Účinek aplikace exogenního glycin betulinu a vodního deficitu na obsah prolinu a relativního výtoku elektrolytů u juvenilních rostlin kukuřice

Bc. Jan Pecka

Master's thesis

Effect of exogenous betulinic glycine and water deficit on proline and relative electrolyte leakage in leaves of juvenile maize plants

Abstract:

Kukuřice setá (Zea mays L.) je nejpěstovanější obilninou planety a v blízké budoucnosti se dá očekávat její další rozšíření. Jako C4 rostlina efektivněji využívá sluneční energii a přes počáteční pomalejší růst je schopna dosáhnout jednoho z nejvyšších výnosů biomasy mezi zemědělskými plodinami. Je rovněž předmětem šlechtitelského zájmu a genetických modifikací, kdy jsou upravovány především geny zodpovědné za odolnost vůči chemickým látkám či vůči biotickým stresorům.Vodní deficit je jedním z hlavních abiotických stresorů na světě ovlivňující produktivitu přirozených i uměle vytvořených ekosystémů a snižuje produkci a kvalitu hospodářsky důležitých zemědělských komodit. Ke stabilizaci výnosů a zachování dostupnosti potravin bude potřeba komplexní přístup k pěstování a hospodaření s vodou. Jednou ze složek tohoto přístupu mohou být i aplikace osmoticky aktivních látek, které pomáhají rostlinám překonávat stres suchem. Mezi tyto látky patří i glycin betulin.Pokus byl založen ve skleníku Katedry botaniky a fyziologie rostlin FAPPZ a jako rostlinný materiál byly použity dva vybrané hybridy kukuřice seté - RGT Indexx a RGT Lipexx. Schéma pokusu zahrnovalo čtyři varianty – KK (nestresovaná neošetřená varianta), KG (nestresovaná varianta ošetřená glycin betulinem), KS (stresovaná neošetřená varianta) a GS (stresovaná varianta ošetřená glycin betulinem) a čtyři odběry v pěti opakováních. Pro obsah prolinu byla hodnocena zvlášť nadzemní část a kořeny. Odběr 1 – ve fázi BBCH 16, bez stresu vodním deficitem a bez aplikace glycin betulinu. Odběr 2 - ve fázi BBCH 16, kdy byla provedena foliární aplikace glycin betulinem o koncentraci 0,05 %. Odběr 3 – ve fázi BBCH 23, v období rulování listových čepelí vlivem vodního deficitu. Odběr 4 – ve fázi BBCH 23 po opětovné rehydrataci, tři dny po 3. odběru. Pro stanovení hodnot obsahu prolinu byl použit spektrofotometr UV - Vis Evolution 201 (Thermo Scientific) podle metodiky dle Bates (1973). Relativní výtok elektrolytů (Rel %) byl zjišťován na základě měření vodivosti přístrojem GRYF 106 L3 (GRYF HB spol. s.r.o. Česká republika) podle modifikované metodiky dle Campos et al. (2003).Ze získaných výsledků vyplývá, že mezi genotypy kukuřice seté existují průkazné rozdíly v obsahu prolinu a relativního výtoku elektrolytů při působení vodního deficitu a aplikace exogenního glycin betulinu. Avšak rozdíl v obsahu prolinu mezi nadzemní částí a kořeny nebyl prokázán. U hybridu RGT Indexx má převažující vliv na obsah prolinu aplikace osmoticky aktivní látky – glycin betulinu, zatímco u hybridu RGT Lipexx má převažující vliv na obsah prolinu vodní deficit a vodní deficit v kombinaci s osmoticky aktivní látkou – glycin betulinem. Nejnižší obsah prolinu byl naměřen v kořenech u varianty KK hybridu RGT Lipexx při 2. odběru 15,54 μg/ml, nejnižší průměrný obsah pak 38,67 μg/ml v kořenech varianty KK hybridu RGT Indexx. Naopak nejvyšší obsah prolinu byl naměřen v kořenech u varianty GS hybridu RGT Lipexx při 3. odběru 603,00 μg/ml, nejvyšší průměrný obsah pak 206,51 μg/ml u téže varianty hybridu RGT Lipexx. Rozdíl v obsahu prolinu mezi oběma hybridy u stresovaných variant byl přibližně trojnásobný. Vyšší obsah prolinu u hybridu RGT Indexx oproti hybridu RGT Lipexx byl zaznamenán pouze ve variantě KG. V nadzemní části 86,13 μg/ml oproti 51,46 μg/ml a v kořenech 101,34 μg/ml oproti 61,71 μg/ml.Z výsledků je dále patrné, že při měření relativního výtoku elektrolytů nebyly zaznamenány průkazné rozdíly mezi sledovanými variantami, avšak rozdíl mezi sledovanými hybridy byl přibližně dvojnásobný a vyšší míra poškození membrány byl

Abstract:

a zaznamenána u hybridu RGT Lipexx (okolo 60 %). Nejnižší průměrné hodnoty relativního výtoku elektrolytu byly zjištěny ve variantě KK hybridu RGT Indexx 31,13 %, nejnižší hodnota byla naměřena při 1. odběru u téže varianty 24,17 %. Zatímco nejvyšší průměrné hodnoty relativního výtoku elektrolytu byly zjištěny ve variantě KS hybridu RGT Lipexx 61,98 % a nejvyšší hodnota byla naměřena u varianty KG hybridu RGT Lipexx při 4. odběru 64,58 %.Dle navrhovaných hypotéz bylo potvrzeno, že genotyp hraje významnou roli v toleranci vůči vodnímu deficitu a též aplikace osmoticky aktivní látky – glycin betulinu v kombinaci s vodním deficitem průkazně ovlivňuje obsah prolinu a neprůkazně míru poškození rostlinných pletiv.

Abstract:

Maize (Zea mays L.) is the most often grown crop in the world and its further spread in the future is highly probable. Maize uses sun energy efectively as a C4 plant and despite slower growth at the onset of its vegetation, it is capable of yielding most biomass among the agricultural crop. Maize is also a subject of interest in the fields of breeding and genetical modifications where the genes responsible for resistance against chemicals or biotics stress are mainly modified.Water deficit is one of the most serious and prominent abiotic stressor in the world, affecting productivity of natural and human-made ecosystems and also decreases production and quality of important agricultural commodities. There is a need to introduce a complex attitude towards growing foods and water management to stabilize yields and mantain food availability. Application of osmotically active substances, which help plants overcome draught stress, can be one of contrributors to creating such attitude. Betulinic glycine is one of them.The experiment was carried out in the greenhouse of Department of Botany And Plant Physiology FAPPZ. As plant material two selected maize hybrids – RGT Indexx and RGT Lipexx were used. The experiment scheme included four varieties – KK (a variant free of stress and treatment), KG (a variant free of stress, treated with betulinic glycine), KS(a variant under stress and untreated), GS (a variant under stress and treated with betulinic glycine). There were also four samples in two repetitions. Sample 1 – stage BBCH 16, free of drought stress and without betulinic glycine treatment. The shoots along with roots were studied separately to determine the amount of proline. Sample 2 – stage BBCH 16 treated with foliar by 0,05 % betulinic glycine. Sample 3 – stage BBCH 23 - leafs were rolled due to water deficit. Sample 4 – BBCH 23 – was taken after rehydration, three days after the third sample. Spektrofotometr UV - Vis Evolution 201 (Thermo Scientific) was used to determine the content of proline through Bates method. GRYF 106 L3 (GRYF HB spol. s.r.o. Czech Republic) was used to determine relative electrolyte leakage (REL %) with the aid of the modified method of Campos et al. (2003).The results indicate that there are significant differences between the amount of proline and relative electrolyte leakage caused by water deficit and treated by exogenous betulinic glycine. However, there are no significant differences regarding the amount of proline in shoots and roots. In the case of hybrid RGT Indexx, the effect of treatment by osmotically active substance – betulinic glycine on content of proline – was observed and therefore in the case of hybrid RGT Lipexx it was determined that water deficit in combination with betulinic glycine affects the amount of proline. The lowest content of proline was observed in roots in variant KK of hybrid RGT Lipexx during sample 2(15,54 μg/ml), the lowest average content of proline in roots in variant KK of hybrid RGT Indexx (38,67 μg/ml). By contrast, the highest content of proline was observed in roots in variant GS of hybrid RGT Lipexx during sample 3 (603,00 μg/ml), the highest average content of proline in the same variant of the same hybrid (206,51 μg/ml). The difference in content of proline between both hybrids in stress varieties was about three times higher. The higer content of proline in hybrid RGT Indexx compared to hybrid RGT Lipexx was observed only in KG variant. For shoots 86,13 μg/ml compared to 51,46 μg/ml and for roots 101,34 μg/ml compared to 61,71 μg/ml.The results also show that there are not significant differences between the observed varietes in relative electrolyte leakage, but there are considerable discrepancies between observed maize hybrids. In hybrid RGT Lipexx about twice higher relative electrolyte leakage compared to hybrid RGT Indexx (around 60 %) was observed. The lowest average relative electrolyte leakage was observed in variant KK

Abstract:

of hybrid RGT Indexx (31,13 %), the lowest value was observed in sample 1 in the same variant (24,17 %). Therefore the highest average relative electrolyte leakage was observed in variant KS of hybrid RGT Lipexx (61,98 %) and the highest figure of all was found in variant KG of hybrid RGT Lipexx during sample 4 (61,98 %)In accordance with the suggested hyphotesis it was confirmed that the genotyp plays an inmportant role in establishing tolerance against water deficit in combination with treatment by osmotically active substance – betulinic glycine. These two factors directly affect the amount of proline and indirectly the degree of plant cells damage.

Keywords

kukuřice setá, glycin betulin, vodní stres, prolin, REL %

Keywords

maize, betulinic glycine, water deficit, proline, REL %

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. František Hnilička, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Crop Science / Crop Science