Stanovení fyziologických rozdílů vybraných genotypů řepy cukrové na vodní deficit

Petr Bahník

Bachelor's thesis

Determination of physiological differences of selected sugar beet genotypes for water deficit

Abstract:

Cukrová řepa (Beta vulgaris ssp. vulgaris) je bulevnatá okopanina, kterou pěstujeme zejména jako jednoletou plodinu pro její zásobní orgán, kterým je bulva. Díky své hospodářské a technologické hodnotě, kdy jejím průmyslovým zpracováním získáváme cukr a líh, je jednou z nejhodnotnějších pěstovaných plodin. Průměrná sklizňová plocha v České republice se pohybuje okolo 63 000 ha a průměrný výnos zde dosahuje 65 t na ha. V současné době dochází ke stále častějším teplotním výkyvům vysokých teplot a období sucha. Ty následně způsobují omezenou distribuci vody rostlinám a vyvolávají u nich vodní deficit. Tento stres se na rostlině projevuje morfologickými, fyziologickými a molekulárními změnami. Dlouhodobé působení tohoto stresoru je pro ně letální. Proto je důležité se zabývat touto problematikou a následné poznatky využít při budoucím šlechtění nových odrůd, které by byly k tomuto stresoru tolerantní. Vzhledem k těmto skutečnostem byl vybrán vodní deficit jako stresový faktor. Cílem této bakalářské bylo zjistit, zda existují významné rozdíly mezi sledovanými genotypy a fyziologickými parametry. Z toho vyplývá i dílčí cíl práce, kterým bylo stanovit, jak jsou uvedené charakteristiky ovlivněny případným vodním stresem a vývojovou fází. Stanovené hypotézy byly následující: existují rozdíly mezi jednotlivými genotypy v reakci na případný vodní stres; existují rozdíly v rychlosti výměny plynů, obsahu fotosyntetických pigmentů a jejich fluorescence; lze uvedené metody využít ve screeningu reakce na stres. Vliv vodního deficitu byl sledován v zemědělském podniku v Královohradeckém kraji, Farma Kejklíček. Pokus byl koncipován jako polní, kdy sledovanou rostlinou byla řepa cukrová: Adela, Dolerosa a Viola. Všechny porosty byly založeny tradiční metodou pěstování s hlubokou orbou na třech lokalitách. U rostlin byla měřena během vegetace gazometricky rychlost fotosyntézy a transpirace, obsah fotosynteticky aktivních pigmentů, jejich fluorescence a osmotický potenciál. Celkem bylo provedeno 6 měření v odlišných vývojových fázích. Z výsledků práce je patrné, že genotyp měl statisticky průkazný vliv na rychlost výměny plynů, obsah fotosynteticky aktivních pigmentů a jejich fluorescenci. Nejvyšší průměrná rychlost fotosyntézy byla naměřena u odrůdy Viola (12,02 μmol CO2.m-2.s-1). Naopak nejnižší fotosyntézu měla odrůda Doleresa (11,64 μmol CO2.m-2.s-1). Nejvyšší rychlost transpirace byla pozorována u odrůdy Doleresa (2,97 mmol H2O.m-2.s-1) a nejnižší u odrůdy Adela (2,31 mmol H2O.m-2.s-1). Celkový obsah chlorofylu a karotenoidů byl nejvyšší u odrůdy Doleresa (19,46 nmol.cm-2 a 3,36 nmol.cm-2). U odrůdy Viola byl zjištěn nejnižší obsah chlorofylů, a to ve výši 18,21 nmol.cm-2. V případě karotenoidů byl jejich obsah nejnižší u odrůdy Adela. U této odrůdy byl obsah karotenoidů 3,20 nmol.cm-2. Nejvyšší hodnota maximálního kvantového výtěžku fluorescence a potencionální účinnost fluorescence byla pozorována u odrůdy Viola (0,65 a 1,96). Naopak u odrůdy Adela byly tyto parametry nejnižší (0,62 a 1,79). Nejvyšší efektivitu využití vody měla odrůda Adela (5,73 (10-3)) a nejnižší odrůda Doleresa (3,99 (10-3)). Dále z výsledků vyplývá, že vodní deficit a ontogenetický vývoj měly statisticky průkazný vliv na rychlost výměny plynů, obsah fotosynteticky aktivních pigmentů, fluorescenci chlorofylů a osmotický potenciál. Také byla potvrzena existence genotypových rozdílů na působení vodního deficitu, kdy odrůda Viola byla nejvíce tolerantní a odrůda Adela nejméně.

Abstract:

Sugar beet (Beta vulgaris ssp. vulgaris) is a bulbous perennial crop grown mainly as an annual crop for its storage organ, the tuber. It is one of the most valuable cultivated crops due to its economic and technological value, where its industrial processing produces sugar and alcohol. The average harvested area in the Czech Republic is around 63 000 ha and the average yield is 65 t/ha. Currently, there are increasingly frequent high temperature fluctuations and droughts. These result in a limited distribution of water to the plants, causing a water deficit. This stress is reflected in morphological, physiological and molecular changes in the plant. Long-term exposure to this stressor is lethal to plants. It is therefore important to study this issue and to use the subsequent knowledge in the future breeding of new varieties tolerant to this stressor. In view of these facts, water deficit was selected as a stress factor. The aim of this thesis was to determine whether there are significant differences between the genotypes and physiological parameters studied. Hence, the sub-objective of the thesis was to determine how these characteristics are affected by any water stress and developmental stage. The hypotheses established were as follows: there are differences between genotypes in response to possible water stress; there are differences in gas exchange rates, photosynthetic pigment content and their fluorescence; and the above methods can be used in screening for stress response. The effect of water deficit was monitored on a farm in the Royal Hradec Králové Region, Kejklíček Farm. The experiment was designed as a field experiment, with sugar beet as the plant of interest: Adela, Dolerosa and Viola. All crops were established using the traditional method of cultivation with deep ploughing at three locations. Photosynthetic and transpiration rates, photosynthetically active pigment content, fluorescence and osmotic potential of the plants were measured gasometrically during the growing season. A total of 6 measurements were made at different developmental stages. The results of the study show that genotype had a statistically significant effect on the rate of gas exchange, the content of photosynthetically active pigments and their fluorescence. The highest average photosynthetic rate was measured in the cultivar Viola (12.02 μmol CO2.m 2.s-1). On the other hand, the lowest photosynthetic rate was observed in the cultivar Doleresa (11.64 μmol CO2.m-2.s-1). The highest transpiration rate was observed in the cultivar Doleresa (2.97 mmol H2O.m-2.s-1) and the lowest in the cultivar Adela (2.31 mmol H2O.m-2.s-1). The total chlorophyll and carotenoid contents were highest in the cultivar Doleresa (19.46 and 3.36 nmol.cm-2, respectively). The lowest chlorophyll content of 18.21 nmol.cm-2 was found in the variety Viola. In the case of carotenoids, their content was the lowest in the variety Adela. The carotenoid content of this variety was 3,20 nmol.cm-2. The highest value of maximum quantum yield of fluorescence and potential fluorescence efficiency was observed in the variety Viola (0.65 and 1.96, respectively). On the other hand, these parameters were lowest in the cultivar Adela (0.62 and 1.79). The highest water use efficiency was observed in cultivar Adela (5.73 (10-3)) and the lowest in cultivar Doleresa (3.99 (10-3)). Furthermore, the results showed that water deficit and ontogenetic development had statistically significant effects on gas exchange rate, photosynthetically active pigment content, chlorophyll fluorescence and osmotic potential. The existence of genotypic differences on the effect of water deficit was also confirmed, with the variety Viola being the most tolerant and the variety Adela the least tolerant.

Keywords

cukrová řepa, fotosyntéza, transpirace, vodní režim, vodní deficit

Keywords

photosynthesis, transpiration, sugar beet, water regime, water deficit

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 5. 2024
• Supervisor: doc. Ing. František Hnilička, Ph.D.
• Reader: Barbora Tunklová, Ing.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme:
Crop Production