DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1519950
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39967814
تاريخ النشر: 2025-02-04
المؤلف: Wangwang An وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات والآليات التمثيلية الضوئية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة دور الميلاتونين (MT) في تعزيز مقاومة الحرارة في شتلات الطماطم المعرضة لإجهاد درجات الحرارة العالية (40 درجة مئوية). تشير النتائج إلى أن المعالجة بـ 100 ملليمول MT تحسن بشكل كبير الأداء الفسيولوجي والتمثيل الضوئي في ظل ظروف إجهاد الحرارة. بشكل محدد، يؤدي تطبيق MT إلى زيادة مستويات الأسموليتات مثل البرولين والسكريات القابلة للذوبان، وزيادة نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة (الكاتالاز، البيروكسيداز، والأسكوربات بيروكسيداز)، وتقليل علامات الضرر التأكسدي، بما في ذلك بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، والسوبر أكسيد (O₂⁻)، والمالونديالديهيد، والتوصيل الكهربائي.
بالإضافة إلى ذلك، تتأثر المعلمات الرئيسية للتمثيل الضوئي بشكل إيجابي، مع تحسينات ملحوظة في نشاط الإنزيمات المتعلقة بالتمثيل الضوئي، مثل السدوهيبتولوز-1،7-بيسفوسفاتاز (SBPase)، والريبولوز-1،5-بيسفوسفات كربوكسيلاز/أكسيداز (Rubisco)، وNADP-dependent glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (NADP-GAPDH). كما تشير الدراسة إلى تحسينات في الكفاءة الضوئية (Fv/Fm وY(II)) وتثبيط ضوئي (Qp)، إلى جانب استعادة منحنى OJIP. علاوة على ذلك، يعزز MT أيض الكلوروفيل من خلال زيادة تخليق الكلوروفيل أ و ب، وحمض 5-أمينوليفولينيك (ALA)، ومغنسيوم-بروتوفيورين (Mg Proto)، وبروتوكلوروفيليد (Pchlide)، بينما ينظم بشكل إيجابي جينات التخليق (SlHEMA1، SlPORB، SlPORC، وSlCHLI) وينظم بشكل سلبي جينات التحلل (SlCLH1، SlCLH2، SlPAO، SlPPH، وSlRCCR). تشير هذه النتائج إلى أن MT يعزز تحمل الحرارة في الطماطم من خلال حماية أيض الكلوروفيل وتحسين كفاءة التمثيل الضوئي، مما يوفر إطارًا نظريًا لتعزيز مرونة المحاصيل تجاه إجهاد الحرارة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum L.) كمحصول خضار حيوي، خاصة ضمن صناعة البيوت الزجاجية في الصين. وتؤكد على الآثار الضارة لدرجات الحرارة المحيطة العالية على نمو الطماطم، بما في ذلك اصفرار الأوراق، وتوقف النمو، وتقليل العائد والجودة. يؤدي إجهاد درجات الحرارة العالية إلى أضرار فسيولوجية، مثل تضرر سلامة أغشية الخلايا، وزيادة تسرب الإلكتروليتات، وضعف أيض الكلوروفيل، مما يعيق التمثيل الضوئي بشكل جماعي. يتم تنظيم إنزيمات رئيسية متورطة في تحلل الكلوروفيل، مثل أكسيداز الفيفوربيد الخالي من المغنيسيوم (PAO) وهيدراز الفيفوفيتين (PPH)، بشكل إيجابي تحت إجهاد الحرارة، مما يزيد من فقدان الكلوروفيل.
تناقش المقدمة أيضًا دور هرمونات النبات، وخاصة حمض الأبسيسيك (ABA)، والأوكسين، والإيثيلين، في التخفيف من إجهاد الحرارة. ترتفع مستويات ABA بشكل كبير تحت درجات الحرارة العالية، مما يعزز إغلاق الثغور وتنشيط التعبير الجيني المرتبط بالإجهاد، بما في ذلك بروتينات الصدمة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم الميلاتونين (MT) كمركب واعد لتعزيز مقاومة النبات للإجهاد غير الحيوي، حيث تشير الدراسات إلى قدرته على القضاء على أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وتحسين نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة. على الرغم من الفوائد المثبتة لـ MT في محاصيل مختلفة، إلا أن تأثيراته المحددة على تحمل الحرارة في الطماطم وأيض الكلوروفيل لا تزال غير مستكشفة بشكل كاف. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة البحثية من خلال التحقيق في الآليات الفسيولوجية التي من خلالها يعزز الميلاتونين الخارجي نمو شتلات الطماطم تحت إجهاد درجات الحرارة العالية، مما يوفر أساسًا نظريًا لتطبيقه في تحسين مقاومة الطماطم للإجهاد.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام صنف الطماطم ‘CR’ (S. lycopersicum cv. Condine Red) كمادة تجريبية، تم الحصول عليها من قسم البستنة في جامعة تشجيانغ. خضعت البذور لمعالجة قبل الإنبات عن طريق النقع في الماء عند 50-55 درجة مئوية لمدة 10 ساعات، تلتها عملية الإنبات على ركيزة الفيرميكوليت. بمجرد أن تطورت الشتلات إلى ورقتين حقيقيتين كاملتين، تم زراعتها في خليط تربة مغذية (ركيزة:فيرميكوليت:بيرلايت = 3:2:1) وزراعتها في غرفة مناخية تحت ظروف مسيطر عليها (18 درجة مئوية/28 درجة مئوية، 60% رطوبة، دورة ضوء/ظلام لمدة 12 ساعة، وكثافة ضوء 350 ميكرومول·م⁻²·ث⁻¹).
بدأت المعالجات التجريبية عندما كانت الشتلات قد طورت خمس أوراق وقلب واحد. تم إعطاء الميلاتونين ليلاً بتركيز 100 ملليمول·ل⁻¹ لمدة ثلاثة أيام، تلتها معالجة مستمرة بدرجات حرارة عالية لمدة ثلاثة أيام إضافية. شمل التصميم التجريبي أربع مجموعات معالجة، كل منها تحتوي على ثلاث تكرارات من 100 نبات، بإجمالي 400 شتلة. تم الحفاظ على مجموعة التحكم عند 28 درجة مئوية/18 درجة مئوية، بينما تعرضت مجموعة المعالجة بدرجات الحرارة العالية إلى 40 درجة مئوية، مع 60% رطوبة نسبية وكثافة ضوء 350 ميكرومول·م⁻²·ث⁻¹. يتم تقديم التصميم التجريبي التفصيلي في الجدول 1.
النتائج
في الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات الميلاتونين الخارجي (MT) على شتلات الطماطم تحت إجهاد درجات الحرارة العالية. أشارت النتائج إلى أن تطبيق الميلاتونين في درجة حرارة الغرفة لم يؤثر على نمو شتلات الطماطم مقارنة بالشتلات الضابطة. ومع ذلك، تحت إجهاد درجات الحرارة العالية، لوحظ ذبول كبير للأوراق. من الجدير بالذكر أن رش الشتلات بـ 100 ملليمول·ل$^{-1}$ MT خفف من هذه الأعراض.
كشفت التحليلات الكمية أن درجات الحرارة العالية أثرت سلبًا على معلمات النمو المختلفة، مما أدى إلى تقليل ارتفاع النبات، وسمك الساق، وأوزان كل من الأجزاء الهوائية وتحت الأرض من الوزن الطازج والجاف بنسب كبيرة (13.36% إلى 70.0%) مقارنة بالشتلات الضابطة. بالمقابل، أظهرت الشتلات المعالجة بـ MT تحت ظروف درجات الحرارة العالية تحسينات ملحوظة في مقاييس النمو، مع زيادات في ارتفاع النبات (4.38%)، وسمك الساق (11.25%)، وأوزان كل من الأجزاء الهوائية (31.47% و34.04%) والأوزان تحت الأرض (23.53% و1.00%) مقارنة بمجموعة درجات الحرارة العالية. تشير هذه النتائج إلى أن الميلاتونين يخفف بشكل فعال من تثبيط النمو الناجم عن إجهاد درجات الحرارة العالية، على الرغم من أنه لا يعيد النمو تمامًا إلى مستويات القاعدة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات الميلاتونين الخارجي (MT) على شتلات الطماطم تحت إجهاد درجات الحرارة العالية (HT)، مما كشف عن استجابات فسيولوجية وكيميائية حيوية كبيرة. أثرت درجات الحرارة العالية سلبًا على نمو النبات، مما أدى إلى تجعد الأوراق، واصفرارها، وتقليل الكتلة الحيوية. أظهرت الدراسة أن إجهاد HT زاد من مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وخاصة بيروكسيد الهيدروجين وأنيونات السوبر أكسيد، إلى جانب زيادة محتوى المالونديالديهيد (MDA)، مما يشير إلى تلف الغشاء. بالمقابل، أدى تطبيق MT إلى تقليل مستويات ROS ومحتوى MDA بشكل فعال، مما عزز نظام الدفاع المضاد للأكسدة من خلال زيادة أنشطة إنزيمات رئيسية مثل الكاتالاز (CAT) والأسكوربات بيروكسيداز (APX). علاوة على ذلك، حسنت معالجة MT التنظيم الأسموزي من خلال زيادة تركيزات البرولين والسكريات القابلة للذوبان، مما ساعد على استقرار أغشية الخلايا وتخفيف الأضرار الناتجة عن الحرارة.
كما أبرزت النتائج دور MT في تعزيز كفاءة التمثيل الضوئي ومحتوى الكلوروفيل تحت إجهاد HT. أدى تطبيق MT إلى تحسين مستويات الكلوروفيل أ و ب، بالإضافة إلى محتوى الكاروتينويد، الذي انخفض بشكل كبير تحت ظروف HT. بالإضافة إلى ذلك، أثر MT بشكل إيجابي على التعبير عن جينات تخليق الكلوروفيل، مثل SlHEMA1، وأوقف التعبير عن جينات تحلل الكلوروفيل، مما يشير إلى آلية تنظيمية من خلالها يحافظ MT على توازن الكلوروفيل أثناء الإجهاد الحراري. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام الميلاتونين الخارجي كعامل واقي لشتلات الطماطم، مما يعزز مرونتها تجاه إجهاد درجات الحرارة العالية من خلال تحسين القدرة المضادة للأكسدة، والتنظيم الأسموزي، وتخليق الكلوروفيل.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1519950
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39967814
Publication Date: 2025-02-04
Author(s): Wangwang An et al.
Primary Topic: Photosynthetic Processes and Mechanisms
Overview
This study investigates the role of melatonin (MT) in enhancing heat resistance in tomato seedlings subjected to high-temperature stress (40°C). The findings indicate that treatment with 100 mmol MT significantly improves physiological and photosynthetic performance under heat stress conditions. Specifically, MT application leads to increased levels of osmolytes such as proline and soluble sugars, enhanced activities of antioxidant enzymes (catalase, peroxidase, and ascorbate peroxidase), and a reduction in oxidative damage markers, including hydrogen peroxide (H₂O₂), superoxide (O₂⁻), malondialdehyde, and conductivity.
Additionally, key photosynthetic parameters are positively affected, with improvements noted in enzyme activities related to photosynthesis, such as sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), and NADP-dependent glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (NADP-GAPDH). The study also reports enhancements in photochemical efficiency (Fv/Fm and Y(II)) and photochemical quenching (Qp), alongside a restoration of the OJIP curve. Furthermore, MT promotes chlorophyll metabolism by increasing the synthesis of chlorophyll a and b, 5-aminolevulinic acid (ALA), Mg-protoporphyrin (Mg Proto), and protochlorophyllide (Pchlide), while upregulating synthesis genes (SlHEMA1, SlPORB, SlPORC, and SlCHLI) and downregulating degradation genes (SlCLH1, SlCLH2, SlPAO, SlPPH, and SlRCCR). These results suggest that MT enhances heat tolerance in tomatoes by protecting chlorophyll metabolism and improving photosynthetic efficiency, providing a theoretical framework for enhancing crop resilience to heat stress.
Introduction
The introduction highlights the significance of tomatoes (Solanum lycopersicum L.) as a vital vegetable crop, particularly within China’s greenhouse industry. It emphasizes the detrimental effects of high ambient temperatures on tomato growth, including leaf yellowing, stunted growth, and reduced yield and quality. High-temperature stress leads to physiological damage, such as compromised cell membrane integrity, increased electrolyte leakage, and impaired chlorophyll metabolism, which collectively hinder photosynthesis. Key enzymes involved in chlorophyll degradation, such as magnesium-free pheophorbide a oxygenase (PAO) and pheophytin pheophorbide hydrolase (PPH), are upregulated under heat stress, exacerbating chlorophyll loss.
The introduction further discusses the role of plant hormones, particularly abscisic acid (ABA), auxin, and ethylene, in mitigating heat stress. ABA levels rise significantly under high temperatures, promoting stomatal closure and activating stress-related gene expression, including heat shock proteins. Additionally, melatonin (MT) is presented as a promising compound for enhancing plant resistance to abiotic stress, with studies indicating its ability to scavenge reactive oxygen species (ROS) and improve antioxidant enzyme activity. Despite the established benefits of MT in various crops, its specific effects on tomato heat tolerance and chlorophyll metabolism remain underexplored. This study aims to fill this research gap by investigating the physiological mechanisms through which exogenous melatonin enhances tomato seedling growth under high-temperature stress, thereby providing a theoretical basis for its application in improving tomato stress resistance.
Methods
In this study, the tomato cultivar ‘CR’ (S. lycopersicum cv. Condine Red) was utilized as the experimental material, sourced from the Department of Horticulture at Zhejiang University. The seeds underwent a pre-germination treatment by soaking in water at 50°C-55°C for 10 hours, followed by germination on a vermiculite substrate. Once the seedlings developed two fully expanded cotyledons, they were transplanted into a nutrient soil mixture (substrate:vermiculite:perlite = 3:2:1) and cultivated in a climate chamber under controlled conditions (18°C/28°C, 60% humidity, 12-hour light/dark cycle, and light intensity of 350 µmol·m⁻²·s⁻¹).
Experimental treatments commenced when the seedlings had developed five leaves and one heart. Melatonin was administered nightly at a concentration of 100 mmol·L⁻¹ for three days, followed by a continuous high-temperature treatment for an additional three days. The experimental design included four treatment groups, each with three replicates of 100 plants, totaling 400 seedlings. The control group was maintained at 28°C/18°C, while the high-temperature treatment group was subjected to 40°C, both with 60% relative humidity and a light intensity of 350 µmol·m⁻²·s⁻¹. The detailed experimental design is presented in Table 1.
Results
In the study, the effects of exogenous melatonin (MT) on tomato seedlings under high-temperature stress were investigated. The results indicated that melatonin application at room temperature did not affect the growth of tomato seedlings compared to control seedlings. However, under high-temperature stress, significant leaf wilting was observed. Notably, spraying seedlings with 100 mmol·L$^{-1}$ MT alleviated these wilting symptoms.
Quantitative analysis revealed that high temperatures adversely impacted various growth parameters, reducing plant height, stem thickness, and both above-ground and below-ground fresh and dry weights by substantial percentages (13.36% to 70.0%) compared to control seedlings. In contrast, MT-treated seedlings under high-temperature conditions showed marked improvements in growth metrics, with increases in plant height (4.38%), stem thickness (11.25%), and both above-ground (31.47% and 34.04%) and below-ground weights (23.53% and 1.00%) relative to the high-temperature group. These findings suggest that melatonin effectively mitigates the growth inhibition caused by high-temperature stress, although it does not completely restore growth to baseline levels.
Discussion
In this study, the effects of exogenous melatonin (MT) on tomato seedlings under high-temperature (HT) stress were investigated, revealing significant physiological and biochemical responses. High temperatures adversely affected plant growth, leading to leaf curling, yellowing, and reduced biomass. The study demonstrated that HT stress increased reactive oxygen species (ROS) levels, specifically hydrogen peroxide and superoxide anions, alongside elevated malondialdehyde (MDA) content, indicating membrane damage. Conversely, MT application effectively reduced ROS levels and MDA content, enhancing the antioxidant defense system by increasing the activities of key enzymes such as catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX). Furthermore, MT treatment improved osmotic regulation by increasing proline and soluble sugar concentrations, thereby stabilizing cell membranes and mitigating heat-induced damage.
The findings also highlighted the role of MT in enhancing photosynthetic efficiency and chlorophyll content under HT stress. The application of MT resulted in improved chlorophyll a and b levels, as well as carotenoid content, which were significantly decreased under HT conditions. Additionally, MT positively influenced the expression of chlorophyll synthesis-related genes, such as SlHEMA1, and inhibited the expression of chlorophyll degradation genes, suggesting a regulatory mechanism by which MT maintains chlorophyll balance during thermal stress. Overall, the study underscores the potential of exogenous melatonin as a protective agent for tomato seedlings, enhancing their resilience to high-temperature stress through improved antioxidant capacity, osmotic regulation, and chlorophyll synthesis.