DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1502438
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902215
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Shanxia Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الدور الحاسم للضغوط غير الحيوية، وخاصة الجفاف، في تحديد إنتاجية وجودة المحاصيل البستانية. لقد أثر ضغط الجفاف بشكل متزايد على الإنتاج الزراعي، مما يستلزم تطوير استراتيجيات فعالة للتخفيف لضمان الزراعة المستدامة والأمن الغذائي في ظل تزايد عدد السكان العالمي. تم تحديد تطبيق الهرمونات النباتية، مثل الميلاتونين، وحمض الساليسيليك، والجازمونات، والستريغولاكتونات، والبرسنوستيرويدات، وحمض الغاما-أمينوبيوتيريك، كنهج واعد لتعزيز تحمل الجفاف في النباتات من خلال تنشيط آليات الدفاع الجزيئية والفسيولوجية. تهدف المراجعة إلى توضيح الآليات التي تساهم من خلالها هذه الهرمونات النباتية في مقاومة الجفاف عبر أنواع بستانية مختلفة.
في الختام، تؤكد الفقرة على تعقيد مسارات الإشارة التي تستخدمها النباتات للتكيف مع الضغوط البيئية، مما يبرز زيادة تعرض المحاصيل البستانية لمثل هذه التقلبات. تلعب الهرمونات النباتية دورًا محوريًا في تعديل نمو النباتات واستجاباتها للضغط، مما يؤثر بشكل كبير على العمليات الأيضية في ظل ظروف الجفاف. تقترح المراجعة أن تركز الأبحاث المستقبلية على فهم التفاعلات المعقدة بين الهرمونات النباتية وجزيئات الإشارة الأخرى، وتحديد المركبات الجديدة المرتبطة بتحمل الجفاف، واستخدام تقنيات متقدمة مثل تحرير الجينوم والتصوير لاستكشاف مسارات الإشارة المعنية. ستساعد هذه المعرفة في تطوير نماذج تنبؤية لهندسة نظام الجذر وتعزيز مقاومة المحاصيل البستانية لضغط الجفاف.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير للضغوط غير الحيوية، وخاصة الجفاف، على نمو النباتات وإنتاجيتها. يمكن أن تؤثر العوامل غير الحيوية بشكل إيجابي وسلبي على النباتات، حيث تؤدي الظروف السلبية إلى تقليص كبير في غلات المحاصيل البستانية (إقبال وآخرون، 2022؛ نذير وآخرون، 2024). أصبح ضغط الجفاف أمرًا حاسمًا بشكل متزايد، مما تفاقم بفعل تغير المناخ، ويشكل تهديدًا كبيرًا للإنتاجية الزراعية العالمية، مما يستلزم زيادة بنسبة 70% في الإنتاج الزراعي بحلول عام 2050 لتلبية احتياجات عدد سكان متوقع يبلغ 9.8 مليار (فاروقي وآخرون، 2020؛ قاو وآخرون، 2024).
لقد كشفت التقدمات الأخيرة في فهم المسارات الجزيئية لاستجابات الجفاف أن ضغط الجفاف يحفز تغييرات مورفولوجية وفيزيولوجية وأيضية مختلفة تضر بنمو النبات (ساكو وآخرون، 2020). تشمل الآليات الرئيسية تنظيم الثغور وإشارات الضغط التي تتوسطها الهرمونات النباتية، والتي تساعد النباتات على التكيف مع الظروف الجافة (هايدر وآخرون، 2024). يؤثر ضغط الجفاف سلبًا على الوظائف الفسيولوجية مثل مساحة الورقة، وطول الجذر، والنشاط الضوئي، مما يؤدي إلى تقليل الغلات (فينغ وآخرون، 2024؛ ساري وآخرون، 2024). تؤكد المقدمة على ضرورة تطوير محاصيل مقاومة للجفاف وتنفيذ استراتيجيات زراعية فعالة للتخفيف من آثار ندرة المياه على نمو النباتات والأمن الغذائي.
النتائج
تسلط نتائج الدراسة الضوء على الدور الكبير للجازمونات الميثيلية في تعزيز تحمل ضغط الجفاف عبر مختلف النباتات البستانية. تشمل النتائج الملحوظة زيادة إنتاج الأسموليت، وزيادة نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، وتحسين الأداء الضوئي في الفجل، وبنجر السكر، والنعناع، من بين آخرين. على سبيل المثال، أدى تطبيق الجازمونات الميثيلية إلى تقليل الضرر التأكسدي وتسرب الإلكتروليت (EL) مع تعزيز تراكم المستقلبات الثانوية والنمو العام في النباتات المعرضة لظروف الجفاف. أشارت دراسات محددة إلى أن حمض الجازونيك حسّن صفات النمو والدفاعات المضادة للأكسدة في شتلات الطماطم وقلل من الأضرار الناتجة عن الجفاف في Brassica rapa من خلال تنظيم إنتاج المستقلبات الثانوية.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الأبحاث على تفاعل مختلف الهرمونات النباتية في استجابات الضغط، حيث تلعب الأوكسينات، والجبيريلينات، والسيتوكينينات أدوارًا حاسمة في النمو تحت الضغط، بينما يعيق حمض الأبسيسيك والإيثيلين النمو. تشير النتائج إلى أن التطبيق المشترك للهرمونات النباتية، مثل حمض الساليسيليك والميلاتونين، يمكن أن يعزز بشكل أكبر التخفيف من الضغط والحالة الغذائية في محاصيل مثل الخس. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات الجازمونات وتفاعلات هرمونية أخرى في تحسين مقاومة المحاصيل البستانية لضغط الجفاف، مما يسهم في تحسين الممارسات الزراعية في البيئات المحدودة بالمياه.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الكبير للهرمونات النباتية في تعزيز تحمل ضغط الجفاف في المحاصيل البستانية. تشير دراسات مختلفة إلى أن الهرمونات النباتية مثل حمض الساليسيليك، والميلاتونين، والبرسنوستيرويدات تلعب أدوارًا حاسمة في تنظيم العمليات الفسيولوجية تحت ظروف الجفاف. على سبيل المثال، لقد ثبت أن حمض الساليسيليك يخفف من الضغط التأكسدي، ويعزز محتوى الكلوروفيل، ويعزز تطوير الجذور، مما يحسن مقاييس النمو في محاصيل مثل الطماطم، والخيار، والفراولة. وبالمثل، يعمل الميلاتونين كمضاد أكسدة قوي، يقلل من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ويعزز التعبير عن إنزيمات مضادات الأكسدة، مما يعزز بشكل جماعي مقاومة النباتات لضغط الجفاف.
علاوة على ذلك، تناقش الورقة الآليات التي تعمل من خلالها هذه الهرمونات النباتية، بما في ذلك تنظيم التكيف الأسموزي، وتراكم المغذيات، وأنظمة الدفاع المضادة للأكسدة. تؤكد النتائج على أهمية الهرمونات النباتية في الحفاظ على صحة النباتات وإنتاجيتها تحت الضغط غير الحيوي، مما يشير إلى أن تطبيقها يمكن أن يكون استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين غلات المحاصيل وضمان الأمن الغذائي في مواجهة تغير المناخ. يقترح المؤلفون مزيدًا من البحث في المسارات الجزيئية التي تؤثر عليها الهرمونات النباتية لتطوير استراتيجيات فعالة للتخفيف من الضغط في الزراعة البستانية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1502438
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902215
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Shanxia Huang et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The section discusses the critical role of abiotic stresses, particularly drought, in limiting the productivity and quality of horticultural crops. Drought stress has increasingly impacted agricultural output, necessitating the development of effective mitigation strategies to ensure sustainable agriculture and food security amid a growing global population. The application of phytohormones, such as melatonin, salicylic acid, jasmonates, strigolactones, brassinosteroids, and gamma-aminobutyric acid, has been identified as a promising approach to enhance drought tolerance in plants by activating their molecular and physiological defense mechanisms. The review aims to elucidate the mechanisms through which these phytohormones contribute to drought resilience across various horticultural species.
In conclusion, the section emphasizes the complexity of signaling pathways that plants utilize to adapt to environmental stresses, highlighting the increased vulnerability of horticultural crops to such fluctuations. Phytohormones play a pivotal role in modulating plant development and stress responses, significantly influencing metabolic processes under drought conditions. The review suggests that future research should focus on understanding the intricate interactions between phytohormones and other signaling molecules, identifying novel compounds associated with drought tolerance, and employing advanced technologies like genome editing and imaging to explore the signaling pathways involved. This knowledge will aid in developing predictive models for root system architecture and enhance the resilience of horticultural crops to drought stress.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of abiotic stresses, particularly drought, on plant growth and productivity. Abiotic factors can have both beneficial and detrimental effects on plants, with adverse conditions leading to substantial reductions in horticultural yields (Iqbal et al., 2022; Nazir et al., 2024). Drought stress is increasingly critical, exacerbated by climate change, and poses a major threat to global agricultural productivity, necessitating a 70% increase in agricultural output by 2050 to meet the needs of a projected population of 9.8 billion (Farooqi et al., 2020; Cao et al., 2024).
Recent advancements in understanding the molecular pathways of drought responses have revealed that drought stress induces various morpho-physiological and metabolic changes detrimental to plant growth (Sako et al., 2020). Key mechanisms include stomatal regulation and stress signaling mediated by phytohormones, which help plants adapt to arid conditions (Haider et al., 2024). Drought stress adversely affects physiological functions such as leaf area, root length, and photosynthetic activity, leading to reduced yields (Feng et al., 2024; Saŕi et al., 2024). The introduction underscores the urgency of developing drought-resistant crops and implementing effective agricultural strategies to mitigate the effects of water scarcity on plant growth and food security.
Results
The results of the study highlight the significant role of methyl jasmonates in enhancing drought stress tolerance across various horticultural plants. Notable findings include increased osmolyte production, enhanced antioxidant enzyme activity, and improved photosynthetic performance in radish, sugar beet, and peppermint, among others. For instance, the application of methyl jasmonates led to a reduction in oxidative damage and electrolyte leakage (EL) while promoting secondary metabolite accumulation and overall growth in plants subjected to drought conditions. Specific studies indicated that jasmonic acid improved growth traits and antioxidant defenses in tomato seedlings and mitigated drought-induced damage in Brassica rapa by regulating secondary metabolite production.
Additionally, the research underscores the interplay of various phytohormones in stress responses, with auxins, gibberellins, and cytokinins playing crucial roles in development under stress, while abscisic acid and ethylene inhibit growth. The findings suggest that the combined application of phytohormones, such as salicylic acid and melatonin, can further enhance stress mitigation and nutritional status in crops like lettuce. Overall, the study emphasizes the potential of jasmonates and other hormonal interactions in improving the resilience of horticultural crops to drought stress, thereby contributing to better agricultural practices in water-limited environments.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of phytohormones in enhancing drought stress tolerance in horticultural crops. Various studies indicate that phytohormones such as salicylic acid, melatonin, and brassinosteroids play crucial roles in regulating physiological processes under drought conditions. For instance, salicylic acid has been shown to mitigate oxidative stress, enhance chlorophyll content, and promote root development, thereby improving growth metrics in crops like tomato, cucumber, and strawberry. Similarly, melatonin acts as a potent antioxidant, reducing reactive oxygen species (ROS) and enhancing the expression of antioxidant enzymes, which collectively bolster plant resilience to drought stress.
Furthermore, the paper discusses the mechanisms through which these phytohormones operate, including the regulation of osmotic adjustment, nutrient accumulation, and antioxidant defense systems. The findings underscore the importance of phytohormones in maintaining plant health and productivity under abiotic stress, suggesting that their application could be a viable strategy for improving crop yields and ensuring food security in the face of climate change. The authors propose further research into the molecular pathways influenced by phytohormones to develop effective stress mitigation strategies in horticulture.