Determinace senzitivních míst fotosyntézy během krátkodobého vodního deficitu po aplikaci osmoticky aktivních látek

Ing. Kamil Kraus

Doctoral thesis

Determination of drought-sensitive stages of photosynthesis within short-term water deficiency after application of osmotically active substances

Abstract:

Veškeré biotické i abiotické negativní vlivy působící na rostliny jsou nazývány jako stresory. Je zřejmé, že jedním z nejvýznamnějších abiotických stresorů je nedostatek vody pro rostlinu, který může být způsoben suchem nebo zasolením. Vodní deficit patří mezi nejvýznamnější stresové faktory, které ovlivňují zemědělskou produkci na celém světě. Sucho jako takové je faktor, ovlivňující kvalitu růstu rostlin v důsledku přímého vlivu na jejich primární metabolismus. V důsledku zvyšujících se výskytu sucha a zasolení se očekává snížení výnosů polních plodin. To spolu s nárůstem světové populace, kdy odhady k roku 2050 jsou 9 až 10 miliard obyvatel, poukazuje na problém se zajištěním dostatku zdrojů potravy pro světovou populaci a hospodářská zvířata. Tento problém bude stále náročnější ve všech oblastech zemědělské produkce. Z výše uvedených důvodu se tato disertační práce zabývá problematikou nedostatku vody pro rostliny. A to způsobeného jedním ze dvou vybraných stresoru, půdního sucha nebo zasoleni jakožto dvou stresorů způsobujících hyper osmotické zatížení. Tato práce vznikla kompilací pěti článků, z nichž tři jsou zaměřeny na stresem způsobeným suchem a dva jsou zaměřeny na stres způsobený zasolením pěstebních substrátů. Vliv stresu suchem byl sledován na rostlinných druzích Triticum aestivim a Beta vulgaris. Stres zasolením byl sledován na Portulaca oleracea a Eruca sativa. Z jednotlivých prací se jako slibné prostředky pro zmírnění stresu jeví použití stimulačních přípravků. Působení stimulačních prostředků různého původu pomáhá rostlinám překonat období stresu. Jejich působení zasahuje do obranných mechanismů rostlin, ovlivňuje aktivitu antioxidačních enzymů, funkci fotosyntetického aparátu, hormonální metabolismus a optimalizují vodní režim. Kombinace vhodných genotypů, optimálních agrotechnických zásahů, včetně výživy, ochrany a využívání pomocných přípravků může být jednou z cest jak i v složitých podmínkách prostředí docílit optimální produkce. Pomáhají překlenout stresové období a vytvořit podmínky pro rychlou regeneraci. V polním experimentu účinek aplikace stimulačních přípravků na kultivary Triticum aestivum L. s různým genotypem. Naše výsledky ukazují převážně pozitivní vliv aplikace stimulantů na výnos a hmotnost tisíc zrn (HTZ). Další možností je ovlivnění pěstebního substrátu, kterému byla věnována pozornost v další studii. Kdy jsme hodnotili půdní vlhkost a živiny ovlivněné přídavkem 2 a 5 % biouhlu, hnoje a jejich směsi v hlinito-písčité půdě. Půdního sucha bylo dosaženo kontrolovaným vysycháním substrátu. Analýza plodin ukázala, že výměna plynu v listech byla pozitivně ovlivněna během sucha po úpravě půdy. Pozitivní vliv byl sledován na listech a výnosu hlíz. Který se nejvíce zvýšily, když byly použity kombinované směsi biouhlu a hnoje. Snad nejdůležitější jsou příznivé půdní podmínky navozené kombinací biouhlu a hnoje. Přidání také vedlo k významně zvýšenému obsahu cukru v rostlinách 2 až 4krát. V této práci byl také sledován účinek solného stresu jako dalšího stresoru způsobujícího hyperosmotickou zátěž, a to při různých hladinách zasolení. Ze studii vyplívá, že solný stres významně ovlivnil sledované parametry. Osmotický potenciál klesal se zvyšující se koncentrací NaCl. Při koncentraci nad 100 mM NaCl dochází k poklesu průduchové vodivosti (gs) současně se zvýšením asimilace CO2 (A) na začátku expozice solnému stresu. Nicméně obsah potenciálu listové vody (w), substomatální koncentrace CO2 (Ci), maximální kvantový výtěžek fotosystému II (Fv/Fm), obsah prolin a malondialdehydu (MDA)

Abstract:

zůstal nezměněn. Expozice 200 až 300 mM NaCl způsobila pokles gs a pokles vodního potenciálu, asimilace CO2 a Fv/Fm. Dále dochází ke zvýšení obsahu prolinu a významně vyšší koncentrace MDA stres ve srovnání s kontrolní skupinou.

Abstract:

All biotic and abiotic negative influences acting on plants are called stressors. Obviously, one of the most important abiotic stressors is the lack of water for the plant, which can be caused by drought or salinity. Water deficit is one of the most important stress factors affecting agricultural production worldwide. As such, drought is a factor affecting the quality of plant growth due to its direct effect on the primary metabolism of plants. Increasing incidence of drought and salinity is expected to reduce yields of field crops. This, coupled with the increase in world population, with estimates of 9 to 10 billion by 2050, points to the problem of securing sufficient food sources for the world's population and livestock. This problem will become increasingly challenging in all areas of agricultural production. For the above reasons, this dissertation addresses the issue of water scarcity for plants. This is caused by one of two selected stressors, soil drought or salinity as the two stressors causing hyper osmotic stress. This thesis is a compilation of five papers, three of which focus on drought stress and two of which focus on stress caused by salinity in growing media. The effect of drought stress was studied on the plant species Triticum aestivim and Beta vulgaris. Salinity stress was monitored on Portulaca oleracea and Eruca sativa. Among the individual works, the use of stimulants seems to be a promising means of stress alleviation. The action of stimulants of different origin helps plants to overcome periods of stress. They interfere with plant defence mechanisms, affect the activity of antioxidant enzymes, the function of the photosynthetic apparatus, hormone metabolism and optimise the water regime. The combination of appropriate genotypes, optimal agrotechnical interventions, including nutrition, protection and the use of auxiliary products can be one of the ways to achieve optimal production even under difficult environmental conditions. They help to bridge stress periods and create conditions for rapid regeneration. In a field experiment, the effect of the application of stimulants on Triticum aestivum L. cultivars with different genotypes. Our results show a predominantly positive effect of stimulant application on yield and thousand grain weight (TKW). Another possibility is the influence of the growing substrate, which was addressed in another study. When we evaluated soil moisture and nutrients affected by the addition of 2 and 5% biochar, manure and their mixture in a loamy sandy soil. Soil dryness was achieved by controlled drying of the substrate. Crop analysis showed that leaf gas exchange was positively affected during drought following soil treatment. The positive effect was observed on leaf and tuber yield. Which increased the most when combined mixtures of biochar and manure were applied. Perhaps most important are the favourable soil conditions induced by the combination of biochar and manure. The addition also led to a significant increase in the sugar content of the plants by a factor of 2 to 4. In this work, the effect of salt stress as an additional stressor causing hyperosmotic stress was also investigated at different salinity levels. The study shows that salt stress significantly affected the parameters studied. Osmotic potential decreased with increasing NaCl concentration. At concentrations above 100 mM NaCl, a decrease in stomatal conductance (gs) occurred concomitantly with an increase in CO2 assimilation (A) at the onset of salt stress exposure. However, the leaf water potential (w), the substomatal CO2 concentration (Ci), the maximum quantum yield of photosystem II (Fv/Fm), proline and malondialdehyde (MDA) content remained unchanged. Exposure to 200 to 300 mM NaCl caused a decrease in gs and a decrease in water potential, CO2 assimilation, and Fv/Fm. Furthermore, there was an increase in proline content and significantly higher MDA stress concentration compared to the control group.

Keywords

sucho, zasolení, stres, fotosyntéza

Keywords

salinity, stress, photosynthesis, dry

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 3. 2023

Thesis defence

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

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme:
Plant Sciences