اثر محلول پاشی عناصر غذایی و ملاتونین بر ویژگی های رشدی و تغییرات عناصر در ریشه گیاه جو در شرایط تنش غرقاب با آب شور

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول، دانشجوی دکتری اگروتکنولوژی- فیزیولوژی گیاهان زراعی، گروه زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 استاد گروه زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دانشیار گروه زراعت، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

4 استاد مؤسسه کشاورزی تاسمانی، دانشگاه تاسمانی، هوبارت، استرالیا

چکیده

سابقه و هدف

غرقابی و تنش شوری از تنش‌های رایج در مناطق زیر کشت هستند و وقوع همزمان آن‌ها می‌تواند منجر به کاهش بیشتر رشد و عملکرد در مقایسه با هر تنش به تنهایی شود. تنش‌های ترکیبی همچنین طیف وسیعی از پاسخ‌های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی را در گیاهان القا می‌کنند. درحالی‌که مکانیسم‌های فیزیولوژیکی و مولکولی پاسخ‌های گیاه به هر یک از این محدودیت‌های محیطی به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، مکانیسم‌های اساسی تحمل گیاه به تنش ترکیبی آن‌ها بسیار کمتر شناخته شده است.

مواد و روش‌ها

با هدف بررسی اثر محلول‌پاشی ملاتونین و عناصر غذایی روی ارقام جو در شرایط تنش غرقاب با آب‌شور آزمایشی به صورت فاکتوریل با 3 فاکتور در قالب طرح کاملا تصادفی با شش تکرار به صورت گلدانی در محیط باز در دو سال زراعی 1400-1401 و 1401-1402 اجرا شد. فاکتورهای آزمایش شامل: چهار رقم جو (ماهور، اکسین، صحرا، فردان)، تنش غرقاب با آب‌شور (دو سطح: بدون تنش و اعمال تنش)، محلول‌پاشی ملاتونین و عناصر غذایی (سه سطح: بدون محلول‌پاشی، محلول‌پاشی در مرحله پنجه‌دهی و ساقه‌دهی) بود. در این مطالعه پارامترهای مختلفی از جمله طول و حجم ریشه، وزن خشک ریشه و اندام هوایی اندازه‌گیری شد. همچنین نسبت وزن ریشه به وزن اندام هوایی، غلظت آهن و منگنز و نسبت سدیم به پتاسیم، کلسیم به پتاسیم و نیتروژن به پتاسیم مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت.

یافته‌ها

نتایج در چهار رقم جو نشان داد که شرایط تنش غرقاب با آب‌شور باعث کاهش 4/9 سانتی‌متری طول ریشه، 2/0 سانتی‌متر مکعب حجم ریشه، 5/0 گرم وزن خشک ریشه، 4/0 گرم وزن خشک اندام هوایی، 8/7 نسبت ریشه به اندام هوایی، 01/0 نسبت کلسیم به پتاسیم، 18/0 نسبت نیتروژن به پتاسیم و افزایش 8 میلی‌گرم در کیلوگرم مقدار آهن، 11 میلی‌گرم در کیلوگرم مقدار منگنز شد و اختلاف نسبت سدیم به پتاسیم به 11 رسید. محلول‌پاشی عناصر غذایی و ملاتونین باعث کاهش اثرات تنش و بهبود رشد گیاه گردید و اینگونه که طول و حجم ریشه به ترتیب با میانگین5/14، 3/11، 3/15 و 4/16 سانتی‌متر و 78/2، 24/2، 18/4 و 43/3 سانتی‌متر مکعب مربوط به ارقام ماهور، اکسین، صحرا، فردان پس از محلول پاشی در مرحله پنجه‌زنی به 2/19، 7/15، 9/19 و 21 سانتی‌متر و 36/4، 73/3، 73/5 و 98/4 سانتی‌متر مکعب بهبود یافت. همچنین مقادیر آهن و منگنز ریشه در شرایط تنش به ترتیب با میانگین 25/13، 75/12، 83/12 و 42/13 میلی‌گرم در کیلوگرم و 17، 5/17، 33/18 و 16 میلی‌گرم در کیلوگرم مربوط به ارقام ماهور، اکسین، صحرا، فردان پس از محلول پاشی در مرحله پنجه‌زنی آهن به 75/7، 08/8، 92/7 و 67/7 میلی‌گرم در کیلوگرم و منگنز به 42/11، 5/12، 67/10 و 08/12 میلی‌گرم در کیلوگرم کاهش یافت.

نتیجه‌گیری

تنش غرقابی و شوری به طور قابل توجهی بر رشد ریشه و اندام هوایی تأثیر گذاشت و منجر به عدم تعادل در هموستاز یونی شد. استفاده از مواد مغذی و ملاتونین در تنش غرقابی با آب‌شور، اثرات منفی تنش را از طریق مکانیسم‌های مختلف، بهبود پارامترهای رشد و هموستاز یونی در ریشه‌ها و اندام‌های هوایی کاهش داد. در مورد غلظت آهن و منگنز می توان به این نکته اشاره کرد که محلول‌پاشی غلظت این عناصر را تحت تنش کاهش داده و احتمال سمیت را کاهش می دهد. همچنین لازم به ذکر است که محلول‌پاشی در مرحله پنجه‌زنی بسیار مؤثرتر از مرحله ساقه‌دهی بود که احتمالاً به دلیل طولانی‌تر بودن زمان اثر ملاتونین، جذب بیشتر مواد مغذی و بازسازی بیشتر بافت‌ها بود. بنابراین می‌توان محلول‌پاشی ملاتونین و عناصر غذایی را به‌عنوان راهکاری مناسب برای کاهش خسارت این تنش در ارقام جو مد نظر قرار داد. پیشنهاد می‌دهیم که تحقیقات تکمیلی و کاربردی بیشتری با هدف بهبود انعطاف‌پذیری به تنش‌های محیطی در آینده صورت گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The effect of foliar application of nutrients and melatonin on the growth characteristics and changes of elements in the roots of barley plants under conditions of waterlogging with saltwater stress.

نویسندگان [English]

  • Taha Nazari 1
  • Serollah Galeshi 2
  • Ebrahim Zeinali 3
  • Sergey Shabala 4
1 Corresponding Author, Ph.D. Student of Agrotechnology-Physiology of Crop, Dept. of Agronomy, Faculty Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Professor, Dept. of Agronomy, Faculty Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Associate Prof., Dept. of Agronomy, Faculty Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Professor, Tasmanian Institute of Agriculture, University of Tasmania, Hobart, Australia
چکیده [English]

Introduction

waterlogging and salinity stress are expected stresses in cultivated areas, and their concurrent happening can lead to a greater decrease in growth and yield compared to each stress alone. Combined stresses also generate a wide range of physiological and biochemical responses in plants. While the physiological and molecular mechanisms of plant responses to these environmental restrictions have been studied in detail, the basic mechanisms of plant tolerance to their combined stress are much less known.



Materials and methods

To investigate the effect of foliar spraying of melatonin and nutrients on barley cultivars under conditions of waterlogging stress with salt water, a factorial experiment with 3 factors in the form of a completely randomized design with six replications in pots in the open environment in two crop years 1400-1401 and was executed in 1401-1402. The test factors include four cultivars of barley (Mahor, Auxin, Sahra, Fardan), waterlogging stress with salt water (two levels: no stress and applied stress), foliar application of melatonin and nutrients (three levels: no foliar application, foliar application in It was the stage of tillering and stemming. In this study, various parameters including root length and volume, and dry weight of root and shoot were measured. Also, the ratio of root weight to shoot weight, iron and manganese concentration, and the ratio of sodium to potassium, calcium to potassium, and nitrogen to potassium were scrutinized and analyzed.



Results and discussion:

The results in four varieties of barley showed that waterlogging with salt water caused a decrease of 9.4 cm in root length, 0.2 cubic cm in root volume, 0.5 g in root dry weight, and 0.4 g in dry weight. Shoots, the root-to-shoot ratio was 7.8, the ratio of calcium to potassium was 0.01, the ratio of nitrogen to potassium was 0.18, the amount of iron was increased by 8 mg/kg, and the amount of manganese was 11 mg/kg, and the difference in the ratio Sodium to potassium reached 11. Foliar application of nutrients and melatonin reduced the effects of stress and improved plant growth, and root length and volume were 14.5, 11.3, 15.3, 16.4 cm, and 2.78, 24 cm respectively. 2.2, 4.18, and 3.43 cubic centimeters corresponding to Mahor, Axin, Sahra, and Fardan cultivars after foliar spraying at the tillering stage to 19.2, 15.7, 19.9 and 21 centimeters and 4.36, 3.73, 5.73 and 4.98 cubic centimeters improved. Also, the amounts of iron and manganese in the roots under stress conditions were 13.25, 12.75, 12.83, and 13.42 mg/kg and 17, 17.5, 18.33, and 16 mg/kg, respectively. Regarding Mahur, Axin, Sahra, and Fardan cultivars after foliar spraying in the tillering stage iron to 7.75, 8.08, 7.92, and 7.67 mg/kg, and manganese to 11.42, 5. 12, 10.67 and 12.08 mg/kg decreased.



Conclusions:

Waterlogging and salinity stress significantly affected root and shoot growth and led to an imbalance in ion homeostasis. The use of nutrients and melatonin in waterlogging stress with salt water reduced the negative effects of stress through different mechanisms, improving growth parameters and ionic homeostasis in roots and aerial organs. Regarding the concentration of iron and manganese, it can be pointed out that spraying reduces the concentration of these elements under stress and reduces the possibility of toxicity. It should also be noted that foliar spraying was much more effective at the tillering stage than at the stemming stage, which was probably due to the longer duration of the melatonin effect, the absorption of more nutrients, and the regeneration of tissues. Therefore, spraying melatonin and nutrients can be considered as a suitable solution to reduce the damage of this stress in barley cultivars.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Root length
  • Root volume
  • Root elements
  • Tillering
  • Ion homeostasis

مراجع

1.Chen, L., Li, C., Feng, Q., Wei, Y., Zheng, H., Zhao, Y., & Li, H. (2017). Shifts in soil microbial metabolic activities and community structures along a salinity gradient of irrigation water in a typical arid region of China. Science of the Total Environment, 598, 64-70.
2.Munns, R., & Gilliham, M. (2015). Salinity tolerance of crops–what is the cost?. New phytologist, 208(3), 668-673.
3.Waidmann, S., Sarkel, E., & Kleine-Vehn, J. (2020). Same same, but different: growth responses of primary and lateral roots. Journal of Experimental Botany, 71(8), 2397-2411.
4.Galeshi, S., Modares Sanavi, A., & Tahmasbi, Z. (2000). Influence of flooding stress on nitrogen growth and stabilization in Groundwater Clover (Trifolium subterraneum). Journal of Agricultural Sciences and Natural Resources, 7(4), 107-112. [In Persian with English summary]
5.Herzog, M., Striker, G. G., Colmer, T. D., & Pedersen, O. (2016). Mechanisms of waterlogging tolerance in wheat–a review of root and shoot physiology. Plant, cell & environment, 39(5), 1068-1086.
6.Shahkoomahali, H., Galeshi, S., Soltani, A., & Zeinali, E. (2020). Effects of flooding stress in two tillering and stem elongation stages on grain yield and its components in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Crop Production, 13(2), 1-16.
7.Barrett-Lennard, E. G., & Shabala, S. N. (2013). The waterlogging/salinity interaction in higher plants revisited–focusing on the hypoxia-induced disturbance to K+ homeostasis. Functional Plant Biology, 40(9), 872-882.
8.Li, Y., Zhang, Y., Feng, F., Liang, D., Cheng, L., Ma, F., & Shi, S. (2010). Overexpression of a Malus vacuolar Na+/H+ antiporter gene (MdNHX1) in apple rootstock M. 26 and its influence on salt tolerance. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 102, 337-345.
9.Wu, Q., Su, N., Huang, X., Cui, J., Shabala, L., Zhou, M., Yu, M., & Shabala, S. (2021). Hypoxia-induced increase in GABA content is essential for restoration of membrane potential and preventing ROS-induced disturbance to ion homeostasis. Plant Communications, 2(3).
10.Colmer, T. D., & Greenway, H. (2011). Ion transport in seminal and adventitious roots of cereals during O2 deficiency. Journal of Experimental Botany, 62(1), 39-57.
11.Dubbels, R., Reiter, R. J., Klenke, E., Goebel, A., Schnakenberg, E., Ehlers, C., & Schloot, W. (1995). Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography‐mass spectrometry. Journal of pineal research, 18(1), 28-31.
12.Wang, L., Feng, C., Zheng, X., Guo, Y., Zhou, F., Shan, D., & Kong, J. (2017). Plant mitochondria synthesize melatonin and enhance the tolerance of plants to drought stress. Journal of pineal research, 63(3), e12429.
13.Sun, C., Liu, L., Wang, L., Li, B., Jin, C., & Lin, X. (2021). Melatonin: A master regulator of plant development and stress responses. Journal of Integrative Plant Biology, 63(1), 126-145.
14.Li, C., Wang, P., Wei, Z., Liang, D., Liu, C., Yin, L., & Ma, F. (2012). The mitigation effects of exogenous melatonin on salinity‐induced stress in Malus hupehensis. Journal of pineal research, 53(3), 298-306.
15.Wang, M., Zhang, S., & Ding, F. (2020). Melatonin mitigates chilling-induced oxidative stress and photosynthesis inhibition in tomato plants. Antioxidants, 9(3), 218.
16.Gul, N., Haq, Z. U., Ali, H., Munsif, F., Hassan, S. S. U., & Bungau, S. (2022). Melatonin pretreatment alleviated inhibitory effects of drought stress by enhancing anti-oxidant activities and accumulation of higher proline and plant pigments and improving maize productivity. Agronomy, 12(10), 2398.
17.Zhang, Q., Liu, X., Zhang, Z., Liu, N., Li, D., & Hu, L. (2019). Melatonin improved waterlogging tolerance in alfalfa (Medicago sativa) by reprogramming polyamine and ethylene metabolism. Frontiers in plant science, 10, 44.
18.Lu, X., Min, W., Shi, Y., Tian, L., Li, P., Ma, T., & Luo, C. (2022). Exogenous melatonin alleviates alkaline stress by removing reactive oxygen species and promoting antioxidant defence in rice seedlings. Frontiers in Plant Science, 13, 849553.
19.Martinez, V., Nieves-Cordones, M., Lopez-Delacalle, M., Rodenas, R., Mestre, T. C., Garcia-Sanchez, F., & Rivero, R. M. (2018). Tolerance to stress combination in tomato plants: new insights in the protective role of melatonin. Molecules, 23(3), 535.
20.Kobylińska, A., Borek, S., & Posmyk, M. M. (2018). Melatonin redirects carbohydrates metabolism during sugar starvation in plant cells. Journal of Pineal Research, 64(4), e12466.
21.Sun, C., Lv, T., Huang, L., Liu, X., Jin, C., & Lin, X. (2020). Melatonin ameliorates aluminum toxicity through enhancing aluminum exclusion and reestablishing redox homeostasis in roots of wheat. Journal of Pineal Research, 68(4), e12642.
22.Zheng, X., Zhou, J., Tan, D. X., Wang, N., Wang, L., Shan, D., & Kong, J. (2017). Melatonin improves waterlogging tolerance of Malus baccata (Linn.) Borkh. seedlings by maintaining aerobic respiration, photosynthesis and ROS migration. Frontiers in plant science, 8, 483.
23.Zeng, W., Mostafa, S., Lu, Z., & Jin, B. (2022). Melatonin-mediated abiotic stress tolerance in plants. Frontiers in plant science, 13, 847175.
24.Gu, X., Xue, L., Lu, L., Xiao, J., Song, G., Xie, M., & Zhang, H. (2021). Melatonin enhances the waterlogging tolerance of Prunus persica by modulating antioxidant metabolism and anaerobic respiration. Journal of Plant Growth Regulation, 40, 2178-2190.
25.Wei, W., Li, Q. T., Chu, Y. N., Reiter, R. J., Yu, X. M., Zhu, D. H., & Chen,
S. Y. (2015). Melatonin enhances plant growth and abiotic stress tolerance in soybean plants. Journal of experimental botany, 66(3), 695-707.
26.Liang, C., Li, A., Yu, H., Li, W., Liang, C., Guo, S., & Chu, C. (2017). Melatonin regulates root architecture by modulating auxin response in rice. Frontiers in Plant Science, 8, 134.
27.Wen, D., Gong, B., Sun, S., Liu, S., Wang, X., Wei, M., & Shi, Q. (2016). Promoting roles of melatonin in adventitious root development of Solanum lycopersicum L. by regulating auxin and nitric oxide signaling. Frontiers in plant science, 7, 718.
28.Ahmad, S., Kamran, M., Zhou, X., Ahmad, I., Meng, X., Javed, T., & Han, Q. (2021). Melatonin improves the seed filling rate and endogenous hormonal mechanism in grains of summer maize. Physiologia Plantarum, 172(2), 1059-1072.
29.de Medeiros, W. J. F., de Oliveira, F. Í. F., de Lacerda, C. F., de Sousa, C. H. C., Cavalcante, L. F., da Silva, A. R. A., & da Silva Ferreira, J. F. (2018). Isolated and combined effects of soil salinity and waterlogging in seedlings of'Green Dwarf'coconut. Semina: Ciências Agrárias, 39(4), 1459-1468.
30.Chen, J., Li, H., Yang, K., Wang, Y., Yang, L., Hu, L., & Shi, Z. (2019). Melatonin facilitates lateral root development by coordinating PAO-derived hydrogen peroxide and Rboh-derived superoxide radical. Free Radical Biology and Medicine, 143, 534-544.
31.Zhang, N., Sun, Q., Zhang, H., Cao, Y., Weeda, S., Ren, S., & Guo, Y. D. (2015). Roles of melatonin in abiotic stress resistance in plants. Journal of experimental botany, 66(3), 647-656.
32.Zhang, N., Zhao, B., Zhang, H. J., Weeda, S., Yang, C., Yang, Z. C., & Guo, Y. D. (2013). Melatonin promotes water‐stress tolerance, lateral root formation, and seed germination in cucumber (Cucumis sativus L.). Journal of pineal research, 54(1), 15-23.
33.Chen, Q., Qi, W. B., Reiter, R. J., Wei, W., & Wang, B. M. (2009). Exogenously applied melatonin stimulates root growth and raises endogenous indoleacetic acid in roots of etiolated seedlings of Brassica juncea. Journal of plant physiology, 166(3), 324-328.
34.Liu, J., Wang, J., Zhang, T., Li, M., Yan, H., Liu, Q., & Zhao, Q. (2023). Exogenous melatonin positively regulates rice root growth through promoting the antioxidant system and mediating the auxin signaling under root-zone hypoxia stress. Agronomy, 13(2), 386.
35.Duan, H., Ma, Y., Liu, R., Li, Q., Yang, Y., & Song, J. (2018). Effect of combined waterlogging and salinity stresses on euhalophyte Suaeda glauca. Plant Physiology and Biochemistry, 127, 231-237.
36.Tahjib-Ul-Arif, M., Hasan, M. T., Rahman, M. A., Nuruzzaman, M., Rahman, A. S., Hasanuzzaman, M., & Brestic, M. (2023). Plant response to combined salinity and waterlogging stress: Current research progress and future prospects. Plant Stress, 7, 100137.
37.Mohamadnezhad, Y., & Galeshi, S. (2019). Effects of salinity and drought on growth, water use efficiency and sodium and potassium concentrations of two irrigated and rain-fed spring wheat genotypes. Journal of Crop Production, 12(1), 23-46.
38.Millaleo, R., Reyes-Díaz, M., Ivanov, A. G., Mora, M. L., & Alberdi, M. (2010). Manganese as essential and toxic element for plants: transport, accumulation and resistance mechanisms. Journal of soil science and plant nutrition, 10(4), 470-481.
39.Führs, H., Behrens, C., Gallien, S., Heintz, D., Van Dorsselaer, A., Braun, H. P., & Horst, W. J. (2010). Physiological and proteomic characterization of manganese sensitivity and tolerance in rice (Oryza sativa) in comparison with barley (Hordeum vulgare). Annals of Botany, 105(7), 1129-1140.
40.Zeng, F., Shabala, L., Zhou, M., Zhang, G., & Shabala, S. (2013). Barley responses to combined waterlogging and salinity stress: separating effects of oxygen deprivation and elemental toxicity. Frontiers in Plant Science, 4, 313.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 32، شماره 3
مهر 1404
صفحه 117-133

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار