DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33094-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519972
تاريخ النشر: 2026-01-11
المؤلف: R. A. Shehata Mohamed وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استجابة أربعة أنواع من النباتات للجفاف والتعافي، والتي تتمتع بمسارات ضوئية مختلفة: القمح (Triticum aestivum) (C3)، عباد الشمس (Helianthus annuus) (C3)، الشمندر الأبيض (Chenopodium album) (C4-متوسط)، والألتيرنانثيرا البرازيلية (Alternanthera brasiliana) (C4-شبيه). وجدت الأبحاث أن ظروف الجفاف أدت إلى انخفاضات كبيرة في الكتلة الحيوية الطازجة، حيث شهد عباد الشمس انخفاضًا يصل إلى 80%. كما انخفض محتوى الماء النسبي، خاصة في الشمندر الأبيض، بينما زاد الإجهاد التأكسدي، كما يتضح من ارتفاع بنسبة 258% في بيروكسيد الهيدروجين في عباد الشمس وزيادة بنسبة 284% في المالونديالديهايد في الشمندر الأبيض.
لاحظت الدراسة تنشيطًا قويًا لإنزيمات مضادات الأكسدة، ولا سيما زيادة دراماتيكية في نشاط الكاتالاز (837% في الشمندر الأبيض و630% في عباد الشمس). ارتفعت مستويات البرولين بشكل كبير، خاصة في القمح والشمندر الأبيض، مما يدل على تحسين التكيف الأسموزي. بالإضافة إلى ذلك، زاد محتوى الكاروتينويد بشكل كبير في عباد الشمس (141%)، مما يشير إلى استجابة لحماية الضوء. كشفت تحليل التعبير الجيني عن زيادة في التعبير الجيني لـ TaP5CS في القمح، المرتبط بتراكم البرولين، وCaHSP26 في الشمندر الأبيض، والذي قد يثبت نظام الفوتوسينتس II. سلط تحليل المكونات الرئيسية الضوء على عوامل رئيسية مثل نشاط الكاتالاز، ونسبة الجذر إلى الساق، وبيروكسيد الهيدروجين، والبرولين كعوامل مساهمة مهمة في التباين في استجابة الجفاف. تؤكد هذه النتائج على استراتيجيات التحمل والتعافي الخاصة بالأنواع، مما يوفر رؤى لتطوير محاصيل مقاومة للجفاف.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير للإجهاد غير الحيوي، وخاصة الجفاف، على الزراعة العالمية، مما يؤدي إلى تقليل المحاصيل بنسبة تزيد عن 50% ويهدد الاستدامة. يؤثر الجفاف على حوالي 33% من الأراضي الزراعية، مع توقعات تشير إلى أنه بحلول عام 2050، ستتعرض أكثر من نصف جميع المناطق الزراعية لضغوط الجفاف. تتأثر آثار الجفاف على أداء النباتات بعوامل مختلفة، بما في ذلك المرحلة التنموية، والخلفية الجينية، ومدة وشدة الإجهاد.
يعيق إجهاد الجفاف امتصاص الماء، مما يؤدي إلى استجابات فسيولوجية مثل إغلاق الثغور، مما يقلل من النتح والتمثيل الضوئي. وهذا يؤدي إلى انخفاض محتوى الماء النسبي (RWC)، ومستويات الكلوروفيل، والكتلة الحيوية العامة. بالإضافة إلى ذلك، تعزز ظروف نقص المياه تراكم الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS)، والتي يمكن أن تتسبب في تلف الأغشية الخلوية. لمواجهة الإجهاد التأكسدي، تنشط النباتات نظام دفاع مضاد للأكسدة يتكون من إنزيمات مثل سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، وكاتالاز (CAT)، وبيروكسيداز (POX). علاوة على ذلك، تلعب الأسموليتات المتوافقة، بما في ذلك البرولين، والسكريات القابلة للذوبان، والبروتينات، أدوارًا حاسمة في التكيف الأسموزي وصيانة الضغط، على الرغم من أن مدى مساهمة البرولين لا يزال موضوع نقاش. كما تشير المقدمة إلى الأهمية المتزايدة للمركبات الفينولية لخصائصها المضادة للأكسدة، بما في ذلك القضاء على ROS وتعديل الإنزيمات المؤكسدة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم الحصول على بذور القمح (Triticum aestivum)، وعباد الشمس (Helianthus annuus)، والشمندر الأبيض (Chenopodium album) من مركز البحوث الزراعية في الجيزة، مصر، بينما تم تكاثر الألتيرنانثيرا البرازيلية (Alternanthera brasiliana) من قصاصات في بيئة دفيئة محكومة. تم اختيار البذور من أجل التوحيد في الحجم والشكل والقدرة على الإنبات، وتم تعقيمها سطحياً باستخدام 0.1% من HgCl₂ قبل إنباتها على ورق ترشيح رطب عند 28 درجة مئوية في الظلام لمدة ثلاثة أيام. تم زرع الشتلات ذات المورفولوجيا المماثلة في أصص سعة 2 لتر مليئة بالتربة الرملية الطينية ونمت تحت ضوء الشمس الطبيعي مع ظروف درجة حرارة وري محددة.
لتحفيز إجهاد الجفاف، تم إخضاع النباتات التي تبلغ من العمر 30 يومًا لفترة حجب المياه لمدة سبعة أيام، تلتها مرحلة تعافي من الري المنتظم لمدة سبعة أيام أخرى. تم تقييم فعالية إجهاد الجفاف من خلال قياس محتوى الماء النسبي (RWC) في نهاية فترة الإجهاد. لجمع البيانات، تم جمع الأوراق الناضجة العليا من ثلاثة نباتات لكل نوع، وتم قياس كل من الوزن الطازج (FW) والوزن الجاف (DW)، حيث تم تحديد الأخير بعد تجفيف العينات عند 70 درجة مئوية حتى الوصول إلى وزن ثابت. شمل الإعداد التجريبي ثلاثة مكررات بيولوجية لكل معالجة، مرتبة في الحديقة النباتية بكلية العلوم، جامعة الإسكندرية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يؤكد الفرضيات المطروحة في بداية الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالأساليب الحالية. توضح التمثيلات البيانية، بما في ذلك الرسوم البيانية والمخططات، هذه التحسينات بشكل كمي، مما يوفر ملخصًا بصريًا واضحًا للنتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يقترح طرقًا محتملة لمزيد من البحث والتطبيق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم فحص آثار إجهاد الجفاف والتعافي اللاحق عبر أربعة أنواع من النباتات—*عباد الشمس* (Helianthus annuus)، *القمح* (Triticum aestivum)، *الشمندر الأبيض* (Chenopodium album)، و*الألتيرنانثيرا البرازيلية* (Alternanthera brasiliana)—التي تظهر سمات ضوئية واستراتيجيات بيئية متنوعة. سلطت الأبحاث الضوء على دور الجينات المستجيبة للإجهاد المحددة، ولا سيما *TaP5CS* و*HaP5CS*، التي تشارك في تخليق البرولين، وهو أسموليت مهم تحت ظروف الجفاف. كشفت النتائج أن *عباد الشمس* و*الشمندر الأبيض* أظهرا زيادات كبيرة في مستويات البرولين وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، مما يدل على آليات فعالة لمقاومة الجفاف. على العكس من ذلك، أظهرت *الألتيرنانثيرا البرازيلية* قدرة فريدة على تنظيم الإجهاد التأكسدي، مع الحفاظ على مستويات منخفضة من بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) والمالونديالديهايد (MDA)، مما يشير إلى دفاع مضاد للأكسدة متفوق.
أشارت القياسات الفسيولوجية إلى أن الجفاف أدى إلى انخفاضات كبيرة في الوزن الطازج ومحتوى الماء النسبي (RWC) عبر جميع الأنواع، حيث شهد *عباد الشمس* أكبر انخفاض. عند إعادة الري، تحسن الوزن الطازج، خاصة في *القمح* و*الألتيرنانثيرا البرازيلية*، مما يشير إلى استراتيجيات تعافي فعالة. كما لاحظت الدراسة استجابات محددة للأنواع في علامات الإجهاد التأكسدي وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، حيث أظهر *الشمندر الأبيض* أعلى نشاط للكاتالاز، بينما اعتمد *عباد الشمس* بشكل كبير على نشاط البيروكسيداز لتخليص ROS. أوضح تحليل المكونات الرئيسية (PCA) المزيد من الاستجابات المتعددة المتغيرات للجفاف، مما كشف أن تخفيف الإجهاد التأكسدي وتنظيم الأسموزية كانا مركزيين لتحمل الجفاف، بينما ميزت ديناميات الصبغة ونشاط مضادات الأكسدة استجابات التعافي بين الأنواع. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على تعقيد استجابات الجفاف وأهمية فهم الآليات المحددة للأنواع لتحسين مرونة النباتات في مواجهة تغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33094-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519972
Publication Date: 2026-01-11
Author(s): R. A. Shehata Mohamed et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This study examines the drought and recovery responses of four plant species with different photosynthetic pathways: Triticum aestivum (C3), Helianthus annuus (C3), Chenopodium album (intermediate-C4), and Alternanthera brasiliana (C4-like). The research found that drought conditions led to significant reductions in fresh biomass, with H. annuus experiencing up to an 80% decrease. Relative water content also declined, particularly in C. album, while oxidative stress increased, evidenced by a 258% rise in hydrogen peroxide in H. annuus and a 284% increase in malondialdehyde in C. album.
The study observed a strong activation of antioxidant enzymes, notably a dramatic increase in catalase activity (837% in C. album and 630% in H. annuus). Proline levels surged, especially in T. aestivum and C. album, indicating enhanced osmotic adjustment. Additionally, carotenoid content increased significantly in H. annuus (141%), suggesting a photoprotective response. Gene expression analysis revealed upregulation of TaP5CS in T. aestivum, linked to proline accumulation, and CaHSP26 in C. album, which may stabilize photosystem II. Principal component analysis highlighted key factors such as catalase activity, root-to-shoot ratio, hydrogen peroxide, and proline as significant contributors to the variance in drought response. These findings underscore the species-specific strategies for drought tolerance and recovery, providing insights for the development of drought-resilient crops.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of abiotic stress, particularly drought, on global agriculture, leading to over 50% reduction in crop yields and threatening sustainability. Drought affects approximately 33% of agricultural land, with projections indicating that by 2050, more than half of all agricultural areas will experience drought stress. The effects of drought on plant performance are influenced by various factors, including developmental stage, genetic background, and the duration and severity of the stress.
Drought stress hampers water uptake, leading to physiological responses such as stomatal closure, which reduces transpiration and photosynthesis. This results in decreased relative water content (RWC), chlorophyll levels, and overall biomass. Additionally, water deficit conditions promote the accumulation of reactive oxygen species (ROS), which can damage cellular membranes. To counteract oxidative stress, plants activate an antioxidant defense system comprising enzymes like superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), and peroxidases (POX). Furthermore, compatible osmolytes, including proline, soluble sugars, and proteins, play crucial roles in osmotic adjustment and turgor maintenance, although the extent of proline’s contribution remains a topic of debate. The introduction also notes the emerging importance of phenolic compounds for their antioxidant properties, including ROS scavenging and modulation of oxidative enzymes.
Methods
In this study, seeds of Triticum aestivum (wheat), Helianthus annuus (sunflower), and Chenopodium album were sourced from the Agricultural Research Center in Giza, Egypt, while Alternanthera brasiliana was propagated from cuttings in a controlled greenhouse environment. The seeds were selected for uniformity in size, shape, and viability, and were surface-sterilized with 0.1% HgCl₂ before germination on moist filter paper at 28°C in the dark for three days. Seedlings with similar morphology were transplanted into 2-L pots filled with sandy loam soil and grown under natural sunlight with specific temperature and irrigation conditions.
To induce drought stress, 30-day-old plants were subjected to a seven-day water withholding period, followed by a recovery phase of regular watering for another seven days. The effectiveness of drought stress was assessed by measuring the Relative Water Content (RWC) at the end of the stress period. For analysis, fully expanded upper mature leaves were collected from three plants per species, and both fresh weight (FW) and dry weight (DW) were measured, with the latter determined after drying samples at 70°C until a constant weight was achieved. The experimental setup included three biological replicates per treatment, arranged in the botanical garden of the Faculty of Science, Alexandria University.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, thereby affirming the hypotheses posited at the outset of the study.
Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed methodology yields improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to existing approaches. Graphical representations, including plots and charts, illustrate these enhancements quantitatively, providing a clear visual summary of the results. Overall, the findings contribute valuable insights into the field, suggesting potential avenues for further research and application.
Discussion
In this study, the effects of drought stress and subsequent recovery were examined across four plant species—*Helianthus annuus* (sunflower), *Triticum aestivum* (wheat), *Chenopodium album*, and *Alternanthera brasiliana*—which exhibit diverse photosynthetic traits and ecological strategies. The research highlighted the role of specific stress-responsive genes, particularly *TaP5CS* and *HaP5CS*, which are involved in proline biosynthesis, an important osmoprotectant under drought conditions. The findings revealed that *H. annuus* and *C. album* showed significant increases in proline levels and antioxidant enzyme activities, indicating effective drought resilience mechanisms. Conversely, *A. brasiliana* demonstrated a unique ability to regulate oxidative stress, maintaining lower levels of hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA), suggesting superior antioxidative defense.
Physiological measurements indicated that drought led to significant reductions in fresh weight and relative water content (RWC) across all species, with *H. annuus* experiencing the most substantial decline. Upon re-watering, fresh weights improved, particularly in *T. aestivum* and *A. brasiliana*, suggesting effective recovery strategies. The study also noted species-specific responses in oxidative stress markers and antioxidant enzyme activities, with *C. album* exhibiting the highest catalase activity, while *H. annuus* relied heavily on peroxidase activity for ROS detoxification. Principal Component Analysis (PCA) further elucidated the multivariate responses to drought, revealing that oxidative stress mitigation and osmotic regulation were central to drought tolerance, while pigment dynamics and antioxidant activity differentiated recovery responses among the species. Overall, this research underscores the complexity of drought responses and the importance of understanding species-specific mechanisms for improving plant resilience in the face of climate change.