Sản lượng lúa gạo đang giảm do biến đổi khí hậu và sự biến động khí hậu ở Colombia.Chất điều hòa sinh trưởng thực vậtĐã được sử dụng như một chiến lược để giảm căng thẳng nhiệt ở nhiều loại cây trồng. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá các tác động sinh lý (độ dẫn khí khổng, độ dẫn khí khổng, tổng hàm lượng diệp lục, tỷ lệ Fv/Fm) của hai giống lúa thương mại chịu tác động của căng thẳng nhiệt kết hợp (nhiệt độ ngày và đêm cao), nhiệt độ tán lá và hàm lượng nước tương đối) và các biến số sinh hóa (malondialdehyde (MDA) và hàm lượng axit prolinic). Thí nghiệm thứ nhất và thứ hai được thực hiện trên cây của hai giống lúa Federrose 67 (“F67”) và Federrose 2000 (“F2000”), tương ứng. Cả hai thí nghiệm được phân tích cùng nhau như một chuỗi thí nghiệm. Các nghiệm thức được thiết lập như sau: đối chứng tuyệt đối (AC) (cây lúa được trồng ở nhiệt độ tối ưu (nhiệt độ ngày/đêm 30/25°C)), đối chứng căng thẳng nhiệt (SC) [cây lúa chỉ chịu tác động của căng thẳng nhiệt kết hợp (40/25°C)]. Cây lúa được gây stress nhiệt và phun chất điều hòa sinh trưởng thực vật (stress+AUX, stress+BR, stress+CK hoặc stress+GA) hai lần (5 ngày trước và 5 ngày sau khi gây stress nhiệt). Phun SA làm tăng tổng hàm lượng diệp lục của cả hai giống (trọng lượng tươi của cây lúa “F67” và “F2000” lần lượt là 3,25 và 3,65 mg/g) so với cây đối chứng (trọng lượng tươi của cây “F67” lần lượt là 2,36 và 2,56 mg/g). Đối với giống lúa “F2000”, phun CK qua lá cũng cải thiện độ dẫn khí khổng của cây lúa “F2000” (499,25 so với 150,60 mmol m-2 s) so với đối chứng stress nhiệt. Khi chịu stress nhiệt, nhiệt độ tán lá giảm 2-3 °C, và hàm lượng MDA trong cây giảm. Chỉ số dung sai tương đối cho thấy việc phun phân bón lá CK (97,69%) và BR (60,73%) có thể giúp giảm thiểu vấn đề căng thẳng nhiệt kết hợp, chủ yếu ở giống lúa F2000. Kết luận, phun phân bón lá BR hoặc CK có thể được xem là một chiến lược nông học giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của điều kiện căng thẳng nhiệt kết hợp đến hành vi sinh lý của cây lúa.
Lúa (Oryza sativa) thuộc họ Poaceae và là một trong những loại ngũ cốc được trồng nhiều nhất trên thế giới cùng với ngô và lúa mì (Bajaj và Mohanty, 2005). Diện tích trồng lúa là 617.934 ha, và sản lượng quốc gia năm 2020 là 2.937.840 tấn với năng suất trung bình 5,02 tấn/ha (Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang ảnh hưởng đến cây lúa, dẫn đến nhiều loại căng thẳng phi sinh học như nhiệt độ cao và hạn hán. Biến đổi khí hậu đang khiến nhiệt độ toàn cầu tăng lên; nhiệt độ dự kiến sẽ tăng từ 1,0–3,7°C trong thế kỷ 21, điều này có thể làm tăng tần suất và cường độ của căng thẳng nhiệt. Nhiệt độ môi trường tăng cao đã ảnh hưởng đến cây lúa, khiến năng suất giảm từ 6–7%. Mặt khác, biến đổi khí hậu cũng dẫn đến các điều kiện môi trường không thuận lợi cho cây trồng, chẳng hạn như hạn hán nghiêm trọng hoặc nhiệt độ cao ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Ngoài ra, các hiện tượng biến đổi như El Niño có thể dẫn đến căng thẳng nhiệt và làm trầm trọng thêm thiệt hại mùa màng ở một số vùng nhiệt đới. Tại Colombia, nhiệt độ ở các vùng trồng lúa dự kiến sẽ tăng từ 2–2,5°C vào năm 2050, làm giảm sản lượng lúa và ảnh hưởng đến dòng chảy sản phẩm đến thị trường và chuỗi cung ứng.
Hầu hết các vụ lúa được trồng ở những khu vực có nhiệt độ gần với phạm vi tối ưu cho sự phát triển của cây trồng (Shah et al., 2011). Người ta đã báo cáo rằng nhiệt độ trung bình ngày và đêm tối ưu chosự sinh trưởng và phát triển của cây lúaNhiệt độ ngưỡng thường là 28°C và 22°C (Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). Nhiệt độ vượt quá các ngưỡng này có thể gây ra các giai đoạn căng thẳng nhiệt từ trung bình đến nghiêm trọng trong các giai đoạn nhạy cảm của sự phát triển cây lúa (đẻ nhánh, thụ phấn, kết trái và hình thành hạt), do đó ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất. Sự giảm năng suất này chủ yếu là do thời gian căng thẳng nhiệt kéo dài, ảnh hưởng đến sinh lý cây. Do sự tương tác của nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như thời gian căng thẳng và nhiệt độ tối đa đạt được, căng thẳng nhiệt có thể gây ra một loạt các tổn thương không thể phục hồi đối với quá trình trao đổi chất và phát triển của cây.
Căng thẳng nhiệt ảnh hưởng đến nhiều quá trình sinh lý và sinh hóa ở thực vật. Quang hợp ở lá là một trong những quá trình dễ bị ảnh hưởng nhất bởi căng thẳng nhiệt ở cây lúa, vì tốc độ quang hợp giảm 50% khi nhiệt độ ban ngày vượt quá 35°C. Phản ứng sinh lý của cây lúa thay đổi tùy thuộc vào loại căng thẳng nhiệt. Ví dụ, tốc độ quang hợp và độ dẫn khí khổng bị ức chế khi cây tiếp xúc với nhiệt độ ban ngày cao (33–40°C) hoặc nhiệt độ ban ngày và ban đêm cao (35–40°C vào ban ngày, 28–30°C vào ban đêm) (Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). Nhiệt độ ban đêm cao (30°C) gây ức chế quang hợp ở mức độ vừa phải nhưng làm tăng hô hấp ban đêm (Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). Bất kể thời kỳ căng thẳng nào, căng thẳng nhiệt cũng ảnh hưởng đến hàm lượng diệp lục trong lá, tỷ lệ huỳnh quang biến đổi diệp lục so với huỳnh quang diệp lục tối đa (Fv/Fm), và sự hoạt hóa Rubisco ở cây lúa (Cao et al. 2009; Yin et al. 2010). (Sanchez Reynoso et al., 2014).
Những thay đổi sinh hóa là một khía cạnh khác của sự thích nghi của thực vật với stress nhiệt (Wahid và cộng sự, 2007). Hàm lượng proline đã được sử dụng như một chỉ số sinh hóa về stress ở thực vật (Ahmed và Hassan 2011). Proline đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của thực vật vì nó hoạt động như một nguồn carbon hoặc nitơ và như một chất ổn định màng tế bào trong điều kiện nhiệt độ cao (Sánchez-Reinoso và cộng sự, 2014). Nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng đến sự ổn định của màng tế bào thông qua quá trình peroxy hóa lipid, dẫn đến sự hình thành malondialdehyde (MDA) (Wahid và cộng sự, 2007). Do đó, hàm lượng MDA cũng đã được sử dụng để hiểu về tính toàn vẹn cấu trúc của màng tế bào dưới stress nhiệt (Cao và cộng sự, 2009; Chavez-Arias và cộng sự, 2018). Cuối cùng, stress nhiệt kết hợp [37/30°C (ngày/đêm)] làm tăng tỷ lệ rò rỉ chất điện giải và hàm lượng malondialdehyde trong cây lúa (Liu và cộng sự, 2013).
Việc sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (GRs) đã được đánh giá là có tác dụng giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của stress nhiệt, vì các chất này tham gia tích cực vào các phản ứng của thực vật hoặc cơ chế phòng vệ sinh lý chống lại stress nhiệt (Peleg và Blumwald, 2011; Yin và cộng sự, 2011; Ahmed và cộng sự, 2015). Ứng dụng nguồn gen ngoại sinh đã có tác động tích cực đến khả năng chịu stress nhiệt ở nhiều loại cây trồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phytohormone như gibberellin (GA), cytokinin (CK), auxin (AUX) hoặc brassinosteroid (BR) dẫn đến sự gia tăng các biến số sinh lý và sinh hóa khác nhau (Peleg và Blumwald, 2011; Yin và cộng sự, Ren, 2011; Mitler và cộng sự, 2012; Zhou và cộng sự, 2014). Tại Colombia, việc ứng dụng nguồn gen ngoại sinh và tác động của nó đối với cây lúa vẫn chưa được hiểu rõ và nghiên cứu đầy đủ. Tuy nhiên, một nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng phun BR lên lá có thể cải thiện khả năng chịu đựng của lúa bằng cách cải thiện đặc tính trao đổi khí, hàm lượng chất diệp lục hoặc proline trong lá mầm lúa (Quintero-Calderón et al., 2021).
Cytokinin đóng vai trò trung gian trong phản ứng của thực vật đối với các tác động bất lợi từ môi trường, bao gồm cả stress nhiệt (Ha et al., 2012). Ngoài ra, đã có báo cáo cho thấy việc bón cytokinin ngoại sinh có thể làm giảm thiệt hại do nhiệt. Ví dụ, việc bón zeatin ngoại sinh đã làm tăng tốc độ quang hợp, hàm lượng diệp lục a và b, và hiệu quả vận chuyển điện tử ở cỏ uốn cong (Agrotis estolonifera) trong điều kiện stress nhiệt (Xu và Huang, 2009; Jespersen và Huang, 2015). Việc bón zeatin ngoại sinh cũng có thể cải thiện hoạt tính chống oxy hóa, tăng cường tổng hợp các loại protein khác nhau, giảm thiệt hại do các gốc oxy phản ứng (ROS) và sản sinh malondialdehyde (MDA) trong mô thực vật (Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009, 2016; Kumar et al., 2020).
Việc sử dụng axit gibberellic cũng cho thấy phản ứng tích cực đối với stress nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình sinh tổng hợp GA điều hòa nhiều con đường trao đổi chất và tăng khả năng chịu đựng trong điều kiện nhiệt độ cao (Alonso-Ramirez et al. 2009; Khan et al. 2020). Abdel-Nabi et al. (2020) nhận thấy rằng phun GA ngoại sinh (25 hoặc 50 mg*L) lên lá có thể làm tăng tốc độ quang hợp và hoạt động chống oxy hóa ở cây cam bị stress nhiệt so với cây đối chứng. Người ta cũng quan sát thấy rằng việc bón HA ngoại sinh làm tăng hàm lượng ẩm tương đối, hàm lượng diệp lục và carotenoid và giảm quá trình peroxy hóa lipid ở cây chà là (Phoenix dactylifera) trong điều kiện stress nhiệt (Khan et al., 2020). Auxin cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các phản ứng tăng trưởng thích ứng với điều kiện nhiệt độ cao (Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). Chất điều hòa sinh trưởng này hoạt động như một dấu hiệu sinh hóa trong nhiều quá trình khác nhau như tổng hợp hoặc phân hủy proline dưới tác động của stress phi sinh học (Ali et al. 2007). Ngoài ra, AUX cũng tăng cường hoạt động chống oxy hóa, dẫn đến giảm MDA trong cây do giảm quá trình peroxy hóa lipid (Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018) quan sát thấy ở cây đậu Hà Lan (Pisum sativum) dưới tác động của stress nhiệt, hàm lượng proline – dimethylaminoethoxycarbonylmethyl)naphthylchloromethyl ether (TA-14) tăng lên. Trong cùng thí nghiệm đó, họ cũng quan sát thấy mức MDA thấp hơn ở cây được xử lý so với cây không được xử lý bằng AUX.
Brassinosteroid là một nhóm chất điều hòa sinh trưởng khác được sử dụng để giảm thiểu tác động của stress nhiệt. Ogweno và cộng sự (2008) báo cáo rằng việc phun BR ngoại sinh làm tăng tốc độ quang hợp ròng, độ dẫn khí khổng và tốc độ tối đa của quá trình cacboxyl hóa Rubisco ở cây cà chua (Solanum lycopersicum) dưới điều kiện stress nhiệt trong 8 ngày. Phun epibrassinosteroid lên lá có thể làm tăng tốc độ quang hợp ròng của cây dưa chuột (Cucumis sativus) dưới điều kiện stress nhiệt (Yu và cộng sự, 2004). Ngoài ra, việc bón BR ngoại sinh làm chậm quá trình phân hủy diệp lục và tăng hiệu quả sử dụng nước cũng như hiệu suất lượng tử tối đa của quá trình quang hóa PSII ở cây trồng dưới điều kiện stress nhiệt (Holá và cộng sự, 2010; Toussagunpanit và cộng sự, 2015).
Do biến đổi khí hậu và tính biến đổi, cây lúa phải đối mặt với thời kỳ nhiệt độ hàng ngày cao (Lesk và cộng sự, 2016; Garcés, 2020; Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021). Trong phân tích kiểu hình thực vật, việc sử dụng dinh dưỡng thực vật hoặc chất kích thích sinh học đã được nghiên cứu như một chiến lược nhằm giảm thiểu stress nhiệt ở các vùng trồng lúa (Alvarado-Sanabria và cộng sự, 2017; Calderón-Páez và cộng sự, 2021; Quintero-Calderón và cộng sự, 2021). Ngoài ra, việc sử dụng các biến số sinh hóa và sinh lý (nhiệt độ lá, độ dẫn khí khổng, các thông số huỳnh quang diệp lục, hàm lượng diệp lục và nước tương đối, tổng hợp malondialdehyde và proline) là một công cụ đáng tin cậy để sàng lọc cây lúa chịu stress nhiệt ở cấp địa phương và quốc tế (Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017; Tuy nhiên, nghiên cứu về việc sử dụng phun thuốc điều hòa sinh trưởng thực vật qua lá ở cấp địa phương vẫn còn hiếm. Do đó, nghiên cứu về các phản ứng sinh lý và sinh hóa khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc đề xuất các chiến lược nông học thực tiễn nhằm giải quyết những tác động tiêu cực của giai đoạn stress nhiệt phức hợp ở cây lúa. Vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là đánh giá các tác động sinh lý (độ dẫn khí khổng, các thông số huỳnh quang diệp lục và hàm lượng nước tương đối) và sinh hóa của việc phun qua lá bốn chất điều hòa sinh trưởng thực vật (AUX, CK, GA và BR). Các biến số ở hai giống lúa thương phẩm chịu tác động của stress nhiệt kết hợp (nhiệt độ cao ngày/đêm).
Trong nghiên cứu này, hai thí nghiệm độc lập đã được thực hiện. Hai kiểu gen Federrose 67 (F67: kiểu gen được phát triển trong điều kiện nhiệt độ cao trong thập kỷ qua) và Federrose 2000 (F2000: kiểu gen được phát triển trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20, cho thấy khả năng kháng virus gây bệnh bạc lá) được sử dụng lần lượt trong thí nghiệm thứ nhất và thí nghiệm thứ hai. Cả hai kiểu gen đều được nông dân Colombia trồng rộng rãi. Hạt giống được gieo trong khay 10 lít (dài 39,6 cm, rộng 28,8 cm, cao 16,8 cm) chứa đất thịt pha cát với 2% chất hữu cơ. Năm hạt giống đã nảy mầm được trồng trong mỗi khay. Các khay được đặt trong nhà kính của Khoa Khoa học Nông nghiệp thuộc Đại học Quốc gia Colombia, cơ sở Bogotá (43°50′56″ N, 74°04′051″ W), ở độ cao 2556 m so với mực nước biển. m.) và được thực hiện từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2019. Một thí nghiệm (Federroz 67) và một thí nghiệm thứ hai (Federroz 2000) được tiến hành trong cùng mùa vụ năm 2020.
Điều kiện môi trường trong nhà kính trong mỗi mùa trồng trọt như sau: nhiệt độ ngày và đêm 30/25°C, độ ẩm tương đối 60~80%, chu kỳ chiếu sáng tự nhiên 12 giờ (bức xạ quang hợp hoạt động 1500 µmol (photon) m-2 s-1 vào buổi trưa). Cây được bón phân theo hàm lượng từng nguyên tố 20 ngày sau khi hạt nảy mầm (DAE), theo Sánchez-Reinoso et al. (2019): 670 mg nitơ/cây, 110 mg phốt pho/cây, 350 mg kali/cây, 68 mg canxi/cây, 20 mg magiê/cây, 20 mg lưu huỳnh/cây, 17 mg silic/cây. Cây chứa 10 mg boron/cây, 17 mg đồng/cây và 44 mg kẽm/cây. Cây lúa được duy trì đến 47 DAE trong mỗi thí nghiệm khi chúng đạt đến giai đoạn sinh trưởng V5 trong giai đoạn này. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng giai đoạn sinh trưởng này là thời điểm thích hợp để tiến hành các nghiên cứu về stress nhiệt ở cây lúa (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
Trong mỗi thí nghiệm, hai lần phun chất điều hòa sinh trưởng lá riêng biệt đã được thực hiện. Lần phun phytohormone lá đầu tiên được thực hiện 5 ngày trước khi xử lý stress nhiệt (42 ngày sau khi gieo trồng) để chuẩn bị cho cây chịu stress môi trường. Lần phun lá thứ hai sau đó được thực hiện 5 ngày sau khi cây tiếp xúc với điều kiện stress (52 ngày sau khi gieo trồng). Bốn loại phytohormone đã được sử dụng và các đặc tính của từng hoạt chất được phun trong nghiên cứu này được liệt kê trong Bảng bổ sung 1. Nồng độ các chất điều hòa sinh trưởng lá được sử dụng như sau: (i) Auxin (axit 1-naphthylacetic: NAA) ở nồng độ 5 × 10−5 M (ii) 5 × 10–5 M gibberellin (axit gibberellic: NAA); GA3); (iii) Cytokinin (trans-zeatin) 1 × 10-5 M (iv) Brassinosteroids [Spirostan-6-one, 3,5-dihydroxy-, (3b,5a,25R)] 5 × 10-5; M. Các nồng độ này được chọn vì chúng gây ra phản ứng tích cực và tăng khả năng chống chịu stress nhiệt của cây trồng (Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). Cây lúa không được phun bất kỳ chất điều hòa sinh trưởng nào chỉ được xử lý bằng nước cất. Tất cả các cây lúa đều được phun bằng bình phun cầm tay. Phun 20 ml H2O lên cây để làm ẩm cả mặt trên và mặt dưới của lá. Tất cả các loại thuốc phun lá đều sử dụng chất phụ gia nông nghiệp (Agrotin, Bayer CropScience, Colombia) ở nồng độ 0,1% (v/v). Khoảng cách giữa chậu cây và vòi phun là 30 cm.
Các nghiệm thức gây stress nhiệt được thực hiện 5 ngày sau lần phun thuốc lá đầu tiên (47 ngày sau khi gieo trồng) trong mỗi thí nghiệm. Cây lúa được chuyển từ nhà kính sang buồng tăng trưởng 294 L (MLR-351H, Sanyo, IL, USA) để tạo điều kiện stress nhiệt hoặc duy trì các điều kiện môi trường tương tự (47 ngày sau khi gieo trồng). Nghiệm thức stress nhiệt kết hợp được thực hiện bằng cách thiết lập nhiệt độ ngày/đêm trong buồng như sau: nhiệt độ cao ban ngày [40°C trong 5 giờ (từ 11:00 đến 16:00)] và nhiệt độ cao ban đêm [30°C trong 5 giờ], liên tục 8 ngày (từ 19:00 đến 24:00). Nhiệt độ gây stress và thời gian tiếp xúc được lựa chọn dựa trên các nghiên cứu trước đó (Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017). Mặt khác, một nhóm cây được chuyển vào buồng tăng trưởng được giữ trong nhà kính ở cùng nhiệt độ (30°C ban ngày/25°C ban đêm) trong 8 ngày liên tiếp.
Kết thúc thí nghiệm, thu được các nhóm xử lý sau: (i) điều kiện nhiệt độ sinh trưởng + tưới nước cất [Nhóm đối chứng tuyệt đối (AC)], (ii) điều kiện stress nhiệt + tưới nước cất [Nhóm đối chứng stress nhiệt (SC)], (iii) điều kiện stress nhiệt + bón auxin (AUX), (iv) điều kiện stress nhiệt + bón gibberellin (GA), (v) điều kiện stress nhiệt + bón cytokinin (CK), và (vi) điều kiện stress nhiệt + bổ sung brassinosteroid (BR). Các nhóm xử lý này được sử dụng cho hai kiểu gen (F67 và F2000). Tất cả các nghiệm thức được thực hiện theo thiết kế hoàn toàn ngẫu nhiên với năm lần lặp lại, mỗi lần gồm một cây. Mỗi cây được sử dụng để ghi nhận các biến số được xác định vào cuối thí nghiệm. Thí nghiệm kéo dài 55 ngày sau khi gieo trồng (DAE).
Độ dẫn khí khổng (gs) được đo bằng máy đo khí khổng cầm tay (SC-1, METER Group Inc., USA) với dải đo từ 0 đến 1000 mmol m-2 s-1, và đường kính buồng lấy mẫu là 6,35 mm. Việc đo được thực hiện bằng cách gắn đầu dò khí khổng vào lá trưởng thành có thân chính phát triển hoàn toàn. Đối với mỗi nghiệm thức, các giá trị gs được ghi nhận trên ba lá của mỗi cây trong khoảng thời gian từ 11:00 đến 16:00 và lấy giá trị trung bình.
RWC được xác định theo phương pháp mô tả bởi Ghoulam et al. (2002). Tấm lá đã được trải phẳng hoàn toàn dùng để xác định g cũng được dùng để đo RWC. Trọng lượng tươi (FW) được xác định ngay sau khi thu hoạch bằng cân điện tử. Sau đó, lá được đặt trong hộp nhựa chứa đầy nước và để trong bóng tối ở nhiệt độ phòng (22°C) trong 48 giờ. Sau đó cân lại bằng cân điện tử và ghi lại trọng lượng khi lá đã trương nở (TW). Lá đã trương nở được sấy khô trong lò ở 75°C trong 48 giờ và trọng lượng khô (DW) được ghi lại.
Hàm lượng diệp lục tương đối được xác định bằng máy đo diệp lục (atLeafmeter, FT Green LLC, Hoa Kỳ) và được biểu thị bằng đơn vị atLeaf (Dey et al., 2016). Hiệu suất lượng tử tối đa của PSII (tỷ lệ Fv/Fm) được ghi lại bằng máy đo huỳnh quang diệp lục kích thích liên tục (Handy PEA, Hansatech Instruments, Anh). Lá được thích nghi trong bóng tối bằng kẹp lá trong 20 phút trước khi đo Fv/Fm (Restrepo-Diaz và Garces-Varon, 2013). Sau khi lá được thích nghi trong bóng tối, độ huỳnh quang cơ bản (F0) và độ huỳnh quang tối đa (Fm) được đo. Từ dữ liệu này, độ huỳnh quang biến đổi (Fv = Fm – F0), tỷ lệ độ huỳnh quang biến đổi trên độ huỳnh quang tối đa (Fv/Fm), hiệu suất lượng tử tối đa của quá trình quang hóa PSII (Fv/F0) và tỷ lệ Fm/F0 được tính toán (Baker, 2008; Lee et al., 2017). Các chỉ số diệp lục tương đối và huỳnh quang diệp lục được đo trên cùng những lá cây được sử dụng để đo gs.
Khoảng 800 mg trọng lượng tươi của lá được thu thập làm các biến số sinh hóa. Các mẫu lá sau đó được nghiền nhỏ trong nitơ lỏng và bảo quản để phân tích tiếp. Phương pháp đo quang phổ được sử dụng để ước tính hàm lượng diệp lục a, b và carotenoid trong mô dựa trên phương pháp và các phương trình được mô tả bởi Wellburn (1994). Các mẫu mô lá (30 mg) được thu thập và nghiền nhỏ trong 3 ml acetone 80%. Sau đó, các mẫu được ly tâm (máy ly tâm model 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, USA) ở tốc độ 5000 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ các hạt. Phần dịch nổi được pha loãng đến thể tích cuối cùng là 6 ml bằng cách thêm acetone 80% (Sims và Gamon, 2002). Hàm lượng diệp lục được xác định ở bước sóng 663 nm (diệp lục a) và 646 nm (diệp lục b), và carotenoid ở bước sóng 470 nm bằng máy đo quang phổ (Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA).
Phương pháp axit thiobarbituric (TBA) được mô tả bởi Hodges et al. (1999) đã được sử dụng để đánh giá quá trình peroxy hóa lipid màng (MDA). Khoảng 0,3 g mô lá cũng được nghiền nhỏ trong nitơ lỏng. Các mẫu được ly tâm ở tốc độ 5000 vòng/phút và độ hấp thụ được đo trên máy quang phổ ở các bước sóng 440, 532 và 600 nm. Cuối cùng, nồng độ MDA được tính toán bằng cách sử dụng hệ số hấp thụ (157 M mL−1).
Hàm lượng proline của tất cả các mẫu được xác định bằng phương pháp mô tả bởi Bates et al. (1973). Thêm 10 ml dung dịch axit sulfosalicylic 3% vào mẫu đã bảo quản và lọc qua giấy lọc Whatman (số 2). Sau đó, cho 2 ml dịch lọc này phản ứng với 2 ml axit ninhydric và 2 ml axit axetic băng. Hỗn hợp được đặt trong bể nước ở 90°C trong 1 giờ. Dừng phản ứng bằng cách ủ trên đá. Lắc mạnh ống nghiệm bằng máy lắc xoáy và hòa tan dung dịch thu được trong 4 ml toluen. Độ hấp thụ được xác định ở bước sóng 520 nm bằng cùng một máy quang phổ được sử dụng để định lượng sắc tố quang hợp (Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA).
Phương pháp được mô tả bởi Gerhards et al. (2016) để tính toán nhiệt độ tán lá và CSI. Ảnh nhiệt được chụp bằng máy ảnh FLIR 2 (FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA) với độ chính xác ±2°C vào cuối giai đoạn gây stress. Đặt một bề mặt màu trắng phía sau cây để chụp ảnh. Một lần nữa, hai nhà máy được xem xét làm mô hình tham chiếu. Các cây được đặt trên một bề mặt màu trắng; một cây được phủ một chất phụ gia nông nghiệp (Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Colombia) để mô phỏng sự mở của tất cả các khí khổng [chế độ ướt (Twet)], và cây còn lại là lá không được phủ bất kỳ chất nào [chế độ khô (Tdry)] (Castro-Duque et al., 2020). Khoảng cách giữa máy ảnh và chậu cây trong quá trình quay phim là 1 m.
Chỉ số dung sai tương đối được tính toán gián tiếp bằng cách sử dụng độ dẫn khí khổng (gs) của cây được xử lý so với cây đối chứng (cây không được xử lý gây stress và có sử dụng chất điều hòa sinh trưởng) để xác định khả năng chịu đựng của các kiểu gen được xử lý được đánh giá trong nghiên cứu này. RTI được thu được bằng cách sử dụng phương trình được điều chỉnh từ Chávez-Arias et al. (2020).
Trong mỗi thí nghiệm, tất cả các biến số sinh lý đã đề cập ở trên đều được xác định và ghi lại vào ngày thứ 55 sau khi gieo trồng (55 DAE) bằng cách sử dụng lá đã phát triển hoàn toàn được thu thập từ tán cây phía trên. Ngoài ra, các phép đo được thực hiện trong buồng tăng trưởng để tránh làm thay đổi các điều kiện môi trường mà cây sinh trưởng.
Dữ liệu từ thí nghiệm thứ nhất và thứ hai được phân tích cùng nhau như một chuỗi thí nghiệm. Mỗi nhóm thí nghiệm gồm 5 cây, và mỗi cây được coi là một đơn vị thí nghiệm. Phân tích phương sai (ANOVA) được thực hiện (P ≤ 0,05). Khi phát hiện sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, phép thử so sánh hậu kiểm Tukey được sử dụng ở mức P ≤ 0,05. Sử dụng hàm arcsin để chuyển đổi giá trị phần trăm. Dữ liệu được phân tích bằng phần mềm Statistix v 9.0 (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA) và được vẽ biểu đồ bằng SigmaPlot (phiên bản 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA). Phân tích thành phần chính được thực hiện bằng phần mềm InfoStat 2016 (Analysis Software, Đại học Quốc gia Cordoba, Argentina) để xác định các chất điều hòa sinh trưởng thực vật tốt nhất đang được nghiên cứu.
Bảng 1 tóm tắt kết quả phân tích ANOVA cho thấy các thí nghiệm, các phương pháp xử lý khác nhau và sự tương tác của chúng với các sắc tố quang hợp trong lá (diệp lục a, b, tổng và carotenoid), malondialdehyde (MDA) và hàm lượng proline, cũng như độ dẫn khí khổng. Ảnh hưởng của gs, hàm lượng nước tương đối (RWC), hàm lượng diệp lục, các thông số huỳnh quang diệp lục alpha, nhiệt độ tán lá (PCT) (°C), chỉ số căng thẳng cây trồng (CSI) và chỉ số chịu đựng tương đối của cây lúa ở 55 ngày sau khi gieo (DAE).
Bảng 1. Tóm tắt dữ liệu ANOVA về các biến sinh lý và sinh hóa của cây lúa giữa các thí nghiệm (kiểu gen) và các phương pháp xử lý stress nhiệt.
Bảng 2 trình bày sự khác biệt (P≤0,01) về tương tác sắc tố quang hợp trong lá, hàm lượng diệp lục tương đối (đọc trên lá) và các thông số huỳnh quang alpha-diệp lục giữa các thí nghiệm và phương pháp xử lý. Nhiệt độ cao vào ban ngày và ban đêm làm tăng tổng hàm lượng diệp lục và carotenoid. Cây mạ lúa không được phun phytohormone lên lá (2,36 mg g-1 đối với “F67” và 2,56 mg g-1 đối với “F2000”) so với cây trồng trong điều kiện nhiệt độ tối ưu (2,67 mg g-1)) cho thấy tổng hàm lượng diệp lục thấp hơn. Trong cả hai thí nghiệm, “F67” có hàm lượng diệp lục là 2,80 mg g-1 và “F2000” cũng là 2,80 mg g-1. Ngoài ra, cây mạ lúa được xử lý bằng hỗn hợp phun AUX và GA dưới điều kiện stress nhiệt cũng cho thấy sự giảm hàm lượng diệp lục ở cả hai giống (AUX = 1,96 mg g-1 và GA = 1,45 mg g-1 đối với giống “F67”; AUX = 1,96 mg g-1 và GA = 1,45 mg g-1 đối với giống “F67”; AUX = 2,24 mg g-1) và GA = 1,43 mg g-1 (đối với giống “F2000”) dưới điều kiện stress nhiệt. Dưới điều kiện stress nhiệt, xử lý lá bằng BR dẫn đến sự gia tăng nhẹ biến số này ở cả hai giống. Cuối cùng, phun lá CK cho thấy giá trị sắc tố quang hợp cao nhất trong tất cả các phương pháp xử lý (xử lý bằng AUX, GA, BR, SC và AC) ở giống F67 (3,24 mg g-1) và F2000 (3,65 mg g-1). Hàm lượng diệp lục tương đối (đơn vị lá) cũng bị giảm do stress nhiệt kết hợp. Giá trị cao nhất cũng được ghi nhận ở cây được phun CC ở cả hai kiểu gen (41,66 đối với “F67” và 49,30 đối với “F2000”). Tỷ lệ Fv và Fv/Fm cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các phương pháp xử lý và giống cây trồng (Bảng 2). Nhìn chung, trong số các biến số này, giống F67 ít nhạy cảm với stress nhiệt hơn giống F2000. Tỷ lệ Fv và Fv/Fm bị ảnh hưởng nhiều hơn trong thí nghiệm thứ hai. Cây con “F2000” bị stress mà không được phun bất kỳ phytohormone nào có giá trị Fv thấp nhất (2120,15) và tỷ lệ Fv/Fm thấp nhất (0,59), nhưng việc phun CK lên lá đã giúp phục hồi các giá trị này (Fv: 2591,89, tỷ lệ Fv/Fm: 0,73). Thu được các chỉ số tương tự như những chỉ số được ghi nhận trên cây “F2000” được trồng trong điều kiện nhiệt độ tối ưu (Fv: 2955,35, tỷ lệ Fv/Fm: 0,73:0,72). Không có sự khác biệt đáng kể về huỳnh quang ban đầu (F0), huỳnh quang tối đa (Fm), hiệu suất lượng tử quang hóa tối đa của PSII (Fv/F0) và tỷ lệ Fm/F0. Cuối cùng, BR cho thấy xu hướng tương tự như quan sát được ở CK (Fv 2545,06, tỷ lệ Fv/Fm 0,73).
Bảng 2. Ảnh hưởng của stress nhiệt kết hợp (40°C/30°C ngày/đêm) đến các sắc tố quang hợp trong lá [tổng diệp lục (Chl Total), diệp lục a (Chl a), diệp lục b (Chl b) và carotenoid Cx+c], hàm lượng diệp lục tương đối (đơn vị Atliff), các thông số huỳnh quang diệp lục (huỳnh quang ban đầu (F0), huỳnh quang tối đa (Fm), huỳnh quang biến đổi (Fv), hiệu suất PSII tối đa (Fv/Fm), hiệu suất lượng tử quang hóa tối đa của PSII (Fv/F0) và Fm/F0 ở cây của hai giống lúa [Federrose 67 (F67) và Federrose 2000 (F2000)] 55 ngày sau khi nảy mầm (DAE)).
Hàm lượng nước tương đối (RWC) của cây lúa được xử lý khác nhau cho thấy sự khác biệt (P ≤ 0,05) trong tương tác giữa phương pháp thí nghiệm và phương pháp phun qua lá (Hình 1A). Khi được xử lý bằng SA, giá trị thấp nhất được ghi nhận ở cả hai kiểu gen (74,01% đối với F67 và 76,6% đối với F2000). Trong điều kiện căng thẳng nhiệt, RWC của cây lúa thuộc cả hai kiểu gen được xử lý bằng các phytohormone khác nhau tăng lên đáng kể. Nhìn chung, việc phun qua lá CK, GA, AUX hoặc BR làm tăng RWC lên các giá trị tương tự như cây trồng trong điều kiện tối ưu trong suốt thí nghiệm. Cây đối chứng tuyệt đối và cây được phun qua lá ghi nhận giá trị khoảng 83% cho cả hai kiểu gen. Mặt khác, gs cũng cho thấy sự khác biệt đáng kể (P ≤ 0,01) trong tương tác giữa thí nghiệm và phương pháp xử lý (Hình 1B). Cây đối chứng tuyệt đối (AC) cũng ghi nhận giá trị cao nhất cho mỗi kiểu gen (440,65 mmol m-2s-1 đối với F67 và 511,02 mmol m-2s-1 đối với F2000). Cây lúa chỉ chịu stress nhiệt kết hợp cho thấy giá trị gs thấp nhất đối với cả hai kiểu gen (150,60 mmol m-2s-1 đối với F67 và 171,32 mmol m-2s-1 đối với F2000). Xử lý lá bằng tất cả các chất điều hòa sinh trưởng thực vật cũng làm tăng g. Trên cây lúa F2000 được phun CC, tác dụng của việc phun phytohormone qua lá rõ rệt hơn. Nhóm cây này không cho thấy sự khác biệt so với cây đối chứng tuyệt đối (AC 511,02 và CC 499,25 mmol m-2s-1).
Hình 1. Ảnh hưởng của stress nhiệt kết hợp (40°C/30°C ngày/đêm) đến hàm lượng nước tương đối (RWC) (A), độ dẫn khí khổng (gs) (B), sản xuất malondialdehyde (MDA) (C) và hàm lượng proline (D) ở cây của hai kiểu gen lúa (F67 và F2000) sau 55 ngày nảy mầm (DAE). Các nghiệm thức được đánh giá cho mỗi kiểu gen bao gồm: đối chứng tuyệt đối (AC), đối chứng stress nhiệt (SC), stress nhiệt + auxin (AUX), stress nhiệt + gibberellin (GA), stress nhiệt + chất kích thích phân bào (CK) và stress nhiệt + brassinosteroid (BR). Mỗi cột biểu thị giá trị trung bình ± sai số chuẩn của năm điểm dữ liệu (n = 5). Các cột có ký hiệu chữ cái khác nhau cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê theo kiểm định Tukey (P ≤ 0,05). Các chữ cái có dấu bằng cho thấy giá trị trung bình không có ý nghĩa thống kê (≤ 0,05).
Hàm lượng MDA (P ≤ 0,01) và proline (P ≤ 0,01) cũng cho thấy sự khác biệt đáng kể trong tương tác giữa thí nghiệm và phương pháp xử lý phytohormone (Hình 1C, D). Sự gia tăng quá trình peroxy hóa lipid được quan sát thấy ở cả hai kiểu gen khi xử lý bằng SC (Hình 1C), tuy nhiên, cây được xử lý bằng thuốc phun điều hòa sinh trưởng lá cho thấy sự giảm peroxy hóa lipid ở cả hai kiểu gen; Nhìn chung, việc sử dụng phytohormone (CA, AUC, BR hoặc GA) dẫn đến giảm peroxy hóa lipid (hàm lượng MDA). Không tìm thấy sự khác biệt giữa cây AC của hai kiểu gen và cây chịu stress nhiệt và được phun phytohormone (giá trị FW quan sát được ở cây “F67” dao động từ 4,38–6,77 µmol g-1, và ở cây “F2000” giá trị quan sát được dao động từ 2,84 đến 9,18 µmol g-1). Mặt khác, quá trình tổng hợp proline ở cây “F67” thấp hơn so với cây “F2000” dưới điều kiện stress kết hợp, dẫn đến sự gia tăng sản xuất proline ở cây lúa chịu stress nhiệt. Trong cả hai thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng việc sử dụng các hormone này làm tăng đáng kể hàm lượng axit amin của cây F2000 (AUX và BR lần lượt là 30,44 và 18,34 µmol g-1) (Hình 1G).
Hình 2A và 2B thể hiện ảnh hưởng của việc phun thuốc điều hòa sinh trưởng thực vật qua lá và stress nhiệt kết hợp lên nhiệt độ tán cây và chỉ số chịu đựng tương đối (RTI). Đối với cả hai kiểu gen, nhiệt độ tán cây của cây AC gần 27°C, và của cây SC khoảng 28°C. Cũng quan sát thấy rằng, xử lý qua lá bằng CK và BR dẫn đến giảm nhiệt độ tán cây từ 2–3°C so với cây SC (Hình 2A). RTI thể hiện hành vi tương tự như các biến số sinh lý khác, cho thấy sự khác biệt đáng kể (P ≤ 0,01) trong tương tác giữa thí nghiệm và xử lý (Hình 2B). Cây SC cho thấy khả năng chịu đựng thấp hơn ở cả hai kiểu gen (lần lượt là 34,18% và 33,52% đối với cây lúa “F67” và “F2000”). Bón phân qua lá bằng phytohormone cải thiện RTI ở cây tiếp xúc với stress nhiệt độ cao. Hiệu quả này rõ rệt hơn ở cây “F2000” được phun CC, trong đó RTI là 97,69. Mặt khác, sự khác biệt đáng kể chỉ được quan sát thấy ở chỉ số ứng suất năng suất (CSI) của cây lúa trong điều kiện phun thuốc bảo vệ thực vật qua lá (P ≤ 0,01) (Hình 2B). Chỉ những cây lúa chịu stress nhiệt phức hợp mới cho thấy giá trị chỉ số ứng suất cao nhất (0,816). Khi cây lúa được phun các loại phytohormone khác nhau, chỉ số ứng suất thấp hơn (giá trị từ 0,6 đến 0,67). Cuối cùng, cây lúa được trồng trong điều kiện tối ưu có giá trị là 0,138.
Hình 2. Ảnh hưởng của stress nhiệt kết hợp (40°/30°C ngày/đêm) đến nhiệt độ tán lá (A), chỉ số chịu đựng tương đối (RTI) (B) và chỉ số stress cây trồng (CSI) (C) của hai loài thực vật. Hai giống lúa thương mại (F67 và F2000) được xử lý nhiệt khác nhau. Các phương pháp xử lý được đánh giá cho mỗi giống bao gồm: đối chứng tuyệt đối (AC), đối chứng stress nhiệt (SC), stress nhiệt + auxin (AUX), stress nhiệt + gibberellin (GA), stress nhiệt + chất kích thích phân bào (CK) và stress nhiệt + brassinosteroid (BR). Stress nhiệt kết hợp bao gồm việc cho cây lúa tiếp xúc với nhiệt độ cao ngày/đêm (40°/30°C ngày/đêm). Mỗi cột biểu thị giá trị trung bình ± sai số chuẩn của năm điểm dữ liệu (n = 5). Các cột có ký hiệu chữ cái khác nhau cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê theo kiểm định Tukey (P ≤ 0,05). Các chữ cái có dấu bằng cho thấy giá trị trung bình không có ý nghĩa thống kê (≤ 0,05).
Phân tích thành phần chính (PCA) cho thấy các biến số được đánh giá ở 55 ngày sau khi gieo trồng (DAE) giải thích được 66,1% phản ứng sinh lý và sinh hóa của cây lúa chịu stress nhiệt được xử lý bằng thuốc điều hòa sinh trưởng (Hình 3). Các vectơ đại diện cho các biến số và các chấm đại diện cho các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (GR). Các vectơ của gs, hàm lượng diệp lục, hiệu suất lượng tử tối đa của PSII (Fv/Fm) và các thông số sinh hóa (TChl, MDA và proline) có góc gần với gốc tọa độ, cho thấy mối tương quan cao giữa hành vi sinh lý của cây và các biến số này. Một nhóm (V) bao gồm cây mạ lúa được trồng ở nhiệt độ tối ưu (AT) và cây F2000 được xử lý bằng CK và BA. Đồng thời, phần lớn cây được xử lý bằng GR tạo thành một nhóm riêng (IV), và việc xử lý bằng GA ở F2000 tạo thành một nhóm riêng (II). Ngược lại, cây mạ lúa chịu stress nhiệt (nhóm I và III) không được phun bất kỳ loại phytohormone nào lên lá (cả hai kiểu gen đều là SC) lại nằm ở vùng đối diện với nhóm V, cho thấy tác động của stress nhiệt lên sinh lý cây trồng.
Hình 3. Phân tích đồ thị hai chiều về ảnh hưởng của stress nhiệt kết hợp (40°/30°C ngày/đêm) lên cây của hai kiểu gen lúa (F67 và F2000) sau 55 ngày nảy mầm (DAE). Viết tắt: AC F67, đối chứng tuyệt đối F67; SC F67, đối chứng stress nhiệt F67; AUX F67, stress nhiệt + auxin F67; GA F67, stress nhiệt + gibberellin F67; CK F67, stress nhiệt + phân chia tế bào; BR F67, stress nhiệt + brassinosteroid F67; AC F2000, đối chứng tuyệt đối F2000; SC F2000, đối chứng stress nhiệt F2000; AUX F2000, stress nhiệt + auxin F2000; GA F2000, stress nhiệt + gibberellin F2000; CK F2000, stress nhiệt + cytokinin; BR F2000, stress nhiệt + brassinosteroid. F2000.
Các biến số như hàm lượng diệp lục, độ dẫn khí khổng, tỷ lệ Fv/Fm, CSI, MDA, RTI và hàm lượng proline có thể giúp hiểu được khả năng thích nghi của các giống lúa và đánh giá tác động của các chiến lược canh tác dưới điều kiện stress nhiệt (Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). Mục đích của thí nghiệm này là đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng bốn chất điều hòa sinh trưởng lên các thông số sinh lý và sinh hóa của cây lúa non dưới điều kiện stress nhiệt phức hợp. Thử nghiệm trên cây con là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng để đánh giá đồng thời các cây lúa tùy thuộc vào quy mô hoặc điều kiện của cơ sở hạ tầng hiện có (Sarsu et al. 2018). Kết quả nghiên cứu này cho thấy stress nhiệt kết hợp gây ra các phản ứng sinh lý và sinh hóa khác nhau ở hai giống lúa, cho thấy một quá trình thích nghi. Những kết quả này cũng cho thấy rằng việc phun thuốc điều hòa sinh trưởng lá (chủ yếu là cytokinin và brassinosteroid) giúp cây lúa thích nghi với điều kiện căng thẳng nhiệt phức tạp vì tác động chủ yếu đến gs, RWC, tỷ lệ Fv/Fm, sắc tố quang hợp và hàm lượng proline.
Việc sử dụng chất điều hòa sinh trưởng giúp cải thiện tình trạng nước của cây lúa dưới điều kiện căng thẳng nhiệt, có thể liên quan đến mức độ căng thẳng cao hơn và nhiệt độ tán lá thấp hơn. Nghiên cứu này cho thấy trong số các cây lúa “F2000” (kiểu gen mẫn cảm), cây lúa được xử lý chủ yếu bằng CK hoặc BR có giá trị gs cao hơn và giá trị PCT thấp hơn so với cây được xử lý bằng SC. Các nghiên cứu trước đây cũng đã chỉ ra rằng gs và PCT là các chỉ số sinh lý chính xác có thể xác định phản ứng thích nghi của cây lúa và tác động của các chiến lược canh tác đối với điều kiện căng thẳng nhiệt (Restrepo-Diaz và Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero-Carr DeLong et al., 2021). CK hoặc BR trong lá làm tăng g dưới điều kiện căng thẳng vì các hormone thực vật này có thể thúc đẩy sự mở khí khổng thông qua tương tác tổng hợp với các phân tử tín hiệu khác như ABA (chất thúc đẩy đóng khí khổng dưới điều kiện căng thẳng phi sinh học) (Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013). (2014). Việc mở khí khổng thúc đẩy quá trình làm mát lá và giúp giảm nhiệt độ tán lá (Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). Vì những lý do này, nhiệt độ tán lá của cây lúa được phun CK hoặc BR có thể thấp hơn dưới điều kiện căng thẳng nhiệt kết hợp.
Căng thẳng do nhiệt độ cao có thể làm giảm hàm lượng sắc tố quang hợp trong lá (Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). Trong nghiên cứu này, khi cây lúa chịu stress nhiệt và không được phun bất kỳ chất điều hòa sinh trưởng nào, sắc tố quang hợp có xu hướng giảm ở cả hai kiểu gen (Bảng 2). Feng et al. (2013) cũng báo cáo sự giảm đáng kể hàm lượng diệp lục trong lá của hai kiểu gen lúa mì tiếp xúc với stress nhiệt. Tiếp xúc với nhiệt độ cao thường dẫn đến giảm hàm lượng diệp lục, có thể là do giảm quá trình sinh tổng hợp diệp lục, sự phân hủy sắc tố hoặc tác động kết hợp của chúng dưới stress nhiệt (Fahad et al., 2017). Tuy nhiên, cây lúa được xử lý chủ yếu bằng CK và BA đã làm tăng nồng độ sắc tố quang hợp trong lá dưới stress nhiệt. Kết quả tương tự cũng được báo cáo bởi Jespersen và Huang (2015) và Suchsagunpanit et al. (2015), người đã quan sát thấy sự gia tăng hàm lượng diệp lục trong lá sau khi bón hormone zeatin và epibrassinosteroid ở cỏ bentgrass và lúa chịu stress nhiệt. Một lời giải thích hợp lý cho việc tại sao CK và BR thúc đẩy tăng hàm lượng diệp lục trong lá dưới điều kiện stress nhiệt kết hợp là CK có thể tăng cường sự khởi đầu của quá trình cảm ứng bền vững các chất xúc tiến biểu hiện (chẳng hạn như chất xúc tiến kích hoạt lão hóa (SAG12) hoặc chất xúc tiến HSP18) và giảm sự mất diệp lục trong lá, làm chậm quá trình lão hóa lá và tăng khả năng chống chịu nhiệt của cây (Liu et al., 2020). BR có thể bảo vệ diệp lục trong lá và tăng hàm lượng diệp lục trong lá bằng cách kích hoạt hoặc cảm ứng tổng hợp các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp diệp lục trong điều kiện stress (Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). Cuối cùng, hai phytohormone (CK và BR) cũng thúc đẩy sự biểu hiện của protein sốc nhiệt và cải thiện các quá trình thích nghi trao đổi chất khác nhau, chẳng hạn như tăng cường tổng hợp chất diệp lục (Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
Các thông số huỳnh quang diệp lục a cung cấp một phương pháp nhanh chóng và không phá hủy có thể đánh giá khả năng chịu đựng hoặc thích nghi của cây trồng với các điều kiện căng thẳng phi sinh học (Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Các thông số như tỷ lệ Fv/Fm đã được sử dụng làm chỉ thị cho sự thích nghi của cây trồng với các điều kiện căng thẳng (Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). Trong nghiên cứu này, cây SC cho thấy giá trị thấp nhất của biến số này, chủ yếu là cây lúa “F2000”. Yin et al. (2010) cũng nhận thấy rằng tỷ lệ Fv/Fm của lá lúa đẻ nhánh nhiều nhất giảm đáng kể ở nhiệt độ trên 35°C. Theo Feng et al. (2013), tỷ lệ Fv/Fm thấp hơn dưới điều kiện căng thẳng nhiệt cho thấy tốc độ thu nhận và chuyển đổi năng lượng kích thích bởi trung tâm phản ứng PSII bị giảm, cho thấy trung tâm phản ứng PSII bị phân rã dưới điều kiện căng thẳng nhiệt. Quan sát này cho phép chúng ta kết luận rằng sự rối loạn trong bộ máy quang hợp rõ rệt hơn ở các giống nhạy cảm (Fedearroz 2000) so với các giống kháng bệnh (Fedearroz 67).
Việc sử dụng CK hoặc BR nhìn chung đã tăng cường hiệu suất của PSII trong điều kiện căng thẳng nhiệt phức tạp. Kết quả tương tự đã được Suchsagunpanit et al. (2015) thu được, họ quan sát thấy rằng việc bón BR làm tăng hiệu quả của PSII dưới điều kiện căng thẳng nhiệt ở cây lúa. Kumar et al. (2020) cũng phát hiện ra rằng cây đậu gà được xử lý bằng CK (6-benzyladenine) và chịu căng thẳng nhiệt làm tăng tỷ lệ Fv/Fm, kết luận rằng việc phun CK lên lá bằng cách kích hoạt chu trình sắc tố zeaxanthin đã thúc đẩy hoạt động của PSII. Ngoài ra, phun BR lên lá đã thúc đẩy quá trình quang hợp PSII trong điều kiện căng thẳng kết hợp, cho thấy rằng việc bón phytohormone này đã làm giảm sự tiêu tán năng lượng kích thích của các anten PSII và thúc đẩy sự tích lũy các protein sốc nhiệt nhỏ trong lục lạp (Ogweno et al. 2008; Kothari và Lachowitz, 2021).
Hàm lượng MDA và proline thường tăng lên khi cây trồng chịu stress phi sinh học so với cây trồng trong điều kiện tối ưu (Alvarado-Sanabria et al. 2017). Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng mức độ MDA và proline là các chỉ số sinh hóa có thể được sử dụng để hiểu quá trình thích nghi hoặc tác động của các biện pháp canh tác đối với cây lúa dưới nhiệt độ cao ban ngày hoặc ban đêm (Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). Các nghiên cứu này cũng cho thấy hàm lượng MDA và proline có xu hướng cao hơn ở cây lúa tiếp xúc với nhiệt độ cao vào ban đêm hoặc ban ngày. Tuy nhiên, phun CK và BR lên lá đã góp phần làm giảm mức MDA và tăng mức proline, chủ yếu ở giống chịu nhiệt (Federroz 67). Phun CK có thể thúc đẩy sự biểu hiện quá mức của cytokinin oxidase/dehydrogenase, do đó làm tăng hàm lượng các hợp chất bảo vệ như betaine và proline (Liu et al., 2020). BR thúc đẩy sự hình thành các chất bảo vệ thẩm thấu như betaine, đường và axit amin (bao gồm cả proline tự do), duy trì cân bằng thẩm thấu của tế bào trong nhiều điều kiện môi trường bất lợi (Kothari và Lachowiec, 2021).
Chỉ số căng thẳng cây trồng (CSI) và chỉ số chịu đựng tương đối (RTI) được sử dụng để xác định xem các phương pháp xử lý đang được đánh giá có giúp giảm thiểu các loại căng thẳng khác nhau (vô sinh và hữu sinh) và có tác động tích cực đến sinh lý cây trồng hay không (Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). Giá trị CSI có thể dao động từ 0 đến 1, lần lượt đại diện cho điều kiện không căng thẳng và căng thẳng (Lee et al., 2010). Giá trị CSI của cây chịu nhiệt (SC) dao động từ 0,8 đến 0,9 (Hình 2B), cho thấy cây lúa bị ảnh hưởng tiêu cực bởi căng thẳng kết hợp. Tuy nhiên, phun BC (0,6) hoặc CK (0,6) chủ yếu dẫn đến sự giảm chỉ số này trong điều kiện căng thẳng vô sinh so với cây lúa SC. Ở cây F2000, chỉ số RTI cho thấy sự gia tăng cao hơn khi sử dụng CA (97,69%) và BC (60,73%) so với SA (33,52%), cho thấy các chất điều hòa sinh trưởng thực vật này cũng góp phần cải thiện khả năng chịu nhiệt của cây lúa. Các chỉ số này đã được đề xuất để quản lý các điều kiện căng thẳng ở các loài khác nhau. Một nghiên cứu do Lee et al. (2010) thực hiện cho thấy chỉ số CSI của hai giống bông dưới điều kiện thiếu nước vừa phải là khoảng 0,85, trong khi giá trị CSI của các giống được tưới tiêu đầy đủ dao động từ 0,4 đến 0,6, kết luận rằng chỉ số này là một chỉ báo về khả năng thích nghi với điều kiện thiếu nước của các giống. Hơn nữa, Chavez-Arias et al. (2020) đã đánh giá hiệu quả của các chất kích thích tổng hợp như một chiến lược quản lý căng thẳng toàn diện ở cây C. elegans và nhận thấy rằng cây được phun các hợp chất này thể hiện chỉ số RTI cao hơn (65%). Dựa trên những điều đã nêu ở trên, CK và BR có thể được coi là các chiến lược nông học nhằm tăng khả năng chịu đựng của cây lúa đối với stress nhiệt phức tạp, vì các chất điều hòa sinh trưởng thực vật này tạo ra các phản ứng sinh hóa và sinh lý tích cực.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về lúa ở Colombia tập trung vào việc đánh giá các kiểu gen chịu được nhiệt độ cao ban ngày hoặc ban đêm bằng cách sử dụng các đặc điểm sinh lý hoặc sinh hóa (Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). Tuy nhiên, trong những năm gần đây, việc phân tích các công nghệ thiết thực, kinh tế và có lợi nhuận ngày càng trở nên quan trọng để đề xuất quản lý cây trồng tổng hợp nhằm cải thiện tác động của các giai đoạn căng thẳng nhiệt phức tạp trong nước (Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). Do đó, các phản ứng sinh lý và sinh hóa của cây lúa đối với căng thẳng nhiệt phức tạp (40°C ban ngày/30°C ban đêm) được quan sát trong nghiên cứu này cho thấy rằng phun qua lá bằng CK hoặc BR có thể là một phương pháp quản lý cây trồng phù hợp để giảm thiểu các tác động bất lợi. Ảnh hưởng của các giai đoạn căng thẳng nhiệt vừa phải. Các phương pháp xử lý này đã cải thiện khả năng chịu đựng của cả hai kiểu gen lúa (CSI thấp và RTI cao), thể hiện xu hướng chung trong các phản ứng sinh lý và sinh hóa của cây trồng dưới điều kiện căng thẳng nhiệt kết hợp. Phản ứng chính của cây lúa là sự giảm hàm lượng GC, tổng chlorophyll, chlorophyll α và β và carotenoid. Ngoài ra, cây còn bị tổn thương PSII (các thông số huỳnh quang chlorophyll giảm như tỷ lệ Fv/Fm) và quá trình peroxy hóa lipid tăng lên. Mặt khác, khi lúa được xử lý bằng CK và BR, những tác động tiêu cực này đã được giảm nhẹ và hàm lượng proline tăng lên (Hình 4).
Hình 4. Mô hình khái niệm về tác động của sự kết hợp giữa stress nhiệt và phun thuốc điều hòa sinh trưởng thực vật qua lá lên cây lúa. Mũi tên màu đỏ và xanh biểu thị tác động tiêu cực hoặc tích cực của sự tương tác giữa stress nhiệt và việc phun BR (brassinosteroid) và CK (cytokinin) qua lá lên các phản ứng sinh lý và sinh hóa, tương ứng. gs: độ dẫn khí khổng; Total Chl: tổng hàm lượng diệp lục; Chl α: hàm lượng diệp lục β; Cx+c: hàm lượng carotenoid;
Tóm lại, các phản ứng sinh lý và sinh hóa trong nghiên cứu này cho thấy cây lúa Fedearroz 2000 dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện stress nhiệt phức hợp hơn cây lúa Fedearroz 67. Tất cả các chất điều hòa sinh trưởng được đánh giá trong nghiên cứu này (auxin, gibberellin, cytokinin hoặc brassinosteroid) đều cho thấy khả năng giảm stress nhiệt tổng hợp ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên, cytokinin và brassinosteroid giúp cây thích nghi tốt hơn vì cả hai chất điều hòa sinh trưởng này đều làm tăng hàm lượng diệp lục, các thông số huỳnh quang alpha-diệp lục, gs và RWC so với cây lúa không được bón bất kỳ chất nào, đồng thời làm giảm hàm lượng MDA và nhiệt độ tán lá. Tóm lại, chúng tôi kết luận rằng việc sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (cytokinin và brassinosteroid) là một công cụ hữu ích trong việc quản lý các điều kiện stress ở cây lúa do stress nhiệt nghiêm trọng trong thời kỳ nhiệt độ cao.
Các tài liệu gốc được trình bày trong nghiên cứu được đính kèm với bài báo, và mọi thắc mắc khác có thể được gửi đến tác giả tương ứng.
Thời gian đăng bài: 08/08/2024