Published February 2, 2023 | Version v1
Publication Open

Photosynthetic activity and metabolic profiling of bread wheat cultivars contrasting in drought tolerance

Creators

  • 1. Bahauddin Zakariya University
  • 2. Abu Dhabi University
  • 3. The Women University Multan
  • 4. University of Education
  • 5. University of Okara

Description

The rapid increase in population growth under changing climatic conditions causes drought stress, threatening world food security. The identification of physiological and biochemical traits acting as yield-limiting factors in diverse germplasm is pre-requisite for genetic improvement under water-deficit conditions. The major aim of the present study was the identification of drought-tolerant wheat cultivars with a novel source of drought tolerance from local wheat germplasm. The study was conducted to screen 40 local wheat cultivars against drought stress at different growth stages. Barani-83, Blue Silver, Pak-81, and Pasban-90 containing shoot and root fresh weight >60% of control and shoot and root dry weight >80% and 70% of control, respectively, P (% of control >80 in shoot and >88 in root), K + (>85% of control), and quantum yield of PSII > 90% of control under polyethylene glycol (PEG)-induced drought stress at seedling stage can be considered as tolerant, while more reduction in these parameters make FSD-08, Lasani-08, Punjab-96, and Sahar-06 as drought-sensitive cultivars. FSD-08 and Lasani-08 could not maintain growth and yield due to protoplasmic dehydration, decreased turgidity, cell enlargement, and cell division due to drought treatment at adult growth stage. Stability of leaf chlorophyll content (<20% decrease) reflects photosynthetic efficiency of tolerant cultivars, while ~30 µmol/g fwt concentration of proline, 100%–200% increase in free amino acids, and ~50% increase in accumulation of soluble sugars were associated with maintaining leaf water status by osmotic adjustment. Raw OJIP chlorophyll fluorescence curves revealed a decrease in fluorescence at O, J, I, and P steps in sensitive genotypes FSD-08 and Lasani-08, showing greater damage to photosynthetic machinery and greater decrease in JIP test parameters, performance index (PI ABS ), maximum quantum yield (Fv/Fm) associated with increase in Vj, absorption (ABS/RC), and dissipation per reaction center (DIo/RC) while a decrease in electron transport per reaction center (ETo/RC). During the present study, differential modifications in morpho-physiological, biochemical, and photosynthetic attributes that alleviate the damaging effects of drought stress in locally grown wheat cultivars were analyzed. Selected tolerant cultivars could be explored in various breeding programs to produce new wheat genotypes with adaptive traits to withstand water stress.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتسبب الزيادة السريعة في النمو السكاني في ظل الظروف المناخية المتغيرة في إجهاد الجفاف، مما يهدد الأمن الغذائي العالمي. يعد تحديد السمات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية التي تعمل كعوامل تحد من الغلة في الجبلة الوراثية المتنوعة شرطًا أساسيًا للتحسين الوراثي في ظل ظروف نقص المياه. كان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تحديد أصناف القمح التي تتحمل الجفاف مع مصدر جديد لتحمل الجفاف من جراثيم القمح المحلية. أجريت الدراسة لفحص 40 من أصناف القمح المحلية ضد إجهاد الجفاف في مراحل النمو المختلفة. Barani -83 و Blue Silver و Pak -81 و Pasban -90 التي تحتوي على وزن اللقطة والجذر الطازج > 60 ٪ من وزن التحكم واللقطة والوزن الجاف للجذر > 80 ٪ و 70 ٪ من التحكم، على التوالي، P (٪ من التحكم > 80 في اللقطة و > 88 في الجذر)، K + (> 85 ٪ من التحكم)، والعائد الكمي لـ PSII > 90 ٪ من التحكم تحت ضغط الجفاف الناتج عن البولي إيثيلين جليكول (PEG) في مرحلة الشتلات يمكن اعتباره متسامحًا، في حين أن المزيد من الانخفاض في هذه المعلمات يجعل FSD -08 و Lasani -08 و Punjab -96 و Sahar -06 كأصناف زراعية حساسة للجفاف. لم يتمكن FSD -08 و Lasani -08 من الحفاظ على النمو والإنتاجية بسبب الجفاف البروتوبلازمي، وانخفاض التورم، وتضخم الخلايا، وانقسام الخلايا بسبب علاج الجفاف في مرحلة نمو البالغين. يعكس استقرار محتوى الكلوروفيل الورقي (< انخفاض بنسبة 20%) الكفاءة التركيبية الضوئية للأصناف المتسامحة، في حين ارتبط ~30 ميكرومول/جم من تركيز البرولين، وزيادة بنسبة 100 ٪-200 ٪ في الأحماض الأمينية الحرة، و ~50 ٪ زيادة في تراكم السكريات القابلة للذوبان مع الحفاظ على حالة ماء الورقة عن طريق التعديل التناضحي. كشفت منحنيات تألق الكلوروفيل OJIP الخام عن انخفاض في التألق عند خطوات O و J و I و P في الأنماط الجينية الحساسة FSD -08 و Lasani -08، مما يدل على ضرر أكبر لآلات التمثيل الضوئي وانخفاض أكبر في معلمات اختبار JIP، ومؤشر الأداء (PI ABS )، والحد الأقصى للعائد الكمومي (Fv/Fm) المرتبط بزيادة Vj، والامتصاص (ABS/RC)، والتبديد لكل مركز تفاعل (DIo/RC) بينما انخفاض في نقل الإلكترون لكل مركز تفاعل (ETo/RC). خلال هذه الدراسة، تم تحليل التعديلات التفاضلية في السمات الفيزيولوجية والبيوكيميائية والبناء الضوئي التي تخفف من الآثار الضارة لإجهاد الجفاف في أصناف القمح المزروعة محليًا. يمكن استكشاف أصناف متسامحة مختارة في برامج تربية مختلفة لإنتاج أنماط وراثية جديدة من القمح ذات سمات تكيفية لتحمل الإجهاد المائي.

Translated Description (French)

L'augmentation rapide de la croissance démographique dans des conditions climatiques changeantes provoque un stress de sécheresse, menaçant la sécurité alimentaire mondiale. L'identification de traits physiologiques et biochimiques agissant comme des facteurs limitant le rendement dans divers germoplasmes est une condition préalable à l'amélioration génétique dans des conditions de déficit hydrique. L'objectif principal de la présente étude était l'identification de cultivars de blé tolérants à la sécheresse avec une nouvelle source de tolérance à la sécheresse à partir de germoplasme de blé local. L'étude a été menée pour cribler 40 cultivars de blé locaux contre le stress de la sécheresse à différents stades de croissance. Barani-83, Blue Silver, Pak-81 et Pasban-90 contenant le poids frais des pousses et des racines > 60 % du contrôle et le poids sec des pousses et des racines > 80 % et 70 % du contrôle, respectivement, P (% du contrôle > 80 dans les pousses et > 88 dans les racines), K + (> 85 % du contrôle) et le rendement quantique de PSII > 90 % du contrôle sous stress de sécheresse induit par le polyéthylène glycol (PEG) au stade des semis peuvent être considérés comme tolérants, tandis qu'une plus grande réduction de ces paramètres fait de FSD-08, Lasani-08, Punjab-96 et Sahar-06 des cultivars sensibles à la sécheresse. FSD-08 et Lasani-08 n'ont pas pu maintenir la croissance et le rendement en raison de la déshydratation protoplasmique, de la diminution de la turgescence, de l'élargissement des cellules et de la division cellulaire due au traitement de la sécheresse au stade de croissance adulte. La stabilité de la teneur en chlorophylle des feuilles (< diminution de 20 %) reflète l'efficacité photosynthétique des cultivars tolérants, tandis que la concentration de proline d'environ30 µmol/g de poids vif, l'augmentation de 100 % à 200 % des acides aminés libres et l'augmentation d'environ50 % de l'accumulation de sucres solubles ont été associées au maintien de l'état de l'eau des feuilles par ajustement osmotique. Les courbes de fluorescence de la chlorophylle OJIP brute ont révélé une diminution de la fluorescence aux étapes O, J, I et P dans les génotypes sensibles FSD-08 et Lasani-08, montrant un plus grand dommage aux machines photosynthétiques et une plus grande diminution des paramètres de test JIP, de l'indice de performance (PI ABS ), du rendement quantique maximal (Fv/Fm) associé à une augmentation de Vj, de l'absorption (ABS/RC) et de la dissipation par centre de réaction (DIo/RC), tandis qu'une diminution du transport d'électrons par centre de réaction (ETo/RC). Au cours de la présente étude, les modifications différentielles des attributs morphophysiologiques, biochimiques et photosynthétiques qui atténuent les effets néfastes du stress de la sécheresse chez les cultivars de blé cultivés localement ont été analysées. Certains cultivars tolérants pourraient être explorés dans divers programmes de sélection pour produire de nouveaux génotypes de blé avec des traits adaptatifs pour résister au stress hydrique.

Translated Description (Spanish)

El rápido aumento del crecimiento de la población en condiciones climáticas cambiantes causa estrés por sequía y amenaza la seguridad alimentaria mundial. La identificación de rasgos fisiológicos y bioquímicos que actúan como factores limitantes del rendimiento en diversos germoplasmas es un requisito previo para la mejora genética en condiciones de déficit de agua. El objetivo principal del presente estudio fue la identificación de cultivares de trigo tolerantes a la sequía con una nueva fuente de tolerancia a la sequía del germoplasma de trigo local. El estudio se realizó para examinar 40 cultivares locales de trigo contra el estrés por sequía en diferentes etapas de crecimiento. Barani-83, Blue Silver, Pak-81 y Pasban-90 que contienen peso fresco de brotes y raíces > 60% de control y peso seco de brotes y raíces > 80% y 70% de control, respectivamente, P (% de control > 80 en brotes y > 88 en raíces), K + (> 85% de control) y rendimiento cuántico de PSII > 90% de control bajo estrés por sequía inducido por polietilenglicol (PEG) en la etapa de plántulas puede considerarse tolerante, mientras que una mayor reducción en estos parámetros hace que FSD-08, Lasani-08, Punjab-96 y Sahar-06 sean cultivares sensibles a la sequía. FSD-08 y Lasani-08 no pudieron mantener el crecimiento y el rendimiento debido a la deshidratación protoplasmática, la disminución de la turgencia, el agrandamiento celular y la división celular debido al tratamiento de sequía en la etapa de crecimiento del adulto. La estabilidad del contenido de clorofila de la hoja (< 20% de disminución) refleja la eficiencia fotosintética de los cultivares tolerantes, mientras que ~30 µmol/g de concentración en peso de prolina, 100%–200% de aumento en los aminoácidos libres y ~50% de aumento en la acumulación de azúcares solubles se asociaron con el mantenimiento del estado del agua de la hoja mediante ajuste osmótico. Las curvas de fluorescencia de clorofila OJIP sin procesar revelaron una disminución en la fluorescencia en los pasos O, J, I y P en los genotipos sensibles FSD-08 y Lasani-08, mostrando un mayor daño a la maquinaria fotosintética y una mayor disminución en los parámetros de la prueba JIP, el índice de rendimiento (PI ABS ), el rendimiento cuántico máximo (Fv/Fm) asociado con el aumento de Vj, la absorción (ABS/RC) y la disipación por centro de reacción (DIo/RC), mientras que una disminución en el transporte de electrones por centro de reacción (ETo/RC). Durante el presente estudio, se analizaron las modificaciones diferenciales en los atributos morfofisiológicos, bioquímicos y fotosintéticos que alivian los efectos dañinos del estrés por sequía en los cultivares de trigo cultivados localmente. Los cultivares tolerantes seleccionados podrían explorarse en varios programas de mejoramiento para producir nuevos genotipos de trigo con rasgos adaptativos para soportar el estrés hídrico.

Files

pdf.pdf

Files (7.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:c91f75e76336a1655e0077f38f4fa211
7.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نشاط التمثيل الضوئي والتنميط الأيضي لأصناف قمح الخبز المتباينة في تحمل الجفاف
Translated title (French)
Activité photosynthétique et profil métabolique des cultivars de blé panifiable contrastant dans la tolérance à la sécheresse
Translated title (Spanish)
La actividad fotosintética y el perfil metabólico de los cultivares de trigo panificable contrastan en la tolerancia a la sequía

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4319001825
DOI
10.3389/fpls.2023.1123080

Is supplement to
https://openalex.org/W981080659 (Other)
https://openalex.org/W4388135415 (Other)
https://openalex.org/W2885147708 (Other)
https://openalex.org/W2587706352 (Other)
https://openalex.org/W2390522107 (Other)
https://openalex.org/W2384861711 (Other)
https://openalex.org/W2382822286 (Other)
https://openalex.org/W2359194509 (Other)
https://openalex.org/W2354876815 (Other)
https://openalex.org/W2351833475 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1520828019
  • https://openalex.org/W1593924848
  • https://openalex.org/W1971608248
  • https://openalex.org/W1999380163
  • https://openalex.org/W2018123730
  • https://openalex.org/W2028823348
  • https://openalex.org/W204374657
  • https://openalex.org/W2057433097
  • https://openalex.org/W2058776323
  • https://openalex.org/W2060835837
  • https://openalex.org/W2106628473
  • https://openalex.org/W2123553007
  • https://openalex.org/W2128635872
  • https://openalex.org/W2128830267
  • https://openalex.org/W2144245323
  • https://openalex.org/W2152582923
  • https://openalex.org/W2223751444
  • https://openalex.org/W2253866952
  • https://openalex.org/W2258647781
  • https://openalex.org/W2465251458
  • https://openalex.org/W2472044834
  • https://openalex.org/W2482299318
  • https://openalex.org/W2513458653
  • https://openalex.org/W2767990630
  • https://openalex.org/W2803690648
  • https://openalex.org/W2901509970
  • https://openalex.org/W2904000988
  • https://openalex.org/W2907038640
  • https://openalex.org/W2953594012
  • https://openalex.org/W2996691616
  • https://openalex.org/W3036706354
  • https://openalex.org/W3081739810
  • https://openalex.org/W3081754248
  • https://openalex.org/W3113086956
  • https://openalex.org/W3119683952
  • https://openalex.org/W3134045002
  • https://openalex.org/W3151523167
  • https://openalex.org/W3157359714
  • https://openalex.org/W3159208195
  • https://openalex.org/W3159876939
  • https://openalex.org/W3164107460
  • https://openalex.org/W3164729581
  • https://openalex.org/W3165353819
  • https://openalex.org/W3197012077
  • https://openalex.org/W3212730240
  • https://openalex.org/W4200358297
  • https://openalex.org/W4200457457
  • https://openalex.org/W4224261360
  • https://openalex.org/W4281253489
  • https://openalex.org/W4283384709
  • https://openalex.org/W4286252633
  • https://openalex.org/W4287832376
  • https://openalex.org/W4288074518
  • https://openalex.org/W4293247451
  • https://openalex.org/W4304789058