Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://repo.snau.edu.ua/xmlui/handle/123456789/11002
Назва: | Complex ecological, physiological and genetic analysis of the response of Cucurbita genus representatives to salt stress |
Інші назви: | Комплексний екологічний, фізіологічний та генетичний аналіз реагування представників роду Cucurbita на сольовий стрес |
Автори: | He, Songtao Хе, Сунтао |
Ключові слова: | genus Cucurbita soil salinization stress resistance adaptation morphometric analysis vitality structure plant development рід Cucurbita грунт засолення стійкість до стресу адаптація морфометричний аналіз віталітетна структура розвиток рослин |
Дата публікації: | 2023 |
Видавництво: | SNAU |
Бібліографічний опис: | He Songtao. Complex ecological, physiological and genetic analysis of the response of Cucurbita genus representatives to salt stress [Electronic resource] : dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty : 101 «Ecology» / Songtao Не. – Sumy : Sumy National Agrarian University, 2023. – 182 р. |
Короткий огляд (реферат): | Soil salinization is a characteristic feature of many natural ecosystems. It also covers about 20% of the arable land of the planet. Currently, salinization, the territory of which is constantly growing, is one of the powerful factors limiting the sustainable development and modernization of world agriculture. Therefore, studies aimed at elucidating the mechanisms of response and adaptation of plant organisms to salt stress are becoming more and more important. First, they should cover the leading agricultural crops, including members of the Cucurbitaceae family, which are widely cultivated in the world for their economic and ecological properties. Cucurbitaceae are not halophytes, most of them are sensitive to salt stress and usually show obvious inhibition of growth in conditions where the NaCl content in the soil solution reaches 0.1%. Taking into account the above, the question of clarifying the ecological and physiological aspects of the formation of salt tolerance in representatives of the Cucurbitaceae family and the actual genus Cucurbita and managing this trait on the basis of the use of both classical and modern scientific and technical means is gaining relevance. Taking into account the above, the issue of clarifying the ecological-physiological, genetic aspects of the response to salt stress of representatives of the Cucurbitaceae family and the actual genus Cucurbita, the formation of their salt resistance, becomes relevant and managing this trait on the basis of the use of both classical and modern scientific and technical means. The aim of the work was determined: to establish the mechanisms of response to salt stress and adaptation to it, which are implemented by representatives of the genus Cucurbita at different levels of the organization, as well as eco-physiological aspects of the formation of salt resistance, quantitative and qualitative characteristics of plants when using grafting technology. The work was performed on the basis of the application of theoretical (analysis, synthesis, explanation, generalization, a mathematical and statistical) and empirical (experiment, measurement, comparison) research methods. Experimental field and laboratory ecological-physiological and laboratory genetic studies were carried out, chemical, spectrometric, fluorescent, morphometric, and vitality analyses were applied, and among mathematical and statistical calculations, point estimation of statistical series and dispersion analysis were used. In studies aimed at establishing the effect of salt stress on the morphological characteristics, vitality, and degree of damage to pumpkin plants, as well as on the exchange of organic and inorganic compounds, the flow of leading physiological processes, the following experimental scheme was used: control (water, 0 mmol/L NaCl), low salt stress (60 mmol/L NaCl), high salt stress (120 mmol/L NaCl). Pumpkins of two varieties were used in the study: Yanzhen and Miben. When studying the eco-physiological interactions that occur between plants when grafting technology is used, pumpkin plants that were subjected to salt stress were grown, followed by their use as rootstocks for watermelon. The study of the interactions formed when using salt-resistant pumpkin rootstocks was supplemented by an assessment of the impact of arbuscular mycorrhiza on plant metabolism and resistance. According to the results of the study of the effect of salt stress caused by different concentrations of NaCl, the nature of the reaction of morphological features of pumpkin to salt stress was determined. It is shown that against the background of increased salt concentration, the size, and vitality of plants decrease, and a number of negative quality signs appear in them: yellowing of leaves, their twisting, etc. It has been established that changes in the dimensional parameters of plants against the background of salt stress can be an informative indicator in the study of the mechanism of salt resistance and the breeding of salt-resistant varieties of pumpkin. It is shown that plants respond to an increase in the concentration of a salt solution with a statistically significant increase in the salt damage index and the salt damage rate. The results of the research proved that the salt damage index, as a morphological index for assessing plant resistance to salt, is a simple, easy, accurate and reliable indicator for directly detecting the degree of resistance of Cucurbita genus representatives to salt stress. It has been proven that salt stress affects indicators and signs related to the course of photosynthesis and water exchange of pumpkin plants, which leads to a decrease in the following values: photosynthesis rate, stomatal size, stomatal conductance, transpiration rate, as well as changes in chlorophyll content, mainly in the direction of its increase. At the same time, the reduction of indicators that determine the amount of water loss are factors in increasing the resistance of plants to salt stress, and the indicators that determine the intensity of photosynthesis are factors in slowing down the synthesis of carbohydrates and inhibiting plant growth. The degree of variation in chlorophyll content in leaves under salt stress was related to plant variety and salt concentration. An increase in the content of MDA (malondialdehyde) and the permeability of cell membrane structures due to their peroxidation was recorded in pumpkin under salt stress. The relative permeability of the plasma membrane also increased against the background of increasing salt concentration. One of the reasons why NaCl damages the structure of the plasma membrane is the excessive accumulation of Na+ in cells: it replaces Ca2+, which can stabilize and protect the plasma membrane. It was shown that the transformations related to the metabolism of carbohydrates and amino acids in pumpkin play an important role in the complex of processes of response and adaptation to salt stress: with increasing salt concentration, the content of proline and soluble sugars increases. Soluble sugar and proline are essential substances that regulate the osmotic potential and water potential of plants under salt stress conditions. After 7-day salt stress caused by exposure to NaCl, the proline content in the leaves of pumpkin seedlings was significantly higher than in the control. It was established that salt stress affects the absolute and relative indicators of the accumulation of ions of mineral substances, as well as their distribution in plant organs. According to these characteristics, Na+, K+, Ca2+ and Mg2+ ions showed high individuality, which is also a result and evidence of their specific role both in the aspect of ensuring the reaction and adaptation of pumpkin plants to salt stress. It has been found out that in response and adaptation to salt stress in pumpkins at all levels of the organization against the background of the stated general trends, varietal features are clearly manifested. In particular, it was established that the Yanzhen mainly accumulates Na+ in the root system, while the Miben mainly accumulates in the stem. This results in the formation of differences in the varieties and in the accumulation of K+, Ca2+ and Mg2+, as well as differences in the value of the K+/Na+ ratio. In general, according to a complex of physiological and morphometric characteristics, Yanzhen shows a higher resistance to salt. Identification and analysis of the expression of the WRKY gene family in Cucurbita genus representatives under salt stress conditions was carried out. Screened 12 WRKY family transcription factors in pumpkin in response to salt stress, and analysed their phylogenetic relationships, spatio-temporal expression patterns, tissue-specific expression characteristics, and transcriptional activities under salt stress in detail. For to improve and expand research aimed at revealing the genetic aspects of the formation of salt resistance, have developed an efficient transient transformation system for the study of gene function and protein subcellular localization. Using this method, the salt tolerance gene StNHX1 was transiently overexpressed in pumpkin roots and cotyledons. The interactions that occur between the scion and the salt-resistant pumpkin rootstock when using the technology of grafting in the cultivation of gourds were studied. The influence of salt-resistant rootstocks on the metabolism of rootstocks has been clarified and proved, the feasibility of using grafting technology to increase the resistance of plants to salt stress, increase the yield of crops and obtain high-quality products has been shown. It is shown that the use of arbuscular mycorrhizal fungi in the cultivation of melon crops based on grafting technology leads to a change in plant metabolism, affects the quality of the obtained products and contributes to increasing the resistance of plants to adverse environmental factors. Scientific novelty is inherent in the research results obtained during the dissertation. For the first time, based on the results of observations during the entire growing season, the influence of salt stress on the complex of quantitative and qualitative morphological features of pumpkin plants was investigated. The features and regularities of the accumulation of ions of mineral substances in the vegetative and generative organs of pumpkins under conditions of salt stress have been established. The physiological and biochemical transformations that occur in pumpkins against the background of salt stress have been comprehensively investigated and clarified. The methodological aspects of assessing the impact of salt stress during the pumpkin ontogenesis were improved, and the method of vitality analysis was used for the first time to assess the vitality of pumpkin plants. An efficient system of temporary transformation was developed to study the function of genes and subcellular localization of protein in pumpkin. The theoretical and practical principles of using salt-resistant pumpkin rootstocks for the cultivation of melon crops have gained further development. The materials of the dissertation work are used in the educational process of the Department of Ecology and Botany of Sumy National Agrarian University. The research results were reviewed and discussed at 6 conferences of various ranks. 12 scientific works have been published based on the dissertation materials: 3 articles in journals included in the Scopus, Web of Science database, 3 articles in specialized scientific publications of Ukraine, 6 publications in conference materials. |
Опис: | Засолення ґрунту є характерною ознакою низки природних екосистем. Воно охоплює ще й близько 20% орних земель планети. Натепер, засолення, територія поширення якого постійно зростає, є одним із потужних чинників, що обмежують сталий розвиток і модернізацію світового сільського господарства. Тому усе більшої значущості набувають дослідження, спрямовані на з’ясування механізмів реагування рослинних організмів на сольовий стрес та адаптації до нього. Насамперед вони мають охоплювати провідні сільськогосподарські культури, включаючи представників родини Cucurbitaceae, які широко культивуються у світі завдяки своїм господарським та екологічним властивостям. Гарбузові не є галофітами, більшість із них чутливі до сольового стресу і зазвичай вже демонструють пригнічення росту коли вміст NaCl у ґрунтовому розчині досягає 0,1%. Враховуючи зазначене, актуальності набуває питання з’ясування еколого-фізіологічних, генетичних аспектів реагування на сольовий стрес представників родини Cucurbitaceae і власне роду Cucurbita, формування їхньої солестійкості та управління цією ознакою на основі використання як класичних, так і новітніх науково-технічних засобів. Метою роботи було визначено: встановити механізми реагування на сольовий стрес та адаптації до нього, які реалізуються представниками роду Cucurbita на різних рівнях організації, а також еко-фізіологічні аспекти формування солестійкості, кількісних та якісних характеристик рослин при використанні технології щеплення. Робота виконана на основі застосування теоретичних (аналіз, синтез, пояснення, узагальнення, математико-статистична оцінка) та емпіричних (експеримент, вимірювання, порівняння) методів дослідження. Реалізовано експериментальні польові й лабораторні еколого-фізіологічні та лабораторні генетичні дослідження, застосовано хімічний, спектрометричний, флуоресцентний, морфометричний, віталітетний аналізи, а з-поміж математико-статистичних розрахунків використано точкове оцінювання статистичних рядів та дисперсійний аналіз. У дослідженнях, спрямованих на встановлення впливу сольового стресу на морфологічні характеристики, життєвість (віталітет) і ступінь ураження рослин гарбуза, а також на обмін органічних і неорганічних сполук, протікання провідних фізіологічних процесів, використовували наступну схему досліду: контроль (вода при 0 ммоль/л NaCl), низький сольовий стрес (60 ммоль/л NaCl), високий сольовий стрес (120 ммоль/л NaCl). У дослідженні були задіяні гарбузи двох сортів: Яньчжень і Мібен. При вивченні екофізіологічних взаємодій, які виникають між рослинами при використанні технології щеплення, проводилось вирощування рослин гарбуза, які зазнали сольового стресу, із наступним їх використанням як підщепи для кавуна. Вивчення взаємодій, які формуються при використанні солестійких підщеп гарбуза, було доповнено оцінкою впливу арбускулярної мікоризи на обмін речовин та стійкість рослин. За результатами дослідження впливу сольового стресу, викликаного різними концентраціями NaCl, встановлено характер реакції морфологічних ознак гарбуза на сольовий стрес. Доведено, що на тлі підвищення концентрації солей відбувається зменшення розмірів і віталітету рослин та прояв у них низки негативних якісних ознак: пожовтіння листків, їхнє скручування тощо. Показано, що зміни розмірних показників рослин на тлі сольового стресу можуть виступати інформативним індикатором при дослідженні механізму солестійкості та виведенні солестійких сортів гарбуза. Встановлено, що рослини реагують на підвищення концентрації сольового розчину статистично значущим підвищенням величин індексу сольового ураження та ступеня сольового ураження. Результати досліджень засвідчили, що індекс сольового ураження, як морфологічний індекс оцінки стійкості рослин до солі, є простим, легким, точним та достовірним показником для прямого виявлення ступеня стійкості представників роду Cucurbita до сольового стресу. Доведено, що сольовий стрес впливає на показники та ознаки, пов’язані з перебігом фотосинтезу та водообміну у рослин гарбуза, що призводить до зниження значень: швидкості фотосинтезу, розміру продихів, продихової провідності, швидкості транспірації, а також до зміни вмісту хлорофілу, переважно у бік його збільшення. При цьому зниження показників, що визначають величину втрат води, є чинниками підвищення стійкості рослин до сольового стресу, а показників, що визначають інтенсивність фотосинтезу, – чинниками уповільнення синтезу вуглеводів і гальмування росту рослин. Ступінь варіації вмісту хлорофілу в листках на тлі сольового стресу був пов’язаний з сортом рослин та концентрацією солі. У гарбузів за сольового стресу зареєстровано підвищення вмісту МДА (малонового діальдегіду) та проникненості мембранних структур клітин унаслідок їхнього перекисного окислення. Відносна проникненість плазматичної мембрани також зростала на тлі збільшенням концентрації солі. Однією з причин пошкодження NaCl структури плазматичної мембрани є надмірне накопичення Na+ у клітинах: він замінює Ca2+, який може стабілізувати та захистити плазматичну мембрану. Показано, що у гарбузів перетворення, пов’язані з обміном вуглеводів та амінокислот, відіграють важливу роль у комплексі процесів відповіді та адаптації до сольового стресу: зі збільшенням концентрації солі збільшується вміст проліну та розчинних цукрів. Вони є важливими речовинами, які регулюють осмотичний потенціал і водний потенціал у рослин в умовах сольового стресу. Після 7-денного сольового стресу, обумовленого впливом NaCl, вміст проліну в листках проростків гарбузів був достовірно вищим, ніж у контролі. Встановлено, що сольовий стрес впливає на абсолютні та відносні показники накопичення іонів мінеральних речовин, а також їхній розподіл органами рослин. За цими характеристиками іони Na+, K+, Ca2+ та Mg2+ продемонстрували високу індивідуальність, що також є результатом і свідченням їхньої специфічної ролі як в аспекті забезпечення реагування, так і адаптації рослин гарбуза до сольового стресу. З’ясовано, що у реагуванні та адаптації до сольового стресу у гарбузів, на усіх рівнях організації, на тлі вищевикладених загальних тенденцій, чітко проявляються сортові особливості. Зокрема, встановлено, що сорт Яньчжень переважно накопичує Na+ в кореневій системі, а Мібен – у стеблі. Це має наслідком формування відмінностей між сортами й у накопиченні K+, Ca2+ і Mg2+, а також відмінностей у значенні співвідношення K+/Na+. Загалом, за комплексом фізіологічних та морфометричних ознак, Яньчжень демонструє вищу стійкість до солі. Проведено ідентифікацію та аналіз експресії родини генів WRKY у представників роду Cucurbita в умовах сольового стресу. У гарбузів при реагуванні на сольовий стрес відкрито 12 транскрипційних факторів родини WRKY, детально проаналізовано їхні філогенетичні зв’язки, просторово-часові моделі експресії, тканино-специфічні характеристики експресії та транскрипційну активність під сольовим стресом. Задля вдосконалення та розширення досліджень, спрямованих на виявлення генетичних аспектів формування солестійкості, розроблено ефективну систему транзиторної трансформації для вивчення функції генів та субклітинної локалізації білків. Використовуючи цей метод, ген стійкості до солі StNHX1 був тимчасово надмірно експресований у коренях і сім’ядолях гарбуза. Вивчено взаємодію, яка виникає між прищепою та солестійкою підщепою гарбуза при застосуванні технології щеплення при вирощуванні баштанних культур. З’ясовано та проаналізовано вплив солестійких підщеп на метаболізм підщеп. Доведено доцільність використання цієї технології для підвищення стійкості рослин до сольового стресу, підвищення врожайності культур та отримання високоякісної продукції. Показано, що використання арбускулярних мікоризних грибів, при вирощуванні баштанних культур на основі технології щеплення, призводить до зміни метаболізму рослин, впливає на якість одержуваної продукції та сприяє підвищенню стійкості рослин до несприятливих чинників довкілля. Результатам досліджень, отриманим у процесі виконання дисертації, притаманна наукова новизна. Зокрема, уперше, за результатами спостережень протягом усього вегетаційного періоду, досліджено вплив сольового стресу на комплекс кількісних та якісних морфоознак рослин гарбуза. Встановлені особливості поглинання та накопичення іонів у вегетативних та генеративних органах гарбузів за умов сольового стресу. Всебічно досліджено та з’ясовано фізіолого-біохімічні перетворення, які відбуваються в гарбузах на тлі сольового стресу. Удосконалено методичні аспекти оцінки впливу сольового стресу протягом онтогенезу гарбуза та вперше використано методику віталітетного аналізу для оцінки життєвості рослин гарбуза. Розроблено ефективну систему тимчасової трансформації для вивчення функції генів і субклітинної локалізації білка в гарбузах. Набули подальшого розвитку теоретичні та практичні засади використання солестійких підщеп гарбузів при вирощуванні баштанних культур. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри екології та ботаніки Сумського національного аграрного університету. Результати досліджень були розглянуті та обговорені на 6 конференціях різного рангу. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць: 3 статті у журналах, що входять до баз даних Scopus, Web of Science, 3 статті – у фахових наукових виданнях України, 6 публікацій – у матеріалах конференцій. |
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://repo.snau.edu.ua:8080/xmlui/handle/123456789/11002 |
Розташовується у зібраннях: | Дисертації та автореферати |
Файли цього матеріалу:
Файл | Опис | Розмір | Формат | |
---|---|---|---|---|
He Songtao_Disert_(Have signed).pdf | 10,09 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищені авторським правом, всі права збережені.