DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1638213
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40949543
تاريخ النشر: 2025-08-29
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة التأثير الكبير للإجهاد الحراري على نمو النباتات وإنتاجية الزراعة، مع التركيز على أربعة محاصيل رئيسية—الشعير (Hordeum vulgare)، الأرز (Oryza sativa)، الذرة (Zea mays)، والطماطم (Solanum lycopersicum)—بالإضافة إلى نبات النموذج أرابيدوبسيس ثاليانا. تقدم المراجعة تحليلًا مقارنًا لاستجاباتها الشكلية والفيزيولوجية والكيميائية الحيوية للإجهاد الحراري، مما يكشف أن خصائص الجذور أكثر حساسية للحرارة من معلمات الساق. من الناحية الفيزيولوجية، أظهرت جميع الأنواع انخفاضًا في معدلات التمثيل الضوئي وكفاءة PSII ($F_v/F_m$)، بينما لوحظت اختلافات في الموصلية stomatal والتبخر بين الأنواع. كانت الاستجابات الكيميائية الحيوية، خاصة فيما يتعلق بأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ونشاط مضادات الأكسدة، معقدة، مما يشير إلى كل من التنظيم العلوي والتنظيم السفلي اعتمادًا على الأنواع وظروف الإجهاد.
تؤكد المراجعة على ضرورة معالجة استدامة الزراعة في مواجهة تغير المناخ ونمو السكان. تحدد تنشيط البذور كاستراتيجية تخفيف فعالة من حيث التكلفة وتبرز إمكانيات تنظيم miRNA لتطوير أصناف مقاومة للحرارة. تؤكد النتائج على الفجوات المعرفية الحرجة في مسارات الإجهاد التأكسدي وتقترح اتجاهات بحث مستقبلية لتعزيز مرونة المحاصيل ضد ارتفاع درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن المراجعة جدولًا يوضح microRNAs المحددة وجيناتها المستهدفة المعنية باستجابات الإجهاد الحراري، مما يوضح الآليات الجينية المعقدة التي يمكن الاستفادة منها لتحسين تحمل الحرارة في المحاصيل.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على التأثير الكبير لدرجات الحرارة العالية على إنبات البذور، ونمو الجذور والساق، والفيزيولوجيا العامة للنبات. إن إنبات البذور حساس بشكل خاص للإجهاد الحراري، حيث تنخفض المعدلات بشكل حاد فوق 30 درجة مئوية وقد يتم تثبيطها تمامًا عند درجات حرارة تتجاوز 45 درجة مئوية. يختلف مدى هذا الانخفاض بين الأنواع، حيث تظهر النباتات الحساسة للحرارة مثل الشعير والأرز انخفاضات تصل إلى 95% في معدلات الإنبات، بينما تظهر أصناف الذرة المقاومة للحرارة انخفاضًا بنسبة 40% فقط. علاوة على ذلك، يتأثر نمو الجذور والساق بشدة بالدرجات المرتفعة، مما يؤدي إلى تقليل تراكم الكتلة الحيوية وضعف الوظائف الفيزيولوجية. على سبيل المثال، يمكن أن ينخفض وزن الجذور الطازج بنسبة 52% إلى 70% في الأنواع الحساسة، بينما يظهر وزن الساق الطازج مرونة أكبر، خاصة في الذرة.
تشمل الاستجابات الفيزيولوجية للإجهاد الحراري اضطرابات كبيرة في كفاءة التمثيل الضوئي، مع انخفاض في محتوى الكلوروفيل والحد الأقصى من الكفاءة الكمومية لنظام التمثيل الضوئي II (PSII). تؤدي هذه التغيرات إلى تقليل استيعاب الكربون وتثبيط النمو بشكل عام. كما تظهر معدلات الموصلية stomatal والتبخر استجابات معقدة للإجهاد الحراري، حيث تزداد في البداية للتبريد ولكنها تنخفض مع التعرض المطول، مما يمكن أن يحد من امتصاص CO2 ويقلل من كفاءة التمثيل الضوئي. إن تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تحت الإجهاد الحراري يزيد من الضرر التأكسدي، مما يحفز تنشيط آليات الدفاع المضادة للأكسدة التي تختلف بين الأنواع. لقد أظهرت استراتيجيات مثل تنشيط البذور قبل الزراعة وعدًا في تعزيز تحمل الحرارة من خلال تحسين الإنبات والنمو تحت الإجهاد الحراري، مما يبرز الحاجة إلى نهج متكامل لتطوير محاصيل مقاومة للمناخ.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1638213
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40949543
Publication Date: 2025-08-29
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This review addresses the significant impact of high-temperature stress on plant growth and agricultural productivity, focusing on four major crops—barley (Hordeum vulgare), rice (Oryza sativa), maize (Zea mays), and tomato (Solanum lycopersicum)—as well as the model plant Arabidopsis thaliana. It provides a comparative analysis of their morphological, physiological, and biochemical responses to heat stress, revealing that root traits are more sensitive to heat than shoot parameters. Physiologically, all species showed decreased photosynthetic rates and PSII efficiency ($F_v/F_m$), while variations in stomatal conductance and transpiration were noted among species. Biochemical responses, particularly regarding reactive oxygen species (ROS) and antioxidant activity, were complex, indicating both upregulation and downregulation depending on the species and stress conditions.
The review emphasizes the urgency of addressing agricultural sustainability in the face of climate change and population growth. It identifies seed priming as a cost-effective mitigation strategy and highlights the potential of miRNA-mediated regulation for developing heat-tolerant cultivars. The findings underscore critical knowledge gaps in oxidative stress pathways and suggest future research directions to enhance crop resilience against rising temperatures. Additionally, the review includes a table detailing specific microRNAs and their target genes involved in heat stress responses, illustrating the intricate genetic mechanisms that could be leveraged for improving thermotolerance in crops.
Discussion
The discussion highlights the significant impact of high temperatures on seed germination, root and shoot growth, and overall plant physiology. Seed germination is particularly sensitive to heat stress, with rates declining sharply above 30°C and potentially being completely inhibited at temperatures exceeding 45°C. The extent of this decline varies among species, with heat-sensitive plants like barley and rice showing reductions of up to 95% in germination rates, while heat-tolerant maize cultivars exhibit only a 40% decline. Furthermore, root and shoot growth are severely affected by elevated temperatures, leading to reduced biomass accumulation and impaired physiological functions. For instance, root fresh weight can decrease by 52% to 70% in sensitive species, while shoot fresh weight shows greater resilience, particularly in maize.
The physiological responses to heat stress include significant disruptions in photosynthetic efficiency, with reductions in chlorophyll content and the maximum quantum efficiency of photosystem II (PSII). These changes lead to diminished carbon assimilation and overall growth inhibition. Stomatal conductance and transpiration rates also exhibit complex responses to heat, initially increasing for cooling but declining with prolonged exposure, which can limit CO2 uptake and further reduce photosynthetic efficiency. The accumulation of reactive oxygen species (ROS) under heat stress exacerbates oxidative damage, prompting the activation of antioxidant defense mechanisms that vary among species. Strategies such as pre-sowing seed priming have shown promise in enhancing thermotolerance by improving germination and growth under heat stress, highlighting the need for integrated approaches to develop climate-resilient crops.