DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1419764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38938633
تاريخ النشر: 2024-06-13
المؤلف: Ayesha Siddika وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير إجهاد الملح على الأرز (Oryza sativa L) وإمكانية بكتيريا الجذور المحفزة لنمو النبات (PGPR) في التخفيف من هذه الآثار. على وجه التحديد، استخدمت الدراسة Bacillus subtilis وB. aryabhattai لعلاج شتلات الأرز المعرضة لإجهاد الملح عبر تركيزات NaCl تبلغ 50 و100 مليمول. أشارت النتائج إلى أن إجهاد الملح أدى إلى إجهاد أسموزي، واختلالات أيونية، وأضرار أكسيد، وانخفاض في النمو وكفاءة التمثيل الضوئي. ومع ذلك، أدى علاج PGPR إلى تحسين كبير في مرونة النبات من خلال تعزيز الدفاعات المضادة للأكسدة، واستعادة التوازن الأيوني، وزيادة امتصاص العناصر الغذائية، وتعزيز تخليق الهرمونات، مما أدى في النهاية إلى تحسين مقاييس النمو.
تسلط النتائج الضوء على الآثار الضارة للملوحة على الأرز، والتي تتميز بانخفاض النمو وكفاءة التمثيل الضوئي، إلى جانب زيادة الإجهاد التأكسدي. ومن الجدير بالذكر أن Bacillus subtilis تم تحديده كأكثر سلالة PGPR فعالية في تخفيف سمية الملح، بينما ساهمت B. aryabhattai أيضًا بشكل إيجابي ككل من الإندوفيت والإبيفيت. تؤكد الدراسة على الآثار العملية لاستخدام PGPR في الزراعة المستدامة، داعية إلى مزيد من البحث في آلياتها وآثارها على جودة الحبوب في ظل الظروف المالحة. يُوصى بإجراء تجارب ميدانية مستقبلية لاستكشاف دمج PGPR مع أصناف الأرز المقاومة للملح لتعزيز الإنتاجية والجدوى الاقتصادية في البيئات المالحة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الملحة التي تفرضها التحضر، والتصنيع، وتغير المناخ على إنتاجية الزراعة، خاصة بسبب زيادة ملوحة التربة. مع ارتفاع عدد السكان العالميين، تزداد الطلب على الغذاء، ومع ذلك، فإن الضغوط البيئية مثل الملوحة تعيق بشكل كبير غلة المحاصيل من خلال تعطيل العمليات الأساسية في التربة وإحداث إجهاد أكسيدي في النباتات. تؤثر الملوحة على جميع مراحل نمو النبات، مما يؤدي إلى آثار ضارة على النمو والإنتاجية. تؤكد الورقة على إمكانيات بكتيريا الجذور المحفزة لنمو النبات (PGPR)، وخاصة الأنواع مثل *Bacillus subtilis* و*Bacillus aryabhattai*، لتعزيز مرونة النبات ضد إجهاد الملوحة من خلال تحسين النمو، وتوافر العناصر الغذائية، وتحمل الإجهاد.
تهدف الدراسة بشكل محدد إلى التحقيق في الاستجابات الفسيولوجية والنمو للأرز – وهو غذاء أساسي لأكثر من نصف سكان العالم – تجاه إجهاد الملح، مع تقييم الآثار المخففة لـ PGPR المذكورة أعلاه. نظرًا لزيادة الملوحة بسبب تغير المناخ وتأثيرها على زراعة الأرز، خاصة في المناطق الساحلية، تسعى البحث إلى سد فجوة في فهم كيفية تخفيف هذه البكتيريا المفيدة للأضرار التأكسدية في نباتات الأرز تحت الظروف المالحة. من المتوقع أن تساهم النتائج في استراتيجيات تعزيز تحمل إجهاد الملح الذي يتم بوساطة PGPR، وبالتالي دعم إنتاج الأرز المستدام في مواجهة التحديات البيئية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون نوعًا من الأرز الغني بالزنك (Oryza sativa cv. BRRI dhan100) بمحتوى زنك يبلغ 25.7 ملغ كغ\(^{-1}\). تضمنت تصميم التجربة زراعة شتلات موحدة وصحية عمرها 42 يومًا في أواني واغنر (14 لتر) مملوءة بالتربة المعالجة بجرعات الأسمدة الموصى بها، بما في ذلك اليوريا، وTSP، وMoP، والجبس، وZnSO\(_4\). في البداية، تم الحفاظ على خمسة تلال لكل وعاء، والتي تم تقليلها لاحقًا إلى تيلتين لكل وعاء في مرحلة التكاثر.
لتقييم تأثير بكتيريا الجذور المحفزة لنمو النبات (PGPR)، تم تطبيق ثلاثة تعليقات بكتيرية مختلفة: Bacillus subtilis الإندوفيتي (1 × 10\(^{9}\) CFU مل\(^{-1}\))، وB. aryabhattai الإندوفيتي (3 × 10\(^{9}\) CFU مل\(^{-1}\))، وB. aryabhattai الإبيفيتي (3 × 10\(^{9}\) CFU مل\(^{-1}\)). حدثت هذه التطبيقات في ثلاث مراحل نمو: الزراعة، المرحلة الخضرية (خمسة أسابيع بعد الزراعة)، ومرحلة بدء السنبلة (سبعة أسابيع بعد الزراعة). بالإضافة إلى ذلك، تم تعريض النباتات لإجهاد الملح من خلال الري بمحلول NaCl بتركيز 50 مليمول و100 مليمول على فترات سبعة أيام، بينما تلقت مجموعة التحكم الماء فقط. تم هيكلة التجربة كتصميم عشوائي كامل (CRD) مع ثلاث تكرارات لضمان تحليل إحصائي قوي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الأساليب التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يدعم الفرضية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، تم قياسه بحجم تأثير قدره $d = 0.8$، مما يشير إلى أهمية عملية قوية. توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية العمودية والمخططات النقطية، هذه النتائج، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على الاتجاهات الملاحظة في البيانات. بشكل عام، تدعم النتائج الأسئلة البحثية الأولية وتفتح الطريق لمزيد من الاستكشاف في الدراسات اللاحقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم آثار إجهاد الملوحة على نباتات الأرز، مع التركيز على النمو، والخصائص الفسيولوجية، والبيوكيميائية، مع إيلاء اهتمام خاص لدور سلالات بكتيريا الجذور المحفزة لنمو النبات (PGPR)، وخاصة *Bacillus subtilis* و*B. aryabhattai*. أشارت النتائج إلى أن إجهاد الملوحة قلل بشكل كبير من ارتفاع النبات، والوزن الطازج (FW)، والوزن الجاف (DW)، ومساحة الورقة، حيث أظهر *B. subtilis* التأثير الإيجابي الأكثر أهمية على هذه المعلمات النمو تحت ظروف إجهاد NaCl 50 مليمول و100 مليمول. ومن الجدير بالذكر أن *B. subtilis* زاد من ارتفاع النبات بنسبة 7% و8% تحت إجهاد NaCl 50 مليمول و100 مليمول، على التوالي، بينما حسن أيضًا FW وDW مقارنة بالنباتات غير المعالجة.
فسيولوجيًا، أدى إجهاد الملوحة إلى انخفاض محتوى الكلوروفيل وموصلية الثغور، حيث استعاد *B. subtilis* و*B. aryabhattai* الإبيفيتي مستويات الكلوروفيل وزادوا من موصلية الثغور تحت الملوحة العالية. كما سلطت الدراسة الضوء على دور PGPR في تحسين محتوى الماء النسبي (RWC) وتوازن الأيونات، حيث قلل *B. subtilis* بشكل كبير من تراكم الصوديوم (Na⁺) وزاد من امتصاص البوتاسيوم (K⁺)، مما استعاد نسبة Na⁺/K⁺. بالإضافة إلى ذلك، خففت علاجات PGPR مؤشرات الإجهاد التأكسدي، مثل مالونديالديهايد (MDA) ومستويات بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، بينما عززت أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، وخاصة أسكوربات بيروكسيداز (APX) والغلوتاثيون ريدوكتاز (GR). بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تطبيق PGPR، وخاصة *B. subtilis*، يمكن أن يخفف بشكل فعال من الآثار السلبية لإجهاد الملوحة على نباتات الأرز من خلال تعزيز النمو، والمرونة الفسيولوجية، وإدارة الإجهاد التأكسدي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1419764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38938633
Publication Date: 2024-06-13
Author(s): Ayesha Siddika et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The research investigates the impact of salt stress on rice (Oryza sativa L) and the potential of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) to mitigate these effects. Specifically, the study utilized Bacillus subtilis and B. aryabhattai to treat rice seedlings subjected to salt stress via NaCl concentrations of 50 and 100 mM. The results indicated that salt stress led to osmotic stress, ionic imbalances, oxidative damage, and reduced growth and photosynthetic efficiency. However, PGPR treatment significantly improved plant resilience by enhancing antioxidant defenses, restoring ionic balance, increasing nutrient uptake, and promoting hormone synthesis, ultimately leading to improved growth metrics.
The findings highlight the detrimental effects of salinity on rice, characterized by reduced growth and photosynthetic efficiency, alongside increased oxidative stress. Notably, Bacillus subtilis was identified as the most effective PGPR strain in alleviating salt-induced toxicity, while B. aryabhattai also contributed positively as both an endophyte and epiphyte. The study emphasizes the practical implications of using PGPR in sustainable agriculture, advocating for further research into their mechanisms and effects on grain quality under saline conditions. Future field trials are recommended to explore the integration of PGPR with salt-tolerant rice varieties to enhance yield and economic viability in saline environments.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenges posed by urbanization, industrialization, and climate change on agricultural productivity, particularly due to the increasing salinity of soils. As global populations rise, the demand for food intensifies, yet environmental stresses such as salinity significantly hinder crop yields by disrupting essential soil processes and inducing oxidative stress in plants. Salinity affects all stages of plant development, leading to detrimental effects on growth and productivity. The paper emphasizes the potential of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), particularly species like *Bacillus subtilis* and *Bacillus aryabhattai*, to enhance plant resilience against salinity stress by improving growth, nutrient availability, and stress tolerance.
The study specifically aims to investigate the physiological and growth responses of rice—an essential staple for over half the global population—to salt stress, while evaluating the mitigating effects of the aforementioned PGPR. Given the increasing salinity due to climate change and its impact on rice cultivation, particularly in coastal areas, the research seeks to fill a gap in understanding how these beneficial bacteria can alleviate oxidative damage in rice plants under saline conditions. The findings are expected to contribute to strategies for enhancing PGPR-mediated salt stress tolerance, thereby supporting sustainable rice production in the face of environmental challenges.
Methods
In this study, the researchers utilized a Zn-enriched rice variety (Oryza sativa cv. BRRI dhan100) with a Zn content of 25.7 mg kg\(^{-1}\). The experimental design involved transplanting uniform, healthy 42-day-old seedlings into Wagner pots (14 L) filled with soil treated with recommended fertilizer doses, including Urea, TSP, MoP, Gypsum, and ZnSO\(_4\). Initially, five hills per pot were maintained, which were later thinned to two hills per pot at the reproductive stage.
To assess the impact of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), three different bacterial suspensions were applied: endophytic Bacillus subtilis (1 × 10\(^{9}\) CFU mL\(^{-1}\)), endophytic B. aryabhattai (3 × 10\(^{9}\) CFU mL\(^{-1}\)), and epiphytic B. aryabhattai (3 × 10\(^{9}\) CFU mL\(^{-1}\)). These applications occurred at three growth stages: transplantation, vegetative stage (five weeks post-transplantation), and panicle initiation stage (seven weeks post-transplantation). Additionally, the plants were subjected to salt stress through irrigation with 50 mM and 100 mM NaCl solutions at seven-day intervals, while the control group received only water. The experiment was structured as a completely randomized design (CRD) with three replications to ensure robust statistical analysis.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, thereby supporting the hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the dependent variable, quantified by an effect size of $d = 0.8$, suggesting a strong practical significance. Graphical representations, such as bar charts and scatter plots, further illustrate these findings, providing visual confirmation of the trends observed in the data. Overall, the results substantiate the initial research questions and pave the way for further exploration in subsequent studies.
Discussion
In this study, the effects of salinity stress on rice plants were evaluated, focusing on growth, physiological, and biochemical attributes, with particular attention to the role of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) strains, specifically *Bacillus subtilis* and *B. aryabhattai*. Results indicated that salinity stress significantly reduced plant height, fresh weight (FW), dry weight (DW), and leaf area, with *B. subtilis* demonstrating the most substantial positive impact on these growth parameters under both 50 mM and 100 mM NaCl stress conditions. Notably, *B. subtilis* enhanced plant height by 7% and 8% under 50 mM and 100 mM NaCl stress, respectively, while also improving FW and DW compared to non-inoculated plants.
Physiologically, salinity stress led to decreased chlorophyll content and stomatal conductance, with *B. subtilis* and epiphytic *B. aryabhattai* effectively restoring chlorophyll levels and enhancing stomatal conductance under high salinity. The study also highlighted the role of PGPR in improving relative water content (RWC) and ion homeostasis, as *B. subtilis* significantly reduced sodium (Na⁺) accumulation and increased potassium (K⁺) uptake, thus restoring the Na⁺/K⁺ ratio. Additionally, PGPR treatments mitigated oxidative stress indicators, such as malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H₂O₂) levels, while enhancing antioxidant enzyme activities, particularly ascorbate peroxidase (APX) and glutathione reductase (GR). Overall, the findings suggest that the application of PGPRs, especially *B. subtilis*, can effectively alleviate the adverse effects of salinity stress on rice plants by enhancing growth, physiological resilience, and oxidative stress management.