مطالعه اثرات تنش شوری بر عملکرد و شاخص‌های فیزیولوژیک گندم در شرایط مزرعه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار بخش تحقیقات علوم زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی ایلام، سازمان تحقیقات،آموزش و ترویج کشاورزی، ایلام، ایران.

چکیده

مقدمه: گندم به­عنوان یکی از استراتژیک‌ترین گیاهان زراعی، نقش حیاتی در تأمین امنیت غذایی جمعیت رو به رشد جهان ایفا می‌کند. با این حال، تولید این محصول ارزشمند همواره با چالش‌های متعددی از جمله تنش‌های غیرزنده مواجه است. در این میان، شوری خاک و آب به­عنوان یک معضل فراگیر، به­ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک مانند ایران، تهدیدی جدی برای کشت گندم محسوب می‌شود. تنش شوری از طریق کاهش پتانسیل آب خاک (اثر اسمزی) و تجمع یون‌های سمی مانند سدیم و کلر (سمیت یونی)، فرآیندهای فیزیولوژیک و بیوشیمیایی گیاه را مختل کرده و در نهایت به افت شدید عملکرد دانه منجر می‌گردد. بررسی تأثیر سطوح مختلف شوری آب آبیاری بر صفات فیزیولوژیک (محتوای کلروفیل، پرولین و نشت الکترولیت)، اجزای عملکرد (تعداد دانه در سنبله و وزن هزار دانه) و عملکرد نهایی دانه گندم رقم چمران ۲ در شرایط واقعی مزرعه در اقلیم نیمه‌خشک ایلام هدف تحقیق بود.
مواد و روش‌ها: این پژوهش به‌صورت مزرعه‌ای در سال زراعی ۱۴۰3-۱۴۰2 در ایلام با اقلیم نیمه‌خشک (دومارتن) اجرا شد. آزمایش در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با چهار تیمار شوری آب آبیاری (شاهد ۲، ۴، ۶ و ۸ دسی‌زیمنس بر متر) و سه تکرار انجام گرفت. بذر گندم رقم چمران ۲ با تراکم ۴۰۰ بذر در مترمربع در کرت‌های ۳×۴ متری (۱۶ ردیف با فاصله ۲۵ سانتی‌متر) کشت شد. تنش شوری از مرحله ۳-۴ برگی تا رسیدگی کامل اعمال گردید و آب‌شویی ۱۵٪ برای جلوگیری از تجمع نمک در نظر گرفته شد. نمونه‌برداری از برگ پرچم در مرحله گرده‌افشانی انجام و کلروفیل کل (استون ۸۰٪ و اسپکتروفتومتری)، پرولین (روش نین‌هیدرین) و نشت الکترولیت اندازه‌گیری شد. عملکرد و اجزای آن از سطح دو مترمربع برداشت گردید. داده‌ها با نرم‌افزار SAS تحلیل و مقایسه میانگین‌ها با آزمون دانکن (۵٪)  انجام شد.
یافته‌ها: نتایج این تحقیق به‌وضوح نشان می‌دهد که تنش شوری آب آبیاری تأثیر عمیق و معنی‌داری بر تمامی صفات مورفولوژیک، عملکردی و فیزیولوژیک گندم دارد. یکنواختی مناسب بستر مزرعه (عدم معنی‌داری اثر بلوک) و دقت بالای اجرای آزمایش (CV کمتر از ۱۰ درصد)، اعتبار داده‌ها را تأیید می‌کند. افزایش هدایت الکتریکی آب از ۲ به ۸ دسی‌زیمنس بر متر، عملکرد دانه را ۴۲ درصد کاهش داد (از ۶۲۵۰ به ۳۶۱۰ کیلوگرم در هکتار) که ناشی از کاهش همزمان وزن هزار دانه (۴۳ درصد) و تعداد دانه در سنبله (۳۵ درصد) بود. در سطح فیزیولوژیک، محتوای کلروفیل کل با ۵۸ درصد کاهش به ۱/۶۰ میلی‌گرم بر گرم وزن تر رسید که نشان‌دهنده تخریب شدید کلروپلاست‌هاست. در مقابل، پرولین به‌عنوان یک سازوکار دفاعی، ۴ برابر افزایش یافت (از ۴/۲ به ۱۶/۵ میکرومول بر گرم) و نشت الکترولیت نشان‌دهنده تخریب غشاها از ۱۸/۵ به ۵۲/۶ درصد افزایش یافت. همبستگی قوی بین عملکرد با کلروفیل (۹۲/۰) و نشت الکترولیت (۹۴/۰-) مؤید این است که تخریب غشاهای سلولی و کاهش توان فتوسنتزی، مکانیسم‌های اصلی کاهش عملکرد در شرایط شوری هستند. به‌طور کلی، گیاه گندم در سطوح شوری بیش از ۶ دسی‌زیمنس بر متر با کاهش شدید عملکرد و اختلالات فیزیولوژیک جبران‌ناپذیری مواجه می‌شود.
نتیجه‌گیری: تنش شوری با تأثیر بر فرآیندهای کلیدی فیزیولوژیک از جمله تخریب کلروپلاست‌ها (کاهش ۵۸ درصدی کلروفیل)، افزایش نشت الکترولیت و تجمع پرولین، موجب کاهش چشمگیر اجزای عملکرد و در نهایت عملکرد دانه گندم می‌شود. همبستگی قوی بین صفات نشان می‌دهد که شاخص‌های فیزیولوژیک مانند کلروفیل و نشت الکترولیت می‌توانند به‌عنوان معیارهای قابل اعتماد برای غربالگری ارقام مقاوم به شوری مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به کاهش ۴۲ درصدی عملکرد در شوری ۸ دسی‌زیمنس بر متر، مدیریت منابع آب و استفاده از ارقام متحمل به شوری برای کشت در مناطق خشک و نیمه‌خشک ضروری است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Studying the effects of salinity stress on wheat yield and physiological indices under field conditions

نویسنده [English]

  • Tahereh Emami
Assistant Professor, Agricultural and Horticultural Sciences Research Department, Ilam Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Ilam, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Wheat, as one of the most strategically important field crops, plays a vital role in ensuring food security for the world’s growing population. However, the production of this valuable crop is continually challenged by various constraints, including abiotic stresses. Among these, soil and water salinity represent a widespread threat, particularly in arid and semi-arid regions such as Iran, posing a serious risk to wheat cultivation. Salinity stress disrupts plant physiological and biochemical processes through a reduction in soil water potential (osmotic effect) and the accumulation of toxic ions such as sodium and chloride (ionic toxicity), ultimately leading to a marked decline in grain yield. This study investigates the effects of different levels of irrigation water salinity on physiological traits (chlorophyll content, proline accumulation, and electrolyte leakage), yield components (number of grains per spike and thousand-grain weight), and final grain yield of the wheat cultivar Chamran 2 under actual field conditions in the semi-arid climate of Ilam, Iran.
Materials and methods: This field experiment was conducted during the 2023–2024 growing season in Ilam (46°26′ E longitude, 33°38′ N latitude, 1174 m above sea level), which has a semi-arid climate (according to the De Martonne classification). The experiment was arranged in a randomized complete block design with four irrigation water salinity treatments (control and 2, 4, 6, and 8 dS m⁻¹) and three replications. Seeds of wheat cultivar Chamran 2 were sown at a density of 400 seeds m⁻² in 3 × 4 m plots (16 rows spaced at 25 cm apart). Salinity stress was imposed from the 3–4 leaf stage until full physiological maturity, with a 15% leaching fraction applied to minimize salt accumulation in the root zone. Flag leaves were sampled at the pollination stage, and total chlorophyll (using 80% acetone and spectrophotometry), proline content (via the ninhydrin method), and electrolyte leakage were measured. Grain yield and its components were determined by harvesting a 2 m² area in each plot. Data were analyzed using SAS software, and mean comparisons were performed using Duncan’s multiple range test at the 5% probability level.
Results: The results clearly demonstrate that irrigation water salinity exerts a profound and statistically significant effect on all morphological, yield-related, and physiological traits of wheat. The uniformity of the field bed (non-significant block effect) and the high precision of the experimental execution (CV < 10%) confirm the reliability of the data. Increasing the electrical conductivity of irrigation water from 2 to 8 dS m⁻¹ reduced grain yield by 42% (from 6250 to 3610 kg ha⁻¹), which was attributed to concurrent reductions in thousand-grain weight (43%) and grain number per spike (35%). At the physiological level, total chlorophyll content declined by 58%, reaching 1.60 mg g⁻¹ fresh weight, indicating severe chloroplast damage. Conversely, proline, as a defensive mechanism, increased nearly fourfold (from 4.2 to 16.5 µmol g⁻¹), while electrolyte leakage, reflecting membrane degradation, rose from 18.5% to 52.6%. Strong correlations between grain yield and chlorophyll content (r = 0.92) and between grain yield and electrolyte leakage (r = –0.94) confirm that membrane disruption and reduced photosynthetic capacity are the primary mechanisms underlying yield reduction under saline conditions. Overall, wheat plants exhibited severe yield losses and irreversible physiological impairments at salinity levels exceeding 6 dS m⁻¹.
Conclusion: Salinity stress, through its deleterious effects on key physiological processes—including chloroplast degradation (58% reduction in chlorophyll), increased electrolyte leakage, and proline accumulation—substantially diminishes yield components and, consequently, grain yield in wheat. The strong correlations among traits suggest that physiological indicators such as chlorophyll content and electrolyte leakage can serve as reliable criteria for screening salt-tolerant genotypes. Given the 42% yield reduction observed at 8 dS m⁻¹ salinity, effective water resource management and the adoption of salt-tolerant cultivars are imperative for sustainable wheat production in arid and semi-arid regions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Osmotic tension
  • electrolyte leakage
  • proline
  • osmotic compatibility
  • ionic toxicity
  • electrical conductivity (EC)
Ain, N. U., Naveed, M., Hussain, A., Mumtaz, M. Z., Rafique, M., Bashir, M. A., Alamri, S., & Siddiqui, M. H. 2020. Impact of Coating of Urea with Bacillus-Augmented Zinc Oxide on Wheat Grown under Salinity Stress. Plants, 9 (10), 1375. https://doi.org/10.3390/plants9101375
Assaha, D. V. M., Ueda, A., Saneoka, H., Al-Yahyai, R., & Yaish, M. W. 2017. The Role of Na+ and K+ Transporters in Salt Stress Adaptation in Glycophytes. [Review]. Frontiers in Physiology, Volume 8 - 2017, 509. https://doi.org/10.3389/fphys.2017.00509
Ayed-Slama, O., Ayed, S., & Slim-Amara, H. 2015. Selection of tolerant lines to salinity derived from durum wheat (Triticum durum Desf.) in vitro culture. Agricultural Sciences, 6 (07), 699. http://dx.doi.org/10.4236/as.2015.67067
Behboud, R., Moradi, A., Piri, R., Dedicova, B., Fazeli-Nasab, B., & Ghorbanpour, M. 2024. Sweet corn (Zea mays L.) seed performance enhanced under drought stress by chitosan and minerals coating. BMC Plant Biology, 24 (1), 991. https://doi.org/10.1186/s12870-024-057042-
El-Hendawy, S. E., Hassan, W. M., Al-Suhaibani, N. A., Refay, Y., & Abdella, K. A. 2017. Comparative Performance of Multivariable Agro-Physiological Parameters for Detecting Salt Tolerance of Wheat Cultivars under Simulated Saline Field Growing Conditions. [Original Research]. Frontiers in Plant Science, Volume 8 - 2017, 435. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00435
FAO. 2023. Crops and livestock products, https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL 
Fazeli-Nasab, B., Vessal, S., Bagheri, A., & Malekzadeh-Shafaroudi, S. 2025. Chickpea (Cicer arietinum L.): Achievements and opportunities in response to abiotic stresses and its flexibility to changing weather conditions. Crop Science Research in Arid Regions, 7 (1), 179-216. https://doi.org/10.22034/csrar.2024.431689.1390
Feghhenabi, F., Hadi, H., Khodaverdiloo, H., & van Genuchten, M. T. 2020. Seed priming alleviated salinity stress during germination and emergence of wheat (Triticum aestivum L.). Agricultural Water Management, 231, 106022. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106022
Flowers, T. J., & Colmer, T. D. 2008. Salinity tolerance in halophytes. New phytologist, 179 (4), 945-963. https://doi.org/10.2345/nph.2008.17904
Hadia, E., Slama, A., Romdhane, L., Cheikh M’Hamed, H., Fahej, M. A. S., & Radhouane, L. 2023. Seed Priming of Bread Wheat Varieties with Growth Regulators and Nutrients Improves Salt Stress Tolerance Particularly for the Local Genotype. Journal of Plant Growth Regulation, 42 (1), 304-318. https://doi.org/10.1007/s00344-021-10548-3
Halder, T., Choudhary, M., Liu, H., Chen, Y., Yan, G., & Siddique, K. H. M. 2022. Wheat Proteomics for Abiotic Stress Tolerance and Root System Architecture: Current Status and Future Prospects. Proteomes, 10 (2). https://doi.org/10.3390%2Fproteomes10020017
Hannan, M. A., Saha, N. R., Roy, S. K., Woo, S.-H., & Haque, M. S. 2021. Genetic Diversity Analysis and Molecular Screening for Salinity Tolerance in Wheat Germplasm. Plant Breeding and Biotechnology, 9 (3), 185-198. https://doi.org/10.9787/PBB.2021.93.185
Hasanuzzaman, M., Nahar, K., & Fujita, M. 2013. Plant Response to Salt Stress and Role of Exogenous Protectants to Mitigate Salt-Induced Damages. In Ahmad P Azooz M M, Prasad M N V (Eds.), Ecophysiology and Responses of Plants under Salt Stress (pp. 25-87). New York, NY: Springer New York. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-4747-4_2
Manono, B. O. 2026. Effects of Salinity on Seed Germination: Mechanisms, Impacts, and Mitigation Strategies. Seeds, 5 (1), 1. https://dx.doi.org/10.3390/seeds5010001
Miller, G., Suzuki, N., Ciftci‐Yilmaz, S., & Mittler, R. 2010. Reactive oxygen species homeostasis and signalling during drought and salinity stresses. Plant, cell & environment, 33 (4), 453-467. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2009.02041.x
Munns, R., Day, D. A., Fricke, W., Watt, M., Arsova, B., Barkla, B. J., Bose, J., Byrt, C. S., Chen, Z.-H., Foster, K. J., Gilliham, M., Henderson, S. W., Jenkins, C. L. D., Kronzucker, H. J., Miklavcic, S. J., Plett, D., Roy, S. J., Shabala, S., Shelden, M. C., Soole, K. L., Taylor, N. L., Tester, M., Wege, S., Wegner, L. H., & Tyerman, S. D. 2020. Energy costs of salt tolerance in crop plants. New Phytologist, 225 (3), 1072-1090. https://doi.org/10.1111/nph.15864
Munns, R., & Tester, M. 2008. Mechanisms of salinity tolerance. Annual Review of Plant Biology, 59, 651-681. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092911
Nagdalian, A., Rekhman, Z., Askerova, A., Pirogov, M., Asyakina, L., Serazetdinova, Y., Golik, D., Golik, A., & Blinov, A. 2026. Molybdenum Trioxide Nanoparticles Enhance Wheat Tolerance to Salinity and Temperature Stress by Promoting Rhizobacterial Phytohormone Production and Preserving Photosynthetic Pigments. BioNanoScience, 16 (8), 497. https://doi.org/10.1007/s12668-026-02736-w
Osama, O. 2025. Enhancing Wheat Resilience to Abiotic Stress: Genetic Mechanisms and Genome Editing Approaches. In Meena V S Jaiswal J P Jinger D, Paramesh V (Eds.), Triticum - The Pillar of Global Food Security. London: IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.1009174
Raeisi Sadati, S. Y., Jahanbakhsh-Godekahriz, S., Tobeh, A., Farzaneh, S., Shafiei, Y., & Fazeli-Nasab, B. 2026. Combined Effects of Seaweed Extract and Selenium Nanoparticles on Mitigation of Cadmium and Chromium Stress in Fennel (Foeniculum vulgare Mill.). Agrotechniques in Industrial Crops, 6 (2), 208-218. https://doi.org/10.22126/atic.2026.12771.1235
Rashid, M., Talukder, M. R., & Hossain, M. 2026. Yield and nutrient augmentations in wheat: Application of plasma processed zinc. PLoS One, 21 (2), e0343231. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0343231
Raza, A., Tabassum, J., Fakhar, A. Z., Sharif, R., Chen, H., Zhang, C., Ju, L., Fotopoulos, V., Siddique, K. H., & Singh, R. K. 2023. Smart reprograming of plants against salinity stress using modern biotechnological tools. Critical reviews in biotechnology, 43 (7), 1035-1062. https://doi.org/10.1080/07388551.2022.2093695
Rezaei, F., Amiri Fahliani, R., Behpouri, A., Dehdari, M., & Zinati, Z. 2026. Evaluation of Some Bread (Triticum aestivum L.) and Pasta (T. durum) Wheat Cultivars in Response to Drought Stress at the Germination Stage. [Research]. Journal of Crop Breeding, 18 (1), 29-42. http://dx.doi.org/10.61882/jcb.2026.1563
Sena, F., Monza, J., & Signorelli, S. 2024. Determination of Free Proline in Plants. In Corpas F J, Palma J M (Eds.), ROS Signaling in Plants : Methods and Protocols (pp. 183-194). New York, NY: Springer US. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3826-2_12
Shabala, S., Chen, X., Yun, P., & Zhou, M. 2026. Salinity tolerance in wheat: rethinking the targets. Journal of Experimental Botany, 77 (9), 2666-2676. https://doi.org/10.1093/jxb/eraf152
Shakirova, F. M., Sakhabutdinova, A. R., Bezrukova, M. V., Fatkhutdinova, R. A., & Fatkhutdinova, D. R. 2003. Changes in the hormonal status of wheat seedlings induced by salicylic acid and salinity. Plant Science, 164 (3), 317-322. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(02)00415-6
Singh, R. P., & Jha, P. N. 2016. Alleviation of salinity-induced damage on wheat plant by an ACC deaminase-producing halophilic bacterium Serratia sp. SL-12 isolated from a salt lake. Symbiosis, 69, 101-111. https://doi.org/10.1007/s13199-016-0387-x
Szabados, L., & Savouré, A. 2010. Proline: a multifunctional amino acid. Trends in plant science, 15 (2), 89-97. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009
Tavakkoli, E., Fatehi, F., Coventry, S., Rengasamy, P., & McDonald, G. K. 2011. Additive effects of Na+ and Cl–ions on barley growth under salinity stress. Journal of Experimental Botany, 62 (6), 2189-2203. https://doi.org/10.1093/jxb/erq422
Tripathi, R., Singh, D., Imam, Z., Singh, V. K., Parveen, R., Singh, A., Upadhyay, A., Mishra, L. K., & Sahoo, J. P. 2026. Genetic architecture and breeding strategies for enhancing wheat (Triticum aestivum L.) tolerance to combined heat, drought, and salinity stresses. Molecular Biology Reports, 53 (1), 437. https://doi.org/10.1007/s11033-026-11613-4
Wu, G., Sun, X., Sun, Q., Kang, X., Wang, J., He, X., Liu, W., Xu, D., Dai, X., & Ma, W. 2025. Genetic Variation in Wheat Root Transcriptome Responses to Salinity: A Comparative Study of Tolerant and Sensitive Genotypes. International Journal of Molecular Sciences, 26 (1), 331. https://doi.org/10.3390/ijms26010331
Yan, L., Lu, M., Riaz, M., Gao, G., Tong, K., Yu, H., Wang, L., Wang, L., Cui, K., & Wang, J. 2024. Differential response of proline metabolism defense, Na+ absorption and deposition to salt stress in salt‐tolerant and salt‐sensitive rapeseed (Brassica napus L.) genotypes. Physiologia Plantarum, 176 (4), e14460. https://doi.org/10.1111/ppl.14460
Zhang, X., Liu, X., Wang, L., Zhao, Q., Yu, Y., Du, R., Xu, Y., Zhen, W., & Wang, Y. 2024. Wheat yield and grain-filling characteristics due to cultivar replacement in the Haihe Plain in China. Frontiers in Plant Science, 15, 1374453. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1374453