ไทโอยูเรียและอาร์จินีนทำงานร่วมกันเพื่อรักษาสมดุลของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันและไอออน บรรเทาความเครียดจากเกลือในข้าวสาลี

สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช (PGRs)เป็นวิธีที่คุ้มค่าในการเสริมสร้างกลไกป้องกันของพืชภายใต้สภาวะความเครียด การศึกษาครั้งนี้ได้ตรวจสอบความสามารถของสองวิธีพีจีอาร์งานวิจัยนี้ศึกษาการใช้ไทโอยูเรีย (TU) และอาร์จินีน (Arg) เพื่อบรรเทาความเครียดจากเกลือในข้าวสาลี ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า TU และ Arg โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกัน สามารถควบคุมการเจริญเติบโตของพืชภายใต้ความเครียดจากเกลือได้ การรักษาด้วยสารเหล่านี้ช่วยเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่ลดระดับของอนุมูลอิสระ (ROS) มาลอนไดอัลดีไฮด์ (MDA) และการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์สัมพัทธ์ (REL) ในต้นกล้าข้าวสาลี นอกจากนี้ การรักษาด้วยสารเหล่านี้ยังช่วยลดความเข้มข้นของ Na+ และ Ca2+ และอัตราส่วน Na+/K+ อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่เพิ่มความเข้มข้นของ K+ อย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยรักษาสมดุลของไอออนและออสโมซิส ที่สำคัญกว่านั้น TU และ Arg ช่วยเพิ่มปริมาณคลอโรฟิลล์ อัตราการสังเคราะห์แสงสุทธิ และอัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซของต้นกล้าข้าวสาลีภายใต้ความเครียดจากเกลืออย่างมีนัยสำคัญ TU และ Arg ที่ใช้เพียงอย่างเดียวหรือใช้ร่วมกันสามารถเพิ่มการสะสมของมวลแห้งได้ 9.03–47.45% และการเพิ่มขึ้นมากที่สุดเกิดขึ้นเมื่อใช้ร่วมกัน โดยสรุป การศึกษานี้เน้นย้ำว่าการรักษาสภาวะสมดุลของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันและสมดุลของไอออนมีความสำคัญต่อการเพิ่มความทนทานของพืชต่อความเครียดจากเกลือ นอกจากนี้ ยังแนะนำให้ใช้ TU และ Arg เป็นสารที่มีศักยภาพสารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกัน จะช่วยเพิ่มผลผลิตข้าวสาลีได้
การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของสภาพภูมิอากาศและวิธีการทำการเกษตรกำลังทำให้ระบบนิเวศทางการเกษตรเสื่อมโทรมลงมากขึ้น¹ หนึ่งในผลกระทบที่ร้ายแรงที่สุดคือการเกิดดินเค็ม ซึ่งคุกคามความมั่นคงทางอาหารของโลก² ปัจจุบันการเกิดดินเค็มส่งผลกระทบต่อพื้นที่เพาะปลูกประมาณ 20% ทั่วโลก และตัวเลขนี้อาจเพิ่มขึ้นเป็น 50% ภายในปี 2050³ ความเครียดจากเกลือและด่างสามารถทำให้เกิดความเครียดจากออสโมซิสในรากพืช ซึ่งรบกวนสมดุลของไอออนในพืช⁴ สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเช่นนี้ยังสามารถนำไปสู่การสลายตัวของคลอโรฟิลล์ที่เร็วขึ้น อัตราการสังเคราะห์แสงลดลง และความผิดปกติทางเมตาบอลิซึม ซึ่งในที่สุดจะส่งผลให้ผลผลิตพืชลดลง⁵⁻⁶ ยิ่งไปกว่านั้น ผลกระทบที่ร้ายแรงที่พบได้ทั่วไปคือการเพิ่มขึ้นของการสร้างอนุมูลอิสระ (ROS) ซึ่งสามารถก่อให้เกิดความเสียหายจากออกซิเดชันต่อโมเลกุลชีวภาพต่างๆ รวมถึง DNA โปรตีน และไขมัน⁷
ข้าวสาลี (Triticum aestivum) เป็นพืชธัญพืชที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งของโลก ไม่เพียงแต่เป็นพืชธัญพืชที่ปลูกกันอย่างแพร่หลายที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นพืชเศรษฐกิจที่สำคัญอีกด้วย8 อย่างไรก็ตาม ข้าวสาลีมีความไวต่อเกลือ ซึ่งสามารถยับยั้งการเจริญเติบโต รบกวนกระบวนการทางสรีรวิทยาและชีวเคมี และลดผลผลิตลงอย่างมาก กลยุทธ์หลักในการบรรเทาผลกระทบจากความเครียดจากเกลือ ได้แก่ การดัดแปลงพันธุกรรมและการใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GM) คือการใช้การแก้ไขยีนและเทคนิคอื่นๆ เพื่อพัฒนาพันธุ์ข้าวสาลีที่ทนต่อเกลือ9,10 ในทางกลับกัน สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชช่วยเพิ่มความทนทานต่อเกลือในข้าวสาลีโดยการควบคุมกิจกรรมทางสรีรวิทยาและระดับของสารที่เกี่ยวข้องกับเกลือ จึงช่วยบรรเทาความเสียหายจากความเครียด11 โดยทั่วไปแล้ว สารควบคุมเหล่านี้ได้รับการยอมรับและใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่าวิธีการดัดแปลงพันธุกรรม พวกมันสามารถเพิ่มความทนทานของพืชต่อความเครียดจากปัจจัยทางชีวภาพต่างๆ เช่น ความเค็ม ความแห้งแล้ง และโลหะหนัก และส่งเสริมการงอกของเมล็ด การดูดซึมสารอาหาร และการเจริญเติบโตของระบบสืบพันธุ์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของพืชผล 12 สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันการเจริญเติบโตของพืชผลและการรักษาผลผลิตและคุณภาพ เนื่องจากเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ใช้งานง่าย คุ้มค่า และใช้งานได้จริง 13 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารควบคุมเหล่านี้มีกลไกการออกฤทธิ์ที่คล้ายคลึงกัน การใช้เพียงสารใดสารหนึ่งอาจไม่ได้ผล การค้นหาสารควบคุมการเจริญเติบโตหลายชนิดร่วมกันที่สามารถเพิ่มความทนทานต่อเกลือในข้าวสาลีจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงพันธุ์ข้าวสาลีภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เพื่อเพิ่มผลผลิตและสร้างความมั่นคงทางอาหาร
ยังไม่มีการศึกษาใดที่ตรวจสอบการใช้ TU และ Arg ร่วมกัน จึงยังไม่ชัดเจนว่าการผสมผสานนวัตกรรมนี้จะช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของข้าวสาลีภายใต้สภาวะความเค็มได้หรือไม่ ดังนั้น จุดประสงค์ของการศึกษาครั้งนี้คือเพื่อตรวจสอบว่าสารควบคุมการเจริญเติบโตทั้งสองชนิดนี้สามารถบรรเทาผลกระทบด้านลบจากความเค็มต่อข้าวสาลีได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่ เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ เราได้ทำการทดลองปลูกต้นกล้าข้าวสาลีแบบไฮโดรโปนิกส์ระยะสั้น เพื่อศึกษาประโยชน์ของการใช้ TU และ Arg ร่วมกันในข้าวสาลีภายใต้สภาวะความเค็ม โดยเน้นที่สมดุลของปฏิกิริยาออกซิเดชันและไอออนในพืช เราตั้งสมมติฐานว่าการผสมผสานของ TU และ Arg สามารถทำงานร่วมกันเพื่อลดความเสียหายจากปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เกิดจากความเค็มและจัดการความไม่สมดุลของไอออน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความทนทานต่อความเค็มในข้าวสาลีได้
ปริมาณ MDA ในตัวอย่างถูกกำหนดโดยวิธีไทโอบาร์บิทูริกแอซิด ชั่งผงตัวอย่างสด 0.1 กรัมอย่างแม่นยำ สกัดด้วยกรดไตรคลอโรอะเซติก 10% ปริมาณ 1 มิลลิลิตร เป็นเวลา 10 นาที ปั่นเหวี่ยงที่ 10,000 g เป็นเวลา 20 นาที และเก็บส่วนของเหลวใส สารสกัดถูกผสมกับไทโอบาร์บิทูริกแอซิด 0.75% ในปริมาณเท่ากัน และบ่มที่ 100 °C เป็นเวลา 15 นาที หลังจากบ่มแล้ว เก็บส่วนของเหลวใสโดยการปั่นเหวี่ยง และวัดค่า OD ที่ 450 nm, 532 nm และ 600 nm ความเข้มข้นของ MDA คำนวณได้ดังนี้:
เช่นเดียวกับการรักษา 3 วัน การใช้ Arg และ Tu ยังช่วยเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระในต้นกล้าข้าวสาลีอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การรักษา 6 วัน การผสมผสานระหว่าง TU และ Arg ยังคงมีประสิทธิภาพมากที่สุด อย่างไรก็ตาม หลังจาก 6 วันหลังการรักษา กิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระทั้งสี่ชนิดภายใต้สภาวะการรักษาที่แตกต่างกันแสดงแนวโน้มลดลงเมื่อเทียบกับ 3 วันหลังการรักษา (รูปที่ 6)
การสังเคราะห์แสงเป็นพื้นฐานของการสะสมมวลแห้งในพืชและเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ ซึ่งมีความไวต่อเกลืออย่างมาก ความเครียดจากเกลือสามารถนำไปสู่การออกซิเดชันของเยื่อหุ้มเซลล์ การรบกวนสมดุลออสโมติกของเซลล์ ความเสียหายต่อโครงสร้างจุลภาคของคลอโรพลาสต์36 ทำให้คลอโรฟิลล์เสื่อมสภาพ ลดกิจกรรมของเอนไซม์ในวัฏจักรแคลวิน (รวมถึง Rubisco) และลดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก PS II ไปยัง PS I37 นอกจากนี้ ความเครียดจากเกลือยังสามารถกระตุ้นให้ปากใบปิด ทำให้ความเข้มข้นของ CO2 ในใบลดลงและยับยั้งการสังเคราะห์แสง38 ผลการวิจัยของเรายืนยันผลการค้นพบก่อนหน้านี้ว่าความเครียดจากเกลือลดการนำไฟฟ้าของปากใบในข้าวสาลี ส่งผลให้อัตราการคายน้ำของใบและความเข้มข้นของ CO2 ภายในเซลล์ลดลง ซึ่งในที่สุดนำไปสู่ความสามารถในการสังเคราะห์แสงที่ลดลงและชีวมวลของข้าวสาลีลดลง (รูปที่ 1 และ 3) ที่น่าสังเกตคือ การใช้ TU และ Arg สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของต้นข้าวสาลีภายใต้ความเครียดจากเกลือ การปรับปรุงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้ TU และ Arg พร้อมกัน (รูปที่ 3) นี่อาจเป็นเพราะข้อเท็จจริงที่ว่า TU และ Arg ควบคุมการเปิดและปิดของปากใบ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้น ดังที่ได้รับการสนับสนุนจากการศึกษาในอดีต ตัวอย่างเช่น Bencarti et al. พบว่าภายใต้สภาวะความเครียดจากเกลือ TU เพิ่มการนำไฟฟ้าของปากใบ อัตราการดูดซับ CO2 และประสิทธิภาพควอนตัมสูงสุดของปฏิกิริยาเคมีแสงของ PSII ใน Atriplex portulacoides L.39 อย่างมีนัยสำคัญ แม้ว่าจะไม่มีรายงานโดยตรงที่พิสูจน์ว่า Arg สามารถควบคุมการเปิดและปิดของปากใบในพืชที่ได้รับความเครียดจากเกลือ แต่ Silveira et al. ระบุว่า Arg สามารถส่งเสริมการแลกเปลี่ยนก๊าซในใบภายใต้สภาวะแห้งแล้งได้22
โดยสรุปแล้ว การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า แม้จะมีกลไกการออกฤทธิ์และคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่แตกต่างกัน แต่ TU และ Arg สามารถให้ความต้านทานต่อความเครียดจาก NaCl ในต้นกล้าข้าวสาลีได้เทียบเท่ากัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกัน การใช้ TU และ Arg สามารถกระตุ้นระบบป้องกันเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระของต้นกล้าข้าวสาลี ลดปริมาณ ROS และรักษาเสถียรภาพของไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งส่งผลให้รักษาการสังเคราะห์แสงและสมดุลของ Na+/K+ ในต้นกล้าได้ อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน แม้ว่าจะยืนยันผลเสริมฤทธิ์ของ TU และ Arg และอธิบายกลไกทางสรีรวิทยาได้ในระดับหนึ่งแล้ว แต่กลไกระดับโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านั้นยังคงไม่ชัดเจน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกการเสริมฤทธิ์ของ TU และ Arg โดยใช้วิธีการทางทรานสคริปโตมิก เมตาโบโลมิก และวิธีการอื่นๆ
ชุดข้อมูลที่ใช้และ/หรือวิเคราะห์ในการศึกษาครั้งนี้ สามารถขอรับได้จากผู้เขียนที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการร้องขออย่างสมเหตุสมผล