ไทโอยูเรียและอาร์จินีนช่วยรักษาสมดุลรีดอกซ์และไอออนอย่างมีประสิทธิภาพ บรรเทาความเครียดจากเกลือในข้าวสาลี

สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช (PGRs)เป็นวิธีที่คุ้มต้นทุนในการเสริมสร้างการป้องกันของพืชภายใต้สภาวะเครียด การศึกษานี้ศึกษาความสามารถของสองพีจีอาร์, ไทโอยูเรีย (TU) และอาร์จินีน (Arg) เพื่อบรรเทาความเครียดจากเกลือในข้าวสาลี ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า TU และ Arg โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกัน สามารถควบคุมการเจริญเติบโตของพืชภายใต้ความเครียดจากเกลือได้ การทดลองทั้งสองช่วยเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมกับลดระดับของรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (ROS) มาโลนไดอัลดีไฮด์ (MDA) และการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์สัมพัทธ์ (REL) ในต้นกล้าข้าวสาลี นอกจากนี้ การทดลองเหล่านี้ยังลดความเข้มข้นของโซเดียมและแคลเซียม (Na+) และอัตราส่วนของโซเดียม/โพแทสเซียม (Na+/K+) ลงอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมกับเพิ่มความเข้มข้นของโพแทสเซียมอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งช่วยรักษาสมดุลไอออน-ออสโมซิส ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น TU และ Arg ช่วยเพิ่มปริมาณคลอโรฟิลล์ อัตราการสังเคราะห์แสงสุทธิ และอัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซของต้นกล้าข้าวสาลีภายใต้ความเครียดจากเกลือได้อย่างมีนัยสำคัญ การใช้ TU และ Arg เพียงอย่างเดียวหรือร่วมกันสามารถเพิ่มการสะสมของมวลแห้งได้ 9.03–47.45% และเพิ่มขึ้นมากที่สุดเมื่อใช้ร่วมกัน สรุปได้ว่า การศึกษานี้เน้นย้ำว่าการรักษาภาวะสมดุลรีดอกซ์และสมดุลไอออนมีความสำคัญต่อการเพิ่มความทนทานของพืชต่อความเครียดจากเกลือ นอกจากนี้ TU และ Arg ยังได้รับการแนะนำให้ใช้เป็นสารที่มีศักยภาพสารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชโดยเฉพาะเมื่อใช้ร่วมกันเพื่อเพิ่มผลผลิตข้าวสาลี
การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและวิถีปฏิบัติทางการเกษตรอย่างรวดเร็วกำลังเพิ่มความเสื่อมโทรมของระบบนิเวศทางการเกษตร1 หนึ่งในผลกระทบที่ร้ายแรงที่สุดคือภาวะดินเค็ม ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อความมั่นคงทางอาหารของโลก2 ปัจจุบันภาวะดินเค็มส่งผลกระทบต่อพื้นที่เพาะปลูกทั่วโลกประมาณ 20% และตัวเลขนี้อาจเพิ่มขึ้นเป็น 50% ภายในปี พ.ศ. 2593 ความเครียดจากเกลือและด่างสามารถทำให้เกิดความเครียดจากออสโมซิสในรากพืช ซึ่งรบกวนสมดุลไอออนิกในพืช4 สภาวะที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้ยังนำไปสู่การสลายคลอโรฟิลล์ที่เร็วขึ้น อัตราการสังเคราะห์แสงลดลง และความผิดปกติของระบบเผาผลาญ ซึ่งส่งผลให้ผลผลิตของพืชลดลงในที่สุด5,6 ยิ่งไปกว่านั้น ผลกระทบร้ายแรงที่พบบ่อยคือการเพิ่มขึ้นของสารอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) ซึ่งสามารถก่อให้เกิดความเสียหายจากปฏิกิริยาออกซิเดชันต่อชีวโมเลกุลต่างๆ รวมถึงดีเอ็นเอ โปรตีน และลิพิด7
ข้าวสาลี (Triticum aestivum) เป็นหนึ่งในพืชธัญพืชที่สำคัญที่สุดในโลก ไม่เพียงแต่เป็นพืชธัญพืชที่ปลูกกันอย่างแพร่หลายที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นพืชเชิงพาณิชย์ที่สำคัญอีกด้วย[8] อย่างไรก็ตาม ข้าวสาลีมีความไวต่อเกลือ ซึ่งสามารถยับยั้งการเจริญเติบโต ขัดขวางกระบวนการทางสรีรวิทยาและชีวเคมี และลดผลผลิตลงอย่างมาก กลยุทธ์หลักในการบรรเทาผลกระทบจากความเครียดจากเกลือ ได้แก่ การดัดแปลงพันธุกรรมและการใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GM) คือการใช้การตัดต่อยีนและเทคนิคอื่นๆ เพื่อพัฒนาพันธุ์ข้าวสาลีที่ทนเกลือ[9,10] ในทางกลับกัน สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชช่วยเพิ่มความทนทานต่อเกลือในข้าวสาลีโดยการควบคุมกิจกรรมทางสรีรวิทยาและระดับของสารที่เกี่ยวข้องกับเกลือ จึงช่วยลดความเสียหายจากความเครียด[11] โดยทั่วไป สารควบคุมเหล่านี้ได้รับการยอมรับและใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่าวิธีการดัดแปลงพันธุกรรม สารเหล่านี้สามารถเพิ่มความทนทานของพืชต่อความเครียดจากสภาวะแวดล้อมต่างๆ เช่น ความเค็ม ภัยแล้ง และโลหะหนัก และส่งเสริมการงอกของเมล็ด การดูดซึมสารอาหาร และการเจริญเติบโตของระบบสืบพันธุ์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของพืช 12 สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเจริญเติบโตของพืชและรักษาผลผลิตและคุณภาพ เนื่องจากเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ใช้งานง่าย คุ้มค่า และใช้งานได้จริง 13 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารควบคุมการเจริญเติบโตเหล่านี้มีกลไกการออกฤทธิ์ที่คล้ายคลึงกัน การใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตเพียงชนิดเดียวอาจไม่ได้ผล การค้นหาสารควบคุมการเจริญเติบโตหลายชนิดร่วมกันที่สามารถปรับปรุงความทนเค็มในข้าวสาลีจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงพันธุ์ข้าวสาลีภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย เพิ่มผลผลิต และสร้างความมั่นใจในความมั่นคงทางอาหาร
ยังไม่มีการศึกษาที่ศึกษาการใช้ TU และ Arg ร่วมกัน ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าการผสมผสานนวัตกรรมนี้สามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของข้าวสาลีภายใต้ภาวะเครียดจากเกลือได้หรือไม่ ดังนั้น วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้คือการศึกษาว่าสารควบคุมการเจริญเติบโตทั้งสองชนิดนี้สามารถบรรเทาผลกระทบเชิงลบของภาวะเครียดจากเกลือที่มีต่อข้าวสาลีได้หรือไม่ ด้วยเหตุนี้ เราจึงได้ทำการทดลองปลูกต้นกล้าข้าวสาลีแบบไฮโดรโปนิกส์ระยะสั้นเพื่อศึกษาประโยชน์ของการใช้ TU และ Arg ร่วมกันกับข้าวสาลีภายใต้ภาวะเครียดจากเกลือ โดยมุ่งเน้นไปที่สมดุลรีดอกซ์และไอออนิกของพืช เราตั้งสมมติฐานว่าการใช้ TU และ Arg ร่วมกันสามารถทำงานร่วมกันเพื่อลดความเสียหายจากออกซิเดชันที่เกิดจากภาวะเครียดจากเกลือ และจัดการกับความไม่สมดุลของไอออนิก ซึ่งจะช่วยเพิ่มความทนทานต่อเกลือในข้าวสาลี
วิเคราะห์ปริมาณ MDA ของตัวอย่างด้วยวิธีไทโอบาร์บิทูริกแอซิด ชั่งผงตัวอย่างสด 0.1 กรัมอย่างแม่นยำ สกัดด้วยกรดไตรคลอโรอะซิติก 10% ปริมาตร 1 มิลลิลิตร เป็นเวลา 10 นาที ปั่นเหวี่ยงที่อัตรา 10,000 กรัม เป็นเวลา 20 นาที แล้วเก็บส่วนใส ผสมสารสกัดกับกรดไทโอบาร์บิทูริก 0.75% ปริมาตรเท่ากัน บ่มที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 15 นาที หลังจากบ่มแล้ว เก็บส่วนใสด้วยการปั่นเหวี่ยง และวัดค่า OD ที่ 450 นาโนเมตร 532 นาโนเมตร และ 600 นาโนเมตร คำนวณความเข้มข้นของ MDA ได้ดังนี้
เช่นเดียวกับการบำบัด 3 วัน การใช้ Arg และ Tu ยังช่วยเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระของต้นกล้าข้าวสาลีอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การบำบัด 6 วัน การใช้ TU ร่วมกับ Arg ยังคงมีประสิทธิภาพสูงสุด อย่างไรก็ตาม หลังจาก 6 วันหลังการบำบัด กิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระทั้งสี่ชนิดภายใต้สภาวะการบำบัดที่แตกต่างกันมีแนวโน้มลดลงเมื่อเทียบกับ 3 วันหลังการบำบัด (รูปที่ 6)
การสังเคราะห์แสงเป็นพื้นฐานของการสะสมมวลแห้งในพืช และเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ ซึ่งไวต่อเกลืออย่างมาก ความเครียดจากเกลือสามารถนำไปสู่การออกซิเดชันของเยื่อหุ้มพลาสมา การรบกวนสมดุลออสโมซิสของเซลล์ ความเสียหายต่อโครงสร้างจุลภาคของคลอโรพลาสต์36 ทำให้เกิดการย่อยสลายของคลอโรฟิลล์ ลดการทำงานของเอนไซม์วัฏจักรคาลวิน (รวมถึงรูบิสโก) และลดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก PS II ไปยัง PS I37 นอกจากนี้ ความเครียดจากเกลือยังสามารถกระตุ้นให้ปากใบปิด ซึ่งจะลดความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในใบและยับยั้งการสังเคราะห์แสง38 ผลการศึกษาของเรายืนยันผลการศึกษาก่อนหน้านี้ว่าความเครียดจากเกลือลดการนำไฟฟ้าของปากใบในข้าวสาลี ส่งผลให้อัตราการคายน้ำในใบและความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเซลล์ลดลง ซึ่งท้ายที่สุดนำไปสู่ความสามารถในการสังเคราะห์แสงที่ลดลงและมวลชีวภาพของข้าวสาลีลดลง (รูปที่ 1 และ 3) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การใช้ TU และ Arg สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของต้นข้าวสาลีภายใต้ความเครียดจากเกลือ การปรับปรุงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้ TU และ Arg พร้อมกัน (รูปที่ 3) ซึ่งอาจเป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่า TU และ Arg ควบคุมการเปิดและปิดปากใบ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากงานวิจัยก่อนหน้านี้ ยกตัวอย่างเช่น Bencarti และคณะ พบว่าภายใต้สภาวะเครียดจากเกลือ TU เพิ่มการนำไฟฟ้าของปากใบ อัตราการดูดซึม CO2 และประสิทธิภาพควอนตัมสูงสุดของเคมีแสง PSII ใน Atriplex portulacoides L.39 ได้อย่างมีนัยสำคัญ แม้ว่าจะไม่มีรายงานโดยตรงที่พิสูจน์ว่า Arg สามารถควบคุมการเปิดและปิดปากใบในพืชที่เผชิญกับสภาวะเครียดจากเกลือ แต่ Silveira และคณะ ระบุว่า Arg สามารถส่งเสริมการแลกเปลี่ยนก๊าซในใบภายใต้สภาวะแห้งแล้ง22
โดยสรุป การศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่าแม้จะมีกลไกการออกฤทธิ์และคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน แต่ TU และ Arg ก็สามารถต้านทานความเครียดจาก NaCl ได้เทียบเท่ากันในต้นกล้าข้าวสาลี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกัน การใช้ TU และ Arg สามารถกระตุ้นระบบป้องกันเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระในต้นกล้าข้าวสาลี ลดปริมาณ ROS และรักษาเสถียรภาพของลิพิดในเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งช่วยรักษาสมดุลของการสังเคราะห์แสงและ Na+/K+ ในต้นกล้า อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ยังมีข้อจำกัด แม้ว่าผลเสริมฤทธิ์ของ TU และ Arg จะได้รับการยืนยันและกลไกทางสรีรวิทยาได้รับการอธิบายในระดับหนึ่งแล้ว แต่กลไกโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านั้นยังคงไม่ชัดเจน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกเสริมฤทธิ์ของ TU และ Arg โดยใช้วิธีการทางทรานสคริปโตมิก เมตาโบโลมิก และวิธีอื่นๆ
ชุดข้อมูลที่ใช้และ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาปัจจุบันสามารถขอรับได้จากผู้เขียนที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล