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Biology

Analyse des Einflusses von zusammengesetztem Salzstress auf die Samenkeimung und Salztoleranzanalyse von Pfeffer (Capsicum annuum L.)

Published: November 30, 2022 doi: 10.3791/64702
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Life Sciences College, Gannan Normal University

Summary

Das folgende Papier stellt ein Protokoll zur Messung der Samenkeimung, des Keimlingswachstums und der physiologischen Indizes von zwei Paprikasorten mit Salztoleranzunterschieden als Reaktion auf sechs gemischte Salzkonzentrationen vor. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die Salztoleranz von Paprikasorten zu bewerten.

Abstract

Um die Salztoleranz und den physiologischen Mechanismus von Pfeffer (Capsicum annuum L.) im Keimstadium zu bestimmen, werden die Sorten Hongtianhu 101 und Xinxiang 8, die große Unterschiede in der Salztoleranz aufweisen, als Untersuchungsmaterial verwendet. Es werden sechs Mischsalzkonzentrationen von 0, 3, 5, 10, 15 und 20 g/L verwendet, die unter Verwendung gleicher molarer Verhältnisse vonNa2CO3, NaHCO3, NaCl, CaCl2,MgCl2, MgSO4 und Na2SO4 abgeleitet wurden. Um ihre Auswirkungen zu bestimmen, werden die zugehörigen Indizes der Samenkeimung, des Keimlingswachstums und der Physiologie gemessen, und die Salztoleranz wird mit Hilfe der Mitgliedschaftsfunktionsanalyse umfassend bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Mischsalzkonzentration das Keimpotenzial, der Keimindex, die Keimrate, der Keimungsindex der Samen, die Wurzellänge und das Frischgewicht der beiden Sorten signifikant abnehmen, während die relative Salzrate allmählich zunimmt. Die Hypokotyllänge und das oberirdische Frischgewicht nehmen zuerst zu und nehmen dann ab, während die Aktivität von Malondialdehyd (MDA), Prolin (Pro), Katalase (CAT), Peroxidase (POD) und Superoxiddismutase (SOD) abnimmt und dann zunimmt. Das Keimpotenzial, der Keimindex, die Keimrate, der Keimungsindex der Samen, die Wurzellänge, das Frischgewicht der Wurzel, der MDA- und Pro-Gehalt und die CAT-Aktivität der Hongtianhu 101-Samen sind für alle hier verwendeten Salzkonzentrationen höher als die von Xinxiang 8. Allerdings sind die Hypokotyllänge, das oberirdische Frischgewicht und der relative Salzgehalt in Hongtianhu 101 niedriger als in Xinxiang 8. Die umfassende Auswertung der Salztoleranz zeigt, dass die gewichteten Gesamtwerte der beiden Mitgliedschaftsfunktionsindizes mit zunehmender Mischsalzkonzentration zunächst ansteigen und dann abnehmen. Im Vergleich zu 5 g/L, das den höchsten Mitgliedschaftsfunktionswert aufweist, sinkt der Index bei Salzkonzentrationen von 3 g/L, 10 g/L und 15 g/L um 4,7%-11,1%, 25,3%-28,3% bzw. 41,4%-45,1%. Diese Studie liefert eine theoretische Anleitung für die Züchtung salztoleranter Pfeffersorten und eine Analyse der physiologischen Mechanismen, die bei der Salztoleranz und dem salztoleranten Anbau eine Rolle spielen.

Introduction

Der Salzgehalt ist weltweit ein wichtiger limitierender Faktor für die Pflanzenproduktivität1. Derzeit sind fast 19,5 % der bewässerten und 2,1 % der trockenen Flächen der Welt vom Salzgehalt betroffen, und etwa 1 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche degeneriert jedes Jahr zu Salz-Alkali-Böden. Bis 2050 sollen 50 % der Ackerfläche von Versalzung betroffen sein 2,3. Zusätzlich zu natürlichen Faktoren wie natürlicher Gesteinsverwitterung und salzigem Regenwasser in der Nähe oder in der Nähe der Küste haben eine schnelle Oberflächenverdunstung, geringe Niederschläge und unvernünftige landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmethoden den Prozess der Bodenversalzung verschärft. Die Bodenversalzung hemmt das Wachstum der Pflanzenwurzeln und reduziert die Aufnahme und den Transport von Wasser und Nährstoffen von den Pflanzenwurzeln zu den Blättern. Diese Hemmung führt zu physiologischem Wassermangel, Ernährungsungleichgewichten und Ionentoxizität, was zu einer verminderten Pflanzenproduktivität und einem vollständigen Verlust des Ernteertrags führt. Die Versalzung von Kulturland wird allmählich zu einem der kritischsten abiotischen Stressfaktoren, die die globale landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion beeinflussen4. Salzstress reduziert das für die Landwirtschaft verfügbare Ackerland, was zu einem erheblichen Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zukünftiger landwirtschaftlicher Produkte führen kann. Daher ist die Erforschung der Auswirkungen der Bodenversalzung auf das Pflanzenwachstum und physiologische und biochemische Mechanismen förderlich für die Züchtung salztoleranter Sorten, die nachhaltige Nutzung salzhaltiger Böden und die Sicherheit landwirtschaftlicher Produkte.

Pfeffer (Capsicum annuum L.) wird aufgrund seines hohen ernährungsphysiologischen und medizinischen Wertes weltweit angebaut. Zum Beispiel ist Capsaicin ein Alkaloid, das für den würzigen Geschmack von Pfeffer verantwortlich ist. Capsaicin kann zur Schmerzlinderung, Gewichtsabnahme, Verbesserung des Herz-Kreislauf-, Magen-Darm-Trakt- und Atmungssystems sowie in verschiedenen anderen Anwendungen verwendet werden5. Pfeffer ist auch reich an bioaktiven Substanzen, insbesondere verschiedenen antioxidativen Verbindungen (Carotinoide, Phenole und Flavonoide) und Vitamin C6. Derzeit wird berichtet, dass Pfeffer die Gemüsepflanze mit der größten Anbaufläche in China ist, mit einer jährlichen Pflanzfläche von mehr als 1,5 x 106 ha, was 8% -10% der gesamten Gemüseanbaufläche in China ausmacht. Die Paprikaindustrie hat sich zu einer der größten Gemüseindustrien in China entwickelt und hat den höchsten Produktionswert7. Der Pfefferanbau ist jedoch häufig einer Vielzahl von biologischen (Schädlinge und Pilze) und abiotischen Belastungen ausgesetzt, insbesondere Salzstress, der sich direkt negativ auf die Keimung, das Wachstum und die Entwicklung der Samen auswirkt und zu einer Verringerung des Ertrages und der Qualität der Paprikafrüchte führt8.

Die Samenkeimung ist die erste Stufe der Interaktion zwischen Pflanzen und der Umwelt. Die Samenkeimung reagiert sehr empfindlich auf Schwankungen in den umgebenden Medien, insbesondere auf Bodensalzstress, der umgekehrte Auswirkungen auf die Physiologie und den Stoffwechsel haben und schließlich das normale Wachstum, die Entwicklung und die Morphogenese von Pflanzen stören kann9. In früheren Studien wurden die Keimung von Paprikasamen und das Wachstum von Keimlingen unter Salzstress ausführlich untersucht. Die meisten Studien verwendeten jedoch NaCl als einziges Salz für die Stressinduktion10,11,12. Die Schädigung des Bodensalzes ist jedoch hauptsächlich auf die Toxizität von Na+, Ca2+,Mg2+, Cl-,CO32- undSO42-Ionen-Toxizität zurückzuführen, die durch die Dissoziation von Natrium-, Calcium- und Magnesiumsalzen erzeugt wird. Aufgrund der Synergie und des Antagonismus zwischen Ionen können die Auswirkungen von Mischsalz und Einfachsalz auf das Pflanzenwachstum und die Entwicklung sehr unterschiedlich sein. Die entsprechenden Eigenschaften der Keimung und des Wachstums von Pfeffersamen in Mischsalz sind jedoch noch unklar. Daher werden in dieser Studie zwei Paprikasorten mit bemerkenswerten Unterschieden in der Salztoleranz als Materialien verwendet. Die Analyse der Auswirkungen unterschiedlicher Salzkonzentrationen auf die Keimung, das Wachstum und die physiologischen und biochemischen Indizes von Pfeffersamen nach dem äquimolaren Mischen von sieben Salzen kann den Reaktionsmechanismus der Keimung von Pfeffersamen auf Salzgehaltsstress aufdecken. Es kann auch eine theoretische Grundlage für den Anbau von starken Paprika-Sämlingen sowie für einen ertragreichen und qualitativ hochwertigen Anbau auf salzhaltigem Anbau bieten.

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Protocol

HINWEIS: Hier stellen wir ein Protokoll zur Beurteilung der Reaktionseigenschaften und internen Mechanismen der Keimung von Pfeffersamen und des Keimlingswachstums unter verschiedenen Mischsalzbelastungen vor, das als Referenzmethode für die Bewertung der Samensalztoleranz dienen kann.

1. Experimentelle Vorbereitung

  1. Bereiten Sie Saatgut für Sorten vor - Hongtianhu 101 mit starker Salztoleranz und Xinxiang 8 mit geringer Toleranz.
  2. Bereiten Sie 0,2% ige KMnO4-Lösung als Saatgutdesinfektionsreagenz vor. Wiegen Sie zuerst 4,0 g KMnO4 und fügen Sie dann 2.000 ml destilliertes Wasser hinzu.
    HINWEIS: Kaliumpermanganat ist aufgrund seiner starken Oxidation in der Regel instabil; Dementsprechend wird es unmittelbar vor der Verwendung zubereitet.
  3. Bereiten Sie die gemischten Salze mit sieben Salzen vor, einschließlich Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Natriumchlorid, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat und Natriumsulfat13. Man fügt die gleiche Molmenge von jedem hinzu, die nacheinander 14,8 %, 11,7 %, 8,2 %, 15,5 %, 13,3 %, 16,7 % bzw. 19,8 % des Gesamtmassenverhältnisses der Mischsalze ausmacht.
  4. Bereiten Sie Petrischalen (Einmalgebrauch) und Filterpapier (qualitatives Filterpapier mittlerer Geschwindigkeit) vor, beide mit einem Durchmesser von 9 cm.
    HINWEIS: Das Material der Petrischale kann gewechselt werden; Der Durchmesser der Petrischale und des Filterpapiers muss jedoch gleich sein.

2. Einweichen der Samen und Vorbereitung auf die Keimung

  1. Wählen Sie für die Saatgutoptimierung Paprikasamen mit gleichbleibender Größe und vollen Partikeln aus jeder Sorte mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 4,2 mm bzw. 3,7 mm für Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 Samen. Berechnen Sie die Gesamtzahl der ausgewählten Seeds entsprechend der Testarbeitsauslastung.
  2. Zur Saatgutdesinfektion ausgewählte Paprikasamen 15 min in 0,2% KMnO4-Lösung einweichen und anschließend fünfmal mit destilliertem Wasser abspülen.
  3. Zum Einweichen der Samen die sterilisierten Samen in destilliertes Wasser geben und 24 Stunden einweichen lassen. Spülen Sie die Samen mehrmals mit destilliertem Wasser ab und trocknen Sie sie zur weiteren Verwendung ab.
    HINWEIS: Die Einweichzeit von Samen für verschiedene Kulturen kann variieren.

3. Samenkeimung und Keimlingswachstum

  1. Bereiten Sie sechs Konzentrationen der Mischsalze vor: 0 (Kontrolle), 3, 5, 10, 15 und 20 g/L. Messen Sie die Leitfähigkeit der Salzlösung mit einem Leitfähigkeitsmessgerät. Die EC-Werte für die Leitfähigkeit der Lösung betragen 0,092, 3,05, 4,73, 8,33, 11,53 bzw. 15,22 ms/cm.
  2. Für die Saatgutzubereitung 40 Paprikasamen gleichmäßig in eine Petrischale mit zwei Schichten Filterpapier geben. Bereiten Sie die Samen für sechs experimentelle Behandlungen vor und wiederholen Sie jede Behandlung fünfmal.
  3. Für die Samenkeimung geben Sie eine geeignete Menge der sechs gemischten Salzkonzentrationen in die Petrischale, um sicherzustellen, dass das Filterpapier feucht bleibt. Legen Sie die Samen in einen Luftinkubator bei 28 °C und 80% Luftfeuchtigkeit für die Keimung im Dunkeln.
  4. Lassen Sie die Sämlinge nach der Samenkeimung 14 Tage nach der Aussaat im Brutschrank 14 Tage lang im Brutschrank weiter wachsen (Lichtintensität ca. 450 Lux; Lichtzyklus 12/12h). Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Wachstumsphase des Keimlings muss die gleiche sein wie in der Keimungsphase.
  5. Füllen Sie die Lösung in der Kulturschale alle 12 h auf, um ein feuchtes Filterpapier zu erhalten, und waschen Sie das Filterpapier alle 24 h vollständig mit der entsprechenden Konzentration der gemischten Salzlösung, um eine konstante Mischsalzkonzentration in der Petrischale zu erhalten.
    HINWEIS: Die Menge an Salzlösung, die den nassen Samen zugesetzt wird, kann je nach Keimungs- und Wachstumsstadien der Samen angepasst werden. Es gibt viele Methoden, um eine konstante Konzentration von Salzlösungen in Kulturschalen aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zu den in diesem Experiment beschriebenen Methoden kann die Strategie der Zugabe von destilliertem Wasser nach Gewicht verwendet werden.

4. Messung und Berechnung von Indikatoren

  1. Bestimmung der Saatgutkeimindizes
    1. Bestimmen Sie die Keimrate täglich nach der Aussaat, wobei die radikelbrechende Samenschale als Keimmarker die Hälfte der Samendurchmesserlänge erreicht.
    2. Berechnen Sie die Keimrate, das Keimpotenzial, die relative Salzrate, den Keimindex und den Keimkraftindex der Samen mit den folgenden Formeln:
      Keimrate (%) = (Anzahl der normal gekeimten Samen am 7. Tag nach der Aussaat/Anzahl der getesteten Samen) × 100
      Keimpotenzial (%) = (Anzahl der normal gekeimten Samen am Tag 3 nach der Aussaat/Anzahl der getesteten Samen) × 100
      Relative Salzrate (%) = (Kontrollkeimrate - Behandlungskeimrate)/Kontrollkeimrate × 100
      berechnet anhand der Keimrate des Saatguts am Tag 7 nach der Aussaat
      Keimindex (GI) = ∑ [Gt/Dt]
      wobei Gt sich auf die Keimzahl der Samen zu einem Zeitpunkt (t) nach der Aussaat und Dt auf die entsprechenden Keimtage bezieht
      Keimkraftindex der Samen (VI) = GI x S
      wobei S die Wurzellänge ist
  2. Bestimmung des Keimlingswachstumsindex
    1. Wählen Sie am 14. Tag nach der Aussaat nach dem Zufallsprinzip 10 repräsentative Sämlinge aus jeder Petrischale aus und messen Sie die Wurzellänge und die Hypokotyllänge.
    2. Verwenden Sie ein Messer, um die Paprika-Sämlinge in zwei Teile zu teilen: Radikel und oberirdische Teile. Entfernen Sie das Wasser von den Sämlingen durch Abwischen und wiegen Sie die Sämlinge separat, um das Frischgewicht zu bestimmen.
  3. Bestimmen Sie die antioxidative Enzymaktivität, den Malondialdehydgehalt (MDA) und den Prolingehalt (Pro) im Pfeffer wie folgt.
    1. Um die Paprika-Sämlinge zu konservieren, wählen Sie am 14. Tag nach der Aussaat repräsentative ganze Paprika-Sämlinge (ca. 24,0 g) aus jeder Behandlung aus. Nach dem Entfernen des Oberflächenwassers die Sämlinge sofort für 1 Minute in flüssigem Stickstoff einfrieren und im Kühlschrank bei extrem niedriger Temperatur (-80 ° C) aufbewahren.
      HINWEIS: Die Anzahl der Paprika-Sämlinge, die im Ultratiefkühlschrank gelagert werden, sollte ausreichend sein, falls einige Indikatoren erneut getestet werden müssen.
    2. Entnehmen Sie ca. 1,0 g Keimlingsprobe aus jeder Behandlung, die in dreifacher Ausführung gesammelt wird. Legen Sie die Keimlingsprobe in ein Zentrifugenröhrchen, fügen Sie flüssigen Stickstoff hinzu und mahlen Sie die Probe mit einem Mahlstab, um die physiologischen Indizes der Sämlinge zu bestimmen. Die ermittelten Indizes und das Messschema sind unten dargestellt.
    3. Bestimmung der Keimlingsschutzenzymaktivität (Peroxidase [POD], Katalase [CAT], Superoxiddismutase [SOD]), Malondialdehyd (MDA) und Prolin (Pro) unter Verwendung eines handelsüblichen Kits (auf Spektrophotometrie-Basis) für jeden Faktor14.
      ANMERKUNG: Frühere Beobachtungen ergaben keinen Unterschied in der Salzbelastung zwischen den 15 und 20 g/L Mischsalzkonzentrationen. Daher werden nur fünf Salzkonzentrationen (0, 3, 5, 10 und 15 g/L) gemessen.
  4. Umfassende Bewertung der Salztoleranz mit Hilfe der Mitgliedschaftsfunktionsmethode
    HINWEIS: Die Mitgliedschaftsfunktion verwendet eine Fuzzy-Mathematik-Methode, die die qualitative Bewertung in eine quantitative Bewertung15 umwandelt, um eine Vielzahl von physiologischen Indizes zu bewerten, die von Salzschäden betroffen sind.
    1. Berechnen Sie den Wert der Mitgliedschaftsfunktion mit der folgenden Formel von Zhoubin Liu et al.15:
      Ri = (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
      Wenn ein Merkmal negativ mit der Salztoleranz korreliert, berechnen Sie die inverse Zugehörigkeitsfunktion mit:
      Ri = 1 - (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
      Kumulieren Sie die Mitgliedschaftswerte jedes physiologischen Indexes, wobei Xi der gemessene Wert eines bestimmten Merkmals ist, Xmax und Xmin die Maximal- bzw. Minimalwerte für Xi und Ri der Mitgliedschaftswert dieses Merkmals ist.
    2. Fügen Sie die folgenden relevanten Indikatoren hinzu: Saatgutkeimungsmerkmale (Keimungspotenzial, Keimrate, Keimindex und Samenkeimkraftindex), Keimlingswachstumsmerkmale im Keimungsstadium (Wurzellänge, Hypokotyllänge, Wurzelfrischgewicht und Frischgewicht oberirdisch), MDA, Pro und schützende Enzymaktivität (CAT, POD, SOD) für die Berechnung des Mitgliedschaftsfunktionswerts. Die Werte der Mitgliedschaftsfunktion werden von jedem Indikator abgerufen.
  5. Verwenden Sie Tabellenkalkulation und SPSS-Software (Version 22.0), um die Testdaten zu analysieren und zu verarbeiten, und wenden Sie die Methode des geringsten signifikanten Unterschieds (LSD) für Mehrfachvergleiche an, um signifikante Unterschiede zu identifizieren. Verwenden Sie die Korrelationsanalyse von Pearson, um die Korrelation zwischen der Samenkeimung und den physiologischen Indizes der Sämlinge von Pfeffer unter zusammengesetztem Salzstress zu untersuchen.

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Representative Results

Eigenschaften der Samenkeimung
Mit steigender Mischsalzkonzentration nimmt das Keimpotenzial und der Keimindex von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 signifikant ab. Beide Sorten weisen einen starken Rückgang der Salzkonzentrationen von 0-3 g/L und einen langsamen und stetigen Rückgang der Salzkonzentrationen von 3-20 g/L auf (Abbildung 1A, B). Die Keimrate der beiden Sorten nimmt allmählich ab, wenn die Mischsalzkonzentrationen steigen, und die relative Salzrate für die Sorten nimmt allmählich zu. Es gibt keinen signifikanten Unterschied in der Keimrate und der relativen Salzrate bei Salzkonzentrationen von 3-15 g/L. Bei allen anderen Salzkonzentrationen ist der Unterschied jedoch signifikant (Abbildung 1C, D). In Bezug auf die Salztoleranz zwischen den beiden Sorten sind das Keimpotenzial, der Keimindex und die Keimrate von Hongtianhu 101-Samen mit steigenden Mischsalzkonzentrationen höher als die von Xinxiang 8, während die relative Salzrate niedriger ist als die von Xinxiang 8.

Mit steigender Mischsalzkonzentration (0-15 g/L) nimmt der Keimkraftindex der Samen der beiden Sorten deutlich ab. Wenn die Mischsalzkonzentration 15 g/l beträgt, sinkt der Keimkraftindex der Samen von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 um 91,0 % bzw. 94,6 % im Vergleich zu dem der Kontrolle. Bemerkenswert ist, dass die Abnahme nicht signifikant ist, wenn die Mischsalzkonzentration weiter von 15 auf 20 g/L ansteigt. Der Samenkeimungsindex von Hongtianhu 101 ist bei jeder Mischsalzkonzentration höher als der von Xinxiang 8 (Abbildung 1E).

Wachstumsmerkmale der Sämlinge
Mit zunehmender Mischsalzkonzentration (0-15 g/L) nehmen die Wurzellänge und das Wurzelfrischgewicht von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 signifikant ab. Wenn die Mischsalzkonzentration 15 g/l beträgt, nimmt die Wurzellänge von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 um 89,4 % bzw. 91,1 % und das Frischgewicht der Wurzel um 81,7 % bzw. 71,2 % im Vergleich zu denen der Kontrolle ab. Wenn die Salzkonzentration jedoch 15-20 g/L beträgt, ändern sich die Wurzellänge und das Wurzelfrischgewicht der beiden Sorten nicht signifikant (Abbildung 2A, C). Die Wurzellänge und das Wurzelfrischgewicht von Hongtianhu 101 sind im Allgemeinen höher als die von Xinxiang 8 mit steigendem Mischsalzgehalt, mit offensichtlichen Unterschieden bei Konzentrationen von 0 bis 10 g/L.

Die Hypokotyllänge und das oberirdische Frischgewicht der beiden Sorten nehmen zu und nehmen dann mit zunehmender Mischsalzkonzentration ab. Beide Indizes erreichen ihre höchsten Werte bei einer Salzkonzentration von 5 g/L. Wenn die Salzkonzentration 15-20 g/L beträgt, nehmen die Hypokotyllänge und das oberirdische Frischgewicht der beiden Sorten leicht ab. Basierend auf den Sortenunterschieden sind die Hypokotyllänge und das oberirdische Frischgewicht von Xinxiang 8 bei jeder Salzkonzentration höher als die von Hongtianhu 101 (Abbildung 2B, D).

Gehalt an Membranlipidperoxidation und osmotischer Anpassung
Mit zunehmender Mischsalzkonzentration nehmen die MDA- und Pro-Gehalte der beiden Sorten ab und steigen dann an. Die MDA- und Pro-Gehalte erreichen ihre niedrigsten Werte bei Konzentrationen von 5 g/L bzw. 3 g/L (Abbildung 3A,B). Der MDA-Gehalt sinkt bei Salzkonzentrationen von 0-5 g/L leicht ab und steigt bei 10 g/L schnell an. Im Vergleich zur 5 g/L-Behandlung steigt der MDA-Gehalt nach der 10 g/L-Behandlung um 59,9%-64,8% an und bleibt dann unverändert. Der MDA-Gehalt von Hongtianhu 101 ist bei unterschiedlichen Salzkonzentrationen höher als der von Xinxiang 8 (Abbildung 3A). Die Abnahme des Pro-Gehalts bei 0-3 g/L ist nicht signifikant und es wird nur ein geringer Unterschied zwischen den beiden Sorten festgestellt. Wenn die Salzkonzentration 3-15 g/L beträgt, steigt der Pro-Gehalt von Xinxiang 8 langsam an und bleibt relativ stabil, während der Pro-Gehalt von Hongtianhu 101 schnell ansteigt. Im Vergleich zu 3 g/L steigt der Pro-Gehalt von Hongtianhu 101 bei 15 g/L signifikant um 440,2 % an (Abbildung 3B).

Schützende Enzymaktivität
Mit zunehmender Mischsalzkonzentration nehmen die CAT-, POD- und SOD-Aktivitäten der Sämlinge von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 ab und nehmen dann zu, wobei die niedrigsten Werte bei einer Konzentration von 3 g/L erreicht werden (Abbildung 4A-C). Die CAT- und POD-Aktivitäten der beiden Sorten variieren geringfügig bei Salzkonzentrationen von 0-5 g/L, und der Unterschied zwischen ihnen ist gering. Danach nehmen die CAT- und POD-Aktivitäten der beiden Sorten mit zunehmender Salzkonzentration deutlich zu. Darüber hinaus sind die CAT- und POD-Aktivitäten von Hongtianhu 101 höher als die von Xinxiang 8, und die Differenz zwischen ihnen nimmt allmählich zu (Abbildung 4A, B). Die SOD-Aktivität der beiden Sorten schwankt bei Salzkonzentrationen von 0-10 g/L leicht und steigt dann schnell an. Die SOD-Aktivität von Xinxiang 8 ist höher als die von Hongtianhu 101 bei Salzkonzentrationen von 0-10 g/L; für die übrigen Konzentrationen ist seine Aktivität geringer als die von Hongtianhu 101 (Abbildung 4C).

Korrelationsanalyse der Samenkeimindizes von Pfeffer und umfassende Bewertung von Salzstress
Die Korrelationsanalyse (Tabelle 1) zeigt, dass die Wurzellänge und das Wurzelfrischgewicht für die Keimlingswachstumskennindizes signifikant positiv mit den Keimungsindizes korrelieren (Keimpotenzial, Keimrate, Keimindex, Samenkeimkraftindex usw.); Es wird jedoch keine explizite Relevanz zwischen der Hypokotyllänge, dem oberirdischen Frischgewicht und den Keimindizes gefunden. Es wird eine signifikante negative Korrelation zwischen den Indizes der Wachstumsmerkmale der Keimlinge und der Aktivität von Schutzenzymen (CAT, POD und SOD) gefunden. Es wird auch eine signifikante negative Korrelation zwischen der Hypokotyllänge und dem Gehalt an MDA und Pro sowie zwischen dem Frischgewicht des Sprosses und dem MDA-Gehalt gefunden. Mit Ausnahme der signifikanten Korrelation zwischen dem Keimkraftindex der Samen und der Aktivität der schützenden Enzyme wird keine signifikante Korrelation zwischen den Keimungskennindizes und den physiologischen Indizes der Keimlinge (schützende Enzymaktivität und MDA- und Pro-Gehalt) gefunden.

Die Salztoleranz der beiden Paprikasorten unter zusammengesetztem Salzstress wird mit Hilfe der Mitgliedschaftsfunktionsmethode für mehrere Merkmale bewertet. Da die Paprikakeimlinge bei einer Mischsalzkonzentration von 0 g/L keinem Salzstress ausgesetzt sind, wird ihr Mitgliedschaftsfunktionswert nicht berechnet. Daher wird nur die Behandlung mit Salzstress mittels Mitgliedschaftsfunktionsanalyse beurteilt. MDA korreliert negativ mit der Salztoleranz von Pfeffersämlingen und wird mit der Methode der inversen Mitgliedschaftsfunktion berechnet. Andere Indizes werden mit der Membership Function-Methode berechnet. Tabelle 2 zeigt, daß mit zunehmender Mischsalzkonzentration die gewichteten Gesamtwerte jeder Indexfunktion der beiden Sorten zu- und dann abnehmen und schließlich bei einer Salzkonzentration von 5 g/L ein Maximum erreichen. und 15 g / L Salzkonzentration Behandlungen nehmen um 4,7% -11,1%, 25,3% -28,3% bzw. 41,4% -45,1% ab. Daher kann die Salztoleranz von Pfeffer, der einer Salzkonzentration von 5 g/L, 3 g/L, 10 g/L und 15 g/L Salzkonzentration unterzogen wurde, als beste, zweitbeste, schlechte bzw. schlechteste eingestuft werden.

Figure 1
Abbildung 1: Auswirkungen steigender Mischsalzkonzentrationen auf die Samenkeimung von Pfeffer . (A), (B), (C), (D) und (E) stellen die Reaktionsmerkmale des Keimungspotenzials der Paprikasamen, des Keimungsindex, der Keimrate, der relativen Salzrate und des Keimkraftindex der Samen auf den Salzstress dar. Unterschiedliche Kleinbuchstaben in der Abbildung weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin, die mit dem Tukey-Multiple-Range-Test analysiert werden (p < 0,05). Fehlerbalken zeigen Standardabweichungen an (n = 5). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Auswirkungen steigender Mischsalzkonzentrationen auf die Samenkeimung und die morphologischen Indizes von Pfeffer . (A), (B), (C) und (D) stellen die Reaktionscharakteristika der Paprikakeimlingswurzellänge, der Hypokotyllänge, des Wurzelfrischgewichts und des Frischgewichts über der Erde auf den verstärkten Salzstress dar. Unterschiedliche Kleinbuchstaben in der Abbildung weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin, die mit dem Tukey-Multiple-Range-Test analysiert werden (p < 0,05). Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung an (n = 5). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: Auswirkungen steigender Mischsalzkonzentrationen auf den MDA- und Pro-Gehalt von Paprika-Keimlingen . (A) und (B) stellen die Reaktionscharakteristika des MDA- bzw. Pro-Gehalts von Paprikakeimlingen auf zusammengesetzten Salzstress dar. Unterschiedliche Kleinbuchstaben in der Abbildung weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin, die durch den Tukey-Multiple-Range-Test analysiert werden (p < 0,05). Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung an (n = 3). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: Auswirkungen steigender Mischsalzkonzentrationen auf CAT-, POD- und SOD-Aktivitäten von Paprikakeimlingen. (A), (B) und (C) stellen die Reaktionscharakteristika von Katzen-, POD- und SOD-Aktivitäten von Paprikakeimlingen auf zusammengesetzten Salzstress dar. Unterschiedliche Kleinbuchstaben in der Abbildung weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin, die durch den Tukey-Multiple-Range-Test analysiert werden (p < 0,05). Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung an (n = 3). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Korrelationsanalyse zwischen Pfefferkeimung und physiologischen Indikatoren unter zusammengesetztem Salzstress (n = 30). Die Korrelationsanalyse von Pearson wird verwendet, um die Korrelation zwischen der Keimung von Samen und den physiologischen Indizes von Pfeffer unter zusammengesetztem Salzstress zu untersuchen. * p < 0,05; ** p < 0,01. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Der gewichtete Mitgliedschaftsfunktionswert der Paprikakeimung und der physiologischen Indikatoren der Sämlinge unter gemischtem Salzstress. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

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Discussion

Diese Forschungsmethode besteht aus vier Hauptschritten, die sich auf die Genauigkeit der experimentellen Ergebnisse auswirken. Erstens müssen die gewogenen Reagenzien wegen der schlechten Auflösung von Mischsalzen, die durch den erhöhten Gehalt an gelösten Stoffen in Lösungen mit hoher Salzkonzentration verursacht wird, und der geringen Löslichkeit von Reagenzien wie Calciumchlorid, die in Wasser schwieriger löslich sind, vollständig in einem Mörser gemahlen werden. Außerdem müssen die Reagenzien über Ultraschallwellen aufgelöst werden, bevor die Kapazität bestimmt wird. Zweitens muss die konfigurierte Salzlösung jedes Mal vollständig geschüttelt und zur Verwendung in die Petrischale gegeben werden. Drittens müssen die Petrischalen nach Zugabe der Salzlösung eine geeignete Wasserschicht behalten, und der Wasserstatus jeder Petrischale muss relativ konstant sein. Schließlich müssen die Lichtverhältnisse nach der Samenkeimung konstant sein.

In dieser Studie kann die Anzahl der Testsamen in einer einzelnen Petrischale eingestellt werden, indem der Durchmesser der ausgewählten Petrischale variiert wird. Entsprechend der spezifischen Situation der Bodensalzbelastung in verschiedenen Pflanzgebieten könnte der Anteil jeder einzelnen Salzzugabe angepasst werden, um eine Übereinstimmung mit der tatsächlichen Situation der Salzbelastung im lokalen Boden zu ermöglichen. Während diese Methode praktisch ist, führen bei kleineren Samen (wie Raps, Eispflanze und Amaranth) oder größeren Samen (wie Schwertbohnen und Saubohnen) Probleme wie operative Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Keimlingslänge und des Frischgewichts oder die Verfügbarkeit von sehr wenigen Samen in einer einzigen Kulturschale zur Wiederholung der Daten zu Schwierigkeiten bei der Untersuchung der Salztoleranz mit dieser Methode.

Die hier beschriebene Methode dient der Bestimmung der Samenkeimungseigenschaften und des Keimlingswachstums unter verschiedenen Mischsalzkonzentrationen und der Aufdeckung des Veränderungsmechanismus durch interne physiologische Enzymaktivität, was für die objektive Beurteilung der Salztoleranzeigenschaften von Saatgut von großer Bedeutung ist. Diese Technologie kann eine technische Referenz für die Bewertung der Salztoleranz anderer Kulturen liefern. Die Keimung der Samen und das Wachstum der Sämlinge sind die Phasen, in denen Pflanzen am empfindlichsten auf Salzstress reagieren. Somit kann diese Methode effektiv eine Referenz für den salztoleranten Anbau und die Pflanzenzüchtung liefern.

Bei den meisten Nutzpflanzen kann Salzstress die Samenkeimung und das Wachstum der Keimlinge unter biotischem Stress hemmen. Eine solche Hemmung kann auf eine Verringerung der Samenwasseraufnahme zurückzuführen sein, indem das osmotische Potential der Salzlösung unter salzhaltigen Bedingungen verringert wird. Salzionenstress und Toxizität können die Aktivität von schützenden Enzymen (POD, CAT, SOD usw.) und den Proteinstoffwechsel während der Samenkeimung verändern und den endogenen Hormonhaushalt zerstören11,16. Zhani et al. berichteten, dass der Keimungsprozess hauptsächlich durch eine reduzierte Keimrate und eine verlängerte Keimung unter Salzstress (NaCl) verändert wurde. Darüber hinaus wurde ein signifikanter Unterschied in der Keimrate zwischen verschiedenen Sorten (10%-50%) bei einer Salzkonzentration von 8 g/Lgefunden 17. Die vorliegende Studie zeigt auch, dass mit zunehmender Mischsalzkonzentration das Keimpotenzial, der Keimindex, die Keimrate und der Keimungskraftindex der Samen von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 signifikant abnehmen und die relative Salzrate allmählich ansteigt. Laut Patanè et al. verlängerte Salzstress zwar die Keimzeit von Sorghumsamen, aber zunehmender Salzstress wirkte sich nachteilig auf die endgültige Keimung von Samenaus 18. Verwandte Studien deuten jedoch darauf hin, dass die NaCl-Behandlung die Keimung und das Wachstum von Pfeffersamen fördern kann19, was mit Unterschieden in der Salzkonzentration zusammenhängen kann.

Die Erhöhung des Salzstresses hat einen signifikanten Einfluss auf das Wachstum von Pfeffersämlingen, und basierend auf dieser Studie nahmen die Wurzellänge und das Wurzelfrischgewicht der beiden Sorten mit zunehmender Mischsalzkonzentration signifikant ab. Dieser Befund ähnelt dem von Mirosavljević et al., die darauf hindeuteten, dass die Wurzellänge und das Wurzelgewicht mit zunehmendem Salzstress abnahmen und die Unterschiede zwischen den Behandlungen signifikant waren20. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das Wurzelsystem in direktem Kontakt mit der Bodenlösung im Bodenmedium platziert wurde und die Wurzellänge und das Wurzelgewicht empfindlicher auf NaCl-osmotischen Stress reagierten. Wurzellänge und Wurzelgewicht sind Schlüsselindikatoren für die Reaktion der Pflanze auf Salzstress. Laut dieser Studie nimmt mit zunehmender Salzkonzentration die Hypokotyllänge und das Frischgewicht der oberirdischen Teile zu und dann ab, wobei die Maximalwerte bei 5 g / L liegen. Khan et al. schlugen auch vor, dass mit zunehmendem Salzgehalt (NaCl) (0-9 ms / cm) die Sprosslänge des Pfeffers zuerst zunimmt und dann abnimmt, wobei die beste Leistung bei 3 ms / cm erzielt wird12. 21. Auflage. Die Leitfähigkeit der Salzkonzentration in dieser Studie betrug 4,73 ms/cm, wenn der Wert der Keimlingshypokotyllänge und des Frischgewichts über dem Boden am höchsten war, was höher ist als der von Khan et al. berichtete Wert.21. Dieses Ergebnis könnte auf die hohe Toleranz von Pfeffer oberirdisch gegenüber zusammengesetztem Salzstress im Vergleich zu Einzelsalzstress zurückzuführen sein.

Salzstress behindert nicht nur das Pflanzenwachstum, sondern verursacht auch erhebliche physiologische Veränderungen bei Pflanzen. Salzstress kann den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erhöhen. Wenn ROS nicht rechtzeitig beseitigt werden, kann es zu Membranlipidperoxidation und oxidativem Stress kommen, was zu schweren Schäden an der pflanzlichen Zellmembran führen kann. MDA ist der letzte Metabolit der Membranlipidperoxidation, und die intrazelluläre MDA-Konzentration wird häufig als Indikator verwendet, um den Grad der Schädigung von Pflanzen unter Stress zu beurteilen22. In der vorliegenden Studie nimmt mit zunehmender Mischsalzkonzentration der MDA-Gehalt der Keimlinge der beiden Sorten zuerst ab und steigt dann an. Bemerkenswert ist, dass die Abnahme bei Salzkonzentrationen im Bereich von 0-5 g/L nicht signifikant ist. Es wird jedoch ein schneller Anstieg von 5-10 g / L beobachtet. Danach bleiben die Werte unverändert, was darauf hindeutet, dass sich der Grad des Membranlipidperoxids von Pfeffersamen von allgemein über schnell ansteigend bis stabil ändert. Es wird spekuliert, dass Salzstress einen ernsthaften Einfluss auf die Durchlässigkeit der Zellmembran hat, wenn die gemischte Salzkonzentration größer als 10 g / L ist. Guzmán-Murillo et al. berichteten über eine ähnliche Schlussfolgerung einer Abnahme und dann eines Anstiegs des Membranlipidperoxidspiegels in Paprika-Sämlingen mit zunehmender NaCl-Konzentration (0-50 nmol / L). Ferner war der Grad der Lipidperoxidation mit 25 nmol/L NaCl23 am niedrigsten.

Pflanzen haben verschiedene Strategien entwickelt, um mit Salzstress fertig zu werden. Auf der einen Seite verbessern Nutzpflanzen die Proteinstabilität und die Membranintegrität, indem sie osmotische Anpassungssubstanzen wie Prolin erhöhen und den Verlust von intrazellulärem Wasser reduzieren, wodurch die Salztoleranz verbessertwird 24. In der vorliegenden Studie nimmt mit zunehmender Mischsalzkonzentration der Pro-Gehalt der Sämlinge Xinxiang 8 und Hongtianhu 101 zuerst ab und steigt dann an. Bemerkenswert ist, dass die Abnahme bei Konzentrationen von 0-3 g/L nicht signifikant ist und der Unterschied zwischen den beiden Sorten nicht signifikant ist, was mit den experimentellen Ergebnissen von Muchate et al.25 übereinstimmt. Der Pro-Gehalt der Pfeffersorte Hongtianhu 101 mit guter Salztoleranz steigt auch bei Salzkonzentrationen von 3-15 g/L rapide an. Im Vergleich zu 3 g/L steigt der Pro-Gehalt von 15 g/L deutlich um 440,2% an, während der Pro-Gehalt von Xinxiang 8 bei allgemeiner Salztoleranz langsam ansteigt und bei Salzkonzentrationen von 3-15 g/L ein relativ stabiles Niveau hält. Die fängerende Wirkung der antioxidativen Enzyme auf ROS, die durch Salzstress induziert wird, hat sich als Hauptbestandteil der Abwehrmechanismen von Pflanzen erwiesen. Es wurde berichtet, dass die Aktivitäten von CAT, POD und SOD unter verschiedenen Salzstressumgebungen zunehmen, wodurch die Salztoleranz verbessertwird 25,26. Chen et al. zeigten, dass mit zunehmender NaCl-Konzentration die Aktivitäten von SOD, POD und CAT in der Keimung von Tomatensamen allmählich zunehmen, ohne dass es nach der Behandlung mit 0-50 nmol/L NaCl27 zu einem signifikanten Unterschied in jedem Index kommt. Diese Studie zeigt auch, dass mit zunehmender Mischsalzkonzentration die Aktivitäten von CAT, POD und SOD in den Sämlingen von Hongtianhu 101 und Xinxiang 8 abnehmen und dann zunehmen. Bei niedrigen Salzkonzentrationen (0-3 g/L) ändert sich die Aktivität der antioxidativen Enzyme nicht signifikant und eine weitere Erhöhung der Salzkonzentration verbessert die Salztoleranz.

Die Anpassungsfähigkeit und die Reaktionseigenschaften von Nutzpflanzen auf Salzstress spiegeln sich hauptsächlich in Morphologie, Struktur, physiologischer Ökologie usw. wider. Eine umfassende Bewertung der zusammengesetzten Salzspannung wird unter Verwendung der Mitgliedschaftsfunktionswertmethode für mehrere Merkmale durchgeführt. Diese Studie zeigt, dass mit zunehmender Mischsalzkonzentration der gewichtete Gesamtwert des Funktionswertes zuerst zunimmt und dann abnimmt. Die beiden Sorten erreichen ein Maximum von 5 g/L, was zu der besten Salztoleranz führt. Im Vergleich zur Behandlung mit 5 g/l sinken die gewichteten Werte nach der Behandlung mit den Salzkonzentrationen von 3 g/l, 10 g/l und 15 g/l um 4,7 %, 25,3 % bzw. 41,4 % für Hongtianhu 101 und um 11,1 %, 28,3 % bzw. 45,1 % für Xinxiang 8. Solche Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Salztoleranz von Hongtianhu 101 höher ist als die von Xinxiang 8.

Diese Studie bietet eine umfassende Beschreibung der Auswirkungen unterschiedlicher Konzentrationen von zusammengesetztem Salzstress auf die Keimung von Pfeffersamen und ihre physiologischen Enzymaktivitäten sowie eine technische Referenz für die Erforschung der Salztoleranz in anderen Kulturen. Paprika-Keimlinge sind unter simulierten Mischsalzkonzentrationen (0-5 g/L) weniger stark von Salzstress betroffen. Die Keimung der Samen, die Radikelverlängerung und die Keimlingsmorphogenese des Pfeffers werden bei hohem Salzstress (>5 g/L) signifikant gehemmt, was zu einer schwerwiegenden Membranlipidperoxidation bei Paprikakeimlingen führt. Pflanzen reduzieren die negativen Auswirkungen von Salzstress, indem sie ihren Pro-Gehalt erhöhen und die Aktivität von Schutzenzymen (CAT, POD und SOD) erhöhen. Unter Salzstress sind der Prolingehalt und die schützende Enzymaktivität von Hongtianhu 101-Sämlingen höher, der Grad der Membranlipidperoxidation ist geringer und die Keimung und das Wachstum der Samen sind offensichtlicher als die von Xinxiang 8.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Wissenschaft und Technologie der Provinz Jiangxi (20203BBFL63065) und dem Allgemeinen Projekt des Wissenschafts- und Technologieforschungsprojekts des Bildungsministeriums von Jiangxi (GJJ211430) unterstützt. Wir bedanken uns bei Editage (www.editage.cn) für die englischsprachige Bearbeitung.

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)

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References

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Biologie Heft 189 Pfeffer zusammengesetzter Salzstress Samenkeimung Salztoleranz Mitgliedschaftsfunktion
Analyse des Einflusses von zusammengesetztem Salzstress auf die Samenkeimung und Salztoleranzanalyse von Pfeffer (<em>Capsicum annuum</em> L.)
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