین مقدار آن در ژنوتیپ 3729 با 5/2 برابر نسبت به شرایط آبیاری نرمال گزارش شد. نتایج تجزیه به مولفه‌های اصلی نشان داد که ژنوتیپ‌های 4228 و 3729 دارای رابطه منفی و معنی‌داری با مهرگان و استار بودند. نتایج خوشه‌بندی سلسله مراتبی بیانگر این بود که ژنوتیپ‌های 3729 و 4228 در کلاستر 1، ژنوتیپ‌های 1399، 3737 و سیروان در کلاستر 2 و ژنوتیپ‌های استار، مهرگان و روشن در کلاستر 3 قرار گرفتند.
نتیجه‌گیری: پاسخ‌های فیزیولوژیکی ژنوتیپ‌های گندم نان به تنش کم‌آبی انتهای فصل رشد متفاوت بود به طوریکه سبب تغییرات متفاوت در رشد و عملکرد گیاهان تحت تنش شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Yield changes and some physiological responses of different bread wheat genotypes under terminal water deficit stress

نویسندگان [English]

  • Leila Nasirzadeh 1
  • Behzad Sorkhilaleloo 2
  • Eslam M Eslam Majidi Haravan 1
  • Foad Fatehi 3
1 Department of Horticultural Science and Agronomy, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 National Plant Gene Bank of Iran, Seed and Plant Improvement Institute in Karaj, Iran
3 Department of Horticultural Science and Agronomy, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Wheat is a strategic product in the world's food security, as it occupies one-sixth of the world's cultivated area. It is the main food crop in Iran, and at the same time, most of the cultivated areas of this crop face environmental stresses such as drought, which leads to a decrease in its yield. Drought stress causes a wide range of plant reactions, including growth and yield changes. Therefore, to achieve maximum adaptability and yield in drought conditions, the present experiment was conducted in Karaj's climatic conditions on eight important wheat genotypes (obtained from the National Plant Gene Bank of Iran).
Materials and methods: The experiment was conducted as a split-plot design based on randomized complete block design (RCBD) with three replicates during the 2016-2017 cropping season in Karaj. The main factor was the irrigation regime at two levels, including control (irrigation based on the water requirement of the plant during the growth period until physiological maturity) and water deficit stress (interruption of irrigation from the beginning of spike appearance until physiological maturity) in the main plots and eight different bread wheat genotypes (Star, Sirvan, Roshan, Mehrgan, 2019, 3737, 3729, and 4228) in the sub-plots. Seed yield and physiological traits, including leaf relative water content, leaf photosynthetic pigment content, leaf proline content, and the activity of antioxidant enzymes (catalase and superoxide dismutase) were measured at the end of grain filling stage; then, data analyzed using principal component analysis and cluster analysis.
Results: According to the results, a significant difference was observed between different genotypes of wheat in terms of reduced biological yield and grain yield under water deficit stress compared to the control treatment. In these conditions, the highest and lowest decrease in grain yield was observed in genotypes 3737 (47%) and 4228 (24%), respectively. Also, the content of photosynthetic pigments and the relative water content of the studied genotypes decreased under water deficit condition. Despite the decrease in "chlorophyll a" content in genotypes 4228 and 3729, there was no significant difference with the control treatment under water deficit conditions. The most changes in these conditions were related to Genotype 3737, with a 25% decrease compared to the control treatment. Contrary to plant performance, leaf proline content increased as an important factor in water deficit conditions. The highest accumulation of proline in leaves was observed in Genotype 4228 at 9.1 times under water deficit conditions and the lowest amount in Genotype 3729 at 2.5 times compared to normal irrigation conditions. The results of principal component analysis (PCA) showed that Genotypes 4228 and 3729 had a negative and significant relationship with Mehregan and Star. The results of agglomerative hierarchical clustering (AHC) demonstrated that Genotypes 3729 and 4228 were placed in Cluster 1, genotypes 1399, 3737 and Sirvan were grouped together in Cluster 2, and Genotypes Star, Mehrgan and Roshan were located in Cluster 3.
Conclusion: Physiological responses of bread wheat genotypes to water deficit stress at the end of the growing season were different, which caused different alternations in the growth and yield of plants under water deficit conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antioxidant enzymes
  • Photosynthetic pigments
  • Principal component analysis
  • Proline

مراجع

Alipour, A., Mosavi, S. H., Khalilian, S., & Mortazavi, A. 2018. Wheat self-sufficiency and population growth in Iran's 1404 perspective (investigating the role of the guaranteed purchase policy). Iranian Journal of Agricultural Economics and Development Research, 49, 635-649. doi: 685782018.254163.6ijaedr./10.22059 
Aebi, H. 1984. Catalase in vitro. In Methods in enzymology (Vol. 105, pp. 121-126). Academic press. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(84)05016-3
Altaf, M. A., Shahid, R., Ren, M. X., Naz, S., Altaf, M. M., Khan, L. U., ... & Ahmad, P. (2022). Melatonin improves drought stress tolerance of tomato by modulating plant growth, root architecture, photosynthesis, and antioxidant defense system. Antioxidants, 11, 309. https://doi.org/10.3390/antiox11020309
Arnon, D. I. 1949. Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant physiology, 24,1-7. doi: 10.1104/pp.24.1.1
Bates, L. S., Waldren, R. P., & Teare, I. D. 1973. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and soil, 39, 205-207. https://doi.org/10.1007/BF00018060
Behboudi, F., Tahmasebi-Sarvestani, Z., Kassaee, M. Z., Modarres-Sanavy, S. A. M., Sorooshzadeh, A., & Mokhtassi-Bidgoli, A. (2019). Evaluation of chitosan nanoparticles effects with two application methods on wheat under drought stress. Journal of Plant Nutrition, 42, 1439-1451.  https://doi.org/10.1080/01904167.2019.1617308
Chowdhury, M. K., Hasan, M. A., Bahadur, M. M., Islam, M. R., Hakim, M. A., Iqbal, M. A., & Islam, M. S. 2021. Evaluation of drought tolerance of some wheat (Triticum aestivum L.) genotypes through phenology, growth, and physiological indices. Agronomy, 11, 1792. https://doi.org/10.3390/agronomy11091792
Dalal, M., Sahu, S., Tiwari, S., Rao, A. R., & Gaikwad, K. 2018. Transcriptome analysis reveals interplay between hormones, ROS metabolism and cell wall biosynthesis for drought-induced root growth in wheat. Plant Physiology and Biochemistry, 130, 482-492. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.07.035
Du, L., Huang, X., Ding, L., Wang, Z., Tang, D., Chen, B., ... & Mao, H. (2023). TaERF87 and TaAKS1 synergistically regulate TaP5CS1/TaP5CR1‐mediated proline biosynthesis to enhance drought tolerance in wheat. New Phytologist, 237, 232-250. https://doi.org/10.1111/nph.18549
Ghahremaninejad, F., Hoseini, E., & Jalali, S. 2021. The cultivation and domestication of wheat and barley in Iran, brief review of a long history. The Botanical Review, 87, 1-22. https://doi.org/10.1007/s12229-020-09244-w
Gholamin, R., & Khayatnezhad, M. 2020. Study of bread wheat genotype physiological and biochemical responses to drought stress. Helix-The Scientific Explorer| Peer Reviewed Bimonthly International Journal, 10, 87-92. https://www.helixscientific.pub/index.php/home/article/view/221
Giannopolitis, C. N., & Ries, S. K. 1977. Superoxide dismutases: II. Purification and quantitative relationship with water-soluble protein in seedlings. Plant physiology, 59(2), 315-318. https://doi.org/10.1104/pp.59.2.309
Grzesiak, S., Hordyńska, N., Szczyrek, P., Grzesiak, M. T., Noga, A., & Szechyńska-Hebda, M. 2019. Variation among wheat (Triticum easativum L.) genotypes in response to the drought stress: I–selection approaches. Journal of Plant Interactions, 14, 30-44. https://doi.org/10.1080/17429145.2018.1550817
Hasanuzzaman, M., Mahmud, J. A., Anee, T. I., Nahar, K., & Islam, M. T. 2018. Drought stress tolerance in wheat: omics approaches in understanding and enhancing antioxidant defense. Abiotic stress-mediated sensing and signaling in plants: an omics perspective, 267-307. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7479-0_10
Hayat, S., Hayat, Q., Alyemeni, M. N., Wani, A. S., Pichtel, J., & Ahmad, A. 2012. Role of proline under changing environments: a review. Plant signaling and behavior, 7, 1456-1466. https://doi.org/10.4161/psb.21949
Khosropour, E., Weisany, W., Tahir, N. A. R., & Hakimi, L. (2022). Vermicompost and biochar can alleviate cadmium stress through minimizing its uptake and optimizing biochemical properties in Berberis integerrima bunge. Environmental Science and Pollution Research, 29, 17476-17486. https://doi.org/10.1007/s11356-021-17073-6
Lahbouki, S., Ech-chatir, L., Er-Raki, S., Outzourhit, A., & Meddich, A. 2022. Improving drought tolerance of Opuntia ficus-indica under field using Subsurface Water Retention Technology: Changes in physiological and biochemical parameters. Canadian Journal of Soil Science, (ja). 12, 234-243.DOI: 10.1139/cjss-2022-0022
Martı̀nez, J. P., Lutts, S., Schanck, A., Bajji, M., & Kinet, J. M. (2004). Is osmotic adjustment required for water stress resistance in the Mediterranean shrub Atriplex halimus L?. Journal of plant physiology, 161, 1041-1051. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2003.12.009
Miri, M., Ghooshchi, F., Tohidi-Moghadam, H. R., Larijani, H. R., & Kasraie, P. 2021. Ameliorative effects of foliar spray of glycine betaine and gibberellic acid on cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) yield affected by drought stress. Arabian Journal of Geosciences, 14, 1-9. https://doi.org/10.1007/s12517-021-07228-7
Mkhabela, S. S., Shimelis, H., Odindo, A. O., & Mashilo, J. 2019. Response of selected drought tolerant wheat (Triticum aestivum L.) genotypes for agronomic traits and biochemical markers under drought-stressed and non-stressed conditions. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B—Soil & Plant Science, 69, 674-689. https://doi.org/10.1080/09064710.2019.1641213
Muhammad, F., Raza, M. A. S., Iqbal, R., Zulfiqar, F., Aslam, M. U., Yong, J. W. H., ... & Ibrahim, M. A. (2022). Ameliorating drought effects in wheat using an exclusive or co-applied rhizobacteria and zno nanoparticles. Biology, 11, 1564.  https://doi.org/10.3390/biology11111564
Nasiroleslami, E., Mozafari, H., Sadeghi-Shoae, M., Habibi, D., & Sani, B. 2021. Changes in yield, protein, minerals, and fatty acid profile of wheat (Triticum aestivum L.) under fertilizer management involving application of nitrogen, humic acid, and seaweed extract. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2, 2642-2651. https://doi.org/10.1007/s42729-021-00552-7
Nasirzadeh, L., Sorkhilaleloo, B., Majidi Hervan, E., & Fatehi, F. 2021. Changes in antioxidant enzyme activities and gene expression profiles under drought stress in tolerant, intermediate, and susceptible wheat genotypes. Cereal Research Communications, 49, 83-89. https://doi.org/10.1007/s42976-020-00085-2
Ozturk, A., Erdem, E., Aydin, M., & Karaoglu, M. M. (2022). The effects of drought after anthesis on the grain quality of bread wheat depend on drought severity and drought resistance of the variety. Cereal Research Communications, 50, 105-116. https://doi.org/10.1007/s42976-021-00155-z
Pandey, A., Harohalli Masthigowda, M., Kumar, R., Pandey, G. C., Awaji, S. M., Singh, G., & Pratap Singh, G. (2023). Physio-biochemical characterization of wheat genotypes under temperature stress. Physiology and Molecular Biology of Plants, 29, 131-143. https://doi.org/10.1007/s12298-022-01267-4
Pastuszak, J., Dziurka, M., Hornyák, M., Szczerba, A., Kopeć, P., & Płażek, A. (2022). Physiological and biochemical parameters of salinity resistance of three durum wheat genotypes. International Journal of Molecular Sciences, 23, 8397. https://doi.org/10.3390/ijms23158397
Paul, G. K., Mahmud, S., Dutta, A. K., Sarkar, S., Laboni, A. A., Hossain, M. S., ... & Saleh, M. A. (2022). Volatile compounds of Bacillus pseudomycoides induce growth and drought tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Scientific Reports, 12, 19137. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22354-2
Rahman, M. A., Woo, J. H., Song, Y., Lee, S. H., Hasan, M. M., Azad, M. A. K., & Lee, K. W. (2022). Heat shock proteins and antioxidant genes involved in heat combined with drought stress responses in perennial rye grass. Life, 12, 1426. doi.org/10.3390/life12091426
Ru, C., Wang, K., Hu, X., Chen, D., Wang, W., & Yang, H. (2023). Nitrogen modulates the effects of heat, drought, and combined stresses on photosynthesis, antioxidant capacity, cell osmoregulation, and grain yield in winter wheat. Journal of Plant Growth Regulation, 42, 1681-1703. https://doi.org/10.1007/s00344-022-10650-0
Shah, S. M. D. M., Shabbir, G., Malik, S. I., Raja, N. I., Shah, Z. H., Rauf, M., & Yang, S. H. 2022. Delineation of Physiological, Agronomic and Genetic Responses of Different Wheat Genotypes under Drought Condition. Agronomy, 12, 1056. https://doi.org/10.3390/agronomy12051056
Shirvani, F., Mohammadi, R., Daneshvar, M., & Ismaili, A. 2022. Genetic variability, response to selection for agro-physiological traits, and traits-enhanced drought tolerance in durum wheat. Acta Ecologica Sinica. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2022.10.009
Soltani, A., Alimagham, S. M., Nehbandani, A., Torabi, B., Zeinali, E., Zand, E., & Van Ittersum, M. K. (2020). Future food self-sufficiency in Iran: A model-based analysis. Global Food Security, 24, 100351. https://doi.org/10.1016/j.gfs.2020.100351
Verma, K. K., Song, X. P., Zeng, Y., Li, D. M., Guo, D. J., Rajput, V. D., & Li, Y. R. 2020. Characteristics of leaf stomata and their relationship with photosynthesis in Saccharum officinarum under drought and silicon application. ACS omega, 5, 24145-24153. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03820
Wasaya, A., Manzoor, S., Yasir, T. A., Sarwar, N., Mubeen, K., Ismail, I. A., & EL Sabagh, A. 2021. Evaluation of fourteen bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes by observing gas exchange parameters, relative water and chlorophyll content, and yield attributes under drought stress. Sustainability, 13, 4799. https://doi.org/10.3390/su13094799
Zadegan, K., Monem, R., & Pazoki, A. 2023. Silicon Dioxide Nanoparticles Improved Yield, Biochemical Attributes, and Fatty Acid Profile of Cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp) Under Different Irrigation Regimes. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 1-12. https://doi.org/10.1007/s42729-023-01297-1

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار