DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-025-06750-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40426053
تاريخ النشر: 2025-05-27
المؤلف: Behnaz Mohagheghian وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استجابات الإجهاد الناتج عن الجفاف لـ 21 صنفًا من الشعير وخطوط التربية، مع التركيز على مجموعة متنوعة من الصفات الفسيولوجية والبيوكيميائية المتعلقة بالإجهاد التأكسدي، نشاط مضادات الأكسدة، وصحة النبات بشكل عام. تم إجراء تجارب ميدانية تحت ظروف طبيعية وظروف جفاف، مما كشف عن تأثيرات كبيرة مرتبطة بالرطوبة على معظم الصفات المقاسة، بما في ذلك التقاط الجذور الحرة DPPH، المالونديالديهايد (MDA)، بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، وإنتاج الحبوب. ومن الجدير بالذكر أن الإجهاد الناتج عن الجفاف أدى إلى زيادة مستويات علامات الإجهاد التأكسدي والمركبات الفينولية، بينما انخفضت المعلمات الرئيسية لعملية التمثيل الضوئي وإنتاج الحبوب. كانت هناك تباينات جينية ملحوظة بين الأنماط الجينية للشعير لمعظم الصفات، مما يشير إلى إمكانية التربية الانتقائية.
تؤكد النتائج على أهمية تفاعلات النمط الجيني والبيئة في تحمل الجفاف، مما يبرز دور البوليفينولات كجزيئات إشارة حيوية تعزز آليات الدفاع النباتية وتخفف من الإجهاد التأكسدي. تقترح الدراسة أن خطوط الشعير التي تظهر قدرات مضادة للأكسدة أعلى وأضرار أكسدة أقل هي أكثر مقاومة للجفاف، مما يجعلها مرشحة واعدة لبرامج التربية التي تهدف إلى تطوير أصناف مقاومة للجفاف. تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى قيمة حول الصفات الفسيولوجية المرتبطة بالقدرة على تحمل الجفاف في الشعير، وهو أمر حاسم لتحسين الأمن الغذائي في مواجهة دورات الجفاف الناتجة عن تغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على تزايد شدة الإجهاد غير الحيوي بسبب تغير المناخ، مع التركيز بشكل خاص على ظروف الجفاف التي تؤثر سلبًا على الإنتاجية الزراعية والأمن الغذائي. تؤكد على أهمية الشعير، وهو محصول حبوب رئيسي ونموذج لدراسة تحمل الإجهاد غير الحيوي، خاصة في سياق الجفاف. توضح الورقة التغيرات الفسيولوجية والبيوكيميائية والمورفولوجية التي تمر بها النباتات، بما في ذلك الشعير، استجابةً لإجهاد الجفاف، مما يمكن أن يؤدي إلى الإجهاد التأكسدي وموت الخلايا بسبب تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS).
تناقش المقدمة أيضًا الدور المزدوج لـ ROS في النباتات، حيث يمكن أن تعمل المستويات المنخفضة إلى المتوسطة كجزيئات إشارة لتفعيل استجابات الإجهاد، بينما يمكن أن تسبب ROS المفرطة أضرارًا تأكسدية، تؤثر على سلامة الخلايا وفي النهاية تقلل من إنتاج الحبوب. تهدف الدراسة إلى التحقيق في الآليات التي تستجيب بها الأنماط الجينية للشعير لإجهاد الجفاف، مع التركيز على أدوار مضادات الأكسدة غير الإنزيمية والإنزيمية، وتراكم البوليفينول، والصفات الفسيولوجية المرتبطة بتحمل الجفاف. من المتوقع أن تسهم النتائج في برامج التربية التي تهدف إلى تعزيز القدرة على تحمل الجفاف في الشعير، وبالتالي معالجة التحديات التي يفرضها تغير المناخ على الأنظمة الزراعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام 21 صنفًا من الشعير وخطوط التربية المتقدمة (الأنماط الجينية) من *Hordeum vulgare ssp. vulgare L.*، تم الحصول عليها من مركز البحث والتعليم للزراعة والموارد الطبيعية في محافظة أصفهان، إيران. تم إجراء التجارب في مزرعة البحث بجامعة أصفهان للتكنولوجيا، الواقعة على ارتفاع 1624 م، مع متوسط هطول سنوي يبلغ 122.6 مم. تم استخدام تصميم كتلة عشوائية كاملة (RCBD)، مع تكرارين لكل نظام رطوبة – الظروف الطبيعية وظروف الإجهاد الناتج عن الجفاف.
تم جمع البيانات لعدة صفات خلال موسم النمو 2021-2022، بينما تم حساب بيانات إنتاج الحبوب من التجارب التي أجريت على مدى عامين (2019-2020 و2021-2022) للتحليل الإحصائي. كانت كل قطعة تجريبية تتكون من أربعة صفوف، كل منها يحتوي على 22 نباتًا، متباعدة بمقدار 5 سم، مع قياس الصفوف 110 سم في الطول وزراعتها على عمق 5 سم. يتم تقديم معلومات النسب التفصيلية للأنماط الجينية في الجدول 1.
النتائج
أشارت نتائج تحليل التباين (ANOVA) إلى وجود اختلافات كبيرة بين نظامي الرطوبة لمعظم الصفات المدروسة، باستثناء نسبة الكلوروفيل a/b (Chla/b)، محتوى الكاروتينويد، وتسرب الإلكتروليت (EL). كانت التباينات الجينية ملحوظة لجميع الصفات التي تم تحليلها، باستثناء نسبة Chla/b. وُجد تفاعل ملحوظ بين النمط الجيني وأنظمة الرطوبة لجميع الصفات، باستثناء نسبة Chla/b، والعائد الكمي الأقصى (F_m)، ومحتوى الماء النسبي (RWC)، وEL.
أظهرت مقارنات المتوسطات أن الإجهاد الناتج عن الجفاف أدى إلى تقليل كبير في معظم الصفات، بينما أظهرت صفات مثل DPPH، المالونديالديهايد (MDA)، بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، محتوى الفينول الكلي (TPC)، محتوى الفلافونويد الكلي (TFC)، البيروكسيداز (POX)، والبروتين (Pro) زيادات كبيرة. كانت الصفات الأكثر تأثرًا سلبًا بالإجهاد الناتج عن الجفاف هي MDA وPro، بينما كان محتوى الكاروتينويد هو الأقل تأثرًا. لم تُلاحظ أي تأثيرات كبيرة للجفاف على نسبة Chla/b، محتوى الكاروتينويد، وEL.
المناقشة
في قسم المناقشة، درست الدراسة تأثيرات أنظمة الري المختلفة على الأنماط الجينية للشعير خلال ظروف الإجهاد الناتج عن الجفاف. تم إدارة الري بعناية لمنع استنزاف مياه التربة بما يتجاوز 50%، مع تطبيق علاجين في مرحلة نمو زادوك 13: تحكم عند 55% استنزاف وحالة إجهاد جفاف عند 85% استنزاف لمياه التربة المتاحة. استخدمت الدراسة معادلة FAO Penman-Monteith لتقييم استنزاف رطوبة التربة وطبقت نظام ري بالتنقيط لتوفير كميات دقيقة من المياه. أشارت النتائج إلى أن قطع التحكم تلقت حوالي 5500 م³ هكتار⁻¹ من المياه، بينما تلقت القطع المتعرضة للإجهاد الناتج عن الجفاف حوالي 3000 م³ هكتار⁻¹، مما يبرز التأثير الكبير لتوافر المياه على نمو النبات.
كشفت تحليل الصفات الفسيولوجية والبيوكيميائية المختلفة أن الإجهاد الناتج عن الجفاف أثر بشكل كبير على قدرة مضادات الأكسدة، أكسدة الدهون، ومحتوى الفينول بين الأنماط الجينية للشعير. ومن الجدير بالذكر أن نشاط التقاط الجذور الحرة DPPH زاد تحت ظروف الجفاف لمعظم الأنماط الجينية، حيث أظهرت الأنماط الجينية 2 و3 أعلى نشاط. على العكس من ذلك، زادت أكسدة الدهون، المقاسة كمالونديالديهايد (MDA)، بشكل كبير تحت الإجهاد، مما يدل على الأضرار التأكسدية. كما وجدت الدراسة أن الإجهاد الناتج عن الجفاف رفع مستويات بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومحتوى الفينول الكلي (TPC)، بينما قلل من محتوى الكلوروفيل ومحتوى الماء النسبي (RWC). تؤكد هذه النتائج على التفاعلات المعقدة بين الإجهاد الناتج عن الجفاف والنمط الجيني، مما يؤثر على كل من الاستجابات الفسيولوجية وآليات مضادات الأكسدة، والتي تعتبر حاسمة لتحسين قدرة الشعير على تحمل نقص المياه.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-025-06750-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40426053
Publication Date: 2025-05-27
Author(s): Behnaz Mohagheghian et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This study investigates the drought stress responses of 21 barley cultivars and breeding lines, focusing on various physiological and biochemical traits related to oxidative stress, antioxidant activity, and overall plant health. Field experiments were conducted under both normal and drought conditions, revealing significant moisture-related effects on most traits measured, including DPPH radical scavenging, malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H₂O₂), and grain yield. Notably, drought stress led to increased levels of oxidative stress markers and phenolic compounds, while key photosynthetic parameters and grain yield decreased. Genetic variation among the barley genotypes was significant for most traits, indicating potential for selective breeding.
The findings underscore the importance of genotype-environment interactions in drought tolerance, highlighting the role of polyphenols as critical signaling molecules that enhance plant defense mechanisms and mitigate oxidative stress. The study suggests that barley lines exhibiting higher antioxidant capacities and reduced oxidative damage are more resilient to drought, making them promising candidates for breeding programs aimed at developing drought-tolerant cultivars. This research contributes valuable insights into the physiological traits associated with drought resilience in barley, which is crucial for improving food security in the face of climate change-induced drought cycles.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing severity of abiotic stress due to climate change, particularly focusing on drought conditions that adversely affect agricultural productivity and food security. It emphasizes the importance of barley, a key cereal crop and model organism for studying abiotic stress tolerance, particularly in the context of drought. The paper outlines the physiological, biochemical, and morphological changes that plants, including barley, undergo in response to drought stress, which can lead to oxidative stress and cell death due to the accumulation of reactive oxygen species (ROS).
The introduction further discusses the dual role of ROS in plants, where low to moderate levels can function as signaling molecules to activate stress responses, while excessive ROS can cause oxidative damage, affecting cellular integrity and ultimately reducing grain yield. The study aims to investigate the mechanisms by which barley genotypes respond to drought stress, focusing on the roles of non-enzymatic and enzymatic antioxidants, polyphenol accumulation, and physiological traits linked to drought tolerance. The findings are expected to contribute to breeding programs aimed at enhancing drought resilience in barley, thereby addressing the challenges posed by climate change on agricultural systems.
Methods
In this study, 21 barley cultivars and advanced breeding lines (genotypes) of *Hordeum vulgare ssp. vulgare L.* were utilized, sourced from the Research and Education Center for Agriculture and Natural Resources in Isfahan Province, Iran. The experiments were conducted at the Isfahan University of Technology’s research farm, situated at an altitude of 1624 m, with an average annual precipitation of 122.6 mm. A randomized complete block design (RCBD) was employed, with two replications for each moisture regime—normal and drought stress.
Data collection for various traits occurred during the 2021-2022 growing season, while grain yield data were averaged from experiments conducted over two years (2019-2020 and 2021-2022) for statistical analysis. Each experimental plot consisted of four rows, each containing 22 plants, spaced 5 cm apart, with rows measuring 110 cm in length and planted at a depth of 5 cm. The detailed pedigree information for the genotypes is provided in Table 1.
Results
The results of the ANOVA indicated significant differences between the two moisture regimes for most studied traits, with the exception of the chlorophyll a/b (Chla/b) ratio, carotenoid content, and electrolyte leakage (EL). Genotypic variations were significant for all traits analyzed, except for the Chla/b ratio. A notable interaction between genotype and moisture regimes was found for all traits, excluding the Chla/b ratio, maximum quantum yield (F_m), relative water content (RWC), and EL.
Mean comparisons demonstrated that drought stress led to a significant reduction in most traits, while traits such as DPPH, malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H₂O₂), total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), peroxidase (POX), and proline (Pro) showed significant increases. The traits most adversely affected by drought stress were MDA and Pro, whereas carotenoid content was the least impacted. No significant drought effects were observed on the Chla/b ratio, carotenoid content, and EL.
Discussion
In the discussion section, the study examined the effects of different irrigation regimes on barley genotypes during drought stress conditions. Irrigation was carefully managed to prevent soil water depletion exceeding 50%, with two treatments applied at Zadoks growth stage 13: a control at 55% depletion and a drought stress condition at 85% depletion of available soil water. The study utilized the FAO Penman-Monteith equation to assess soil moisture depletion and employed a drip irrigation system to deliver precise water amounts. Results indicated that control plots received approximately 5500 m³ ha⁻¹ of water, while drought-stressed plots received about 3000 m³ ha⁻¹, highlighting the significant impact of water availability on plant growth.
The analysis of various physiological and biochemical traits revealed that drought stress significantly influenced antioxidant capacity, lipid peroxidation, and phenolic content among the barley genotypes. Notably, DPPH radical scavenging activity increased under drought conditions for most genotypes, with genotypes 2 and 3 exhibiting the highest activity. Conversely, lipid peroxidation, measured as malondialdehyde (MDA), increased substantially under stress, indicating oxidative damage. The study also found that drought stress elevated hydrogen peroxide (H₂O₂) levels and total phenolic content (TPC), while reducing chlorophyll content and relative water content (RWC). These findings underscore the complex interactions between drought stress and genotype, influencing both physiological responses and antioxidant mechanisms, which are critical for improving barley resilience to water scarcity.