تُستخدم منظمات نمو النبات كاستراتيجية للحد من الإجهاد الحراري في محاصيل متنوعة.

يتراجع إنتاج الأرز بسبب تغير المناخ وتقلباته في كولومبيا.منظمات نمو النباتاستُخدمت هذه الأساليب كاستراتيجية للحد من الإجهاد الحراري في محاصيل متنوعة. ولذلك، هدفت هذه الدراسة إلى تقييم التأثيرات الفيزيولوجية (التوصيل الثغري، ومحتوى الكلوروفيل الكلي، ونسبة Fv/Fm) لنوعين تجاريين من الأرز تعرضا لإجهاد حراري مُركّب (درجات حرارة عالية نهارًا وليلًا)، ودرجة حرارة الغطاء النباتي، والمحتوى المائي النسبي) والمتغيرات البيوكيميائية (محتوى مالونديالدهيد (MDA) وحمض البرولينيك). أُجريت التجربتان الأولى والثانية باستخدام نباتات من نوعين من الأرز، هما فيديرروز 67 ("F67") وفيديرروز 2000 ("F2000") على التوالي. تم تحليل التجربتين معًا كسلسلة من التجارب. وكانت المعاملات المُعتمدة كما يلي: المجموعة الضابطة المطلقة (AC) (نباتات أرز نُمت في درجات حرارة مثالية (30/25 درجة مئوية نهارًا/ليلًا))، ومجموعة التحكم في الإجهاد الحراري (SC) [نباتات أرز تعرضت لإجهاد حراري مُركّب فقط (40/25 درجة مئوية)]. تم تعريض نباتات الأرز للإجهاد الحراري (30 درجة مئوية) مرتين (قبل 5 أيام من الإجهاد الحراري و5 أيام بعده)، ثم رُشّت بمنظمات نمو نباتية (الإجهاد + AUX، الإجهاد + BR، الإجهاد + CK، أو الإجهاد + GA). أدى الرش بحمض الساليسيليك (SA) إلى زيادة محتوى الكلوروفيل الكلي في كلا الصنفين (بلغ الوزن الطازج لنباتات الأرز "F67" و"F2000" 3.25 و3.65 ملغم/غ على التوالي) مقارنةً بنباتات المجموعة الضابطة (SC) (بلغ الوزن الطازج لنباتات "F67" 2.36 و2.56 ملغم/غ). كما حسّن الرش الورقي بـ CK بشكل عام من التوصيل الثغري لنباتات الأرز "F2000" (499.25 مقابل 150.60 مليمول/م² ثانية) مقارنةً بمجموعة التحكم. عند تعرض نباتات الأرز "F2000" للإجهاد الحراري، تنخفض درجة حرارة تاج النبات بمقدار 2-3 درجات مئوية، وينخفض ​​محتوى MDA في النباتات. يُظهر مؤشر التحمل النسبي أن الرش الورقي بمبيد CK (بنسبة 97.69%) ومبيد BR (بنسبة 60.73%) يُسهم في تخفيف مشكلة الإجهاد الحراري المُركب، وخاصةً في نباتات الأرز من صنف F2000. وختامًا، يُمكن اعتبار الرش الورقي بمبيد BR أو CK استراتيجية زراعية فعّالة للحد من الآثار السلبية للإجهاد الحراري المُركب على السلوك الفسيولوجي لنباتات الأرز.
ينتمي الأرز (Oryza sativa) إلى الفصيلة النجيلية، وهو من أكثر الحبوب زراعةً في العالم إلى جانب الذرة والقمح (باجاج وموهانتي، 2005). تبلغ مساحة الأراضي المزروعة بالأرز 617,934 هكتارًا، وبلغ الإنتاج الوطني في عام 2020 ما مقداره 2,937,840 طنًا بمتوسط ​​إنتاجية 5.02 طن/هكتار (الاتحاد الوطني للأرز، 2021).
يؤثر الاحتباس الحراري على محاصيل الأرز، مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من الضغوطات غير الحيوية، مثل ارتفاع درجات الحرارة وفترات الجفاف. يتسبب تغير المناخ في ارتفاع درجات الحرارة العالمية؛ إذ من المتوقع أن ترتفع درجات الحرارة بمقدار 1.0 إلى 3.7 درجة مئوية في القرن الحادي والعشرين، مما قد يزيد من تواتر وشدة الإجهاد الحراري. وقد أثر ارتفاع درجات الحرارة البيئية على الأرز، مما أدى إلى انخفاض غلة المحاصيل بنسبة 6-7%. من ناحية أخرى، يؤدي تغير المناخ أيضًا إلى ظروف بيئية غير مواتية للمحاصيل، مثل فترات الجفاف الشديد أو ارتفاع درجات الحرارة في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي ظواهر التقلبات المناخية، مثل ظاهرة النينيو، إلى الإجهاد الحراري وتفاقم تلف المحاصيل في بعض المناطق الاستوائية. في كولومبيا، من المتوقع أن ترتفع درجات الحرارة في مناطق إنتاج الأرز بمقدار 2-2.5 درجة مئوية بحلول عام 2050، مما يقلل من إنتاج الأرز ويؤثر على تدفق المنتجات إلى الأسواق وسلاسل التوريد.
تُزرع معظم محاصيل الأرز في مناطق تكون فيها درجات الحرارة قريبة من النطاق الأمثل لنمو المحصول (شاه وآخرون، 2011). وقد ذُكر أن متوسط ​​درجات الحرارة المثلى ليلاً ونهاراً لـنمو وتطور الأرزتتراوح درجات الحرارة المثلى عمومًا بين 28 و22 درجة مئوية على التوالي (كيلاسي وآخرون، 2018؛ كالديرون-بايز وآخرون، 2021). ويمكن أن تتسبب درجات الحرارة التي تتجاوز هذه العتبات في فترات من الإجهاد الحراري المتوسط ​​إلى الشديد خلال المراحل الحساسة من نمو الأرز (التفرع، الإزهار، التزهير، وامتلائها)، مما يؤثر سلبًا على محصول الحبوب. ويعود هذا الانخفاض في المحصول بشكل رئيسي إلى فترات الإجهاد الحراري الطويلة، التي تؤثر على فسيولوجيا النبات. ونظرًا لتفاعل عوامل مختلفة، مثل مدة الإجهاد ودرجة الحرارة القصوى التي تم بلوغها، يمكن أن يتسبب الإجهاد الحراري في مجموعة من الأضرار التي لا رجعة فيها لعمليات التمثيل الغذائي ونمو النبات.
يؤثر الإجهاد الحراري على العديد من العمليات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية في النباتات. وتُعدّ عملية التمثيل الضوئي في الأوراق من أكثر العمليات حساسيةً للإجهاد الحراري في نباتات الأرز، حيث ينخفض ​​معدل التمثيل الضوئي بنسبة 50% عندما تتجاوز درجات الحرارة اليومية 35 درجة مئوية. وتختلف الاستجابات الفيزيولوجية لنباتات الأرز تبعًا لنوع الإجهاد الحراري. فعلى سبيل المثال، تنخفض معدلات التمثيل الضوئي والتوصيل الثغري عندما تتعرض النباتات لدرجات حرارة عالية خلال النهار (33-40 درجة مئوية) أو لدرجات حرارة عالية خلال النهار والليل (35-40 درجة مئوية نهارًا، و28-30 درجة مئوية ليلًا) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). وتؤدي درجات الحرارة الليلية المرتفعة (30 درجة مئوية) إلى تثبيط معتدل لعملية التمثيل الضوئي، ولكنها تزيد من التنفس الليلي (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). بغض النظر عن فترة الإجهاد، يؤثر الإجهاد الحراري أيضًا على محتوى الكلوروفيل في الأوراق، ونسبة الفلورة المتغيرة للكلوروفيل إلى أقصى فلورة للكلوروفيل (Fv/Fm)، وتنشيط روبيسكو في نباتات الأرز (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). (Sanchez Reynoso et al., 2014).
تُعدّ التغيرات البيوكيميائية جانبًا آخر من جوانب تكيف النبات مع الإجهاد الحراري (وحيد وآخرون، 2007). وقد استُخدم محتوى البرولين كمؤشر بيوكيميائي لإجهاد النبات (أحمد وحسن، 2011). يلعب البرولين دورًا هامًا في استقلاب النبات، إذ يعمل كمصدر للكربون أو النيتروجين، وكمثبت للأغشية في ظروف درجات الحرارة المرتفعة (سانشيز-رينوسو وآخرون، 2014). كما تؤثر درجات الحرارة المرتفعة على استقرار الأغشية من خلال بيروكسدة الدهون، مما يؤدي إلى تكوين مالونديالدهيد (MDA) (وحيد وآخرون، 2007). لذلك، استُخدم محتوى MDA أيضًا لفهم السلامة الهيكلية لأغشية الخلايا تحت الإجهاد الحراري (كاو وآخرون، 2009؛ تشافيز-أرياس وآخرون، 2018). وأخيرًا، أدى الإجهاد الحراري المشترك [37/30 درجة مئوية (نهارًا/ليلاً)] إلى زيادة نسبة تسرب الإلكتروليت ومحتوى مالونديالدهيد في الأرز (ليو وآخرون، 2013).
تم تقييم استخدام منظمات نمو النبات للتخفيف من الآثار السلبية للإجهاد الحراري، حيث تشارك هذه المواد بفعالية في استجابات النبات أو آليات الدفاع الفسيولوجية ضد هذا الإجهاد (Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Ahmed et al., 2015). وقد كان للتطبيق الخارجي للموارد الوراثية تأثير إيجابي على تحمل الإجهاد الحراري في محاصيل متنوعة. وأظهرت الدراسات أن الهرمونات النباتية مثل الجبريلينات (GA) والسيتوكينينات (CK) والأوكسينات (AUX) والبراسينوستيرويدات (BR) تؤدي إلى زيادة في العديد من المتغيرات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية (Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al. Ren, 2011; Mitler et al., 2014). في كولومبيا، لم يُفهم تطبيق الموارد الوراثية الخارجية وتأثيره على محاصيل الأرز فهمًا كاملًا ولم يُدرس بشكل كافٍ. ومع ذلك، أظهرت دراسة سابقة أن رش أوراق الأرز بمادة البرسينو براسينول (BR) يمكن أن يحسن تحمل الأرز من خلال تحسين خصائص تبادل الغازات، ومحتوى الكلوروفيل أو البرولين في أوراق شتلات الأرز (كوينتيرو-كالديرون وآخرون، 2021).
تُساهم السيتوكينينات في استجابات النباتات للإجهادات اللاأحيائية، بما في ذلك الإجهاد الحراري (ها وآخرون، 2012). بالإضافة إلى ذلك، أشارت التقارير إلى أن التطبيق الخارجي للسيتوكينينات يُمكن أن يُقلل من الأضرار الحرارية. على سبيل المثال، أدى التطبيق الخارجي للزياتين إلى زيادة معدل التمثيل الضوئي، ومحتوى الكلوروفيل أ وب، وكفاءة نقل الإلكترون في عشب البنتغراس الزاحف (أغروتيس إستولونيفيرا) أثناء الإجهاد الحراري (شو وهوانغ، 2009؛ جيسبرسن وهوانغ، 2015). كما يُمكن للتطبيق الخارجي للزياتين أن يُحسّن النشاط المضاد للأكسدة، ويُعزز تخليق العديد من البروتينات، ويُقلل من أضرار أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وإنتاج مالونديالدهيد (MDA) في أنسجة النبات (تشيرنيادييف، 2009؛ يانغ وآخرون، 2009، 2016؛ كومار وآخرون، 2020).
أظهر استخدام حمض الجبريليك استجابة إيجابية للإجهاد الحراري. فقد بينت الدراسات أن عملية التخليق الحيوي لحمض الجبريليك تُحفز مسارات أيضية متنوعة، مما يزيد من تحمل النباتات لدرجات الحرارة المرتفعة (ألونسو-راميريز وآخرون، 2009؛ خان وآخرون، 2020). ووجد عبد النبي وآخرون (2020) أن رش أوراق أشجار البرتقال بحمض الجبريليك الخارجي (بتركيز 25 أو 50 ملغم/لتر) يزيد من معدل التمثيل الضوئي ونشاط مضادات الأكسدة فيها، مقارنةً بالنباتات غير المعالجة. كما لوحظ أن التطبيق الخارجي لحمض الهيوميك يزيد من نسبة الرطوبة، ومحتوى الكلوروفيل والكاروتينات، ويقلل من بيروكسدة الدهون في نخيل التمر (فينيكس داكتيليفيرا) تحت ظروف الإجهاد الحراري (خان وآخرون، 2020). ويلعب الأوكسين أيضًا دورًا هامًا في تنظيم استجابات النمو التكيفية لدرجات الحرارة المرتفعة (صن وآخرون، 2012؛ وانغ وآخرون، 2016). يعمل منظم النمو هذا كعلامة حيوية في عمليات متنوعة، مثل تخليق البرولين أو تحلله تحت ظروف الإجهاد اللاأحيائي (علي وآخرون، 2007). إضافةً إلى ذلك، يعزز AUX النشاط المضاد للأكسدة، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى MDA في النباتات نتيجةً لانخفاض بيروكسدة الدهون (بيلاش وآخرون، 2017). لاحظ سيرجيف وآخرون (2018) أنه في نباتات البازلاء (Pisum sativum) المعرضة للإجهاد الحراري، يزداد محتوى البرولين (ثنائي ميثيل أمينو إيثوكسي كربونيل ميثيل) نافثيل كلوروميثيل إيثر (TA-14). وفي التجربة نفسها، لاحظوا أيضًا انخفاض مستويات MDA في النباتات المعالجة مقارنةً بالنباتات غير المعالجة بـ AUX.
تُعدّ البراسينوستيرويدات فئة أخرى من منظمات النمو تُستخدم للتخفيف من آثار الإجهاد الحراري. أفاد أوغوينو وآخرون (2008) أن رش البراسينوستيرويدات خارجيًا زاد من معدل التمثيل الضوئي الصافي، والتوصيل الثغري، وأقصى معدل لكربوكسلة إنزيم روبيسكو في نباتات الطماطم (Solanum lycopersicum) المعرضة للإجهاد الحراري لمدة 8 أيام. كما أن رش الإيبيبراسينوستيرويدات على أوراق نباتات الخيار (Cucumis sativus) المعرضة للإجهاد الحراري يُمكن أن يزيد من معدل التمثيل الضوئي الصافي (يو وآخرون، 2004). بالإضافة إلى ذلك، يُؤخر التطبيق الخارجي للبراسينوستيرويدات تحلل الكلوروفيل، ويزيد من كفاءة استخدام الماء، وأقصى مردود كمي للكيمياء الضوئية للنظام الضوئي الثاني (PSII) في النباتات المعرضة للإجهاد الحراري (هولا وآخرون، 2010؛ توساغونبانيت وآخرون، 2015).
بسبب تغير المناخ وتقلبه، تواجه محاصيل الأرز فترات من درجات الحرارة اليومية المرتفعة (Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). في الأنماط الظاهرية للنباتات، تمت دراسة استخدام المغذيات النباتية أو المنشطات الحيوية كاستراتيجية للتخفيف من الإجهاد الحراري في مناطق زراعة الأرز (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). بالإضافة إلى ذلك، يُعد استخدام المتغيرات البيوكيميائية والفسيولوجية (درجة حرارة الأوراق، والتوصيل الثغري، ومعايير فلورة الكلوروفيل، ومحتوى الكلوروفيل والماء النسبي، وتخليق مالونديالدهيد والبرولين) أداةً موثوقةً لفحص نباتات الأرز تحت الإجهاد الحراري محليًا ودوليًا (سانشيز-رينوسو وآخرون، 2014؛ ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2017). ومع ذلك، لا تزال الأبحاث حول استخدام الرش الورقي بالهرمونات النباتية في الأرز على المستوى المحلي نادرة. لذلك، تُعد دراسة التفاعلات الفسيولوجية والبيوكيميائية لتطبيق منظمات نمو النبات ذات أهمية بالغة لاقتراح استراتيجيات زراعية عملية لمعالجة الآثار السلبية لفترة من الإجهاد الحراري المعقد في الأرز. وعليه، كان الغرض من هذه الدراسة هو تقييم التأثيرات الفسيولوجية (التوصيل الثغري، ومعايير فلورة الكلوروفيل، ومحتوى الماء النسبي) والبيوكيميائية للتطبيق الورقي لأربعة منظمات نمو نباتية (AUX، CK و GA و BR). (أصباغ التمثيل الضوئي، ومحتوى مالونديالدهيد والبرولين) متغيرات في نوعين من الأرز التجاري تعرضا للإجهاد الحراري المشترك (درجات حرارة عالية نهارًا/ليلاً).
في هذه الدراسة، أُجريت تجربتان مستقلتان. استُخدمت لأول مرة بذور النمطين الوراثيين فيديرروز 67 (F67: نمط وراثي طُوّر في درجات حرارة عالية خلال العقد الماضي) وفيديرروز 2000 (F2000: نمط وراثي طُوّر في العقد الأخير من القرن العشرين ويُظهر مقاومة لفيروس اصفرار الأوراق). يُزرع كلا النمطين الوراثيين على نطاق واسع من قِبل المزارعين الكولومبيين. زُرعت البذور في صوانٍ سعة 10 لترات (طول 39.6 سم، عرض 28.8 سم، ارتفاع 16.8 سم) تحتوي على تربة رملية طينية مع 2% من المواد العضوية. زُرعت خمس بذور مُنبتة مسبقًا في كل صينية. وُضعت المنصات في الدفيئة التابعة لكلية العلوم الزراعية في الجامعة الوطنية الكولومبية، فرع بوغوتا (43°50′56″ شمالاً، 74°04′051″ غرباً)، على ارتفاع 2556 متراً فوق مستوى سطح البحر، وأُجريت التجارب من أكتوبر إلى ديسمبر 2019. أُجريت تجربة واحدة (فيديروز 67) وتجربة ثانية (فيديروز 2000) في نفس موسم 2020.
كانت الظروف البيئية في البيوت الزجاجية خلال كل موسم زراعي كما يلي: درجة حرارة النهار 30/25 درجة مئوية، والرطوبة النسبية 60-80%، وفترة الإضاءة الطبيعية 12 ساعة (الإشعاع النشط ضوئيًا 1500 ميكرومول (فوتونات) م-2 ث-1). تم تسميد النباتات وفقًا لمحتوى كل عنصر بعد 20 يومًا من إنبات البذور، وفقًا لسانشيز-رينوسو وآخرون (2019): 670 ملغ نيتروجين لكل نبتة، 110 ملغ فسفور لكل نبتة، 350 ملغ بوتاسيوم لكل نبتة، 68 ملغ كالسيوم لكل نبتة، 20 ملغ مغنيسيوم لكل نبتة، 20 ملغ كبريت لكل نبتة، 17 ملغ سيليكون لكل نبتة. احتوت النباتات على 10 ملغ بورون لكل نبتة، 17 ملغ نحاس لكل نبتة، و44 ملغ زنك لكل نبتة. تمت رعاية نباتات الأرز حتى 47 يومًا بعد الإنبات في كل تجربة، حيث وصلت إلى المرحلة الفينولوجية V5 خلال هذه الفترة. أظهرت الدراسات السابقة أن هذه المرحلة الفينولوجية هي وقت مناسب لإجراء دراسات الإجهاد الحراري في الأرز (سانشيز-رينوسو وآخرون، 2014؛ ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2017).
في كل تجربة، تم تطبيق منظم نمو الأوراق مرتين منفصلتين. رُشّت المجموعة الأولى من الهرمونات النباتية على الأوراق قبل 5 أيام من تعريض النباتات للإجهاد الحراري (42 يومًا بعد الإنبات) لتحضيرها للإجهاد البيئي. ثم رُشّت المجموعة الثانية بعد 5 أيام من تعريض النباتات لظروف الإجهاد (52 يومًا بعد الإنبات). استُخدمت أربعة هرمونات نباتية، وخصائص كل مكون فعال رُشّ في هذه الدراسة مُدرجة في الجدول التكميلي 1. وكانت تركيزات منظمات نمو الأوراق المستخدمة كما يلي: (1) الأوكسين (حمض 1-نفثيل أسيتيك: NAA) بتركيز 5 × 10−5 مولار، (2) الجبريلين (حمض الجبريليك: NAA) بتركيز 5 × 10−5 مولار؛ GA3. (iii) السيتوكينين (ترانس-زياتين) 1 × 10⁻⁵ مولار، (iv) براسينوستيرويدات [سبيروستان-6-ون، 3،5-ثنائي هيدروكسي-، (3b،5a،25R)] 5 × 10⁻⁵ مولار. تم اختيار هذه التراكيز لأنها تحفز استجابات إيجابية وتزيد من مقاومة النبات للإجهاد الحراري (زاهر وآخرون، 2001؛ وين وآخرون، 2010؛ البسيوني وآخرون، 2012؛ صالحيفار وآخرون، 2017). عولجت نباتات الأرز التي لم تُرش بأي منظمات نمو نباتية بالماء المقطر فقط. رُشّت جميع نباتات الأرز بمرش يدوي. وُضع 20 مل من الماء على النبات لترطيب السطحين العلوي والسفلي للأوراق. استُخدم في جميع عمليات الرش الورقي مُساعد زراعي (أغروتين، باير كروب ساينس، كولومبيا) بنسبة 0.1% (حجم/حجم). المسافة بين الوعاء والبخاخ هي 30 سم.
تم تطبيق معالجات الإجهاد الحراري بعد 5 أيام من الرش الورقي الأول (47 يومًا بعد الإنبات) في كل تجربة. نُقلت نباتات الأرز من الدفيئة إلى غرفة نمو سعتها 294 لترًا (MLR-351H، سانيو، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية) لإحداث الإجهاد الحراري أو الحفاظ على نفس الظروف البيئية (47 يومًا بعد الإنبات). أُجريت معالجة الإجهاد الحراري المُركّب بضبط درجة حرارة الغرفة على النحو التالي: درجة حرارة عالية نهارًا [40 درجة مئوية لمدة 5 ساعات (من 11:00 إلى 16:00)] ودرجة حرارة عالية ليلًا [30 درجة مئوية لمدة 5 ساعات]، وذلك لمدة 8 أيام متتالية (من 19:00 إلى 24:00). تم اختيار درجة حرارة الإجهاد ومدة التعرض بناءً على دراسات سابقة (سانشيز-رينوسو وآخرون، 2014؛ ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2017). من ناحية أخرى، تم الاحتفاظ بمجموعة من النباتات التي تم نقلها إلى غرفة النمو في الدفيئة عند نفس درجة الحرارة (30 درجة مئوية خلال النهار / 25 درجة مئوية في الليل) لمدة 8 أيام متتالية.
في نهاية التجربة، تم الحصول على مجموعات المعالجة التالية: (1) ظروف درجة حرارة النمو + استخدام الماء المقطر [مجموعة التحكم المطلق (AC)]، (2) ظروف الإجهاد الحراري + استخدام الماء المقطر [مجموعة التحكم في الإجهاد الحراري (SC)]، (3) ظروف الإجهاد الحراري + استخدام الأوكسين (AUX)، (4) ظروف الإجهاد الحراري + استخدام الجبريلين (GA)، (5) ظروف الإجهاد الحراري + استخدام السيتوكينين (CK)، و(6) ظروف الإجهاد الحراري + استخدام البراسينيستيرويد (BR). (انظر الملحق). استُخدمت مجموعات المعالجة هذه لنمطين وراثيين (F67 وF2000). أُجريت جميع المعالجات وفق تصميم عشوائي كامل بخمسة تكرارات، يتكون كل منها من نبتة واحدة. استُخدمت كل نبتة لقراءة المتغيرات المحددة في نهاية التجربة. استمرت التجربة 55 يومًا بعد الإنبات.
تم قياس الموصلية الثغرية (gs) باستخدام جهاز قياس مسامية محمول (SC-1، METER Group Inc.، الولايات المتحدة الأمريكية) ضمن نطاق من 0 إلى 1000 مليمول/م² ثانية، بفتحة حجرة عينة قطرها 6.35 مم. تُجرى القياسات بتثبيت مسبار جهاز قياس الثغور على ورقة ناضجة عندما يكون الساق الرئيسي للنبات مكتمل النمو. لكل معاملة، تم أخذ قراءات gs على ثلاث أوراق من كل نبات بين الساعة 11:00 و 16:00، ثم تم حساب متوسط ​​القراءات.
تم تحديد المحتوى النسبي للماء (RWC) وفقًا للطريقة الموصوفة من قِبل غلام وآخرون (2002). استُخدمت الورقة المتمددة بالكامل، المستخدمة لتحديد الوزن النوعي (g)، لقياس المحتوى النسبي للماء أيضًا. تم تحديد الوزن الطازج (FW) مباشرةً بعد الحصاد باستخدام ميزان رقمي. وُضعت الأوراق بعد ذلك في وعاء بلاستيكي مملوء بالماء، وتُركت في الظلام عند درجة حرارة الغرفة (22 درجة مئوية) لمدة 48 ساعة. ثم وُزنت الأوراق على ميزان رقمي، وسُجل وزنها بعد التمدد (TW). جُففت الأوراق المتمددة في فرن عند 75 درجة مئوية لمدة 48 ساعة، وسُجل وزنها الجاف (DW).
تم تحديد المحتوى النسبي للكلوروفيل باستخدام مقياس الكلوروفيل (atLeafmeter، FT Green LLC، الولايات المتحدة الأمريكية) وعُبِّر عنه بوحدات atLeaf (Dey et al.، 2016). سُجِّلت قراءات الكفاءة الكمية القصوى للنظام الضوئي الثاني (نسبة Fv/Fm) باستخدام مقياس فلورية الكلوروفيل ذي الإثارة المستمرة (Handy PEA، Hansatech Instruments، المملكة المتحدة). تم تكييف الأوراق مع الظلام باستخدام مشابك الأوراق لمدة 20 دقيقة قبل قياسات Fv/Fm (Restrepo-Diaz and Garces-Varon، 2013). بعد تأقلم الأوراق مع الظلام، تم قياس خط الأساس (F0) والحد الأقصى للفلورة (Fm). انطلاقًا من هذه البيانات، حُسبت الفلورة المتغيرة (Fv = Fm – F0)، ونسبة الفلورة المتغيرة إلى الفلورة القصوى (Fv/Fm)، والعائد الكمي الأقصى للكيمياء الضوئية للنظام الضوئي الثاني (Fv/F0)، ونسبة Fm/F0 (بيكر، 2008؛ لي وآخرون، 2017). وقد أُخذت قراءات الكلوروفيل النسبي وفلورة الكلوروفيل على نفس الأوراق المستخدمة في قياسات gs.
تم جمع ما يقارب 800 ملغ من الوزن الطازج للأوراق كمتغيرات بيوكيميائية. ثم جُنِّست عينات الأوراق في النيتروجين السائل وحُفظت لمزيد من التحليل. تعتمد الطريقة الطيفية المستخدمة لتقدير محتوى الكلوروفيل أ، ب، والكاروتينات في الأنسجة على الطريقة والمعادلات التي وصفها ويلبورن (1994). جُمعت عينات من أنسجة الأوراق (30 ملغ) وجُنِّست في 3 مل من الأسيتون بتركيز 80%. ثم خُضعت العينات للطرد المركزي (طراز 420101، بيكتون ديكنسون للتشخيصات الأولية للرعاية الصحية، الولايات المتحدة الأمريكية) بسرعة 5000 دورة في الدقيقة لمدة 10 دقائق لإزالة الجزيئات. خُفِّف المحلول الطافي إلى حجم نهائي قدره 6 مل بإضافة الأسيتون بتركيز 80% (سيمز وجامون، 2002). تم تحديد محتوى الكلوروفيل عند 663 (الكلوروفيل أ) و 646 (الكلوروفيل ب) نانومتر، والكاروتينات عند 470 نانومتر باستخدام مطياف ضوئي (Spectronic BioMate 3 UV-vis، Thermo، الولايات المتحدة الأمريكية).
استُخدمت طريقة حمض الثيوبربيتوريك (TBA) الموصوفة من قِبل هودجز وآخرون (1999) لتقييم بيروكسدة دهون الأغشية (MDA). كما تم تجنيس حوالي 0.3 غرام من نسيج الورقة في النيتروجين السائل. خضعت العينات للطرد المركزي بسرعة 5000 دورة في الدقيقة، وقيس الامتصاص باستخدام مطياف ضوئي عند أطوال موجية 440 و532 و600 نانومتر. وأخيرًا، حُسب تركيز MDA باستخدام معامل الامتصاص (157 مول/مل).
تم تحديد محتوى البرولين في جميع المعالجات باستخدام الطريقة الموصوفة من قِبل بيتس وآخرون (1973). أُضيف 10 مل من محلول مائي بنسبة 3% من حمض السلفوساليسيليك إلى العينة المخزنة، ثم رُشِّح المحلول باستخدام ورق ترشيح واتمان (رقم 2). بعد ذلك، فُعِّل 2 مل من هذا الراشح مع 2 مل من حمض النينهيدريك و2 مل من حمض الخليك الجليدي. وُضِع المزيج في حمام مائي عند درجة حرارة 90 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. أُوقِف التفاعل بوضعه على الجليد. رُجَّ الأنبوب بقوة باستخدام جهاز رجّ دوامي، ثم أُذيب المحلول الناتج في 4 مل من التولوين. قُيِّست قراءات الامتصاص عند 520 نانومتر باستخدام نفس جهاز قياس الطيف الضوئي المستخدم لتحديد كمية أصباغ التمثيل الضوئي (Spectronic BioMate 3 UV-Vis، Thermo، ماديسون، ويسكونسن، الولايات المتحدة الأمريكية).
تم استخدام الطريقة الموصوفة من قِبل جيرهاردز وآخرون (2016) لحساب درجة حرارة الغطاء النباتي ومؤشر الإجهاد. تم التقاط صور حرارية باستخدام كاميرا FLIR 2 (شركة FLIR Systems Inc.، بوسطن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) بدقة ±2 درجة مئوية في نهاية فترة الإجهاد. وُضع سطح أبيض خلف النبات للتصوير. تم اعتبار نباتين كنموذجين مرجعيين. وُضعت النباتات على سطح أبيض؛ أحدهما مُغطى بمادة مساعدة زراعية (أغروتين، باير كروب ساينس، بوغوتا، كولومبيا) لمحاكاة فتح جميع الثغور [الوضع الرطب (Twet)]، والآخر عبارة عن ورقة غير مُعالجة [الوضع الجاف (Tdry)] (كاسترو-دوكي وآخرون، 2020). كانت المسافة بين الكاميرا والوعاء أثناء التصوير مترًا واحدًا.
تم حساب مؤشر التحمل النسبي بشكل غير مباشر باستخدام الموصلية الثغرية (gs) للنباتات المعالجة مقارنةً بالنباتات الضابطة (النباتات غير المعالجة بالإجهاد والنباتات المعالجة بمنظمات النمو) لتحديد مدى تحمل الأنماط الوراثية المعالجة التي تم تقييمها في هذه الدراسة. تم الحصول على مؤشر التحمل النسبي باستخدام معادلة معدلة من تشافيز-أرياس وآخرون (2020).
في كل تجربة، تم تحديد وتسجيل جميع المتغيرات الفيزيولوجية المذكورة أعلاه عند 55 يومًا بعد الإنبات باستخدام أوراق مكتملة النمو تم جمعها من الجزء العلوي من النبات. بالإضافة إلى ذلك، أُجريت القياسات في غرفة نمو لتجنب تغيير الظروف البيئية التي تنمو فيها النباتات.
تم تحليل بيانات التجربتين الأولى والثانية معًا كسلسلة من التجارب. تألفت كل مجموعة تجريبية من 5 نباتات، وشكّل كل نبات وحدة تجريبية. أُجري تحليل التباين (ANOVA) (P ≤ 0.05). عند الكشف عن فروق دالة إحصائيًا، استُخدم اختبار توكي للمقارنات اللاحقة عند P ≤ 0.05. استُخدمت دالة الجيب العكسي لتحويل القيم المئوية. حُللت البيانات باستخدام برنامج Statistix الإصدار 9.0 (Analytical Software، تالاهاسي، فلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية) ورُسمت باستخدام برنامج SigmaPlot (الإصدار 10.0؛ Systat Software، سان خوسيه، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية). أُجري تحليل المكونات الرئيسية باستخدام برنامج InfoStat 2016 (Analysis Software، الجامعة الوطنية في قرطبة، الأرجنتين) لتحديد أفضل منظمات نمو النبات قيد الدراسة.
يلخص الجدول 1 نتائج تحليل التباين (ANOVA) الذي يوضح التجارب والمعاملات المختلفة وتفاعلاتها مع أصباغ التمثيل الضوئي في الأوراق (الكلوروفيل أ، ب، الكلي، والكاروتينات)، ومحتوى مالونديالدهيد (MDA) والبرولين، والتوصيل الثغري. تأثير التوصيل الثغري، والمحتوى المائي النسبي (RWC)، ومحتوى الكلوروفيل، ومعاملات فلورة ألفا للكلوروفيل، ودرجة حرارة تاج النبات (PCT) (°C)، ومؤشر إجهاد المحصول (CSI)، ومؤشر التحمل النسبي لنباتات الأرز عند 55 يومًا بعد الإنبات.
الجدول 1. ملخص بيانات تحليل التباين (ANOVA) حول المتغيرات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية للأرز بين التجارب (الأنماط الوراثية) ومعاملات الإجهاد الحراري.
يوضح الجدول 2 الفروقات (P≤0.01) في تفاعلات أصباغ التمثيل الضوئي في الأوراق، ومحتوى الكلوروفيل النسبي (قراءات Atleaf)، ومعايير فلورة ألفا-كلوروفيل بين التجارب والمعاملات. وقد أدت درجات الحرارة المرتفعة نهارًا وليلًا إلى زيادة محتوى الكلوروفيل الكلي والكاروتينات. وأظهرت شتلات الأرز التي لم تُرشّ بأي هرمونات نباتية (2.36 ملغم/غ للصنف "F67" و2.56 ملغم/غ للصنف "F2000")، مقارنةً بالنباتات التي نُمت في ظروف درجة حرارة مثالية (2.67 ملغم/غ)، محتوىً أقل من الكلوروفيل الكلي. وفي كلتا التجربتين، بلغ محتوى الكلوروفيل الكلي 2.80 ملغم/غ في الصنف "F67" و2.80 ملغم/غ في الصنف "F2000". بالإضافة إلى ذلك، أظهرت شتلات الأرز المعالجة بمزيج من رذاذي AUX وGA تحت ظروف الإجهاد الحراري انخفاضًا في محتوى الكلوروفيل في كلا النمطين الوراثيين (AUX = 1.96 ملغم/غ وGA = 1.45 ملغم/غ للنمط "F67"؛ AUX = 1.96 ملغم/غ وGA = 1.45 ملغم/غ للنمط "F67"؛ AUX = 2.24 ملغم/غ وGA = 1.43 ملغم/غ للنمط "F2000") في ظل ظروف الإجهاد الحراري. وفي ظل ظروف الإجهاد الحراري، أدى الرش الورقي بـBR إلى زيادة طفيفة في هذا المتغير في كلا النمطين الوراثيين. أخيرًا، أظهر الرش الورقي بمحلول CK أعلى قيم لأصباغ التمثيل الضوئي بين جميع المعاملات (AUX، GA، BR، SC، وAC) في النمطين الوراثيين F67 (3.24 ملغم/غ) وF2000 (3.65 ملغم/غ). كما انخفض المحتوى النسبي للكلوروفيل (وحدة ورقة الذرة) نتيجة الإجهاد الحراري المُركّب. وسُجّلت أعلى القيم أيضًا في النباتات المرشوشة بمحلول CC في كلا النمطين الوراثيين (41.66 للنمط F67 و49.30 للنمط F2000). وأظهرت نسب Fv وFv/Fm اختلافاتٍ معنوية بين المعاملات والأصناف (الجدول 2). وبشكل عام، كان الصنف F67 أقل عرضةً للإجهاد الحراري من الصنف F2000 من بين هذه المتغيرات. وقد تأثرت نسب Fv وFv/Fm بشكلٍ أكبر في التجربة الثانية. أظهرت شتلات صنف "F2000" المُجهدة، والتي لم تُرش بأي هرمونات نباتية، أدنى قيم لـ Fv (2120.15) ونسب Fv/Fm (0.59)، إلا أن الرش الورقي بمحلول CK ساعد في استعادة هذه القيم (Fv: 2591.89، نسبة Fv/Fm: 0.73). وسجلت قراءات مماثلة لتلك المسجلة على نباتات "F2000" التي نُمت في ظروف درجة حرارة مثالية (Fv: 2955.35، نسبة Fv/Fm: 0.73:0.72). لم تُلاحظ فروق ذات دلالة إحصائية في الفلورة الأولية (F0)، والفلورة القصوى (Fm)، والعائد الكمي الضوئي الأقصى للنظام الضوئي الثاني (Fv/F0)، ونسبة Fm/F0. وأخيرًا، أظهر BR اتجاهًا مشابهًا لما لوحظ مع محلول CK (Fv: 2545.06، نسبة Fv/Fm: 0.73).
الجدول 2. تأثير الإجهاد الحراري المشترك (40 درجة مئوية/30 درجة مئوية نهارًا/ليلاً) على أصباغ التمثيل الضوئي للأوراق [الكلوروفيل الكلي (Chl Total)، الكلوروفيل أ (Chl a)، الكلوروفيل ب (Chl b) والكاروتينات Cx+c]، ومحتوى الكلوروفيل النسبي (وحدة أتليف)، ومعايير فلورة الكلوروفيل (الفلورة الأولية (F0)، والفلورة القصوى (Fm)، والفلورة المتغيرة (Fv)، والكفاءة القصوى للنظام الضوئي الثاني (Fv/Fm)، والعائد الكمي الضوئي الأقصى للنظام الضوئي الثاني (Fv/F0) وFm/F0 في نباتات من نمطين وراثيين للأرز [Federrose 67 (F67) وFederrose 2000 (F2000)] بعد 55 يومًا من الإنبات (DAE)).
أظهر المحتوى المائي النسبي (RWC) لنباتات الأرز المعالجة بطرق مختلفة اختلافاتٍ دالة إحصائيًا (P ≤ 0.05) في التفاعل بين المعاملات التجريبية والرش الورقي (الشكل 1أ). عند المعالجة بحمض الساليسيليك (SA)، سُجّلت أدنى القيم لكلا النمطين الوراثيين (74.01% للنمط F67 و76.6% للنمط F2000). في ظل ظروف الإجهاد الحراري، ازداد المحتوى المائي النسبي لنباتات الأرز من كلا النمطين الوراثيين المعالجة بهرمونات نباتية مختلفة بشكل ملحوظ. عمومًا، أدى الرش الورقي بـ CK أو GA أو AUX أو BR إلى زيادة المحتوى المائي النسبي إلى قيم مماثلة لتلك الموجودة في النباتات التي نُمت في ظل الظروف المثلى خلال التجربة. سجلت نباتات التحكم المطلق والنباتات المرشوشة ورقيًا قيمًا تقارب 83% لكلا النمطين الوراثيين. من ناحية أخرى، أظهر gs أيضًا اختلافات دالة إحصائيًا (P ≤ 0.01) في التفاعل بين التجربة والمعاملة (الشكل 1ب). سجلت نباتات المجموعة الضابطة (AC) أعلى قيم لـ g لكل نمط وراثي (440.65 مليمول/م²ث للنمط F67 و511.02 مليمول/م²ث للنمط F2000). في المقابل، أظهرت نباتات الأرز المعرضة للإجهاد الحراري المركب فقط أدنى قيم g لكلا النمطين الوراثيين (150.60 مليمول/م²ث للنمط F67 و171.32 مليمول/م²ث للنمط F2000). كما أدى الرش الورقي بجميع منظمات النمو النباتية إلى زيادة g. وكان تأثير الرش الورقي بالهرمونات النباتية أكثر وضوحًا في نباتات الأرز من النمط F2000 المرشوشة بـ CC. ولم تُظهر هذه المجموعة من النباتات أي اختلافات مقارنةً بنباتات المجموعة الضابطة (AC 511.02 وCC 499.25 مليمول/م²ث).
الشكل 1. تأثير الإجهاد الحراري المُركّب (40 درجة مئوية نهارًا / 30 درجة مئوية ليلًا) على المحتوى المائي النسبي (RWC) (أ)، والتوصيل الثغري (gs) (ب)، وإنتاج مالونديالدهيد (MDA) (ج)، ومحتوى البرولين (د) في نباتات من نمطين وراثيين للأرز (F67 وF2000) بعد 55 يومًا من الإنبات (DAE). شملت المعاملات المُقَيَّمة لكل نمط وراثي ما يلي: التحكم المطلق (AC)، والتحكم بالإجهاد الحراري (SC)، والإجهاد الحراري + الأوكسين (AUX)، والإجهاد الحراري + الجبريلين (GA)، والإجهاد الحراري + مُحفِّز انقسام الخلايا (CK)، والإجهاد الحراري + براسينوستيرويد (BR). يُمثِّل كل عمود المتوسط ​​± الخطأ المعياري لخمس نقاط بيانات (n = 5). تُشير الأعمدة التي تليها أحرف مختلفة إلى وجود فروق ذات دلالة إحصائية وفقًا لاختبار توكي (P ≤ 0.05). تُشير الأحرف التي تحمل علامة المساواة إلى أن المتوسط ​​غير ذي دلالة إحصائية (≤ 0.05).
أظهر محتوى MDA (P ≤ 0.01) والبرولين (P ≤ 0.01) اختلافاتٍ معنويةً في التفاعل بين التجربة ومعاملات الهرمونات النباتية (الشكل 1C، D). لوحظ ازدياد في بيروكسدة الدهون مع المعالجة بـ SC في كلا النمطين الوراثيين (الشكل 1C)، بينما أظهرت النباتات المعالجة برذاذ منظم نمو الأوراق انخفاضًا في بيروكسدة الدهون في كلا النمطين الوراثيين. بشكل عام، يؤدي استخدام الهرمونات النباتية (CA، AUC، BR أو GA) إلى انخفاض في بيروكسدة الدهون (محتوى MDA). لم تُلاحظ أي اختلافات بين نباتات AC من النمطين الوراثيين والنباتات المعرضة للإجهاد الحراري والمُرشّشة بالهرمونات النباتية (تراوحت قيم الوزن الطازج المُلاحظة في نباتات "F67" بين 4.38 و6.77 ميكرومول/غرام، وفي نباتات "F2000" بين 2.84 و9.18 ميكرومول/غرام). من ناحية أخرى، كان تخليق البرولين في نباتات "F67" أقل منه في نباتات "F2000" تحت الإجهاد المُركّب، مما أدى إلى زيادة إنتاج البرولين. في نباتات الأرز المُعرّضة للإجهاد الحراري، في كلتا التجربتين، لوحظ أن إعطاء هذه الهرمونات زاد بشكل ملحوظ من محتوى الأحماض الأمينية في نباتات F2000 (بلغت قيم AUX وBR 30.44 و18.34 ميكرومول/غرام على التوالي) (الشكل 1G).
يوضح الشكلان 2أ و2ب تأثير رش منظمات نمو النبات على الأوراق والإجهاد الحراري المُركّب على درجة حرارة غطاء النبات ومؤشر التحمل النسبي (RTI). بالنسبة لكلا النمطين الوراثيين، كانت درجة حرارة غطاء نباتات AC قريبة من 27 درجة مئوية، بينما كانت درجة حرارة غطاء نباتات SC حوالي 28 درجة مئوية. كما لوحظ أن المعالجة الورقية بـ CK وBR أدت إلى انخفاض في درجة حرارة غطاء النبات بمقدار 2-3 درجات مئوية مقارنةً بنباتات SC (الشكل 2أ). أظهر مؤشر التحمل النسبي سلوكًا مشابهًا للمتغيرات الفسيولوجية الأخرى، حيث أظهر اختلافات معنوية (P ≤ 0.01) في التفاعل بين التجربة والمعالجة (الشكل 2ب). أظهرت نباتات SC تحملًا أقل في كلا النمطين الوراثيين (34.18% و33.52% لنباتات الأرز "F67" و"F2000" على التوالي). يُحسّن التسميد الورقي بالهرمونات النباتية مؤشر التحمل النسبي في النباتات المعرضة للإجهاد الحراري العالي. كان هذا التأثير أكثر وضوحًا في نباتات "F2000" المرشوشة بمحلول CC، حيث بلغ مؤشر مقاومة النبات (RTI) 97.69. من ناحية أخرى، لوحظت اختلافات معنوية فقط في مؤشر إجهاد المحصول (CSI) لنباتات الأرز تحت ظروف إجهاد الرش الورقي (P ≤ 0.01) (الشكل 2ب). أظهرت نباتات الأرز المعرضة للإجهاد الحراري المركب أعلى قيمة لمؤشر الإجهاد (0.816). عند رش نباتات الأرز بهرمونات نباتية مختلفة، انخفض مؤشر الإجهاد (قيم من 0.6 إلى 0.67). أخيرًا، بلغت قيمة مؤشر الإجهاد في نبات الأرز المزروع في ظل الظروف المثلى 0.138.
الشكل 2. تأثير الإجهاد الحراري المُركّب (40 درجة مئوية نهارًا/30 درجة مئوية ليلًا) على درجة حرارة الغطاء النباتي (أ)، ومؤشر التحمل النسبي (RTI) (ب)، ومؤشر إجهاد المحصول (CSI) (ج) لنوعين من النباتات. خضعت سلالات الأرز التجارية (F67 وF2000) لمعاملات حرارية مختلفة. شملت المعاملات التي تم تقييمها لكل سلالة: التحكم المطلق (AC)، والتحكم في الإجهاد الحراري (SC)، والإجهاد الحراري مع الأوكسين (AUX)، والإجهاد الحراري مع الجبريلين (GA)، والإجهاد الحراري مع مُحفز انقسام الخلايا (CK)، والإجهاد الحراري مع البراسينيستيرويد (BR). يتضمن الإجهاد الحراري المُركّب تعريض نباتات الأرز لدرجات حرارة عالية نهارًا/ليلًا (40 درجة مئوية نهارًا/30 درجة مئوية ليلًا). يُمثل كل عمود المتوسط ​​± الخطأ المعياري لخمس نقاط بيانات (n = 5). تشير الأعمدة التي تليها أحرف مختلفة إلى وجود فروق ذات دلالة إحصائية وفقًا لاختبار توكي (P ≤ 0.05). تشير الأحرف التي تحمل علامة المساواة إلى أن المتوسط ​​ليس ذا دلالة إحصائية (≤ 0.05).
أظهر تحليل المكونات الرئيسية (PCA) أن المتغيرات المقاسة في اليوم 55 بعد الإنبات (DAE) تُفسر 66.1% من الاستجابات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية لنباتات الأرز المعرضة للإجهاد الحراري والمعالجة برذاذ منظمات النمو (الشكل 3). تمثل المتجهات المتغيرات، بينما تمثل النقاط منظمات نمو النبات (GRs). تقع متجهات gs، ومحتوى الكلوروفيل، والكفاءة الكمية القصوى للنظام الضوئي الثاني (Fv/Fm)، والمعايير الكيميائية الحيوية (TChl، وMDA، والبرولين) بزوايا قريبة من نقطة الأصل، مما يشير إلى وجود ارتباط قوي بين السلوك الفيزيولوجي للنباتات وهذه المتغيرات. شملت المجموعة الخامسة (V) شتلات الأرز التي نُمت في درجة الحرارة المثلى (AT) ونباتات F2000 المعالجة بـ CK وBA. في الوقت نفسه، شكلت غالبية النباتات المعالجة بمنظمات النمو مجموعة منفصلة (IV)، وشكلت المعالجة بـ GA في F2000 مجموعة منفصلة (II). في المقابل، وُجدت شتلات الأرز المعرضة للإجهاد الحراري (المجموعتان الأولى والثالثة) والتي لم تتعرض لأي رش ورقي بالهرمونات النباتية (كلا النمطين الوراثيين كانا من نوع SC) في منطقة معاكسة للمجموعة الخامسة، مما يدل على تأثير الإجهاد الحراري على فسيولوجيا النبات.
الشكل 3. تحليل بياني لتأثيرات الإجهاد الحراري المُركّب (40 درجة مئوية نهارًا / 30 درجة مئوية ليلًا) على نباتات نمطين وراثيين من الأرز (F67 وF2000) بعد 55 يومًا من الإنبات. الاختصارات: AC F67، المجموعة الضابطة F67؛ SC F67، المجموعة الضابطة للإجهاد الحراري F67؛ AUX F67، المجموعة F67 المُعرّضة للإجهاد الحراري والأوكسين؛ GA F67، المجموعة F67 المُعرّضة للإجهاد الحراري والجبريلين؛ CK F67، المجموعة F67 المُعرّضة للإجهاد الحراري وانقسام الخلايا؛ BR F67، المجموعة F67 المُعرّضة للإجهاد الحراري والبراسينوستيرويد؛ AC F2000، المجموعة الضابطة F2000؛ SC F2000، المجموعة F2000 المُعرّضة للإجهاد الحراري؛ AUX F2000، المجموعة F2000 المُعرّضة للإجهاد الحراري والجبريلين. CK F2000، الإجهاد الحراري + السيتوكينين، BR F2000، الإجهاد الحراري + الستيرويد النحاسي؛ F2000.
تُساعد متغيرات مثل محتوى الكلوروفيل، والتوصيل الثغري، ونسبة Fv/Fm، ومؤشر شدة الإجهاد الحراري (CSI)، وMDA، وRTI، ومحتوى البرولين، في فهم تكيف أنماط الأرز الوراثية وتقييم تأثير الاستراتيجيات الزراعية في ظل الإجهاد الحراري (سارسو وآخرون، 2018؛ كوينتيرو-كالديرون وآخرون، 2021). هدفت هذه التجربة إلى تقييم تأثير استخدام أربعة منظمات نمو على المعايير الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية لشتلات الأرز في ظل ظروف إجهاد حراري مُركبة. يُعد اختبار الشتلات طريقة بسيطة وسريعة للتقييم المتزامن لنباتات الأرز، وذلك اعتمادًا على حجم البنية التحتية المتاحة أو حالتها (سارسو وآخرون، 2018). أظهرت نتائج هذه الدراسة أن الإجهاد الحراري المُركب يُحفز استجابات فيزيولوجية وكيميائية حيوية مختلفة في نمطي الأرز الوراثيين، مما يُشير إلى عملية تكيف. تشير هذه النتائج أيضًا إلى أن رش منظمات نمو الأوراق (وخاصة السيتوكينينات والبراسينوستيرويدات) يساعد الأرز على التكيف مع الإجهاد الحراري المعقد حيث يؤثر بشكل رئيسي على gs و RWC و Fv/Fm والأصباغ الضوئية ومحتوى البرولين.
يُسهم استخدام منظمات النمو في تحسين حالة الماء في نباتات الأرز المعرضة للإجهاد الحراري، والذي قد يرتبط بزيادة الإجهاد وانخفاض درجة حرارة غطاء النبات. أظهرت هذه الدراسة أن نباتات الأرز من صنف "F2000" (النمط الوراثي المُعرَّض للإصابة) التي عولجت بشكل أساسي بـ CK أو BR، سجلت قيم gs أعلى وقيم PCT أقل من النباتات التي عولجت بـ SC. كما أظهرت دراسات سابقة أن gs وPCT مؤشران فسيولوجيان دقيقان يُمكنهما تحديد استجابة نباتات الأرز للتكيف وتأثير الاستراتيجيات الزراعية على الإجهاد الحراري (Restrepo-Diaz and Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero, Carr DeLong et al., 2021). يعزز هرمونا السيتوكينين (CK) والبراسينوستيرويد (BR) في الأوراق التوصيل الثغري (g) تحت ظروف الإجهاد، لأن هذه الهرمونات النباتية تحفز فتح الثغور من خلال تفاعلات تركيبية مع جزيئات إشارة أخرى مثل حمض الأبسيسيك (ABA) (الذي يحفز إغلاق الثغور تحت ظروف الإجهاد اللاأحيائي) (ماكوفا وآخرون، 2013؛ تشو وآخرون، 2013، 2014). ويساهم فتح الثغور في تبريد الأوراق ويساعد على خفض درجة حرارة الغطاء النباتي (سونجارون وآخرون، 2018؛ كوينتيرو-كالديرون وآخرون، 2021). لهذه الأسباب، قد تكون درجة حرارة الغطاء النباتي لنباتات الأرز المرشوشة بهرموني السيتوكينين أو البراسينوستيرويد أقل تحت ظروف الإجهاد الحراري المركب.
يمكن أن يؤدي الإجهاد الحراري المرتفع إلى تقليل محتوى أصباغ التمثيل الضوئي في الأوراق (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). في هذه الدراسة، عندما تعرضت نباتات الأرز للإجهاد الحراري دون رشها بأي منظمات نمو نباتية، لوحظ انخفاض في أصباغ التمثيل الضوئي في كلا النمطين الوراثيين (الجدول 2). كما أبلغ Feng et al. (2013) عن انخفاض ملحوظ في محتوى الكلوروفيل في أوراق نمطين وراثيين من القمح تعرضا للإجهاد الحراري. غالبًا ما يؤدي التعرض لدرجات حرارة عالية إلى انخفاض محتوى الكلوروفيل، وهو ما قد يعزى إلى انخفاض التخليق الحيوي للكلوروفيل، أو تحلل الأصباغ، أو تأثيراتهما مجتمعة في ظل الإجهاد الحراري (Fahad et al., 2017). مع ذلك، فإن نباتات الأرز التي عولجت بشكل أساسي بـ CK وBA زادت من تركيز أصباغ التمثيل الضوئي في الأوراق تحت الإجهاد الحراري. وقد أبلغ Jespersen and Huang (2015) وSuchsagunpanit et al. عن نتائج مماثلة. لاحظ باحثون (2015) زيادة في محتوى الكلوروفيل في أوراق نباتات البنتغراس والأرز المعرضة للإجهاد الحراري، وذلك بعد استخدام هرموني الزياتين والإيبيبراسينوستيرويد على التوالي. ويُعزى السبب المنطقي وراء تعزيز السيتوكينين (CK) والبراسينوستيرويد (BR) لزيادة محتوى الكلوروفيل في الأوراق تحت الإجهاد الحراري المُركّب إلى أن السيتوكينين قد يُحسّن بدء التحفيز المُستدام لمُحفزات التعبير الجيني (مثل مُحفز تنشيط الشيخوخة (SAG12) أو مُحفز HSP18) ويُقلل من فقدان الكلوروفيل في الأوراق، ويُؤخر شيخوخة الأوراق، ويزيد من مقاومة النبات للحرارة (ليو وآخرون، 2020). أما البرسانينوستيرويد، فيُمكنه حماية الكلوروفيل في الأوراق وزيادة محتواه عن طريق تنشيط أو تحفيز تخليق الإنزيمات المُشاركة في التخليق الحيوي للكلوروفيل في ظروف الإجهاد (شارما وآخرون، 2017؛ صديقي وآخرون، 2018). وأخيرًا، يعمل هرمونان نباتيان (CK وBR) أيضًا على تعزيز التعبير عن بروتينات الصدمة الحرارية وتحسين عمليات التكيف الأيضي المختلفة، مثل زيادة التخليق الحيوي للكلوروفيل (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
تُوفّر معايير فلورة الكلوروفيل أ طريقةً سريعةً وغير مُتلفة لتقييم مدى تحمل النباتات أو تكيفها مع ظروف الإجهاد اللاأحيائي (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). وقد استُخدمت معايير مثل نسبة Fv/Fm كمؤشرات على تكيف النباتات مع ظروف الإجهاد (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). في هذه الدراسة، أظهرت نباتات SC أدنى قيم لهذا المتغير، وخاصةً نباتات الأرز من صنف "F2000". كما وجد Yin et al. (2010) أن نسبة Fv/Fm في أوراق الأرز ذات التفرع الأعلى انخفضت بشكل ملحوظ عند درجات حرارة أعلى من 35 درجة مئوية. ووفقًا لـ Feng et al. (2013)، فإن انخفاض نسبة Fv/Fm تحت الإجهاد الحراري يُشير إلى انخفاض معدل امتصاص طاقة الإثارة وتحويلها بواسطة مركز تفاعل PSII، مما يدل على تفكك مركز تفاعل PSII تحت الإجهاد الحراري. تسمح لنا هذه الملاحظة بالاستنتاج بأن الاضطرابات في جهاز التمثيل الضوئي تكون أكثر وضوحًا في الأصناف الحساسة (فيديروز 2000) مقارنة بالأصناف المقاومة (فيديروز 67).
أدى استخدام السيتوكينين (CK) أو البرسينوستيرويد (BR) عمومًا إلى تحسين أداء النظام الضوئي الثاني (PSII) في ظل ظروف الإجهاد الحراري المعقدة. وقد توصل سوشاغونبانيت وآخرون (2015) إلى نتائج مماثلة، حيث لاحظوا أن استخدام البرسينوستيرويد زاد من كفاءة النظام الضوئي الثاني في الأرز تحت ظروف الإجهاد الحراري. كما وجد كومار وآخرون (2020) أن نباتات الحمص المعالجة بالسيتوكينين (6-بنزيل أدينين) والمعرضة للإجهاد الحراري زادت من نسبة Fv/Fm، مما يشير إلى أن الرش الورقي بالسيتوكينين، من خلال تنشيط دورة صبغة الزياكسانثين، يعزز نشاط النظام الضوئي الثاني. بالإضافة إلى ذلك، عزز رش البرسينوستيرويد على الأوراق عملية التمثيل الضوئي الثاني في ظل ظروف الإجهاد المركبة، مما يدل على أن استخدام هذا الهرمون النباتي أدى إلى انخفاض تبديد طاقة الإثارة لهوائيات النظام الضوئي الثاني، وعزز تراكم بروتينات الصدمة الحرارية الصغيرة في البلاستيدات الخضراء (أوغوينو وآخرون، 2008؛ كوثاري ولاكوفيتز، 2021).
غالبًا ما يرتفع محتوى MDA والبرولين عندما تتعرض النباتات للإجهاد اللاأحيائي مقارنةً بالنباتات التي تنمو في ظروف مثالية (ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2017). كما أظهرت دراسات سابقة أن مستويات MDA والبرولين مؤشرات بيوكيميائية يمكن استخدامها لفهم عملية التكيف أو تأثير الممارسات الزراعية في الأرز في ظل درجات حرارة مرتفعة نهارًا أو ليلًا (ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2017؛ كوينتيرو-كالديرون وآخرون، 2021). وأظهرت هذه الدراسات أيضًا أن محتوى MDA والبرولين يميل إلى أن يكون أعلى في نباتات الأرز المعرضة لدرجات حرارة عالية ليلًا أو نهارًا، على التوالي. ومع ذلك، ساهم الرش الورقي بمبيدي CK وBR في انخفاض مستوى MDA وارتفاع مستوى البرولين، وخاصةً في النمط الوراثي المتحمل (فيديروز، 67). يمكن لرذاذ السيتوكينين أن يحفز زيادة التعبير عن إنزيم سيتوكينين أوكسيداز/ديهيدروجينيز، مما يزيد من محتوى المركبات الواقية مثل البيتين والبرولين (ليو وآخرون، 2020). ويحفز البرسيمين إنتاج مواد واقية من الضغط الأسموزي مثل البيتين والسكريات والأحماض الأمينية (بما في ذلك البرولين الحر)، مما يحافظ على التوازن الأسموزي الخلوي في ظل العديد من الظروف البيئية المعاكسة (كوثاري ولاخوفيتش، 2021).
يُستخدم مؤشر إجهاد المحاصيل (CSI) ومؤشر التحمل النسبي (RTI) لتحديد ما إذا كانت المعاملات قيد التقييم تُسهم في تخفيف مختلف أنواع الإجهاد (اللاأحيائي والأحيائي) ولها تأثير إيجابي على فسيولوجيا النبات (كاسترو-دوكي وآخرون، 2020؛ تشافيز-أرياس وآخرون، 2020). تتراوح قيم مؤشر إجهاد المحاصيل بين 0 و1، حيث يُمثل الأول حالة عدم الإجهاد، بينما يُمثل الثاني حالة الإجهاد (لي وآخرون، 2010). تراوحت قيم مؤشر إجهاد المحاصيل في نباتات الأرز المُعرَّضة للإجهاد الحراري (SC) بين 0.8 و0.9 (الشكل 2ب)، مما يُشير إلى تأثر نباتات الأرز سلبًا بالإجهاد المُركَّب. ومع ذلك، أدى الرش الورقي باستخدام مُعامل BC (0.6) أو مُعامل CK (0.6) بشكل رئيسي إلى انخفاض في هذا المؤشر في ظل ظروف الإجهاد اللاأحيائي مقارنةً بنباتات الأرز المُعرَّضة للإجهاد الحراري. في نباتات F2000، أظهر مؤشر تحمل الإجهاد (RTI) زيادةً أكبر عند استخدام حمض الستريك (97.69%) وحمض البيروليك (60.73%) مقارنةً بحمض الساليسيليك (33.52%)، مما يشير إلى أن منظمات نمو النبات هذه تُسهم أيضًا في تحسين استجابة الأرز لتحمل الإجهاد الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. وقد اقتُرحت هذه المؤشرات لإدارة ظروف الإجهاد في أنواع مختلفة. أظهرت دراسة أجراها لي وآخرون (2010) أن مؤشر تحمل الإجهاد (CSI) لصنفين من القطن تحت إجهاد مائي معتدل بلغ حوالي 0.85، بينما تراوحت قيم مؤشر تحمل الإجهاد للأصناف المروية جيدًا من 0.4 إلى 0.6، مما يُشير إلى أن هذا المؤشر يُعدّ دليلاً على تكيف الأصناف مع ظروف الإجهاد المائي. علاوة على ذلك، قيّم تشافيز-أرياس وآخرون (2020) فعالية المُحفزات الاصطناعية كاستراتيجية شاملة لإدارة الإجهاد في نباتات C. elegans، ووجدوا أن النباتات التي رُشّت بهذه المركبات أظهرت مؤشر تحمل إجهاد أعلى (65%). بناءً على ما سبق، يمكن اعتبار CK وBR استراتيجيات زراعية تهدف إلى زيادة تحمل الأرز للإجهاد الحراري المعقد، حيث أن منظمات نمو النبات هذه تحفز استجابات بيوكيميائية وفسيولوجية إيجابية.
في السنوات القليلة الماضية، ركزت أبحاث الأرز في كولومبيا على تقييم الأنماط الوراثية المتحملة لدرجات الحرارة المرتفعة نهارًا أو ليلًا باستخدام الصفات الفيزيولوجية أو الكيميائية الحيوية (سانشيز-رينوسو وآخرون، 2014؛ ألفارادو-سانابريا وآخرون، 2021). ومع ذلك، فقد ازداد في السنوات الأخيرة تحليل التقنيات العملية والاقتصادية والمربحة لاقتراح إدارة متكاملة للمحاصيل بهدف تحسين آثار فترات الإجهاد الحراري المعقدة في البلاد (كالديرون-بايز وآخرون، 2021؛ كوينتيرو-كالديرون وآخرون، 2021). وبالتالي، تشير الاستجابات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية لنباتات الأرز للإجهاد الحراري المعقد (40 درجة مئوية نهارًا/30 درجة مئوية ليلًا) التي لوحظت في هذه الدراسة إلى أن الرش الورقي باستخدام CK أو BR قد يكون طريقة مناسبة لإدارة المحاصيل للتخفيف من الآثار السلبية لفترات الإجهاد الحراري المعتدل. حسّنت هذه المعالجات من تحمل كلا النمطين الوراثيين للأرز (ذو مؤشر الإجهاد الحراري المنخفض وذو مؤشر الإجهاد الحراري المرتفع)، مما يُظهر اتجاهًا عامًا في الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية للنباتات تحت تأثير الإجهاد الحراري المُركّب. تمثلت الاستجابة الرئيسية لنباتات الأرز في انخفاض محتوى الغلوكونات، والكلوروفيل الكلي، والكلوروفيل ألفا وبيتا، والكاروتينات. بالإضافة إلى ذلك، عانت النباتات من تلف في النظام الضوئي الثاني (انخفاض في معايير فلورة الكلوروفيل مثل نسبة Fv/Fm) وزيادة في بيروكسدة الدهون. من ناحية أخرى، عند معالجة الأرز بالسيستين والبراسينوستيرويد، تم تخفيف هذه الآثار السلبية وزيادة محتوى البرولين (الشكل 4).
الشكل 4. نموذج مفاهيمي لتأثيرات الإجهاد الحراري المُجتمع مع رش منظمات نمو النبات على أوراق نباتات الأرز. تشير الأسهم الحمراء والزرقاء إلى التأثيرات السلبية والإيجابية للتفاعل بين الإجهاد الحراري والتطبيق الورقي للبراسينوستيرويد (BR) والسيتوكينين (CK) على الاستجابات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية، على التوالي. gs: الموصلية الثغرية؛ إجمالي الكلوروفيل: إجمالي محتوى الكلوروفيل؛ Chl α: محتوى الكلوروفيل β؛ Cx+c: محتوى الكاروتينويد.
باختصار، تشير الاستجابات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية في هذه الدراسة إلى أن نباتات أرز فيديروز 2000 أكثر عرضةً لفترة من الإجهاد الحراري المركب من نباتات أرز فيديروز 67. وقد أظهرت جميع منظمات النمو التي تم تقييمها في هذه الدراسة (الأوكسينات، والجبريلينات، والسيتوكينينات، والبراسينوستيرويدات) درجةً ما من تخفيف الإجهاد الحراري المركب. ومع ذلك، فقد حفزت السيتوكينينات والبراسينوستيرويدات تكيفًا أفضل للنباتات، حيث زادت كلتاهما من محتوى الكلوروفيل، ومعاملات فلورة ألفا-كلوروفيل، وgs، وRWC مقارنةً بنباتات الأرز غير المعالجة، كما خفضتا محتوى MDA ودرجة حرارة الغطاء النباتي. وخلاصةً، نستنتج أن استخدام منظمات نمو النبات (السيتوكينينات والبراسينوستيرويدات) أداةٌ مفيدةٌ في إدارة ظروف الإجهاد في محاصيل الأرز الناتجة عن الإجهاد الحراري الشديد خلال فترات ارتفاع درجات الحرارة.
المواد الأصلية المعروضة في الدراسة مرفقة بالمقال، ويمكن توجيه المزيد من الاستفسارات إلى المؤلف المسؤول.