Климатске промене и брзи раст становништва постали су кључни изазови за глобалну безбедност хране. Једно обећавајуће решење је употребарегулатори раста биљака(PGR) за повећање приноса усева и превазилажење неповољних услова раста као што је пустињска клима. Недавно су каротеноид заксинон и два његова аналога (MiZax3 и MiZax5) показали обећавајућу активност подстицања раста код житарица и поврћа у условима пластеника и на пољу. Овде смо даље истражили ефекте различитих концентрација MiZax3 и MiZax5 (5 μM и 10 μM у 2021. години; 2,5 μM и 5 μM у 2022. години) на раст и принос две високовредне повртарске културе у Камбоџи: кромпира и саудијске јагоде. Арабија. У пет независних пољских огледа од 2021. до 2022. године, примена оба MiZax-а значајно је побољшала агрономске карактеристике биљака, компоненте приноса и укупни принос. Вреди напоменути да се MiZax користи у много нижим дозама од хуминске киселине (широко коришћено комерцијално једињење које се овде користи за поређење). Дакле, наши резултати показују да је MiZax веома перспективан регулатор раста биљака који се може користити за стимулисање раста и приноса повртарских култура чак и у пустињским условима и при релативно ниским концентрацијама.
Према подацима Организације Уједињених нација за храну и пољопривреду (ФАО), наши системи производње хране морају се скоро утростручити до 2050. године како би се прехранила растућа глобална популација (ФАО: Свету ће бити потребно 70% више хране до 2050. године1). У ствари, брзи раст популације, загађење, кретање штеточина, а посебно високе температуре и суше изазване климатским променама, све су то изазови са којима се суочава глобална безбедност хране2. У том смислу, повећање бруто приноса пољопривредних култура у неоптималним условима једно је од несумњивих решења за овај хитан проблем. Међутим, раст и развој биљака углавном зависе од доступности хранљивих материја у земљишту и озбиљно су ограничени неповољним факторима животне средине, укључујући сушу, салинитет или биотски стрес3,4,5. Ови стресови могу негативно утицати на здравље и развој усева и на крају довести до смањења приноса усева6. Поред тога, ограничени ресурси слатке воде озбиљно утичу на наводњавање усева, док глобалне климатске промене неизбежно смањују површину обрадивог земљишта, а догађаји попут топлотних таласа смањују продуктивност усева7,8. Високе температуре су уобичајене у многим деловима света, укључујући Саудијску Арабију. Употреба биостимуланса или регулатора раста биљака (РРБ) је корисна за скраћивање циклуса раста и максимизирање приноса. Може побољшати отпорност усева и омогућити биљкама да се носе са неповољним условима раста9. У том смислу, биостимуланси и регулатори раста биљака могу се користити у оптималним концентрацијама за побољшање раста и продуктивности биљака10,11.
Каротеноиди су тетратерпеноиди који такође служе као прекурсори за фитохормоне апсцисинску киселину (АБА) и стриголактон (СЛ)12,13,14, као и недавно откривене регулаторе раста заксинон, анорен и циклоцитрал15,16,17,18,19. Међутим, већина стварних метаболита, укључујући деривате каротеноида, имају ограничене природне изворе и/или су нестабилни, што отежава њихову директну примену у овој области. Стога је током протеклих неколико година развијено и тестирано неколико аналога/миметика АБА и СЛ за пољопривредне примене20,21,22,23,24,25. Слично томе, недавно смо развили миметике заксинона (MiZax), метаболита који подстиче раст и који може испољити своје ефекте побољшавањем метаболизма шећера и регулисањем хомеостазе СЛ у корену пиринча19,26. Миметици заксинона 3 (MiZax3) и MiZax5 (хемијске структуре приказане на слици 1А) показали су биолошку активност упоредиву са заксиноном код дивљих биљака пиринча узгајаних хидропонички и у земљишту26. Штавише, третман парадајза, урме, зелене паприке и бундеве са заксиноном, MiZax3 и MiZx5 побољшао је раст и продуктивност биљака, тј. принос и квалитет паприке, у условима стакленика и на отвореном пољу, што указује на њихову улогу као биостимуланата и употребу PGR27. . Занимљиво је да су MiZax3 и MiZax5 такође побољшали толеранцију на со зелене паприке узгајане у условима повишене сланости, а MiZax3 је повећао садржај цинка у плодовима када је инкапсулиран метал-органским оквирима који садрже цинк7,28.
(А) Хемијске структуре MiZax3 и MiZax5. (Б) Ефекат фолијарног прскања MZ3 и MZ5 у концентрацијама од 5 µM и 10 µM на биљке кромпира у условима отвореног поља. Експеримент ће се одржати 2021. године. Подаци су представљени као средња вредност ± SD. n≥15. Статистичка анализа је спроведена коришћењем једнофакторске анализе варијансе (ANOVA) и Тукијевог post hoc теста. Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5; HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
У овом раду, проценили смо MiZax (MiZax3 и MiZax5) у три фолијарне концентрације (5 µM и 10 µM у 2021. и 2,5 µM и 5 µM у 2022. години) и упоредили их са кромпиром (Solanum tuberosum L). Комерцијални регулатор раста, хуминска киселина (HA), упоређен је са јагодама (Fragaria ananassa) у огледима јагода у пластеницима 2021. и 2022. године и у четири пољска огледа у Краљевини Саудијској Арабији, типичном региону пустињске климе. Иако је HA широко коришћени биостимуланс са многим корисним ефектима, укључујући повећање доступности хранљивих материја у земљишту и подстицање раста усева регулисањем хормонске хомеостазе, наши резултати показују да је MiZax супериорнији од HA.
Гомољи кромпира сорте Дајмонд купљени су од компаније Jabbar Nasser Al Bishi Trading Company, Џеда, Саудијска Арабија. Саднице две сорте јагода „Sweet Charlie“ и „Festival“ и хуминска киселина купљене су од компаније Modern Agritech Company, Ријад, Саудијска Арабија. Сав биљни материјал коришћен у овом раду у складу је са Изјавом о политици IUCN-а о истраживању које укључује угрожене врсте и Конвенцијом о трговини угроженим врстама дивље фауне и флоре.
Експериментална локација се налази у Хада Ал-Шаму, Саудијска Арабија (21°48′3″N, 39°43′25″E). Земљиште је песковито иловасто, pH 7,8, EC 1,79 dcm-130. Карактеристике земљишта су приказане у Додатној табели S1.
Три саднице јагоде (Fragaria x ananassa D. var. Festival) у фази правог листа подељене су у три групе како би се проценио ефекат фолијарног прскања са 10 μM MiZax3 и MiZax5 на карактеристике раста и време цветања у условима стаклене баште. Прскање листова водом (која садржи 0,1% ацетона) коришћено је као моделни третман. Фолијарни спрејеви MiZax примењени су 7 пута у интервалима од једне недеље. Два независна експеримента спроведена су 15. и 28. септембра 2021. године, респективно. Почетна доза сваког једињења је 50 мл, а затим се постепено повећава до коначне дозе од 250 мл. Током две узастопне недеље, број цветница је бележен сваког дана, а стопа цветања је израчуната на почетку четврте недеље. Да би се утврдиле особине раста, број листова, свежа и сува тежина биљке, укупна површина листа и број столона по биљци мерени су на крају фазе раста и на почетку репродуктивне фазе. Површина листа је мерена помоћу мерача површине листа, а свежи узорци су сушени у рерни на 100°C током 48 сати.
Спроведена су два пољска огледа: рано и касно орање. Кртоле кромпира сорте „Дијамант“ сађене су у новембру и фебруару, са раним и касним периодом сазревања, респективно. Биостимуланси (MiZax-3 и -5) коришћени су у концентрацијама од 5,0 и 10,0 µM (2021) и 2,5 и 5,0 µM (2022). Прскати хуминском киселином (HA) 1 g/l 8 пута недељно. Вода или ацетон коришћени су као негативна контрола. Дизајн пољског огледа приказан је на (Додатна слика S1). За спровођење пољских експеримената коришћен је рандомизовани комплетан блок дизајн (RCBD) са површином парцеле 2,5 m × 3,0 m. Сваки третман је поновљен три пута као независна понављања. Растојање између сваке парцеле је 1,0 m, а растојање између сваког блока је 2,0 m. Растојање између биљака је 0,6 m, растојање између редова је 1 m. Биљке кромпира су свакодневно наводњаване кап по кап брзином од 3,4 л по капаљци. Систем ради два пута дневно по 10 минута сваки пут како би се биљкама обезбедила вода. Примењене су све препоручене агротехничке методе за узгој кромпира у условима суше31. Четири месеца након садње, висина биљке (цм), број грана по биљци, састав и принос кромпира, као и квалитет кртола мерени су стандардним техникама.
Саднице две сорте јагода (Sweet Charlie и Festival) тестиране су у пољским условима. Биостимуланси (MiZax-3 и -5) коришћени су као спрејеви за лишће у концентрацијама од 5,0 и 10,0 µM (2021) и 2,5 и 5,0 µM (2022) осам пута недељно. Користити 1 г HA по литру као фолијарно прскање паралелно са MiZax-3 и -5, са контролном смешом H2O или ацетоном као негативном контролом. Саднице јагода засађене су на парцели димензија 2,5 x 3 м почетком новембра са размаком између биљака од 0,6 м и размаком између редова од 1 м. Експеримент је спроведен у RCBD и поновљен је три пута. Биљке су заливане 10 минута сваког дана у 7:00 и 17:00 часова коришћењем система за наводњавање кап по кап, који садржи капалице размакнуте 0,6 м и капацитета 3,4 л. Агротехничке компоненте и параметри приноса мерени су током вегетације. Квалитет воћа, укључујући укупне сувишне супстанце (%), витамин Ц32, киселост и укупна фенолна једињења33, процењен је у Лабораторији за постбербену физиологију и технологију Универзитета Краљ Абдулазиз.
Подаци су изражени као средње вредности, а варијације као стандардне девијације. Статистичка значајност је одређена коришћењем једнофакторске ANOVA (једнофакторска ANOVA) или двофакторске ANOVA коришћењем Тукијевог теста вишеструког поређења користећи ниво вероватноће од p < 0,05 или двостраног Студентовог t-теста за откривање значајних разлика (*p < 0,05, * *p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001). Све статистичке интерпретације су извршене коришћењем GraphPad Prism верзије 8.3.0. Асоцијације су тестиране коришћењем анализе главних компоненти (PCA), мултиваријантне статистичке методе, користећи R пакет 34.
У претходном извештају, показали смо активност МиЗакса у подстицању раста у концентрацијама од 5 и 10 μМ код хортикултурних биљака и побољшали индикатор хлорофила у тесту земљишних биљака (SPAD)27. На основу ових резултата, користили смо исте концентрације за процену ефеката МиЗакса на кромпир, важну глобалну прехрамбену културу, у пољским испитивањима у пустињској клими 2021. године. Посебно нас је занимало тестирање да ли МиЗакс може повећати акумулацију скроба, крајњег производа фотосинтезе. Генерално, примена МиЗакса је побољшала раст биљака кромпира у поређењу са хуминском киселином (ХА), што је резултирало повећањем висине биљке, биомасе и броја грана (Слика 1Б). Поред тога, приметили смо да су 5 μМ МиЗакс3 и МиЗакс5 имали јачи ефекат на повећање висине биљке, броја грана и биомасе биљке у поређењу са 10 μМ (Слика 1Б). Уз побољшани раст, МиЗакс је такође повећао принос, мерено бројем и тежином убраних кртола. Укупан благотворан ефекат био је мање изражен када је МиЗакс примењен у концентрацији од 10 μМ, што сугерише да би ова једињења требало примењивати у концентрацијама испод ове (Слика 1Б). Поред тога, нисмо приметили разлике у свим забележеним параметрима између третмана ацетоном (модел) и водом (контрола), што сугерише да примећени ефекти модулације раста нису били узроковани растварачем, што је у складу са нашим претходним извештајем27.
Пошто сезона раста кромпира у Саудијској Арабији обухвата рано и касно сазревање, спровели смо другу теренску студију 2022. године користећи ниске концентрације (2,5 и 5 µM) током две сезоне како бисмо проценили сезонски утицај отворених поља (Додатна слика S2A). Као што се и очекивало, обе примене MiZax-а од 5 μM произвеле су ефекте који подстицају раст сличне првом покушају: повећана висина биљке, повећано гранање, већа биомаса и повећан број кртола (Слика 2; Допунска слика S3). Важно је напоменути да смо приметили значајне ефекте ових PGR-а при концентрацији од 2,5 μM, док третман GA није показао предвиђене ефекте. Овај резултат сугерише да се MiZax може користити чак и при нижим концентрацијама него што се очекивало. Поред тога, примена MiZax-а је такође повећала дужину и ширину кртола (Додатна слика S2B). Такође смо пронашли значајно повећање тежине кртола, али је концентрација од 2,5 µM примењена само у обе сезоне садње;
Фенотипска процена утицаја MiZax-а на рано сазревајуће биљке кромпира у пољу KAU, спроведена 2022. године. Подаци представљају средњу вредност ± стандардну девијацију. n≥15. Статистичка анализа је спроведена коришћењем једнофакторске анализе варијансе (ANOVA) и Тукијевог post hoc теста. Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5; HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
Да би се боље разумели ефекти третмана (Т) и године (Y), коришћена је двофакторска ANOVA за испитивање њихове интеракције (Т x Y). Иако су сви биостимуланси (Т) значајно повећали висину биљке кромпира и биомасу, само су MiZax3 и MiZax5 значајно повећали број и тежину кртола, што указује да су двосмерни одговори кртола кромпира на два MiZax-а били у суштини слични (Сл. 3)). Поред тога, на почетку сезоне време (https://www.timeanddate.com/weather/saudi-arabia/jeddah/climate) постаје топлије (просечно 28 °C и влажност 52% (2022), што значајно смањује укупну биомасу кртола (Сл. 2; Додатна слика S3).
Проучити ефекте третмана од 5 µм (Т), године (Y) и њихове интеракције (Т x Y) на кромпир. Подаци представљају средњу вредност ± стандардну девијацију. n ≥ 30. Статистичка анализа је спроведена коришћењем двофакторске анализе варијансе (ANOVA). Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
Међутим, третман Мизаксом је и даље тежио да стимулише раст касно сазревајућих биљака. Генерално, наша три независна експеримента су несумњиво показала да примена МиЗакса има значајан утицај на структуру биљке повећањем броја грана. У ствари, постојао је значајан двосмерни интеракцијски ефекат између (Т) и (Y) на број грана након третмана МиЗаксом (Сл. 3). Овај резултат је у складу са њиховом активношћу као негативних регулатора биосинтезе стриголактона (SL)26. Поред тога, претходно смо показали да третман Заксиноном изазива акумулацију скроба у корену пиринча35, што може објаснити повећање величине и тежине кртола кромпира након третмана МиЗаксом, пошто су кртоле углавном састављене од скроба.
Воћне културе су важне економске биљке. Јагоде су осетљиве на абиотске стресне услове као што су суша и висока температура. Стога смо истражили ефекат МиЗакса на јагоде прскањем листова. Прво смо применили МиЗакс у концентрацији од 10 µМ да бисмо проценили његов ефекат на раст јагода (сорта Фестивал). Занимљиво је да смо приметили да је МиЗакс3 значајно повећао број столона, што је одговарало повећаном гранању, док је МиЗакс5 побољшао стопу цветања, биомасу биљака и површину листа у условима стаклене баште (Додатна слика С4), што сугерише да се ова два једињења могу биолошки разликовати. Догађаји 26,27. Да бисмо боље разумели њихове ефекте на јагоде у стварним пољопривредним условима, спровели смо пољска испитивања применом 5 и 10 μМ МиЗакса на биљке јагода (сорта Свит Чарли) узгајане у полупесковитом земљишту 2021. године (сл. С5А). У поређењу са ГЦ, нисмо приметили повећање биомасе биљака, али смо пронашли тренд повећања броја плодова (сл. Ц6А-Б). Међутим, примена МиЗакса је резултирала значајним повећањем тежине појединачног плода и наговестила зависност од концентрације (Допунска слика С5Б; Додатна слика С6Б), што указује на утицај ових регулатора раста биљака на квалитет плодова јагоде када се примењују у пустињским условима.
Да бисмо разумели да ли ефекат подстицања раста зависи од врсте култивара, одабрали смо два комерцијална култивара јагода у Саудијској Арабији (Sweet Charlie и Festival) и спровели две теренске студије 2022. године користећи ниске концентрације MiZax-а (2,5 и 5 µM). Код Sweet Charlie-а, иако се укупан број плодова није значајно повећао, биомаса плодова је генерално била већа код биљака третираних MiZax-ом, а број плодова по парцели се повећао након третмана MiZax3 (Сл. 4). Ови подаци даље указују на то да се биолошке активности MiZax3 и MiZax5 могу разликовати. Поред тога, након третмана Myzax-ом, приметили смо повећање свеже и суве тежине биљака, као и дужине биљних изданака. Што се тиче броја столона и нових биљака, пронашли смо повећање само при 5 μM MiZax-а (Сл. 4), што указује да оптимална координација MiZax-а зависи од врсте биљке.
Утицај МиЗакса на структуру биљке и принос јагоде (сорта Слатки Чарли) са поља КАУ, спроведено 2022. године. Подаци представљају средњу вредност ± стандардну девијацију. n ≥ 15, али је број плодова по парцели израчунат у просеку из 15 биљака са три парцеле (n = 3). Статистичка анализа је спроведена коришћењем једнофакторске анализе варијансе (ANOVA) и Тукијевог пост хок теста или двостраног Студентовог t-теста. Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, МиЗакс3, МиЗакс5;
Такође смо приметили сличну активност стимулације раста у односу на тежину плода и биљну биомасу код јагода сорте Фестивал (Сл. 5), међутим, нисмо пронашли значајне разлике у укупном броју плодова по биљци или по парцели (Сл. 5);. Занимљиво је да је примена МиЗакса повећала дужину биљке и број столона, што указује да се ови регулатори раста биљака могу користити за побољшање раста воћака (Сл. 5). Поред тога, мерили смо неколико биохемијских параметара како бисмо разумели квалитет плодова две сорте сакупљене са поља, али нисмо добили никакве разлике између свих третмана (Допунска слика С7; Допунска слика С8).
Утицај MiZax-а на структуру биљке и принос јагоде у KAU пољу (сорта Фестивал), 2022. Подаци су средња вредност ± стандардна девијација. n ≥ 15, али је број плодова по парцели израчунат у просеку из 15 биљака са три парцеле (n = 3). Статистичка анализа је извршена коришћењем једнофакторске анализе варијансе (ANOVA) и Тукијевог post hoc теста или двостраног Студентовог t-теста. Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
У нашим студијама на јагодама, биолошке активности MiZax3 и MiZax5 показале су се различитим. Прво смо испитали ефекте третмана (T) и године (Y) на истом култивару (Sweet Charlie) користећи двофакторску ANOVA да бисмо утврдили њихову интеракцију (T x Y). Дакле, GA није имао утицаја на култивар јагоде (Sweet Charlie), док је 5 μM MiZax3 и MiZax5 значајно повећало биомасу биљака и плодова (Сл. 6), што указује да су двосмерне интеракције два MiZax-а веома сличне у промоцији производње усева јагода.
Процените ефекте третмана са 5 µM (T), године (Y) и њихове интеракције (T x Y) на јагоде (сорта Sweet Charlie). Подаци представљају средњу вредност ± стандардну девијацију. n ≥ 30. Статистичка анализа је извршена коришћењем двофакторске анализе варијансе (ANOVA). Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
Поред тога, с обзиром на то да је активност MiZax-а на две сорте била мало различита (Сл. 4; Сл. 5), извршили смо двофакторску ANOVA анализу упоређујући третман (T) и две сорте (C). Прво, ниједан третман није утицао на број плодова по парцели (Сл. 7), што указује на значајну интеракцију између (T x C) и сугерише да ни MiZax ни HA не доприносе укупном броју плодова. Насупрот томе, MiZax (али не HA) је значајно повећао тежину биљке, тежину плода, столоне и нове биљке (Сл. 7), што указује да MiZax3 и MiZax5 значајно подстичу раст различитих сорти јагода. На основу двофакторске ANOVA (T x Y) и (T x C), можемо закључити да су активности MiZax3 и MiZax5 које подстичу раст у пољским условима веома сличне и конзистентне.
Евалуација третмана јагода са 5 µM (T), две сорте (C) и њихова интеракција (T x C). Подаци представљају средњу вредност ± стандардну девијацију. n ≥ 30, али је број плодова по парцели израчунат у просеку из 15 биљака са три парцеле (n = 6). Статистичка анализа је извршена коришћењем двофакторске анализе варијансе (ANOVA). Звездице означавају статистички значајне разлике у поређењу са симулацијом (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, није значајно). HA – хуминска киселина; MZ3, MiZax3, MiZax5;
Коначно, користили смо анализу главних компоненти (PCA) да бисмо проценили ефекте примењених једињења на кромпир (T x Y) и јагоде (T x C). Ове слике показују да је третман HA сличан ацетону у кромпиру или води у јагодама (Слика 8), што указује на релативно мали позитиван ефекат на раст биљака. Занимљиво је да су укупни ефекти MiZax3 и MiZax5 показали исту дистрибуцију у кромпиру (Слика 8А), док је дистрибуција ова два једињења у јагодама била различита (Слика 8Б). Иако су MiZax3 и MiZax5 показали претежно позитивну дистрибуцију у расту и приносу биљака, PCA анализа је показала да активност регулације раста може зависити и од врсте биљке.
Анализа главних компоненти (PCA) (A) кромпира (T x Y) и (B) јагода (T x C). Графикони бодовања за обе групе. Линија која повезује сваку компоненту води до центра кластера.
Укратко, на основу наших пет независних теренских студија на две вредне културе и у складу са нашим претходним извештајима од 2020. до 2022. године26,27, MiZax3 и MiZax5 су обећавајући регулатори раста биљака који могу побољшати раст и принос биљака, укључујући житарице, дрвенасте биљке (урме) и хортикултурне воћне културе26,27. Иако молекуларни механизми изван њихових биолошких активности остају недостижни, они имају велики потенцијал за примену на пољу. Најбоље од свега је што се, у поређењу са хуминском киселином, MiZax примењује у много мањим количинама (микромоларни или милиграмски ниво) и позитивни ефекти су израженији. Стога, процењујемо дозу MiZax3 по примени (од ниске до високе концентрације): 3, 6 или 12 г/ха, и дозу MiZx5: 4, 7 или 13 г/ха, што ове PGR-ове чини корисним за побољшање приноса усева. Сасвим изводљиво.
Време објаве: 29. јул 2024.