DOI: https://doi.org/10.3389/fclim.2025.1748714
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Somashekhargouda Patil وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات إدارة أمراض النباتات
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير تطعيم قهوة الروبوستا (Coffea canephora) على أصول قهوة الأرابيكا (Coffea arabica) لتعزيز تحمل الجفاف، خاصة في سياق زيادة تقلبات المناخ. أجريت الدراسة على مدى ثلاث سنوات في المعهد المركزي لأبحاث القهوة في كارناتاكا، الهند، حيث تم تقييم استجابة الجفاف لاثنين من الأفرع الروبوستا (S.274 و C×R) المطعمة على أربعة أصول أرابيكا رباعية الصبغيات (Sln.6 و Sln.9 و S.4595 و Sln.5B). كان التصميم التجريبي عشوائيًا مع ثلاث تكرارات، حيث تم تقييم الصفات الفسيولوجية والبيوكيميائية قبل الضغط، عند بداية الذبول (9.4% رطوبة التربة)، و15 يومًا بعد إعادة الري.
أشارت النتائج إلى أن تركيبة S.4595/C×R أظهرت أقل انخفاض في صافي عملية التمثيل الضوئي (-7.7%) خلال الجفاف وأعلى استعادة بعد الضغط. تضمنت التركيبات الفعالة الأخرى Sln.6/C×R و Sln.9/S.274، بينما حافظت Sln.5B/C×R على توصيل ثابت للستومات واستعادة كاملة. من الجدير بالذكر أن S.4595/C×R و Sln.5B/C×R أظهرا انخفاضًا طفيفًا في CO₂ داخل الخلايا، ومحتوى مائي نسبي مرتفع (79.63%)، وترسب شمعي ملحوظ (29.90 ميكروغرام/سم²)، مما يدل على تحسين احتباس الماء. كما حافظت هذه التطعيمات على محتوى أعلى من الكلوروفيل أ و ب وأظهرت كفاءة استخدام الماء الداخلية متفوقة. تشير النتائج إلى أن تركيبات الأصول والأفرع المحددة يمكن أن تعزز بشكل كبير من التحمل الفسيولوجي للجفاف، مما يوفر استراتيجيات قابلة للتطبيق لتطوير أنظمة قهوة مقاومة للمناخ في البيئات المحدودة بالمياه.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية الاقتصادية للقهوة، التي تعتبر ثاني أكثر السلع تداولًا على مستوى العالم، حيث تعتبر الأرابيكا والروبوستا الأنواع الرئيسية المزروعة. تشكل الأرابيكا حوالي 70% من الإنتاج العالمي، وهي حساسة بشكل خاص لضغط المياه، وهو عامل حاسم يؤثر على النمو والعائد. تشير الورقة إلى أنه بينما تظهر الروبوستا خصائص تجنب الجفاف، فإن الأرابيكا تمتلك هيكل جذري أعمق، مما يؤثر على تحملها للجفاف. على الرغم من التقدم في إنتاج القهوة، خاصة في المناطق ذات الأمطار الغزيرة في الهند، لا يزال الجفاف المطول يمثل تحديًا، مما يؤدي إلى تشوهات زهرية وانخفاض في العائدات.
تناقش المقدمة أيضًا التقدم المحدود في تربية أصناف القهوة المقاومة للجفاف والدور الناشئ لتقنيات التطعيم كبديل قابل للتطبيق لطرق التربية التقليدية. وتؤكد على الجوانب الفسيولوجية لتحمل الجفاف، بما في ذلك التكيف الأسموزي ومعلمات تبادل الغازات، التي تعتبر حاسمة للحفاظ على الإنتاجية تحت ضغط المياه. تهدف الدراسة إلى تقييم أربعة أنماط جينية من الأرابيكا كأصول بالتزامن مع اثنين من الأفرع الروبوستا، مع التركيز على استجابتها الفسيولوجية والبيوكيميائية لضغط الرطوبة، مما يساهم في تطوير أصناف قهوة أكثر مقاومة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التي أجريت على مدى ثلاث مواسم نمو (2020-2023) في المعهد المركزي لأبحاث القهوة في كارناتاكا، الهند، تم تقييم مجموعات مختلفة من الأصول والأفرع تحت ظروف بيئية محكومة. أظهر الموقع التجريبي متوسط درجة حرارة قصوى قدرها 29.6 °م، وحد أدنى قدره 18.12 °م، ورطوبة نسبية عالية (حوالي 85%). كانت التربة موصوفة بأنها عميقة، جيدة التصريف، وحمضية قليلاً مع محتوى عالٍ من الكربون العضوي. أظهرت أصول الأرابيكا الرباعية الصبغيات المختارة (S.4595 و Sln.5B و Sln.9 و Sln.6) خصائص مفيدة مثل كتلة جذر عالية وكفاءة استخدام الماء، بينما تم اختيار الأفرع الروبوستا (S.274 و C × R) لجدواها التجارية وحساسيتها المعتدلة للجفاف.
اتبعت التصميم التجريبي تنسيق كتلة عشوائية مع ثلاث تكرارات، باستخدام شتلات مطعمة نمت في أكياس مشتل مليئة بمزيج من تربة الغابة، وروث المزارع، والرمل. تم إجراء التطعيم باستخدام طريقة الشق المائل، وتم تعريض الشتلات لضغط رطوبة التربة المحكومة من خلال الحفاظ على الري عند 70% من سعة الحقل، تلاها فترة 15 يومًا من حجب الري لتحفيز الضغط. تم قياس المعلمات الفسيولوجية، بما في ذلك مقاييس تبادل الغازات (صافي التمثيل الضوئي، توصيل الستومات، معدل النتح، وكفاءة الكربوكسيل)، باستخدام نظام تمثيل ضوئي محمول. شملت التقييمات البيوكيميائية محتوى الماء النسبي، محتوى الشمع السطحي، ومحتوى الكلوروفيل، مع أخذ جميع القياسات تحت ظروف موحدة لضمان التناسق.
النتائج
في التجربة التي أجريت، أظهرت مستويات رطوبة التربة تباينًا كبيرًا، حيث كانت 26.9% ± 0.42 تحت الظروف الطبيعية وانخفضت إلى 9.4% ± 0.48 خلال ظروف الضغط. يمثل هذا انخفاضًا كبيرًا بحوالي 65% من مستويات الرطوبة الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم المعلمات الفسيولوجية بشكل منهجي في ثلاث نقاط زمنية متميزة: قبل بدء الضغط، خلال فترة الضغط، وبعد تخفيف الضغط، مما يوفر فهمًا شاملاً للاستجابات الفسيولوجية لظروف الرطوبة المتغيرة.
المناقشة
في قسم المناقشة، استخدمت الدراسة تحليل التباين الأحادي واختبار Tukey’s HSD لتحليل الاستجابات الفسيولوجية والبيوكيميائية لمجموعات التطعيم المختلفة تحت ضغط الجفاف. أكدت التحليلات أن مجموعات التطعيم مثل S.4595/C × R و Sln.5B/C × R أظهرت خصائص تبادل غازات متفوقة، بما في ذلك صافي التمثيل الضوئي الأعلى ($P_n$)، وتوصيل الستومات ($g_s$)، وكفاءة استخدام الماء الداخلية (IWUE) تحت ظروف الري الجيد والجفاف. من الجدير بالذكر أن S.4595/C × R أظهرت أقل انخفاض في $P_n$ خلال الضغط، مما يدل على تحمل قوي للجفاف، بينما أظهرت مجموعات أخرى درجات متفاوتة من الاستعادة بعد الضغط. سلطت الدراسة الضوء على أهمية الصفات الفسيولوجية مثل احتفاظ الكلوروفيل ومحتوى الشمع السطحي في تعزيز مقاومة الجفاف.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات متعددة المتغيرات من خلال تحليل المكونات الرئيسية (PCA) عن تفاعلات صفات هامة، حيث تم تحديد المساهمين الرئيسيين في تحمل الجفاف كـ $P_n$ و IWUE ومحتوى الشمع السطحي. أشارت نتائج PCA إلى أن مجموعات التطعيم ذات الأداء الأعلى تجمعت بشكل إيجابي، مما يعكس تكيفاتها الفسيولوجية الفعالة مع ضغط الجفاف. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام تركيبات محددة من الأصول والأفرع، وخاصة S.4595/C × R و Sln.5B/C × R، لزراعة القهوة المقاومة للمناخ، مما يبرز الدور الحاسم للصفات الفسيولوجية والبيوكيميائية في تطوير نباتات تتحمل الجفاف.
DOI: https://doi.org/10.3389/fclim.2025.1748714
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Somashekhargouda Patil et al.
Primary Topic: Plant Disease Management Techniques
Overview
The study investigates the impact of grafting robusta coffee (Coffea canephora) onto arabica (Coffea arabica) rootstocks to enhance drought tolerance, particularly in the context of increasing climate variability. Conducted over three years at the Central Coffee Research Institute in Karnataka, India, the research evaluated the drought response of two robusta scions (S.274 and C×R) grafted onto four tetraploid arabica rootstocks (Sln.6, Sln.9, S.4595, and Sln.5B). The experimental design was randomized with three replications, assessing physiological and biochemical traits before stress, at incipient wilting (9.4% soil moisture), and 15 days post-rewatering.
Results indicated that the S.4595/C×R combination exhibited the least reduction in net photosynthesis (-7.7%) during drought and the highest recovery post-stress. Other effective combinations included Sln.6/C×R and Sln.9/S.274, while Sln.5B/C×R maintained stable stomatal conductance and full recovery. Notably, S.4595/C×R and Sln.5B/C×R demonstrated minimal decline in intercellular CO₂, high relative water content (79.63%), and significant epicuticular wax deposition (29.90 µg/cm²), indicating improved water retention. These grafts also preserved higher chlorophyll a and b content and exhibited superior intrinsic water use efficiency. The findings suggest that the identified rootstock-scion combinations can significantly enhance physiological tolerance to drought, offering viable strategies for developing climate-resilient coffee systems in water-limited environments.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the economic significance of coffee, the second most traded commodity globally, with Arabica and Robusta being the primary species cultivated. Arabica, which constitutes about 70% of global production, is particularly sensitive to water stress, a critical factor affecting growth and yield. The paper notes that while Robusta exhibits drought-avoidance traits, Arabica has a deeper root structure, which influences their respective drought tolerances. Despite advancements in coffee production, especially in high-rainfall regions of India, prolonged drought remains a challenge, leading to floral abnormalities and reduced yields.
The introduction further discusses the limited progress in breeding drought-tolerant coffee cultivars and the emerging role of grafting techniques as a viable alternative to traditional breeding methods. It emphasizes the physiological aspects of drought tolerance, including osmotic adjustment and gas exchange parameters, which are crucial for maintaining productivity under water stress. The study aims to evaluate four Arabica genotypes as rootstocks in combination with two Robusta scions, focusing on their physiological and biochemical responses to moisture stress, thereby contributing to the development of more resilient coffee varieties.
Methods
In this study, conducted over three growing seasons (2020-2023) at the Central Coffee Research Institute in Karnataka, India, various rootstock-scion combinations were evaluated under controlled environmental conditions. The experimental site exhibited a mean maximum temperature of 29.6 °C, a minimum of 18.12 °C, and high relative humidity (approximately 85%). The soil was characterized as deep, well-drained, and slightly acidic with high organic carbon content. Selected Arabica tetraploid rootstocks (S.4595, Sln.5B, Sln.9, and Sln.6) demonstrated advantageous traits such as high root biomass and water-use efficiency, while Robusta scions (S.274 and C × R) were chosen for their commercial viability and moderate drought sensitivity.
The experimental design followed a randomized block format with three replications, utilizing grafted seedlings grown in nursery bags filled with a soil mixture of jungle soil, farmyard manure, and sand. Grafting was performed using a wedge-cleft method, and seedlings were subjected to controlled soil moisture stress by maintaining irrigation at 70% of field capacity, followed by a 15-day period of withheld irrigation to induce stress. Physiological parameters, including gas exchange metrics (net photosynthesis, stomatal conductance, transpiration rate, and carboxylation efficiency), were measured using a portable photosynthesis system. Biochemical assessments included relative water content, epicuticular wax content, and chlorophyll content, with all measurements taken under standardized conditions to ensure consistency.
Results
In the conducted experiment, soil moisture levels exhibited significant variability, measuring 26.9% ± 0.42 under normal conditions and dropping to 9.4% ± 0.48 during stress conditions. This represents a substantial reduction of approximately 65% from baseline moisture levels. Additionally, physiological parameters were systematically evaluated at three distinct time points: prior to the onset of stress, during the stress period, and following the alleviation of stress, providing a comprehensive understanding of the physiological responses to varying moisture conditions.
Discussion
In the discussion section, the research employed one-way ANOVA and Tukey’s HSD test to analyze the physiological and biochemical responses of various graft combinations under drought stress. The analysis confirmed that graft combinations such as S.4595/C × R and Sln.5B/C × R exhibited superior gas exchange traits, including higher net photosynthesis ($P_n$), stomatal conductance ($g_s$), and intrinsic water-use efficiency (IWUE) under both well-watered and drought conditions. Notably, S.4595/C × R demonstrated the least decline in $P_n$ during stress, indicating strong drought tolerance, while other combinations showed varying degrees of recovery post-stress. The study highlighted the importance of physiological traits such as chlorophyll retention and epicuticular wax content in enhancing drought resilience.
Additionally, multivariate analysis through principal component analysis (PCA) revealed significant trait interactions, with key contributors to drought tolerance identified as $P_n$, IWUE, and epicuticular wax content. The PCA results indicated that the top-performing graft combinations clustered positively, reflecting their effective physiological adaptations to drought stress. The findings underscore the potential of utilizing specific rootstock-scion combinations, particularly S.4595/C × R and Sln.5B/C × R, for climate-resilient coffee cultivation, emphasizing the critical role of physiological and biochemical traits in developing drought-tolerant plants.