تغییرات محتوی پرولین و فروکتان برگ‌های ارقام گندم نان در شرایط وقوع تنش سرما در ابتدای رشد زایشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ژنتیک و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه. ارومیه، ایران.

چکیده

مقدمه: گندم سومین غله حیاتی جهان پس از برنج و ذرت است و با توجه به نرخ رو به افزایش جمعیت جهان از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. پرولین و فروکتان در تحمل به تنش سرما اهمیت ویژه‌ای دارند. ارقام مختلف گندم در مقابله با تنش سرما سطوح مختلفی از فروکتان و پرولین را تولید می‌کنند. در همین راستا این تحقیق با هدف بررسی تنوع در محتوای فروکتان و پرولین ژنوتیپ‌های گندم تحت تنش سرما انجام گرفت.
مواد و روش‌ها: در مطالعه حاضر مقدار سازگارسازهای پرولین و فروکتان در 70 رقم گندم نان بررسی شد. بدین منظور کشت ارقام در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در گلخانه انجام شد. ارقام در مرحله زایشی (کد زادوکس 48 تا 60) در شرایط دمایی 8+ درجه سانتی­گراد و دمای ۲- درجه سانتی­گراد تیمار شدند. جهت اعمال تیمار دمایی،  دما از 24 درجه سانتی­گراد تا سطح دمای مورد نظر هر یک ساعت دو درجه سانتی‌گراد کاهش یافت، سپس گیاهان به مدت دو ساعت در آن سطح دمایی متوقف شده و بعد از اعمال تنش، دما به 24 درجه سانتی­گراد افزایش داده شد و پس از 24 ساعت نمونه­برداری از آن‌ها انجام گرفت. اندازه­گیری غلظت پرولین و فروکتان در برگ‌های 70 رقم گندم نان به ترتیب توسط روش کاریلو و گیبسون (Carillo and Gibon, 2011) و جرمین (Jermyn, 1956) انجام شد.
یافته‌ها: ﺗﺠﺰﯾﻪ وارﯾﺎﻧﺲ داده‌ها ﻧﺸﺎن داد ﮐﻪ ﺑﯿﻦ ارﻗﺎم و ﺑﯿﻦ ﺳﻄﻮح ﻣﺨﺘﻠﻒ دما از لحاظ میزان پرولین و فروکتان در برگ اﺧﺘﻼف ﻣﻌﻨﯽدار وﺟﻮد دارد. همچنین اثر مقابل رقم × دما بر غلظت این صفات معنی­دار بود. ﻣﻌﻨﯽدار ﺑﻮدن اﺛﺮ ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ دﻣﺎ و رﻗﻢ ﻧﺸﺎن ﻣﯽدﻫﺪ رتبه­بندی (واکنش) ژﻧﻮﺗﯿﭗﻫﺎ از سطحی به سطح دیگر دما ﯾﮑﺴﺎن ﻧﻤﯽﺑﺎﺷﺪ. به عبارتی ارﻗﺎم ﻣﺨﺘﻠﻒ سازوکارهای ﻣﻘﺎﺑﻠﻪ ﻣﺘﻔﺎوﺗﯽ در ﻫﺮ یک از ﺳﻄوﺢ ﺗﻨﺶ دﻣﺎﯾﯽ دارﻧﺪ. در ادامه ﺑﺮش­دﻫﯽ اﺛﺮ ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ ﺑﺮای اﯾﻦ صفات اﻧﺠﺎم ﮔﺮﻓﺖ و ﺑﺮ اﺳﺎس ﻧﺘﺎﯾﺞ ﻣﻘﺎﯾﺴﻪ ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﺟﺪاﮔﺎﻧﻪ، ﺑﯿﺸﺘﺮﯾﻦ و ﮐﻤﺘﺮﯾﻦ ﻣﻘﺪار صفات در ﺳﻄﻮح ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺗﻨﺶ دﻣﺎﯾﯽ در ارقام مورد مطالعه مشخص گردید. در ﺳﻄﻮح دﻣﺎﯾﯽ 8+ درجه سانتی­گراد و 2- درجه سانتی­گراد ﺑﯿﺸﺘﺮﯾﻦ ﻣﻘﺪار ﭘﺮوﻟﯿﻦ به ترتیب در ارقام طلایی و گنبد 2 و ﮐﻤﺘﺮﯾﻦ ﻣﯿﺰان ﭘﺮوﻟﯿﻦ در ﻫﻤﯿﻦ ﺳﻄﻮح دﻣﺎﯾﯽ ﺑﻪﺗﺮﺗﯿﺐ در ارﻗام تیرگان و شیرودی مشاهده شد. در ﺳﻄﻮح دﻣﺎﯾﯽ 8+ درجه سانتی­گراد و 2- درجه سانتی­گراد ﺑﯿﺸﺘﺮﯾﻦ ﻣﻘﺪار فروکتان به ترتیب در ارقام آزادی و شاهپسند و ﮐﻤﺘﺮﯾﻦ ﻣﯿﺰان فروکتان در ﻫﻤﯿﻦ ﺳﻄﻮح دﻣﺎﯾﯽ ﺑﻪﺗﺮﺗﯿﺐ در ارﻗام برات و دز مشاهده شد. بر اساس نتایج، روند تغییرات منظمی برای میزان فروکتان در 70 رقم مورد مطالعه مشاهده نشد.
نتیجه‌گیری: ﻧﺘﯿﺠﻪ اﯾﻦ ﺑﺮرﺳﯽ ﻧﺸﺎن ﻣﯽدﻫﺪ ارﻗﺎﻣﯽ در اﯾﻦ ﻧﻮع از ﺗﻨﺶ ﻣﻄﻠﻮبﺗﺮﻧﺪ ﮐﻪ در ﺳﻄﻮح ﭘﺎﯾﯿﻦ دﻣﺎﯾﯽ، ﭘﺮوﻟﯿﻦ و فروکتان ﺑﯿﺸﺘﺮی را ﺣﻔﻆ ﻣﯽﮐﻨﻨﺪ. در این پژوهش ارﻗاﻢ گنبد2 و شاه‌پسند ﺗﻮاﻧﺴتند به­ترتیب ﻣﯿﺰان ﺑﺎﻻﯾﯽ از ﭘﺮوﻟﯿﻦ و فروکتان را در  ﺳﻄح دﻣﺎﯾﯽ  2- درجه سانتی­گراد ﺣﻔﻆ ﻧﻤﺎﯾند که می­توان از آن‌ها به عنوان رقم متحمل به تنش سرمای دیررس بهاره نام برد. نتایج این تحقیق نشان­دهنده واکنش متفاوت ارقام گندم از لحاظ صفات مورد بررسی در هریک از سطوح دمایی می­باشد. از این تنوع می­توان در -فرایند به­نژادی تولید ارقام مقاوم به سرما استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Changes in proline and fructan concentration in leaves of bread wheat cultivars under the occurrence of cold stress at the beginning of the reproductive growth stage

نویسندگان [English]

  • Mohammad Allahabadi 1
  • Reza Qoli Mirfakhrai 1
  • Reza Darvishzadeh 2
1 Department of Genetics and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Wheat is the third most important grain in the world after rice and maize.  Proline and fructan are especially important for cold stress tolerance. Different wheat cultivars produce different levels of fructan and proline in response to cold stress. In this regard, this research was conducted to identify cold-resistant cultivars by examining the production concentration of fructan and proline during cold stress.
Materials and methods: In the present study, the amount of osmolites; proline and fructan were investigated in 70 bread wheat genotypes. For this purpose, cultivars were cultivated in a completely random design with three replications in the greenhouse. Cultivars in the reproductive stage (Zadox code 48-60) were treated with +8 °C -2 °C temperatures. To apply temperature treatments, the temperature was gradually decreased by 2 °C every hour from 24 °C to the desired temperature, then the plants were stopped at that temperature level for 2 hours and after applying the temperature treatment, the temperature was increased to 24 °C. Then, after 24 hours, sampling was done. Proline and fructan concentrations in the leaves of 70 cultivars were measured by Carillo and Gibon (2011) and Jermyn (1956) methods, respectively.
Results: Analysis of variance showed significant differences among genotypes and temperature levels for proline and fructan content in the leaves. Also, the interaction effect of cultivar × temperature was significant in the case of both studied traits. The significance of the interaction effect shows that the reaction of genotypes is not the same from one temperature level to another. In the following, slicing of the interaction effect was done for the studied traits and based on separate mean comparison results, the highest and lowest values of the traits at each temperature level were determined. At the temperature levels of +8°C and -2°C, the highest amount of proline was observed in Golden and Gombad 2 cultivars, respectively, and the lowest amount of proline at the mentioned temperature level was observed in Tirgan and Shiroudi cultivars, respectively. At the temperature levels of +8°C and -2°C, the highest amount of fructan was observed in Azadi and Shahpasand cultivars, respectively, and the lowest amount of fructan at the same temperature level was observed in Brat and Dez cultivars, respectively. Based on the results, no regular changes were observed for the amount of fructan in the 70 cultivars studied.
Conclusion: The results of this research showed the different reactions of wheat cultivars in terms of the studied traits in each of the temperature levels. This variability can be used in the breeding programs to produce cold-resistant cultivars.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cool season cereals
  • Genetic diversity
  • Low temperature stress
  • Osmolites

مراجع

Abedi, T. & Mojiri, A. 2020. Cadmium uptake by wheat (Triticum aestivum L.): An overview. Plants, 9(4), 500-514. doi: 10.3390/plants9040500.
Asadi, A., Askary Kelestani, A. R., Mirfakhraii, R., Abasi, A., & Khodadadi, M. 2018. Genetic variation of bread wheat geneotypes for some important physiological traits under chiling stress. Environmental Stresses in Crop Sciences, 11(1), 171-183. [In Persian] doi.org/10.22077/escs.2017.195.1049
Ashraf, M., Foolad, M., 2007. Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environmental and Experimental Botany. 59, 206-216. doi.org/10.1016/j.envexpbot.2005.12.006
Atici, O. & Nalbantoglu, B. 2003. Antifreeze proteins in higher plants. Phytochemistry, 64(7), 1187-1196. ‏ doi.org/10.1016/S0031-9422(03)00420-5
Azimi, S., Sofalian, O., Jahanbakhsh G. S. & Khomari, S. 2012. Effect of chilling stress on Soluble Protein, sugar and Prolin accumulation in cotton (Gossypium hirsutum L.) genotypes. International Journal of Agriculture and Crop Sciences, 4(12), 825-830
Ben Rejeb, K., Lefebvre‐De Vos, D., Le Disquet, I., Leprince, A. S., Bordenave, M., Maldiney, R., Jdey, A., Abdelly, C., & Savouré, A. 2015. Hydrogen peroxide produced by NADPH oxidases increases proline accumulation during salt or mannitol stress in Arabidopsis thaliana. New Phytologist, 208(4), 1138-1148. doi: 10.1111/nph.13550
Carillo, P. & Gibon, Y. 2011. Protocol: Extraction and determination of proline. PrometheusWiki, 1-5. ‏
Dionne, J., Castonguay, Y., Nadeau, P. & Desjardins, Y. 2001. Freezing tolerance and carbohydrate changes during cold acclimation of green‐type annual bluegrass (Poa annua L.) ecotypes. Crop Science, 41(2), 443-451.‏ doi.org/10.2135/cropsci2001.412443x
Gull, A., Ahmad Lone, A. and Ul Islam Wani N. 2019. Biotic and Abiotic Stresses in Plants [Internet]. Abiotic and Biotic Stress in Plants. IntechOpen. Available from: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.85832.
Hosseinifard, M., Stefaniak, S., Ghorbani Javid, M., Soltani, E., Wojtyla, Ł., & Garnczarska, M. 2022. Contribution of exogenous proline to abiotic stresses tolerance in plants: A review. International Journal of Molecular Sciences, 23(9), 5186. doi.org/10.3390/ijms23095186
Jahanbakhsh, S., Karimzadeh, Qasim, Rostgar Jezi, F., Mahfovi, Siros, and Hosseini Salekdeh, S.G. 2009. The effect of localization on some physiological characteristics and cold tolerance in two sensitive and tolerant varieties of bread wheat. Electronic Journal of Crop Production, 2(3), 85-106. [In Persian]
Jermyn, M. A., 1956. A new method for determining ketohexoses in the presence of aldo-hexoses. Nature, 177(4497), 38-39. doi.org/10.1038/177038a0
Karimzadeh, G., Darvishzadeh R., Jalali-Javaran, M. & Dehghani, H. 2005. Cold-induced accumulation of protein in the leaves of spring and winter barley cultivars. Acta Biologica Hungarica, 56 (1-2), 83-96. doi.org/10.1556/abiol.56.2005.1-2.9
Kerepesi, I., Bányai-Stefanovits, É., & Galiba, G. 2004. Cold acclimation and abscisic acid induced alterations in carbohydrate content in calli of wheat genotypes differing in frost tolerance. Journal of Plant Physiology, 161(1), 131-133. doi.org/10.1078/0176-1617-00766
Kumar, V., & Yadav, S. K. 2009. Proline and betaine provide protection to antioxidant and methylglyoxal detoxification systems during cold stress in Camellia sinensis (L.) O. Kuntze. Acta Physiologiae Plantarum, 31, 261-269. doi.org/10.1007/s11738-008-0227-6
Liang, X., Zhang, L., Natarajan, S. K., & Becker, D. F. 2013. Proline mechanisms of stress survival. Antioxidants & Redox signaling, 19(9), 998-1011. doi: 10.1089/ars.2012.5074
Lui, W., Yu, K., He, T., Li, F., Zhang, D. and Liu, J. 2013. The low temperature induced physiological responses of Avena nuda L., a cold-tolerant plant species. The Scientific World Journal, 1-7. doi: 10.1155/2013/658793
Mafoozi, S., & Sasani, S. 2008. Vernalization requirement of some wheat and barley genotypes and its relationship with expression of cold tolerance under field and controlled conditions. Iranian Journal of Field Crop Science, 39(1), 114-126. [In Persian] 20.1001.1.20084811.1387.39.1.11.6
MohsenZadeh, S., Karimi Andeani, J. & Mohabat Kar, H. 2010. Physiological responses and partial gene isolation of responsive gene to cold stress in four sensitive vs. resistant wheat cultivars. Iranian Journal of Field Crop Science, 14(3), 611-619. [In Persian] 20.1001.1.20084811.1389.41.3.18.1
Nadi, S., Mirfakhraii, R., & Abbasi, A. 2019. Genetic diversity of bread wheat cultivars using ssr marker and relationship analysis for two traits prolin and fructan under spring chilling stress. Iranian Journal of Field Crop Science, 49(4), 87-96. [In Persian] 10.22059/ijfcs.2017.231050.654304
Poehlman, J. M., & Sleper, D. A. 1995. Breeding Field Crops. Ames: Iowa State University Press.
Sakamura, T. 1918. Kurze Mitteilung ueber die Chromosomenzahlen und die Verwandtschaftsverhältnisse der Triticum-arten. Shokubutsugaku Zasshi, 32(379), 150-153. doi.org/10.15281/jplantres1887.32.379_150
Sasani, S., Tavakol Afshari, R., & Mahfoozi, S. 2013. Low-temperature acclimation and the correlation of vernalization requirement with accumulation of some compatible solutes and physiological mechanisms in bread wheat. Iranian Journal of Field Crop Science, 44(2), 327-345. [In Persian] 10.22059/ijfcs.2013.35121
Tarkowski, Ł. P., & Van den Ende, W. 2015. Cold tolerance triggered by soluble sugars: a multifaceted countermeasure. Frontiers in Plant Science, 6, 203. doi.org/10.3389/fpls.2015.00203
Valliyodan, B. & Nguyen H. T. 2006. Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants. Current Opinion in Plant Biology, 9, 189-95. doi: 10.1016/j.pbi.2006.01.019
Yoshida, M. 2021. Fructan structure and metabolism in overwintering plants. Plants, 10(5), 933. doi: 10.3390/plants10050933
Yuanyuan, M., Yali, Z., Jiang, L. U. & Hongbo, S. H. 2009. Roles of plant soluble sugars and their responses to plant cold stress (Review). African Journal of Biotechnology, 8 (10), 2004-2010.
Zadoks, J. C., Chang, T. T., & Konzak, C. F. 1974. A decimal code for the growth stages of cereals. Weed Research, 14(6), 415-421. doi.org/10.1111/j.1365-3180.1974.tb01084.x
Zeinali Yadegari, L., Heidari, R., & Karapetian, J. 2010. The effect of cold pretreatment on respiration rates and the contents of proline and photosynthetic pigments in soybean seedlings (Glicine max cv. l17). Iranian Journal of Biology, 23(3), 409-417. [In Persian] ‏
Zheng, J., Liu, T., Zheng, Q., Li, J., Qian, Y., Li, J., & Zhan, Q. 2020. Identification of cold tolerance and analysis of genetic diversity for major wheat varieties in Jianghuai region of China. Pakistan Journal of Botany, 52(3), 839-849. doi:10.30848/PJB2020-3(23)

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار