Summary
L’article ci-dessous présente un protocole pour mesurer la germination des graines, la croissance des semis et les indices physiologiques de deux variétés de poivre présentant des différences de tolérance à la salinité en réponse à six concentrations de sel mélangé. Ce protocole peut être utilisé pour évaluer la tolérance au sel des variétés de poivre.
Abstract
Pour déterminer la tolérance au sel et le mécanisme physiologique du poivre (Capsicum annuum L.) au stade de la germination, les variétés Hongtianhu 101 et Xinxiang 8, qui présentent de grandes différences de tolérance au sel, sont utilisées comme matériel d’étude. Six concentrations de sels mixtes de 0, 3, 5, 10, 15 et 20 g/L calculées en utilisant des rapports molaires égaux de Na 2 CO 3, NaHCO3, NaCl, CaCl 2, MgCl 2, MgSO 4 et Na 2 SO4 sont utilisées. Pour déterminer leurs effets, les indices connexes de germination des graines, de croissance des plantules et de physiologie sont mesurés, et la tolérance au sel est évaluée de manière exhaustive à l’aide de l’analyse de la fonction d’appartenance. Les résultats montrent qu’à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, le potentiel de germination, l’indice de germination, le taux de germination, l’indice de vigueur de germination des graines, la longueur des racines et le poids frais des racines des deux cultivars diminuent considérablement, tandis que le taux relatif de sel augmente progressivement. La longueur de l’hypocotyle et le poids frais au-dessus du sol augmentent d’abord, puis diminuent, tandis que l’activité du malondialdéhyde (MDA), de la proline (Pro), de la catalase (CAT), de la peroxydase (POD) et de la superoxyde dismutase (SOD) diminue puis augmente. Le potentiel de germination, l’indice de germination, le taux de germination, l’indice de vigueur de germination des graines, la longueur des racines, le poids frais des racines, la teneur en MDA et Pro et l’activité CAT des graines Hongtianhu 101 sont plus élevés que ceux de Xinxiang 8 pour toutes les concentrations de sel utilisées ici. Cependant, la longueur de l’hypocotyle, le poids frais au-dessus du sol et le taux relatif de sel sont plus faibles dans Hongtianhu 101 que dans Xinxiang 8. L’évaluation complète de la tolérance au sel révèle que les valeurs pondérées totales des deux indices de fonction d’appartenance augmentent d’abord, puis diminuent à mesure que la concentration de sel mélangé augmente. Comparativement à 5 g/L, qui a la valeur de fonction d’appartenance la plus élevée, l’indice sous des concentrations de sel de 3 g/L, 10 g/L et 15 g/L diminue de 4,7 % à 11,1 %, de 25,3 % à 28,3 % et de 41,4 % à 45,1 %, respectivement. Cette étude fournit des conseils théoriques pour la sélection de variétés de poivre tolérantes au sel et une analyse des mécanismes physiologiques impliqués dans la tolérance au sel et la culture tolérante au sel.
Introduction
La salinité est un facteur limitant majeur pour la productivité des cultures dans le monde1. À l’heure actuelle, près de 19,5% des terres irriguées et 2,1% des terres sèches du monde sont affectées par la salinité, et environ 1% des terres agricoles dégénèrent en terres salines-alcalines chaque année. D’ici 2050, 50 % des terres arables devraient être affectées par la salinisation 2,3. En plus des facteurs naturels, tels que l’altération naturelle des roches et l’eau de pluie salée près ou autour de la côte, l’évaporation rapide de la surface, les faibles précipitations et les méthodes de gestion agricole déraisonnables ont exacerbé le processus de salinisation des sols. La salinisation du sol inhibe la croissance des racines des plantes et réduit l’absorption et le transport de l’eau et des nutriments des racines des plantes aux feuilles. Cette inhibition entraîne des pénuries d’eau physiologiques, des déséquilibres nutritionnels et une toxicité ionique, ce qui entraîne une réduction de la productivité des cultures et une perte complète du rendement des cultures. La salinisation des terres cultivées devient progressivement l’un des facteurs de stress abiotiques les plus critiques affectant la production alimentaire agricole mondiale4. Le stress lié au sel réduit les terres arables disponibles pour l’agriculture, ce qui peut entraîner un déséquilibre important entre l’offre et la demande de produits agricoles futurs. Par conséquent, l’exploration des effets de la salinisation des sols sur la croissance des cultures et les mécanismes physiologiques et biochimiques est propice à la sélection de variétés tolérantes au sel, à l’utilisation durable des sols salins et à la sécurité des produits agricoles.
Le poivre (Capsicum annuum L.) est planté dans le monde entier en raison de sa haute valeur nutritionnelle et médicinale. Par exemple, la capsaïcine est un alcaloïde responsable de la saveur épicée du poivre. La capsaïcine peut être utilisée pour soulager la douleur, perdre du poids, améliorer les systèmes cardiovasculaire, gastro-intestinal et respiratoire, et dans plusieurs autres applications5. Le poivre est également riche en substances bioactives, en particulier différents composés antioxydants (caroténoïdes, phénoliques et flavonoïdes) et en vitamine C6. Actuellement, le poivre serait la culture légumière ayant la plus grande superficie de culture en Chine, avec une superficie de plantation annuelle de plus de 1,5 x 106 ha, représentant ainsi 8% à 10% de la superficie totale de plantation de légumes en Chine. L’industrie du poivre est devenue l’une des plus grandes industries maraîchères de Chine et a la valeur de production la plus élevée7. Cependant, la culture du poivre est souvent soumise à une variété de stress biologiques (ravageurs et champignons) et abiotiques, en particulier le stress salin, qui a un impact négatif direct sur la germination, la croissance et le développement des graines, entraînant une réduction du rendement et de la qualité des fruits du poivre8.
La germination des graines est la première étape de l’interaction entre les plantes et l’environnement. La germination des graines est très sensible aux fluctuations du milieu environnant, en particulier au stress lié au sel du sol, qui peut exercer des effets inversés sur la physiologie et le métabolisme, et éventuellement perturber la croissance, le développement et la morphogenèse normaux des cultures9. Dans des études antérieures, la germination des graines de poivron et la croissance des plantules sous stress salin ont fait l’objet d’études approfondies; cependant, la plupart des études ont utilisé le NaCl comme seul sel pour l’induction du stress10,11,12. Cependant, les dommages causés par les sels du sol sont principalement dus à la toxicité des ions Na+, Ca 2+, Mg2+, Cl-, CO3 2- et SO42- générée par la dissociation des sels de sodium, de calcium et de magnésium. En raison de la synergie et de l’antagonisme entre les ions, les effets du sel mélangé et du sel unique sur la croissance et le développement des cultures peuvent être très différents. Cependant, les caractéristiques correspondantes de la germination des graines de poivre et de la croissance dans le sel mélangé ne sont pas encore claires. Par conséquent, deux variétés de poivre présentant des différences remarquables de tolérance au sel sont utilisées comme matériaux dans cette étude. L’analyse des effets de différentes concentrations de sel sur la germination, la croissance et les indices physiologiques et biochimiques des graines de poivre après mélange équimolaire de sept sels peut révéler le mécanisme de réponse de la germination des graines de poivron au stress salin. Il peut également fournir une base théorique pour la culture de plants de poivre forts, ainsi que pour une culture à haut rendement et de haute qualité dans des terres cultivées salines.
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Protocol
NOTE: Nous présentons ici un protocole pour évaluer les caractéristiques de réponse et les mécanismes internes de la germination des graines de poivron et de la croissance des plantules sous différents stress de sel mixte, qui peut servir de méthode de référence pour l’évaluation de la tolérance au sel des graines.
1. Préparation expérimentale
- Préparer les semences de culture pour les cultivars-Hongtianhu 101 avec une forte tolérance au sel et Xinxiang 8 avec une faible tolérance.
- Préparer la solution de KMnO4 à 0,2 % comme réactif de désinfection des semences. Pesez d’abord 4,0 g de KMnO4, puis ajoutez 2 000 mL d’eau distillée.
NOTE: Le permanganate de potassium est généralement instable en raison de sa forte oxydation; En conséquence, il est préparé immédiatement avant utilisation. - Préparer les sels mélangés en utilisant sept sels, y compris le carbonate de sodium, le bicarbonate de sodium, le chlorure de sodium, le chlorure de calcium, le chlorure de magnésium, le sulfate de magnésium et le sulfatede sodium 13. Ajoutez la même quantité molaire de chacun, qui représentent successivement respectivement 14,8 %, 11,7 %, 8,2 %, 15,5 %, 13,3 %, 16,7 % et 19,8 % du rapport massique total des sels mélangés.
- Préparez des boîtes de Petri (à usage unique) et du papier filtre (papier filtre qualitatif à vitesse moyenne), tous deux d’un diamètre de 9 cm.
REMARQUE: Le matériau de la boîte de Petri peut être changé; toutefois, le diamètre de la boîte de Petri et du papier filtre doit être le même.
2. Trempage des graines et préparation à la germination
- Pour l’optimisation des semences, sélectionnez des graines de poivron de taille constante et de particules pleines de chaque variété, avec un diamètre moyen de 4,2 mm et 3,7 mm pour les graines Hongtianhu 101 et Xinxiang 8, respectivement. Calculez le nombre total de semences sélectionnées en fonction de la charge de travail du test.
- Pour la désinfection des graines, faire tremper les graines de poivron sélectionnées dans une solution à 0,2 % de KMnO4 pendant 15 minutes, puis rincer cinq fois à l’eau distillée.
- Pour le trempage des graines, transférer les graines stérilisées dans de l’eau distillée et laisser tremper pendant 24 h. Rincer les graines plusieurs fois avec de l’eau distillée et sécher pour une utilisation ultérieure.
REMARQUE: Le temps de trempage des semences pour différentes cultures peut varier.
3. Germination des graines et croissance des plantules
- Préparer six concentrations des sels mélangés : 0 (témoin), 3, 5, 10, 15 et 20 g/L. Mesurer la conductivité de la solution saline à l’aide d’un conductimètre; les valeurs EC de conductivité de la solution sont respectivement de 0,092, 3,05, 4,73, 8,33, 11,53 et 15,22 ms/cm.
- Pour la préparation des graines, placez uniformément 40 graines de poivron dans une boîte de Petri avec deux couches de papier filtre. Préparez les graines pour six traitements expérimentaux et répétez chaque traitement cinq fois.
- Pour la germination des graines, ajoutez une quantité appropriée des six concentrations de sel mélangé à la boîte de Petri pour vous assurer que le papier filtre est maintenu humide. Placez les graines dans un incubateur à air à 28 °C et 80% d’humidité de l’air pour la germination dans l’obscurité.
- Après la germination des graines, laissez les plantules continuer à pousser à la lumière (intensité lumineuse d’environ 450 Lux; cycle de lumière de 12/12h) dans l’incubateur pendant 14 jours après le semis. La température et l’humidité au stade de croissance des plantules doivent être les mêmes que celles utilisées au stade de la germination.
- Reconstituer la solution dans la boîte de culture toutes les 12 heures pour retenir un papier filtre humide et laver complètement le papier filtre toutes les 24 heures avec la concentration correspondante de la solution saline mélangée pour maintenir une concentration constante de sel mélangé dans la boîte de Pétri.
NOTE: La quantité de solution saline ajoutée aux graines humides peut être ajustée en fonction des stades de germination et de croissance des graines. De nombreuses méthodes sont disponibles pour maintenir une concentration constante de solutions salines dans les plats de culture. En plus des méthodes décrites dans cette expérience, la stratégie consistant à ajouter de l’eau distillée en poids peut être utilisée.
4. Mesure et calcul des indicateurs
- Détermination des indices de germination des graines
- Déterminer le taux de germination quotidien après le semis, le tégument de rupture de la radicule atteignant la moitié de la longueur du diamètre de la graine comme marqueur de germination.
- Calculez le taux de germination, le potentiel de germination, le taux relatif de sel, l’indice de germination et l’indice de vigueur de germination des graines à l’aide des formules suivantes :
Taux de germination (%) = (nombre de graines germées normales au jour 7 après le semis/nombre de graines testées) × 100
Potentiel germinatif (%) = (nombre de graines germées normales au jour 3 après le semis/nombre de graines testées) × 100
Taux relatif de sel (%) = (taux de germination témoin - taux de germination du traitement)/taux de germination témoin × 100
calculé en utilisant le taux de germination des graines le jour 7 après le semis
Indice de germination (IG) = ∑ [Gt/Dt]
où Gt fait référence au nombre de germination des graines à une période de temps (t) après le semis et Dt se réfère aux jours de germination correspondants
Indice de vigueur de germination des graines (VI) = IG x S
où S est la longueur de la racine
- Détermination de l’indice de croissance des plantules
- Le jour 14 après le semis, sélectionnez au hasard 10 plants représentatifs de chaque boîte de Petri et mesurez la longueur des racines et la longueur de l’hypocotyle.
- Utilisez un couteau pour diviser les plants de poivron en deux parties: radicule et parties aériennes. Retirez l’eau des semis en essuyant et pesez les plants séparément pour déterminer le poids frais.
- Déterminez l’activité enzymatique antioxydante, le niveau de malondialdéhyde (MDA) et la teneur en proline (Pro) du poivre comme suit.
- Pour préserver les plants de poivrons, sélectionner des plants de poivron entier représentatifs (environ 24,0 g) de chaque traitement le jour 14 après le semis. Après avoir retiré l’eau de surface, congelez immédiatement les plantules dans de l’azote liquide pendant 1 min et conservez-les au réfrigérateur à une température ultra-basse (-80 °C).
NOTE: Le nombre d’échantillons de plants de poivron stockés dans le réfrigérateur à ultra-basse température devrait être suffisant, au cas où certains indicateurs devraient être testés à nouveau. - Prélever environ 1,0 g d’échantillon de plantules de chaque traitement prélevé en trois exemplaires. Placez l’échantillon de plantule dans un tube à centrifuger, ajoutez de l’azote liquide et broyez l’échantillon à l’aide d’une tige de broyage pour déterminer les indices physiologiques des plantules. Les indices déterminés et le schéma de mesure sont indiqués ci-dessous.
- Déterminer l’activité enzymatique protectrice des plantules (peroxydase [POD], catalase [CAT], superoxyde dismutase [SOD]), malondialdéhyde (MDA) et proline (Pro) à l’aide d’une trousse disponible dans le commerce (basée sur la spectrophotométrie) pour chaque facteur14.
REMARQUE : Les observations antérieures n’ont révélé aucune différence dans la contrainte saline entre les concentrations de sel mélangé de 15 et 20 g/L. Par conséquent, seulement cinq concentrations de sel (0, 3, 5, 10 et 15 g/L) sont mesurées.
- Pour préserver les plants de poivrons, sélectionner des plants de poivron entier représentatifs (environ 24,0 g) de chaque traitement le jour 14 après le semis. Après avoir retiré l’eau de surface, congelez immédiatement les plantules dans de l’azote liquide pendant 1 min et conservez-les au réfrigérateur à une température ultra-basse (-80 °C).
- Évaluation complète de la tolérance au sel à l’aide de la méthode de la fonction d’appartenance
REMARQUE : La fonction d’appartenance utilise une méthode mathématique floue, qui convertit l’évaluation qualitative en évaluation quantitative15, pour évaluer une variété d’indices physiologiques affectés par les dommages causés par le sel.- Calculez la valeur de la fonction d’appartenance à l’aide de la formule suivante de Zhoubin Liu et al.15 :
Ri = (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
Si un trait est négativement corrélé avec la tolérance au sel, calculez la fonction d’appartenance inverse en utilisant:
Ri = 1 - (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
Accumulez les valeurs d’appartenance de chaque indice physiologique, où Xi est la valeur mesurée d’un certain trait, Xmax et Xmin sont les valeurs maximale et minimale pour Xi, respectivement, et Ri est la valeur d’appartenance de ce trait. - Inclure les indicateurs pertinents suivants : caractéristiques de germination des graines (potentiel de germination, taux de germination, indice de germination et indice de vigueur de germination des graines), caractéristiques de croissance des plantules au stade de la germination (longueur des racines, longueur de l’hypocotyle, poids frais des racines et poids frais au-dessus du sol), MDA, Pro et activité enzymatique protectrice (CAT, POD, SOD) pour le calcul de la valeur de la fonction d’adhésion. Les valeurs de la fonction d’appartenance sont obtenues à partir de chaque indicateur.
- Calculez la valeur de la fonction d’appartenance à l’aide de la formule suivante de Zhoubin Liu et al.15 :
- Utiliser un tableur et un logiciel SPSS (version 22.0) pour analyser et traiter les données d’essai et appliquer la méthode de la différence la moins significative (LSD) pour les comparaisons multiples afin d’identifier les différences significatives. Utilisez l’analyse de corrélation de Pearson pour étudier la corrélation entre la germination des graines et les indices physiologiques des semis de poivre sous stress salin composé.
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Representative Results
Caractéristiques de germination des graines
À mesure que la concentration de sel mélangé augmente, le potentiel de germination et l’indice de germination de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminuent considérablement. Les concentrations de sel des deux cultivars diminuent fortement de 0 à 3 g/L et diminuent lentement et régulièrement les concentrations de sel de 3 à 20 g/L (figure 1A,B). Le taux de germination des deux variétés diminue progressivement à mesure que les concentrations de sel mélangé augmentent, et le taux de sel relatif pour les variétés augmente progressivement. Il n’y a pas de différence significative entre le taux de germination et le taux relatif de sel à des concentrations de sel de 3 à 15 g/L. Cependant, la différence est significative à toutes les autres concentrations de sel (figure 1C, D). En ce qui concerne la tolérance au sel entre les deux variétés, le potentiel de germination, l’indice de germination et le taux de germination des graines de Hongtianhu 101 avec des concentrations croissantes de sel mélangé sont plus élevés que ceux de Xinxiang 8, tandis que le taux de sel relatif est inférieur à celui de Xinxiang 8.
À mesure que la concentration de sel mélangé augmente (0-15 g/L), l’indice de vigueur de germination des graines des deux variétés diminue considérablement. Lorsque la concentration de sel mélangé est de 15 g/L, l’indice de vigueur de germination des graines de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminue de 91,0 % et 94,6 %, respectivement, par rapport à celui du témoin. Il convient de noter que la diminution n’est pas significative lorsque la concentration de sel mélangé augmente de 15 à 20 g/L. L’indice de vigueur de germination des graines de Hongtianhu 101 est supérieur à celui de Xinxiang 8 à chaque niveau de concentration de sel mélangé (Figure 1E).
Caractéristiques de croissance des plantules
À mesure que la concentration de sel mélangé augmente (0-15 g/L), la longueur des racines et le poids frais des racines de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminuent considérablement. Lorsque la concentration de sel mélangé est de 15 g/L, la longueur des racines de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminue de 89,4 % et 91,1 %, respectivement, et le poids frais des racines diminue de 81,7 % et 71,2 %, respectivement, par rapport à ceux du témoin. Cependant, lorsque la concentration en sel est de 15 à 20 g/L, la longueur des racines et le poids frais des racines des deux variétés ne changent pas de façon significative (figure 2A,C). La longueur des racines et le poids frais des racines de Hongtianhu 101 sont généralement plus élevés que ceux de Xinxiang 8 avec des niveaux croissants de sel mélangé, avec des différences évidentes à des concentrations allant de 0 à 10 g / L.
La longueur de l’hypocotyle et le poids frais au-dessus du sol des deux variétés augmentent puis diminuent avec l’augmentation de la concentration de sel mélangé. Les deux indices atteignent leurs valeurs les plus élevées à une concentration en sel de 5 g/L. De même, lorsque la concentration en sel est de 15 à 20 g/L, la longueur de l’hypocotyle et le poids frais hors sol des deux variétés diminuent légèrement. Sur la base des différences variétales, la longueur de l’hypocotyle et le poids frais au-dessus du sol de Xinxiang 8 sont plus élevés que ceux de Hongtianhu 101 à chaque concentration de sel (Figure 2B,D).
Teneur en substance de peroxydation lipidique membranaire et d’ajustement osmotique
À mesure que la concentration de sel mélangé augmente, les teneurs en MDA et en Pro des deux variétés diminuent, puis augmentent. Les teneurs en MDA et en Pro atteignent leurs valeurs les plus faibles à des concentrations de 5 g/L et 3 g/L, respectivement (figure 3A, B). La teneur en MDA diminue légèrement à des concentrations de sel de 0 à 5 g/L et augmente rapidement à 10 g/L. Comparativement au traitement à 5 g/L, la teneur en MDA après le traitement à 10 g/L augmente de 59,9 % à 64,8 %, puis demeure inchangée. La teneur en MDA de Hongtianhu 101 est supérieure à celle de Xinxiang 8 à différentes concentrations de sel (Figure 3A). La diminution de la teneur en Pro à 0-3 g/L n’est pas significative et peu de différence est constatée entre les deux variétés. Lorsque la concentration en sel est de 3 à 15 g/L, la teneur en Pro de Xinxiang 8 augmente lentement et reste relativement stable, tandis que la teneur en Pro de Hongtianhu 101 augmente rapidement. Par rapport à 3 g/L, la teneur en Pro du Hongtianhu 101 augmente significativement de 440,2 % à 15 g/L (Figure 3B).
Activité enzymatique protectrice
À mesure que la concentration de sel mélangé augmente, les activités CAT, POD et SOD des semis de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminuent puis augmentent, les valeurs les plus faibles étant obtenues à une concentration de 3 g/L (figure 4A-C). Les activités CAT et POD des deux variétés varient légèrement à des concentrations de sel de 0 à 5 g/L, et la différence entre elles est faible. Par la suite, les activités CAT et POD des deux variétés augmentent considérablement avec l’augmentation de la concentration en sel. En outre, les activités CAT et POD de Hongtianhu 101 sont plus élevées que celles de Xinxiang 8, et la différence entre elles augmente progressivement (Figure 4A, B). L’activité SOD des deux variétés varie légèrement à des concentrations de sel de 0 à 10 g/L, puis augmente rapidement. L’activité SOD de Xinxiang 8 est supérieure à celle de Hongtianhu 101 à des concentrations de sel de 0 à 10 g/L ; pour les autres concentrations, son activité est inférieure à celle de Hongtianhu 101 (figure 4C).
Analyse de corrélation des indices de germination des graines de poivre et évaluation complète de la contrainte saline
L’analyse de corrélation (tableau 1) révèle que la longueur des racines et le poids frais des racines pour les indices caractéristiques de croissance des plantules sont significativement corrélés positivement avec les indices de germination (potentiel de germination, taux de germination, indice de germination, indice de vigueur de germination des graines, etc.); Cependant, aucune pertinence explicite n’est trouvée entre la longueur de l’hypocotyle, le poids frais au-dessus du sol et les indices de germination. Une corrélation négative significative est trouvée entre les indices des caractéristiques de croissance des plantules et l’activité des enzymes protectrices (CAT, POD et SOD). Une corrélation négative significative est également observée entre la longueur de l’hypocotyle et le contenu de MDA et Pro, et entre le poids frais de la pousse et la teneur en MDA. À l’exception de la corrélation significative entre l’indice de vigueur de germination des graines et l’activité enzymatique protectrice, aucune corrélation significative n’est trouvée entre les indices caractéristiques de germination et les indices physiologiques des plantules (activité enzymatique protectrice et teneur en MDA et Pro).
La tolérance au sel des deux variétés de poivre sous contrainte saline composée est évaluée à l’aide de la méthode de la fonction d’appartenance pour plusieurs caractères. Comme les plantules de poivron ne sont pas soumises à un stress salin lorsque la concentration de sel mélangé est de 0 g/L, la valeur de leur fonction d’appartenance n’est pas calculée. Par conséquent, seul le traitement avec stress salin est évalué à l’aide de l’analyse de la fonction d’appartenance. On constate que la MDA est négativement corrélée avec la tolérance au sel des plantules de poivron et est calculée à l’aide de la méthode de la fonction d’appartenance inverse; Les autres index sont calculés à l’aide de la méthode de la fonction d’appartenance. Le tableau 2 montre qu’à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, les valeurs pondérées totales de chaque fonction d’indice des deux variétés augmentent, puis diminuent, atteignant finalement un maximum à une concentration de sel de 5 g/L. Par rapport au traitement à 5 g/L, les valeurs obtenues avec le traitement 3 g/L, 10 g/L, et les traitements à concentration de sel de 15 g/L diminuent de 4,7 % à 11,1 %, de 25,3 % à 28,3 % et de 41,4 % à 45,1 %, respectivement. Par conséquent, la tolérance au sel du poivre soumis à des traitements de concentration de sel de 5 g/L, 3 g/L, 10 g/L et 15 g/L peut être classée comme meilleure, deuxième meilleure, mauvaise et pire, respectivement.
Figure 1 : Effets de l’augmentation des concentrations de sel mélangé sur la germination du poivre. (A), (B), (C), (D) et (E) représentent les caractéristiques de réponse du potentiel de germination des graines de poivre, de l’indice de germination, du taux de germination, du taux relatif de sel et de l’indice de vigueur de germination des graines au stress sténologique composé, respectivement. Différentes lettres minuscules dans la figure indiquent des différences significatives entre les traitements, qui sont analysées par le test de portée multiple de Tukey (p < 0,05). Les barres d’erreur indiquent les écarts-types (n = 5). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Effets de l’augmentation des concentrations de sel mélangé sur la germination des graines et les indices morphologiques du poivre. (A), (B), (C) et (D) représentent les caractéristiques de réponse de la longueur des racines des plantules de poivron, de la longueur de l’hypocotyle, du poids frais des racines et du poids frais au-dessus du sol au stress salin composé, respectivement. Différentes lettres minuscules dans la figure indiquent des différences significatives entre les traitements, qui sont analysées par le test de portée multiple de Tukey (p < 0,05). Les barres d’erreur indiquent l’écart-type (n = 5). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Effets de l’augmentation des concentrations de sel mélangé sur la teneur en MDA et en Pro des plantules de poivrons. (A) et (B) représentent les caractéristiques de réponse des plants de poivrons MDA et Pro à la teneur en sel composé, respectivement. Différentes lettres minuscules dans la figure indiquent des différences significatives entre les traitements, qui sont analysées par le test de portée multiple de Tukey (p < 0,05). Les barres d’erreur indiquent l’écart-type (n = 3). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Effets de l’augmentation des concentrations de sel mélangé sur les activités CAT, POD et SOD des semis de poivrons. (A), (B) et (C) représentent les caractéristiques de réponse des activités CAT, POD et SOD des semis de poivron au stress salin, respectivement. Différentes lettres minuscules dans la figure indiquent des différences significatives entre les traitements, qui sont analysées par le test de portée multiple de Tukey (p < 0,05). Les barres d’erreur indiquent l’écart-type (n = 3). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Analyse de corrélation entre la germination du poivre et les indicateurs physiologiques sous stress salin composé (n = 30). L’analyse de corrélation de Pearson est utilisée pour étudier la corrélation entre la germination des graines et les indices physiologiques des semis de poivre sous stress salin composé. * p < 0,05; ** p < 0,01. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 2 : Valeur pondérée de la fonction d’appartenance de la germination du poivre et des indicateurs physiologiques des plantules sous contrainte saline mixte. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
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Discussion
Cette méthode de recherche comprend quatre étapes clés qui affectent la précision des résultats expérimentaux. Premièrement, en raison de la mauvaise dissolution des sels mélangés causée par l’augmentation de la teneur en soluté dans les solutions à forte concentration en sel, et de la faible solubilité des réactifs tels que le chlorure de calcium, qui sont plus difficiles à solubiliser dans l’eau, les réactifs pesés doivent être entièrement broyés dans un mortier. De plus, les réactifs doivent être dissous par ondes ultrasonores avant de déterminer la capacité. Deuxièmement, la solution saline configurée doit être complètement agitée à chaque fois et ajoutée à la boîte de Petri pour être utilisée. Troisièmement, les boîtes de Petri doivent conserver une couche d’eau appropriée après l’ajout de la solution saline, et l’état de l’eau de chaque boîte de Petri doit être relativement cohérent. Enfin, les conditions de lumière doivent être constantes après la germination des graines.
Dans cette étude, le nombre de graines d’essai dans une seule boîte de Petri peut être ajusté en faisant varier le diamètre de la boîte de Petri sélectionnée. En fonction de la situation spécifique du stress salin du sol dans différentes zones de plantation, la proportion de chaque ajout de sel pourrait être ajustée pour permettre une cohérence avec la situation réelle de stress salin dans le sol local. Bien que cette méthode soit pratique, pour les petites graines (comme le colza, le plant de glace et l’amarante) ou les graines plus grosses (comme les haricots épées et les fèves), des problèmes tels que des difficultés opérationnelles dans la détermination de la longueur des plantules et du poids frais, ou la disponibilité de très peu de graines dans une seule boîte de culture pour répéter les données, entraînent des difficultés dans l’étude de la tolérance au sel à l’aide de cette méthode.
La méthode décrite ici est utilisée pour déterminer les caractéristiques de germination des graines et la croissance des plantules sous différentes concentrations de sel mélangé et révéler le mécanisme de changement par l’activité enzymatique physiologique interne, ce qui est d’une grande importance pour évaluer objectivement les caractéristiques de tolérance au sel des graines. Cette technologie peut fournir une référence technique pour l’évaluation de la tolérance au sel d’autres cultures. La germination des graines et la croissance des semis sont les stades où les cultures sont les plus sensibles au stress salin. Ainsi, cette méthode peut effectivement fournir une référence pour la culture tolérante au sel et la sélection des cultures.
Dans la plupart des cultures, le stress salin peut inhiber la germination des graines et la croissance des semis sous un stress biotique. Une telle inhibition peut être due à une réduction de l’absorption d’eau des semences en réduisant le potentiel osmotique de la solution saline dans des conditions salines. Le stress et la toxicité des ions sel peuvent modifier l’activité des enzymes protectrices (POD, CAT, SOD, etc.) et le métabolisme des protéines pendant la germination des graines, et détruire l’équilibre hormonal endogène11,16. Zhani et al. ont rapporté que le processus de germination était principalement modifié par un taux de germination réduit et une germination prolongée sous stress de sel (NaCl). De plus, une différence significative a été observée dans le taux de germination entre les différentes variétés (10 % à 50 %) à une concentration en sel de 8 g/L17. La présente étude révèle également qu’à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, le potentiel de germination, l’indice de germination, le taux de germination et l’indice de vigueur de germination des graines de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminuent considérablement, et le taux relatif de sel augmente progressivement. Selon Patanè et al., bien que le stress salin ait prolongé le temps de germination des graines de sorgho doux, l’augmentation du stress salin a eu un effet néfaste sur la germination finale des graines18. Cependant, des études connexes suggèrent que le traitement au NaCl peut favoriser la germination et la croissance des graines de poivre19, ce qui peut être lié à des différences dans les niveaux de concentration en sel.
L’augmentation du niveau de stress salin a un effet significatif sur la croissance des plants de poivron et, selon cette étude, la longueur des racines et le poids frais des racines des deux variétés diminuent considérablement avec l’augmentation des concentrations de sel mélangé. Cette constatation est similaire à celle de Mirosavljević et al., qui ont suggéré que la longueur et le poids des racines diminuaient à mesure que le stress salin augmentait, et que les différences entre les traitements étaient significatives20. Ce résultat indique que le système racinaire a été placé dans le milieu du sol en contact direct avec la solution du sol, et que la longueur et le poids racinaire des racines étaient plus sensibles au stress osmotique NaCl. La longueur et le poids des racines sont des indicateurs clés de la réponse des plantes au stress salin. Selon cette étude, à mesure que la concentration en sel augmente, la longueur de l’hypocotyle et le poids frais des parties aériennes augmentent, puis diminuent, avec des valeurs maximales atteintes à 5 g/L. Khan et al. ont également suggéré qu’à mesure que la salinité (NaCl) augmente (0-9 ms/cm), la longueur des pousses de poivre augmente d’abord, puis diminue, la meilleure performance étant obtenue à 3 ms/cm12, 21. La conductivité de la concentration de sel dans cette étude était de 4,73 ms/cm lorsque la valeur de la longueur de l’hypocotyle des plantules et du poids frais au-dessus du sol était la plus élevée, ce qui est supérieur à la valeur rapportée par Khan et coll.21. Ce résultat pourrait être dû à la tolérance élevée du poivre hors sol au stress salin composé par rapport au stress salin unique.
Le stress lié au sel entrave non seulement la croissance des cultures, mais provoque également des changements physiologiques importants chez les plantes. Le stress salin peut augmenter les niveaux d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Si les ROS ne sont pas éliminés à temps, une peroxydation lipidique membranaire et un stress oxydatif, qui peuvent causer de graves dommages à la membrane cellulaire de la plante, peuvent survenir. La MDA est le métabolite final de la peroxydation lipidique membranaire, et la concentration intracellulaire de MDA est souvent utilisée comme indicateur pour évaluer le degré de dommages causés aux plantes soumises à un stress22. Dans la présente étude, à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, la teneur en MDA des plantules des deux variétés diminue d’abord, puis augmente. Il convient de noter que la diminution n’est pas significative à des concentrations de sel allant de 0 à 5 g/L. Cependant, une augmentation rapide est observée de 5 à 10 g / L. Par la suite, les valeurs restent inchangées, ce qui indique que le degré de peroxyde lipidique membranaire des graines de poivron passe de général, à augmentation rapide, puis stable. On suppose que le stress salin a un impact sérieux sur la perméabilité de la membrane cellulaire lorsque la concentration de sel mélangé est supérieure à 10 g/L. Guzmán-Murillo et coll. ont rapporté une conclusion similaire d’une diminution puis d’une augmentation de la concentration de peroxyde lipidique membranaire dans les semis de poivrons doux à mesure que la concentration de NaCl augmentait (0-50 nmol/L). De plus, le niveau de peroxydation lipidique était le plus faible à 25 nmol/L NaCl23.
Les plantes ont développé plusieurs stratégies pour faire face au stress salin. D’une part, les cultures améliorent la stabilité des protéines et l’intégrité de la membrane en augmentant les substances d’ajustement osmotique, telles que la proline, et réduisent la perte d’eau intracellulaire, améliorant ainsi la tolérance au sel24. Dans la présente étude, à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, la teneur en Pro des semis Xinxiang 8 et Hongtianhu 101 diminue d’abord, puis augmente. Notamment, la diminution n’est pas significative à des concentrations de 0 à 3 g/L et la différence entre les deux variétés n’est pas significative, ce qui concorde avec les résultats expérimentaux de Muchate etcoll.25. La teneur en Pro de la variété de poivre Hongtianhu 101 avec une bonne tolérance au sel augmente également rapidement à des concentrations de sel de 3 à 15 g / L. Par rapport à 3 g / L, la teneur en Pro de 15 g / L augmente considérablement de 440,2%, tandis que la teneur en Pro de Xinxiang 8 avec une tolérance générale au sel augmente lentement et maintient un niveau relativement stable à des concentrations de sel de 3-15 g / L. L’effet de piégeage des enzymes antioxydantes sur les ROS induit par le stress salin s’est avéré être le principal composant des mécanismes de défense des cultures. Les activités du CAT, du POD et de la SOD ont été signalées comme augmentant dans différents environnements de stress salin, améliorant ainsi sa tolérance au sel25,26. Chen et coll. ont montré qu’à mesure que la concentration de NaCl augmente, les activités de la SOD, de la POD et de la CAT dans la germination des graines de tomates augmentent progressivement, sans différence significative dans chaque indice après un traitement avec 0-50 nmol/L NaCl27. Cette étude montre également qu’à mesure que la concentration de sel mixte augmente, les activités du CAT, du POD et de la SOD dans les semis de Hongtianhu 101 et Xinxiang 8 diminuent puis augmentent. À de faibles concentrations de sel (0-3 g / L), l’activité des enzymes antioxydantes ne change pas de manière significative et une nouvelle augmentation de la concentration en sel améliore la tolérance au sel.
Les caractéristiques d’adaptabilité et de réponse des cultures au stress salin se reflètent principalement dans la morphologie, la structure, l’écologie physiologique, etc. Une évaluation complète de la contrainte saline du composé est effectuée à l’aide de la méthode de la valeur de la fonction d’appartenance pour plusieurs caractères. Cette étude montre qu’à mesure que la concentration de sel mélangé augmente, la valeur pondérée totale de la valeur de la fonction augmente d’abord, puis diminue. Les deux variétés atteignent un maximum de 5 g/L, ce qui permet d’obtenir le meilleur effet de tolérance au sel. Par rapport au traitement à 5 g/L, les valeurs pondérées après le traitement avec des concentrations de sel de 3 g/L, 10 g/L et 15 g/L diminuent de 4,7 %, 25,3 % et 41,4 %, respectivement, pour Hongtianhu 101, et de 11,1 %, 28,3 % et 45,1 %, respectivement, pour Xinxiang 8. De tels résultats indiquent que la tolérance au sel de Hongtianhu 101 est supérieure à celle de Xinxiang 8.
Cette étude fournit une description complète des effets de différentes concentrations de sel composé sur la germination des graines de poivre et ses activités enzymatiques physiologiques, ainsi qu’une référence technique pour la recherche sur la tolérance au sel dans d’autres cultures. Les semis de poivron sont moins affectés par le stress salin sous des concentrations simulées de sel mélangé (0-5 g/L). La germination des graines, l’allongement des radicules et la morphogenèse des plantules du poivron sont considérablement inhibés en cas de stress salin élevé (>5 g/L), ce qui provoque une grave peroxydation des lipides membranaires chez les plantules de poivrons. Les cultures réduisent les effets néfastes du stress salin en augmentant leur teneur en Pro et en améliorant l’activité des enzymes protectrices (CAT, POD et SOD). Sous stress salin, la teneur en proline et l’activité enzymatique protectrice des plantules de Hongtianhu 101 sont plus élevées, le degré de peroxydation des lipides membranaires est plus faible et la germination des graines et la croissance des plantules sont plus évidentes que celles de Xinxiang 8.
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Disclosures
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le Département de la science et de la technologie de la province du Jiangxi (20203BBFL63065) et le Projet général de recherche scientifique et technologique du Département de l’éducation du Jiangxi (GJJ211430). Nous tenons à remercier Editage (www.editage.cn) pour l’édition en anglais.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Calcium chloride | Shanghai Experiment Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Centrifugal machine | Shanghai Luxianyi Centrifuge Instrument Co., Ltd., China | TGL-16M | |
| Centrifuge tube | None | None | |
| Conductivity meter | Shanghai Instrument&Electronics Science Instrument Co., Ltd., China | DDSJ-308F | |
| Constant temperature and humidity box | Ningbo Laifu Technology Co., Ltd.,China | PSX-280H | |
| Digital display vernier caliper | Deli Group Co., Ltd.,China | DL90150 | |
| Electronic balance | Mettler Toledo Instruments (Shanghai) Co., Ltd.,China | ME802E/02 | |
| Filter paper | Hangzhou Fuyang North Wood Pulp and Paper Co., Ltd.,China | GB/T1914-2017 | |
| Grinding rod | None | None | |
| Hongtianhu 101 | Seminis Seed (Beijing) Co., Ltd.,China | 11933955/100147K1-137 | |
| Ice machine | Shanghai Kehuai Instrument Co., Ltd., China | IM150G | |
| Liquid nitrogen | None | None | |
| Magnesium chloride | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Magnesium sulfate | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Petri dish | Jiangsu Yizhe Teaching Instrument Co., Ltd.,China | I-000163 | |
| Pocket knife | None | None | |
| Potassium permanganate (KMnO4 | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Pure water equipment | Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.,China | UPT-I-20T | |
| Sodium bicarbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium carbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium chloride | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium sulfate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Test kit | Suzhou Keming, Biotechnology Co., Ltd, Suzhou.,China | Spectrophotometer method | |
| Ultra-low temperature freezer | SANYO Techno Solution TottoriCo.,Ltd. | MDF-382 | |
| Ultraviolet visible spectrophotometer | Shanghai Precision Scientific Instrument Co., Ltd., China | 760CRT | |
| Xinxiang 8 | Jiangxi Nongwang High Tech Co., Ltd.,China | GPD Pepper 2017(360013) |
References
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