Жаростойкий сорт перца демонстрирует высокие показатели хлорофилла, фотосинтеза, устьичной проводимости и транспирации в режиме теплового стресса на стадии развития плодов

Актуальность. Абиотический стресс, такой как высокая температура, существенно влияет на рост и развитие репродуктивных органов растений, завязываемость плодов, продуктивность, качество и выживание. При длительном воздействия высоких температур у растений наблюдаются повреждения, и в зависимости от продолжительности и интенсивности высоких температур нарушается фотосинтез, транспирация, целостность мембраны, водный и гормональный баланс.
Материал и методика. В данной работе использовали районированный в Южной Корее сорт перца «NW Bigarim» (HT37), а также сортообразцы «Kobra» (HT1) и «Samchukjaere» (HT7) выделенные как устойчивый и восприимчивый к высоким температурам, соответственно. Фотосинтез и общее содержание хлорофилла в листьях определяли при помощи портативного системы (LI-6400, LI-COR Bioscience, Lincoln, NE, USA) и спадметера (Konica Japan), соответственно.
Результаты. Изучено и выявлено положительное влияние высокотемпературного режима (40/28°C день/ночь, 14/10-часовой цикл свет/темнота) на реакцию фотосинтетических параметров у растений перца с различной тепловой восприимчивостью, измерено общее содержание хлорофилла (CHL) и фотосинтетической активности, таких параметров, как фотосинтез (Pn), устьичная проводимость в H₂O (Gs) и скорость транспирации (Tr) у листьев термостойкого (HT1) и чувствительного сортов (HT7) в сравнении с районированным сортом (HT37) на стадии развития плода. Термостойкий сорт показал более высокие и более стабильные показатели CHL, Pn, Gs и Tr, чем термочувствительный сорт HT7 в течение 14 дней термической обработки (HT). Однако исходные показатели Pn, Gs и Tr показали значительную вариабельность среди растений перца независимо от степени термотолерантности перед обработкой высокой температурой на 0 день и на день 7 после восстановления при нормальных условиях выращивание (NT), за исключением CHL, что означает, что растения реагируют на высокотемпературный режим, отличающийся от условий роста в NT. Эти результаты предполагают, что постоянное высокое снижение Pn, Gs и Tr, а также CHL в периоды теплового стресса позволяет избежать теплового повреждения на стадиях репродуктивного роста растений.

1. Root T.L., Price J.T., Hall K.R., Schneider S.H., Rosenzweigk C., Pounds J.A. Fingerprints of global warming on wild animals and plants. Nature. 2003;421(2):57–60. https://doi.org/10.1038/nature01333

2. Vuuren D.P.V., Meinshausenc M., Plattnerd G.K., Joose F., Strassmanne K.M., Smithg S.J., Temperature increase of 21st century mitigation scenarios. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008;105(40):15258–15262. https://doi.org/10.1073/pnas.0711129105

3. Beena R., Veena V., Narayankutty M.C. Evaluation of rice genotypes for acquired thermo-tolerance using Temperature Induction Response technique. Oryza. Int. J. Rice. 2018;55(2):285–291. https://doi.org/10.5958/2249-5266.2018.00035.8

4. Erickson A.N., Markhart A.H., Flower developmental stage and organ sensitivity of bell pepper (Capsicum annuum L.) to elevated temperature. Plant Cell Environ. 2002;25:123–130. https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00807.x.

5. Heuvelink E., Korner O. Parthenocarpic fruit growth reduces yield fluctuation and blossom-end rot in sweet pepper. Ann. Bot. 2001;88:69–74. https://doi.org/10.1006/anbo.2001.1427

6. Rajametov S., Yang E.Y., Cho M.C., Bong J.H., Chae S.Y., Chae W.B. Heat-tolerant hot pepper exhibits constant photosynthesis via increased transpiration rate, high proline content and fast recovery in heat stress condition. Sci. Rep. 2021;(11):14328. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93697-5

7. Pagamas P., Nawata E. Effect of high temperature during the seed development on quality and chemical composition of chili pepper seed. Jpn. J. Trop. Agr. 2007;(51):22–29.

8. Park E., Hong S.J., Lee A.Y., Park J., Cho B.K., Kim G. Phenotyping of Low-Temperature Stressed Pepper Seedlings Using Infrared Thermography. J. Biosyst. Eng. 2017;42(3):163-169. https://doi.org/10.1053/JBE.2017.42.3.163.

9. Rajametov S, Yang E.Y., Bong J.H., Cho M.C., Chae S.Y., Paudel N. Heat treatment in two tomato cultivars: a study of the effect on physiological and growth recovery. J. Hortic. 2021;7(5):119. https://doi.org/10.3390/horticulturae7050119

10. Gisbert-Mullor R., Padilla Y.G., Martínez-Cuenca M., L´opez-Galarza S., Calatayud A. Suitable rootstocks can alleviate the effects of heat stress on pepper plants. Sci. Hort. 2021;(290):110529. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.110529

11. Camejo D., Rodríguez,P., Morales M.A., Dell’Amico J.M., Torrecillas A., Alarcón J.J. High temperature effects on photosynthetic activity of two tomato cultivars with different heat susceptibility. J. Plant Physiol. 2005;(162):281–289. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2004.07.014

12. Bhattarai S., Harvey J.T., Djidonou D., Leskovar D.I. Exploring Morpho-Physiological Variation for Heat Stress Tolerance in Tomato. Plants. 2021;(10):347. https://doi.org/10.3390/plants10020347

13. Zhou R., Yu X., Kjær K.H., Rosenqvist E., Ottosen C.O., Wu Z. Screening and validation of tomato genotypes under heat stress using Fv/Fm to reveal the physiological mechanism of heat tolerance. Envir. Exp. Bot. 2015;(118):1–11. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2015.05.006

14. Camejo D., Torres W. High temperature effects on tomato (Lycopericon esculetinum) pigment and protein content and cellular viability. Cult. Trop. 2001;(22):13-17.

15. Scafaro A.P., Haynes P.A., Atwell B.J. Physiological and molecular changes in Oryza meridionalis Ng. a heat tolerant spices of wild rice. J. Exp. Bot. 2010;(61):191-202. https://doi.org/10.1093/jxb/erp294.

16. Zhou R., Kjær K.H, Rosenqvist E., Yu X., Wu Z., Ottosen C.O. Physiological response to heat stress during seedling and anthesis stage in tomato genotypes differing in heat tolerance. J Agron. Crop Sci. 2017;(203):68–80. https://doi.org/10.1111/jac.12166

17. Hussain T., Ayyub C.M., Amjad M., Hussain M. Analysis of morpho- physiological changes occurring in chilli genotypes (Capsicum spp.) under high temperature conditions. Pak. J. Agri. Sci. 2021;58(1):43-50. DOI:10.21162/PAKJAS/21.7185.

18. Ghai N., Kaur J., Jindal S.K., Dhaliwal M.S., Pahwa K. Physiological and biochemical response to higher temperature stress in hot pepper (Capsicum annuum L.). J. Appl. Nat. Sci. 2016;8(3):1133 – 1137. doi:10.31018/jans.v8i3.930

19. Komayama K., Khatoon M., Takenaka D., Horie J., Yamashita A., Yoshioka M., Nakayama Y., Yoshida M., Ohira S., Morita N., Velitchkova M., Enami I., Yamamoto Y. Quality control of photosystem II: cleavage and aggregation of heat-damaged D1 protein in spinach thylakoids. Biochem. Biophys. Acta. 2007;(1767):838-46.

20. Camejo D., Jiménez A., Alarcón J.J., Torres W., Gómez J. M., Sevilla F. Changes in photosynthetic parameters and antioxidant activities following heat-shock treatment in tomato plants. Funct. Plant Biol. 2006;(33):177–187.

21. Taiz L., Zeiger E., Moller I.M., Murphy A. Plant Physiology and Development. Sinauer Associates, Massachusetts. 2015. 761p.

22. Cornic G. Drought stress inhibits photosynthesis by decreased stomatal aperture not by affecting ATP synthesis. Trends Plant Sci. 2000;(5):187-88. https://doi.org/10.1016/51360-1385(00)01625-3

23. Todorov D., Karanov E., Smith A.R., Hall M.A. Chlorophyllase activity and chlorophyll content in wild and mutant plants of Arabidopsis thaliana. Biol. Plant. 2003;(46):125– 127. https://doi.org/10.1023/A:1024896418839.

24. Sharkey T.D., Zhang R. High temperature effects on electron and proton circuits of photosynthesis. J. Integr. Plant Biol. 2010;(52):712–722. https://doi.org/10.1111/j.1744-7909.2010.00975.x.

25. Vijayakumar A., Beena R. Impact of Temperature Difference on the Physicochemical Properties and Yield of Tomato: A Review. Chem. Sci. Rev. Lett. 2020;9(35):665-681. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e05988

26. Oh S.Y., Koh S.C. Fruit development and quality of hot pepper (Capsicum annuum L.) under various temperature regimes. Hortic. Sci. Technol. 2019;37(3):313-321. https://doi.org/10.7235/HORT.20190032

27. Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M.R. Heat tolerance in plants: An overview. Environ. Exp. Bot. 2007;(61):199-223. https://doi:10.1016/j.envexpbot.2007.05.011

28. Zhou R., Yu X., Wen J., Jensen N.B., dos Santos T.M., Wu Z., Rosenqvist E., Ottosen C.O. Interactive effects of elevated CO2 concentration and combined heat and drought stress on tomato photosynthesis. BMC Plant Biol. 2020;(20):1–12. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02457-6.

29. Jahan M.S., Wang Y., Shu S., Zhong M., Chen Z., Wu J., Sun J., Guo S. Exogenous salicylic acid increases the heat tolerance in Tomato (Solanum lycopersicum L) by enhancing photosynthesis efficiency and improving antioxidant defense system through scavenging of reactive oxygen species. Sci. Hortic. 2019;(247):421–429. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.12.047

30. Li X., Ahammed G.J., Zhang Y.Q., Zhang G.Q., Sun Z.H., Zhou J., Zhou Y.H., Xia X.J., Yu J.Q., Shi K. Carbon dioxide enrichment alleviates heat stress by improving cellular redox homeostasis through an ABA-independent process in tomato plants. Plant Biol. 2014;(17):81–89. https://doi.org/10.1111/plb.12211

31. Camposa H., Trejob C., Valdiviab C.B.P., Navab R.G., Conde-Martínezb F.V., Cruz-Ortegac M.R. Stomatal and non-stomatal limitations of bell pepper (Capsicum annuum L.) plants under water stress and re-watering: Delayed restoration of photosynthesis during recovery. Environ. Exp. Bot. 2014;(98):56-64. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2013.10.015