تکنولوژی غلات و صنایع غذایی

فنوتایپینگ صفات مرتبط به تحمل به خشکی (بخش دوم)

صفات موثر در تحمل به تنش خشکی:

1- بنیه اولیه

2- ساختار ریشه

3- زمان گلدهی

4- تبعیض ایزوتوب کربن

5- هدایت روزنه ای

6- تقلیل دمای کانوپی

7- اسید آبسیزیک

8- تنظیم اسمزی

9- غلظت کلروفیل، سبزمانی و به تاخیر افتادن پیری برگ

10- انتقال کربوهیدراتهای قابل حل در آب

بنیه اولیه

استقرار سریع  و قدرتمند گیاه تحت شرایط تبخیر و تعرق پایین، ممکن است به گیاهان یکساله امکان داشتن WUE بهینه و محدود سازی تلفات آب ناشی از تبخیر مستقیم از سطح خاک، را بدهد. برگهای چنین گیاهانی، آب را بیشتر برای مراحل بعدی رشد، وقتی رطوبت خاک به میزان زیادی کاهش یافته و عملکرد به طور فزاینده ای محدود می شود، ذخیره کرده اند. استقرار سریع همچنین ممانعت از هدایت روزنه ای را بعنوان پیامد سیگنال رسانی ریشه زاد در شرایط سیستم ریشه ای سطحی و غیر عمیق ، مانند حرکت ABA از طریق جریان شیره آوندی، را کاهش می دهد. توسعه شدید بنیه کانوپی ممکن است سبب تقلیل رطوبت خاک گردد. میزان مطلوب بنیه کانوپی به خصوصیات محیطی TPE بستگی دارد. بنیه اولیه برای بهبود WUE و عملکرد در گندم بکار گرفته شده است و از طریق MAS درCSIRO  (سازمان تحقیقات علمی و  صنعتی  ملی استرالیا (مورد نظر قرار گرفته است.

ساختار ریشه

ریشه ها سطح شگفت آوری از انعطاف پذیری در پاسخ به شرایط فیزیکی خاک را ارائه می کنند. این ویژگی به گیاهان امکان سازگاری بهتر با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک، بخصوص تحت شرایط خشکی، را می دهد. فرضیه ریشه ایده آل باید فقط پس از درک دقیق از: 1- فاکتورهایی که دسترس پذیری رطوبت خاک برای گیاه را محدود می کنند، 2- هزینه متابولیکی صرف شده توسط گیاه برای رشد و مدیریت سیستم ریشه قدرتمندتر، ارائه گردد. از این لحاظ، مهم است که گزینش دوره ای موفقیت آمیز برای افزایش عملکرد دانه در ذرت گرمسیری تحت تنش خشکی، مرتبط با کاهش حجم توده ریشه بوده است، در تضاد با این باور عمومی که یک سیستم ریشه قدرتمندتر، عملکرد را تحت شرایط خشکی افزایش می دهد. بنابراین، اثرات میزان و ساختار ریشه بر عملکرد نهایی به توزیع رطوبت خاک و میزان رقابت برای منابع آب در درون جامعه گیاهی بستگی خواهد داشت. در نتیجه، وقتی رطوبت اضافی ذخیره شده در لایه های عمیق تر خاک در دسترس است، گزینش برای رشد سریعتر و ریشه های عمیق تر می تواند برداشت آب را افزایش داده وبه پایدار سازی عملکرد تحت شرایط خشکی، بخصوص در محصولات با ظرفیت پایین تنظیم اسمزی، کمک نماید.

در  لوبیا، عملکرد بالا در شرایط خشکی، مرتبط با عمق نفوذ ریشه بود. اهمیت یک سیستم ریشه عمیق در مقالات مرتبط با ذرت، جو، و بخصوص در برنج دیم مورد اشاره قرار گرفته است. اما، دیگر آزمایشات در برنج عدم همبستگی میان خصوصیات ریشه و مقاومت به خشکی را نشان داده اند.

اشکال عمده در مطالعه خصوصیات ریشه و استفاده از آنها بعنوان معیارهای گزینش، مرتبط به سختی فنوتایپینگ گیاهان کشت شده در مزرعه است. برخی تکنیکها، اندازه گیری حجم ریشه و توزیع آن در پروفیل خاک را میسر می سازند. این تکنیکها مقادیر مختلفی از کارگر و تخریب پلات برای جمع آوری نمونه را نیاز دارند. سریعترین اما مخرب ترین تکنیک، نیروی کششی عمودی مورد نیاز برای ریشه کنی گیاه، بعنوان شاخصی از حجم و ساختار ریشه، را اندازه می گیرد،. دیگر تکنیکهای با تخریب کمتر مانند روش های حفر کردن و مغزه گیری (نمونه گیری) برای تخمین حجم و توزیع ریشه بکار می روند.

Minirhizotron ها روشی غیر تخریبی و در محل را برای مشاهده و مطالعه ریشه های ریز فراهم می کنند. نصب تیوب حیاتی است و مراحل باید برای اطمینان از تماس مطلوب خاک/ تیوب بدون فشردگی خاک، طی شوند. نصب تیوب سبب نامنظمی خاک شده و می تواند خطاهایی انسانی در جمع آوری و آنالیز داده های خاک را سبب شود که سبب ایجاد اریب (خطا) در مقادیر می شود. بنابراین، یک دوره انتظار چند ماهه میان نصب تیوب و مشاهده (تصویر برداری) مجموعه برای اجازه دادن به ریشه ها برای تجمع مجدد درفضای اطراف ریشه هاو اجازه دادن به مواد غذایی برای بازگشت به مقادیر پیش از وقوع نامنظمی درخاک ، توصیه می شود. تناوب مشاهده مجموعه به پارامترهای مورد اندازه گیری یا محاسبه شده ریشه، و زمان یا منابع مورد نیاز برای جمع آوری تصاویر و استخراج داده ها، بستگی دارد.

در ذرت، یک روش سریع غیر تخریبی برای تخمین حجم ریشه متکی بر استفاده از دستگاه ظرفیت الکتریکی سنج دستی است. صحت این روش بوسیله مقایسه نتایج با ابزارهای مستقیم متکی بر ریشه کنی گیاهان رشد یافته در گلخانه و مزرعه مورد آزمون قرار گرفته است. همبستگی معنی دار میان روشها، امکان استفاده از دستگاه ظرفیت الکتریکی سنج از نظر روتین بودن و مخرب نبودن مشاهدات تکراری در طی زمان را نشان می دهند. با این همه، این روش به میزان گسترده ای استفاده نمی شود.

عدم یکنواختی در ساختار و ترکیبات خاک، از اندازه گیری دقیق مقادیر خصوصیات ریشه در گیاهان مزرعه ای ممانعت می کند. بعنوان جایگزینی برای فنوتایپینگ ریشه در آزمایشات مزرعه ای، محققین تعدادی از خصوصیات ریشه ها را در گیاهان رشد یافته تحت شرایط کنترل شده (در گلخانه)، بررسی کرده اند. این امر امکان آنالیز سریع و دقیق تر خصوصیات ریشه را فراهم می کند. به سبب اینکه نقص عمده این مطالعات، عدم امکان ایجاد شرایط طبیعی رشد ریشه ها است، احتیاط فراوان در مقایسه نتایج حاصل از گیاهان گلخانه ای  با گیاهان مزرعه ای پیشنهاد شده است. در ذرت، یک ارتباط مثبت، معنی دار (و اگرچه ضعیف)، میان صفات ریشه اولیه در محیط های هیدروپونیک و مقاومت ریشه به کشش در مزرعه گزارش شده است.

برای اجتناب از شرایط غیر طبیعی حاضر در هیدروپونیک ها یا اروپونیک ها ( ویا هر دو) و سختی مطالعه ریشه ها در مزرعه، یک توافق عمومی از طریق رشد دادن گیاهان در گلدانها یا اتاقکهای مشاهده پر شده با خاک (و یا هر دو)، حاصل شده است. آزمایشات گلدانی همچنین امکان اندازه گیری دقیق میزان آب عرضه شده به هر گیاه، و در نتیجه میزان استفاده از آب و میزان WUE را فراهم آورده، و تخمین توانایی ریشه ها برای نفوذ به یک لایه مومی با مقاومت ظاهری مکانیکی بالا، بعنوان تمثیلی از خاک سخت که دسترسی ریشه ها به رطوبت در لایه های عمیق تر خاک را محدود می سازد (محدودیت اصلی)، را میسر می سازند. در برنج، افزایش توانایی برای نفوذ به خاک سخت بعنوان جنبه ای اساسی برای توسعه ریشه های عمیق تر تحت شرایط زمینهای پست دیم مورد نظر قرار گرفته است و آن یک فاکتور کلیدی در سازگاری به خشکی در مناطقی است که عرضه آب محدود است. بنابراین، ریشه های قادر به تکثیر سریع در لایه های زیرین خاک پیش و در حین مراحل اولیه خشکی، باید امکان استخراج طولانی تر آب و متعاقبا، مدیریت بهتر پتانسیل آب برگ و فتوسنتز را داشته باشند.

اتاقکهای پر از ژل، ساکهای خاک و میکروتوموتگرافی اشعه ایکس، برای تخمین ساختار دو و سه بعدی ریشه مورد استفاده قرار می گیرند. این آزمایشات بخصوص برای کشف QTL هایی که بیان عمومی (و نه اختصاصی) دارند و QTL هایی که بعنوان مثال، بیشتر احتمال دارد که ساختار ریشه در شرایط مختلف خاک را تحت تاثیر قرار بدهند، مناسب می باشند.

زمان گلدهی

زمان گلدهی بعنوان حیاتی ترین فاکتور برای بهینه سازی سازگاری، و بنابراین عملکرد، در محیطهای متفاوت از نظر در دسترس بودن و توزیع آب در طی فصل رشد شناخته شده است. روابط مثبت میان انعطاف پذیری عملکرد و زمان گلدهی در مقادیر متفاوت آب در دسترس در محصولات مختلف گزارش شده اند. بنابراین، علاوه بر فنولوژی (یعنی زمان متوسط برای یک مرحله فنولوژیکی)، توجه به انعطاف پذیری توسعه فنولوژیکی، بعنوان یک صفت متمایز تاثیرگذار بر سازگاری محصول، ارزشمند می باشد.

بسیاری از مطالعات پایه ژنتیکی زمان گلدهی را تخمین زده اند، که اهمیت اقتصادی این صفت را منعکس می کند. در محصولات یکساله، پایه ژنتیکی زمان گلدهی در گونه های معتدله (برای مثال جو، گندم، چاودار و غیره) به سبب حضور ژنهای بهاره سازی که زمان گلدهی را در پاسخ به دماهای پایین تحت تاثیر قرار می دهند، پیچیده تر از گونه های گرمسیری است (برای مثال برنج، سورگوم، ذرت و غیره). در غلات، انتقال از فاز رویشی به زایشی، بسته به گونه ها، بوسیله ژنهای مختلف پاسخگو به بهاره سازی یا طول روز ( و یا هر دو) و همچنین بوسیله ژنهای مخصوص زودرسی کنترل می شود.

در ذرت، یک هدف ارزشمند گزینش برای بهبود مقاومت به خشکی، تحت عنوان فاصله زمانی میان گرده افشانی و  پر شدن دانه (ASI) ارائه شده است، صفتی با توارث پذیری متوسط که معمولا بطور منفی با عملکرد دانه در شرایط تنش خشکی همبستگی دارد. به سبب اینکه  ASIمی تواند به سادگی و موفقیت تحت شرایط آزمایشی واقعی، فنوتایپینگ شود، فعالیتهای اصلاحی بنیادین این صفت را از طریق اصلاح سنتی هدف قرار داده اند، همچنین یکبار QTL آن شناسایی شده و MAS نیز در مورد آن انجام شده است. ارتباط منفی میان اثراث QTL های تاثیر گذار بر هر دو صفت دراز شدن برگ و ASI ، مدیریت گشاده دستانه (غیر محدود) را بعنوان یک مکانیسم ممکن و جزئی نگرانه همبستگی پیشنهاد می کنند.

تبعیض ایزوتوب کربن

تبعیض ایزوتوب کربن (Δ¹³C ) ، نسبت میان ایزوتوبهای پایدار کربن (¹³C/¹²C) در توده خشک گیاه را در مقایسه با نسبت آنها در اتمسفر را اندازه گیری می کند. به سبب تفاوت در آناتومی برگ و مکانیسمهای تثبیت کربن در گونه های C₃ یا C₄، مطالعات بر Δ¹³C عمدتا بر گونه هایC₃ متمرکز شده است جایی که تنوع در Δ¹³C بیشتر از گونه هایC₄ است و اثر بیشتری بر عملکرد گیاه دارد. معمولا، اما نه همیشه، Δ¹³C ارتباط منفی با WUE در طی دوره تجمع ماده خشک دارد.

تحت استرس خشکی، Δ¹³C پیشگوی خوبی برای هدایت روزنه ای و WUE در محصولات مختلف است. برخی از مطالعات مرتبط با گندم نان تحت شرایط متفاوت دسترس پذیری آب، نشان داده که همبستگی میان Δ¹³C و عملکرد نهایی دانه، وقتی آب فراوان در دسترس گیاه است، مثبت و در شرایط خشکی منفی بوده، و در شرایط میانه همبستگی وجود نداشته است. این نتایج می توانند بر پایه تاثیر هدایت روزنه ای و فعالیت فتوسنتزی بر Δ¹³Cو بر پایه این حقیقت که تولید بیوماس در سالهای مرطوب بواسطه هدایت روزنه ای کمتر محدود شده، بعنوان یک امتیاز تحت شرایط تنش، تفسیر شوند. Δ¹³C اندازه گیری شده در دانه ها، با طول چرخه رشد همبستگی مثبت و با دمای برگ همبستگی منفی دارد. بنابراین، رابطه میانΔ¹³C و عملکرد دانه به شرایط محیطی، فنولوژی گیاه و اندامی که نمونه ها گرفته شده اند (برای مثال برگ یا دانه)، بستگی دارد.

 وجود تنوع ژنتیکی بالا، توارث پذیری بالا و GEI (اثر متقابل ژنوتیپ محیط) پایین برای Δ¹³C دانه در گونه هایC₃، گزارش شده است. به سبب این خصوصیات، Δ¹³C یک هدف جذاب اصلاحی برای بهبود WUE و عملکرد است، اگرچه هزینه بالای مورد نیاز برای اندازه گیری Δ¹³C هر نمونه، آنرا یک کاندیدای مناسب برای MAS می سازد.

هدایت روزنه ای

هدایت روزنه ای نقشی اساسی در تعیین  Δ¹³Cو WUE بازی می کند.  یک مطالعه در مورد مجموعه های تاریخی ارقام گندم نان موفق آزاد شده بوسیله سیمیت از 1962 تا 1988 همبستگی قوی مثبت میان هدایت روزنه ای و عملکرد دانه را نشان داده است. همچنین در پنبه، عملکردهای بالا با هدایت روزنه ای بالاو دمای کاهش یافته برگ مرتبط بوده اند. همه این نتایج بر امکان افزایش پتانسیل عملکرد و بنابراین مقدار آب مورد استفاده بوسیله گیاه، از طریق گزینش غیر مستقیم برای هدایت روزنه ای یا دمای برگ (ویا هر دو) اشاره دارند.

از دیدگاه فنی، نتایج جالبی در گندم با استفاده از پروسنج جریان هواکه تخمین سریع هدایت روزنه ای را فراهم می کند،گزارش شده اند. نقطه ضعف استفاده از این ابزار این است که مقادیر عمدتا بوسیله سطح برگ که دارای کمترین میزان هدایت است، تعیین می شوند. در تحقیقی، تفاوتهای ژنتیکی معنی دار میان میانگین های نسل از نظر هدایت اندازه گیری شده در طی روزهای مختلف در سه تلاقی گندم گزارش شده و تنوع زیادی از نظر میزان توارث پذیری میانگین خانواده، بسته به تلاقی مورد بررسی و زمان نمونه گیری، مشاهده شده است (از 6 تا 70 درصد). محققان دست اندرکار این تحقیق، توصیه کرده اند که بمنظور بحداکثر رساندن بهره ژنتیکی برای هدایت برگی تغییر یافته، اسکرین جمعیت ها تا اواخر روز به تاخیر افتاده و اندازه گیریها برای حداقل دوروز تکرار گردند.

طبیعت سخت و پر مشغله اندازه گیری هدایت روزنه ای، و مشخص سازی QTL های مربوطه، امکان بکارگیری MAS را فراهم می کند. در حقیقت، اندازه گیری صحیح هدایت روزنه ای در یک جمعیت نسبتا بزرگ گیاهی همراه با گزارش بی نقص ناپایداری در فاکتوریهای مهم محیطی موثر بر هدایت روزنه ای در طی روز (باد، اشعه خورشیدی، رطوبت و غیره) ، مشکل است. برخی مطالعات QTL های مرتبط به هدایت روزنه ای را گزارش کرده اند.

یک روش جذاب تر و جامع تر برای مونیتورینگ غیر مستقیم هدایت روزنه ای در طی یک دوره زمانی گسترده، بر پایه اندازه گیری ترکیب ایزوتوپ طبیعی اکسیژن (δ¹⁸O) دربرگ و مواد دانه است. در مقایسه با هدایت روزنه ای، اندازه گیری δ¹⁸Oدر مواد گیاهی، چهار امتیاز را پیشنهاد می کند: 1- اندازه گیری یکپارچه هدایت روزنه ای و دمای برگ در طی دوره ای که بافت تحت بررسی تشکیل شده بود 2- ممانعت از برخی مشکلات آزمایشگاهی خاص اندازه گیری هدایت روزنه ای 3- امکان جمع آوری تعداد زیادی نمونه 4- نیاز به نیروی کارگری بسیار کم در مزرعه. در مجموعه های تاریخی ارقام گندم سیمیت تست شده تحت شرایط آبیاری، δ¹⁸O برگ به شدت با هدایت روزنه ای همبسته بود((r = –0.93. در این مورد، عملکرد دانه نسبت بهδ¹³C  برگ (r = –0.71)، همبستگی بسیار قویتری با δ¹⁸O برگ (r = –0.90) داشت. اما، محققین اشاره می کنند که وقتی هدایت روزنه ای و عملکرد دانه به شدت همبسته نیستند، صحت استفاده از δ¹⁸O جهت پیشگویی میزان عملکرد، مورد تردید است.