Αλληλεπιδράσεις της έλλειψης αζώτου και της υδατικής καταπόνησης σε διαφορετικούς γονοτύπους κριθαριού (Hordeum vulgare L.)

Abstract

Αbiotic stresses are the most important factors in reducing crop yield. Plants are confronted with usually one or more stressors during their life cycle. The effect of stress factors in the physiology of crop plants and the resistance mechanisms represent is a research frontier topic which can lead to the development of improved genotypes, more resistant to stressors and with higher expected yields. The interaction of two or more stress factors exhibits new characteristics that are not equal to the sum of each individual stress factor, thus a new type of stressor emerges. Furthermore, plant responses to stresses range in time from a few minutes to days or even weeks and result to the development of short-term and long-term acclimation characteristics of the plant. Each type of acclimation is significant for the successful confrontation of a stress factor or a combination of stress factors. Moreover, the contribution of long-term acclimation in particular (which usually develops under field conditions) is not fully understood. It follows that the study of long-term acclimation characteristics of plants against combinations of stressors is of particular importance for the understanding of plant responses.In this thesis we studied the characteristics of long-term acclimation two genotypes of barley, ‘Demetra’ and ‘Niki’, which were cultivated in a greenhouse in water and nitrogen availability gradients. These two parameters are the most important stress factors because they represent two important growth resources, water and nitrogen. For increasing the sensitivity of the experiment, three soil nitrogen concentration levels were used while two soil water content levels were used, sufficient and drought. A number of morphological, anatomical, biochemical and physiological parameters of the plants were studied. These parameters are more or less related to the acclimation of plants in the above stressors with emphasis to plant water management.According to the results, drought stress resulted in a significant reduction of leaf water potential in both genotypes while the stepwise reduction of nitrogen content caused a reduction of nitrogen levels of leaves when combined with water shortage. Both the lack of nitrogen and that of water caused a reduction of surface area and dry weight of the leaves. Stomatal density was affected only in genotype ‘Niki’ and only when water stress was accompanied by severe lack of nitrogen. Drought stress, far more than the lack of nitrogen, particularly influenced the architecture of the vascular system, the size of the vascular bundles and vein density. The combination of both stressors strongly affected the histological parameters of the leaves in a particular manner. While drought stress alone induced a reduction in cell size almost in all leaf tissues similarly in both genotypes, when drought stress was combined with low levels of nitrogen in the soil, cell dimensions were restored to levels comparable to those of plants grown under sufficient water and nitrogen supply. Cell size restoration was more prominent in the ‘Demetra’ genotype while in the ‘Niki’ genotype the phenomenon was only observed in epidermal cells. Particularly noteworthy is the fact that the reduced dimensions of the cells was accompanied by a reduction of the size range and thus leaf cells of plants grown under drought stress and nitrogen adequacy appeared more uniform in size compared to those of plants grown under a regime of water and nitrogen adequacy or under a regime of deficiency in both developmental resources. Drought stress caused a significant reduction in the values of all gas exchange parameters which, however, in the ‘Niki’ genotype was dependent on the level of soil nitrogen supply. Noticeable decrease also occurred in the hydraulic conductivity of the leaf vascular system due to drought. In general, the above stress resulted in the increase of water use efficiency indices while lack of nitrogen had the opposite effect, especially in the ‘Niki’ genotype. In the same genotype, the concentration of chlorophylls decreased as a result of both stressors while the ‘Demetra’ genotype remained unaffected. The concentration of phenolic compounds was affected in many ways, especially depending on soil nitrogen supply wherein generally soluble phenolics were decreased and condensed tannins were increased under conditions of inadequate supply of this nutrient. The levels of proline increased dramatically due to drought stress but only in the ‘Niki’ genotype under conditions of low nitrogen supply. Finally, drought stress had a very unfavorable effect on grain yield per plant while low nitrogen supply had a varied effect.A large number of parameters were found to correlate with each other. Correlations were observed both among related structural parameters and among parameters related in a functional manner such as hydraulic conductivity, water potential or the architecture of the vascular system and gas exchange parameters. Water and nitrogen use efficiency indices were negatively correlated suggesting that optimization in the use efficiency of both these resources is not possible simultaneously. Confrontation of the combined drought stress and low nitrogen supply from the two barley genotypes was based both on short-term acclimation mechanisms, such as stomatal closure, and in long-term acclimation mechanisms, such as changing the architecture of the vascular system and cell dimensions. Of particular interest is the effects on cell dimensions which depended on the combination of the two imposed stressors. These effects at the cellular level were not always reflected to similar changes at the organ level indicating that, in some types of plant responses, the total number of cells on the tissue or organ level was possibly modified also. Finally, while some parameters were affected equally in both genotypes, suggesting fundamental plant responses to stressors, some other parameters showed a differential response depending on the genotype. This varied response was particularly prominent in the accumulation of proline. These differences may reflect the acclimation potential of each genotype.

Οι αβιοτικές καταπονήσεις αποτελούν τον σημαντικότερο παράγοντα μείωσης της απόδοσης των καλλιεργειών. Τα φυτά βρίσκονται αντιμέτωπα με έναν ή συνήθως περισσότερους παράγοντες καταπόνησης κατά τη διάρκεια του βιολογικού τους κύκλου. Η επίδραση των παραγόντων καταπόνησης στις λειτουργίες των καλλιεργούμενων φυτών καθώς και οι μηχανισμοί ανθεκτικότητας αποτελούν ερευνητικό αντικείμενο αιχμής με στόχο την ανάπτυξη βελτιωμένων γονοτύπων, ανθεκτικότερων στις καταπονήσεις και με υψηλότερες αναμενόμενες αποδόσεις. Η επίδραση αβιοτικών παραγόντων καταπόνησης παρουσιάζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που συνήθως δεν είναι το αθροιστικό αποτέλεσμα κάθε παράγοντα καταπόνησης χωριστά αλλά αποτελεί ένα νέο είδος καταπόνησης. Επιπλέον, οι αντιδράσεις των φυτών στις καταπονήσεις κυμαίνονται χρονικά από μερικά λεπτά έως ημέρες ή ακόμα και εβδομάδες οδηγώντας στην επίτευξη βραχυπρόθεσμου έως μακροπρόθεσμου εγκλιματισμού του οργανισμού. Κάθε είδος εγκλιματισμού έχει ξεχωριστή σημασία στην επιτυχή αντιμετώπιση της καταπόνησης ή του συνδυασμού των καταπονήσεων ενώ, ειδικότερα, η συμβολή του μακροπρόθεσμου εγκλιματισμού (που συμβαίνει συνήθως σε συνθήκες πεδίου) δεν είναι πλήρως κατανοητή. Από τα παραπάνω προκύπτει η μεγάλη σημασία της μελέτης των χαρακτηριστικών μακροπρόθεσμου εγκλιματισμού των φυτών έναντι συνδυασμών παραγόντων καταπόνησης. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά μακροπρόθεσμου εγκλιματισμού δύο γονοτύπων κριθαριού, των ‘Δήμητρα’ και ‘Νίκη’, οι οποίοι καλλιεργήθηκαν υπό κάλυψη με κλιμακούμενη διαθεσιμότητα νερού και αζώτου. Οι δύο αυτές παράμετροι αποτελούν τους πλέον σημαντικούς παράγοντες καταπόνησης διότι αφορούν δύο σημαντικούς αναπτυξιακούς πόρους, το νερό και το άζωτο. Για την αύξηση της ευαισθησίας του πειράματος, χρησιμοποιήθηκαν τρία επίπεδα συγκέντρωσης εδαφικού αζώτου ενώ τα επίπεδα περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό ήταν δύο, επάρκεια και ανεπάρκεια. Μελετήθηκε μια σειρά χαρακτηριστικών της μορφολογίας, ανατομίας, βιοχημείας και φυσιολογίας των φυτών. Τα χαρακτηριστικά αυτά σχετίζονται λιγότερο ή περισσότερο με τον εγκλιματισμό των φυτών στους παραπάνω παράγοντες καταπόνησης με κεντρικό κορμό τη διαχείριση του νερού.Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η ανεπάρκεια νερού είχε ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση του δυναμικού νερού των φύλλων και στους δύο γονοτύπους ενώ η κλιμακωτή έλλειψη αζώτου προκάλεσε μείωση των επιπέδων αζώτου των φύλλων όταν συνδυάστηκε με έλλειψη νερού. Τόσο η έλλειψη αζώτου όσο και αυτή του νερού προκάλεσαν μείωση της επιφάνειας και του ξηρού βάρους των φύλλων. Η πυκνότητα των στομάτων επηρεάστηκε μόνο στο γονότυπο ‘Νίκη’ και μόνο στο συνδυασμό υδατικής καταπόνησης και μεγάλης έλλειψης αζώτου. Η υδατική καταπόνηση, πολύ περισσότερο από την έλλειψη αζώτου, επηρέασε ιδιαίτερα την αρχιτεκτονική του αγγειακού συστήματος, το μέγεθος των ηθμαγγειωδών δεσμίδων και την πυκνότητα των νευρώσεων. Ο συνδυασμός των δύο καταπονήσεων επηρέασε έντονα τις ιστολογικές παραμέτρους των φύλλων με ιδιαίτερο τρόπο. Ενώ η υδατική καταπόνηση από μόνη της προκάλεσε μείωση του μεγέθους των κυττάρων σχεδόν κάθε ιστολογικής περιοχής του φύλλου όμοια και στους δύο γονοτύπους, όταν η έλλειψη νερού συνδυάστηκε με έλλειψη αζώτου στο έδαφος σημειώθηκε επαναφορά των διαστάσεων των κυττάρων σε επίπεδα συγκρίσιμα με αυτά των φυτών που αναπτύχθηκαν σε επάρκεια νερού και αζώτου. Η επαναφορά ως φαινόμενο ήταν γενικευμένη στον γονότυπο ‘Δήμητρα’ ενώ στον γονότυπο ‘Νίκη’ παρατηρήθηκε μόνο στα επιδερμικά κύτταρα. Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο είναι και το γεγονός ότι η μείωση των διαστάσεων των κυττάρων συνοδεύτηκε και από μείωση του εύρους των τιμών των διαστάσεών τους και συνεπώς, τα κύτταρα των φύλλων των φυτών που αναπτύχθηκαν υπό καθεστώς ανεπάρκειας νερού αλλά επάρκειας αζώτου εμφανίστηκαν περισσότερο ομοιόμορφα συγκριτικά με αυτά των φύλλων των φυτών που αναπτύχθηκαν υπό καθεστώς επάρκειας νερού και αζώτου ή ανεπάρκειας και των δύο αναπτυξιακών πόρων. Η έλλειψη νερού προκάλεσε σημαντική μείωση στις τιμές όλων των παραμέτρων ανταλλαγής αερίων η οποία, ωστόσο, στο γονότυπο ‘Νίκη’ ήταν εξαρτώμενη από το επίπεδο έλλειψης αζώτου. Αισθητή μείωση σημειώθηκε επίσης στην υδραυλική αγωγιμότητα του αγωγού συστήματος των φύλλων λόγω έλλειψης νερού. Σε γενικές γραμμές, η παραπάνω καταπόνηση είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση των δεικτών αποδοτικότητας χρήσης νερού ενώ η έλλειψη αζώτου είχε το αντίθετο αποτέλεσμα, ειδικά στο γονότυπο ‘Νίκη’. Στον ίδιο γονότυπο, η συγκέντρωση χλωροφυλλών μειώθηκε ως αποτέλεσμα και των δύο καταπονήσεων ενώ στον γονότυπο ‘Δήμητρα’ παρέμεινε ανεπηρέαστη. Η συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών επηρεάστηκε ποικιλοτρόπως, κυρίως από τα επίπεδα του εδαφικού αζώτου όπου, γενικά, παρατηρήθηκε μείωση των διαλυτών φαινολικών και αύξηση των συμπυκνωμένων ταννινών σε συνθήκες έλλειψης του στοιχείου. Τα επίπεδα της προλίνης αυξήθηκαν δραματικά λόγω έλλειψης νερού αλλά μόνο στο γονότυπο ‘Νίκη’ υπό συνθήκες έλλειψης αζώτου. Τέλος, η έλλειψη νερού είχε ιδιαίτερα δυσμενή επίδραση στο βάρος σπόρων ανά φυτό ενώ η έλλειψη αζώτου είχε ποικίλη επίδραση. Ένας μεγάλο πλήθος παραμέτρων βρέθηκαν να συσχετίζονται μεταξύ τους. Οι συσχετίσεις αφορούσαν τόσο ομοειδείς κατασκευαστικές παραμέτρους όσο και παραμέτρους που συνδέονται λειτουργικά όπως η υδραυλική αγωγιμότητα, το δυναμικό νερού ή η αρχιτεκτονική του αγγειακού συστήματος και οι παράμετροι ανταλλαγής αερίων. Οι δείκτες αποδοτικότητας νερού και αζώτου συσχετίστηκαν αρνητικά υποδηλώνοντας πως δεν είναι δυνατή η μεγιστοποίηση χρήσης και των δύο αυτών πόρων ταυτόχρονα. Η αντιμετώπιση του συνδυασμού υδατικής καταπόνησης και έλλειψης αζώτου από τους δύο γονοτύπους κριθαριού στηρίχθηκε τόσο σε μηχανισμούς βραχυπρόθεσμου εγκλιματισμού, όπως το κλείσιμο των στομάτων, όσο και σε μηχανισμούς μακροπρόθεσμου εγκλιματισμού, όπως η αλλαγή της αρχιτεκτονικής του αγγειακού συστήματος και των διαστάσεων των κυττάρων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλλαγή των διαστάσεων των κυττάρων ανάλογα με το συνδυασμό των επιβαλόμενων καταπονήσεων. Οι αλλαγές σε κυτταρικό επίπεδο δεν αντανακλούσαν πάντα ομοειδείς αλλαγές σε επίπεδο οργάνου υποδηλώνοντας πως σε ορισμένες αποκρίσεις των φυτών ενδεχομένως να τροποποιήθηκε και ο συνολικός αριθμός των κυττάρων ανά ιστολογική περιοχή ή όργανο. Τέλος, ενώ ορισμένες παράμετροι επηρεάστηκαν εξίσου και στους δύο γονοτύπους υποδηλώνοντας θεμελιώδεις αντιδράσεις των φυτών στις καταπονήσεις, ορισμένες άλλες παράμετροι έδειξαν διαφορετική απόκριση ανάλογα το γονότυπο με χαρακτηριστικότερο παράδειγμα τη συσσώρευση προλίνης. Οι διαφορές αυτές ενδεχομένως σχετίζονται με το εύρος εγκλιματισμού κάθε γονοτύπου.