1
1
1
Veres Szilvia1 - Al Imran Malik2 - Tóth Brigitta – Makleit Péter – Nagy László – 2 Nagy László Géza – Zed Rengel Búza genotípusok fotokémiai aktivitásának változása eltérő adagú nitrogéntáplálásnál Values of photochemical activity in wheat genotypes under different nitrogen supply conditions
[email protected] Debreceni Egyetem, Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma, Növénytudományi Intézet, Mezőgazdasági Növénytani és Növényélettani Tanszék, 4032 Debrecen, Böszörményi u. 138. 2Nyugat Ausztrál Egyetem (University of Western Australia, School of Earth and Environment), Crawley, Perth, WA 6009, Ausztrália
1
Bevezetés A fenntartható mezőgazdaság elveinek megfelelően napjaink növénytermesztésének egyik legfőbb kihívása a talaj termékenységének megőrzése, a megfelelő növényi tápanyagutánpótlás alkalmazása környezet- és természetvédelmi problémák nélkül. A Census Bureau nemzetközi adatbázisa szerint a világ népessége 2044-re 9 milliárdra növekszik. A növekvő populáció élelmiszerszükséglete is nagyobb, ezáltal világszerte nő a mezőgazdasági termelés fokozásával szemben támasztott igény is. A megfelelő növényi produkció számos faktor függvénye, így például a termőhely, klimatikus tényezők, meglévő tápanyagszint, termesztett genotípus. Ugyanakkor a sikeres növénytermesztés egyik alapja mindenképpen a megfelelő tápanyag utánpótlás. A nitrogén műtrágyázás alapvető eszköze a növényi produkció növelésének. A fenntarthatóság elveinek való megfelelés szerint célszerű olyan genotípusok kiválasztása, melyek kevesebb nitrogén ellátás mellett is ugyanazt a mennyiségű és minőségű termést produkálják a termesztő számára. Munkánk során 43 eltérő búza genotípus fotokémiai aktivitás értékét határoztuk meg két különböző mennyiségű nitrogéntáplálás mellett (optimális és annak ¼ része). Méréseinkét a búza bokrosodási fejlődési fázisában végeztük üvegházi körülmények között. Klorofill fluoreszcencia indukció módszert használtunk az potenciális fotokémiai aktivitás (Fv/Fm) meghatározására. Az indukciós görbe Fv/Fm paramétere mellett a változó (Fv) és az alap (Fo) fluoreszcencia hányadosát (Fv/Fo) is alkalmasnak találtuk a genotípusok közötti különbségek jellemzésére eltérő mennyiségű nitrogéntáplálás mellett. A különböző búza genotípusok kisebb csoportjánál az indukciós görbe lassú szakaszában meghatározható indikátorokat is jellemeztük. Így az elektron-transzport rátát, a nem-fotokémiai kioltó folyamatok arányát jellemző NPQ értéket, a vitalitási indexet (RFD) és az 1-qP/NPQ arányt. Eredményeink szerint az 1-qP/NPQ arány alkalmas a PSII azon belső képességének jellemzésére, mely során a fotokémiai és nem-fotokémiai folyamatok arányát szabályozza az adott nitrogén koncentráció jelenlétében. A mért paraméterek alapján a vizsgált genotípusok csoportokba sorolhatók. A dupla-haploid populáció genotípusai közül a kisebb nitrogén mennyiség mellett is aktív fotoszintézissel jellemezhetőek, így egy újabb nemesítési vonalat jelenthetnek.
448
Irodalmi áttekintés A növények tápanyagellátásának racionalizálása a fenntartható mezőgazdaság kulcskérdése lett. Ugyanakkor az emberiség ellátása megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszerrel ugyancsak a mezőgazdaság kihívása. A Census Bureau nemzetközi adatbázisa szerint a világ népessége 1999-re 6 milliárdra növekedett és 9 milliárdra növekedhet 2044-re, azaz 50%-os növekedés 45 éven belül (U. S. C. B., 2011). A növekvő populáció természetes igénye a nagyobb élelmiszerigény. A nitrogén műtrágyák használata, annak fokozása egy hatékony eszköze pl. a gabonafélék hozamának növelésére (Roberts, 2009). Az előrejelzések szerint a világ nitrogén műtrágya igénye évente mintegy 2,6 %-kal nő. Az energia, a műtrágyák ára is gyors növekedést mutat 2006 óta, ami az esetleges környezetvédelmi problémákon túl gazdasági nehézségeket is okoz (FAO, 2008). A növények szempontjából, az tápelemek közül a nitrogén (N) az egyik legfontosabb. Nagy mennyiségre van szükség belőle, számos alapvető szerves molekula alkotója, mint például a nukleinsavak és az aminosavak. A nitrogén ellátás befolyásolja a búzaszem fehérje tartalmát (Pedersen and Jorgensen, 2007; Abedi et al., 2011), ami az egyik legfontosabb minőségi jellemzője. A búza tulajdonságait elsősorban a genotípus és annak a környezeti tényezőkhöz való plaszticitása határozza meg (Pepó, 2005). A genetikai különbségek morfológiai és fiziológiai eltéréseket eredményeznek, melyek befolyással vannak a növény nitrogén felvételére és hasznosítási hatékonyságára (Diekmann and Fishbeck, 2005). A mezőgazdasági produkció szempontjából szoros összefüggés van a nitrogén ellátás és a fotoszintézis között. A fotoszintézis során a fotonok energiája ATP és NADPH molekulák képződését eredményezi, melyek szén és nitrogén tartalmú molekulák szintézisére fordítónak, mint például a szénhidrátok és az aminosavak (Foyer et al., 2001). A klorofill-fluoreszcencia módszer alkalmas arra, hogy jellemezze a vizsgált növény fotokémiai hatékonyságát különböző körülmények között (Krause and Weis, 1991; Schreiber et al., 1986; Lichtenthaler és Rinderle, 1988). Annak ellenére, hogy számos klorofillfluoreszcencia vizsgálati eredményt publikáltak búzával kapcsolatban (Akram et al., 2006; Guóth et al., 2009), mégis kevés információnk van a klorofill-fluoreszcencia paraméterek változásáról különböző mennyiségű nitrogén ellátás mellett. Kísérleteink fő célkitűzése az volt, hogy megvizsgáljuk különböző búza genotípusok fotokémiai aktivitását két különböző nitrogen mennyiség biztosítása esetén. Kevesebb nitrogén ellátás mellett is hatékony fotokémiai aktivitással rendelkező genotípusok kiválasztása, mint lehetséges szülőpár, lehetőséget nyújt a növénynemesítők számára.
449
Anyag és Módszer A kísérletek során felhasznált növényi anyag búza (Triticum aestivum L.) dupla-haploid populációjának 43 genotípusa volt (1. ábra). A növények nevelése üvegházi körülmények között történt. A felhasznált talaj alacsony elemtartalmú homoktalaj volt. Az eltérő nitrogén táplálás során kétféle mennyiséget alkalmaztunk: optimális nitrogén ellátás és annak ¼-ed részét. Kezelésenként 3-3 edényt állítottunk be, edényenként 4 növénnyel. A kísérleteket az ausztrál Nyugat-Ausztrál Egyetemen végeztük. A kísérletek során számos paramétert nyomon követtünk, jelen publikáció a potenciális fotokémiai aktivitás változását mutatja be a különböző genotípusok bokrosodási fázisában, eltérő mennyiségű nitrogén táplálás esetén. Méréseinket 11-14h napi időtartományban végeztük. Az in vivo klorofill fluoreszcenciát, a klorofill fluoreszcencia indukció gyors és lassú szakaszát (Schreiber et al., 1986) PAM 2000 típusú fluorométerrel (WALZ Gmbh, Németország) vizsgáltuk. A mérések előtt a növényi mintát 30 percig sötétadaptáltuk. A mérés során előbb a sötétadaptált mintát gyenge mérőfénnyel (0.1 µmolm-2s-1) megvilágítottuk, és mértük az alapfluoreszcencia (Fo) szintjét, majd telítési fényimpulzust (8 000 µmolm-2s-1) alkalmaztunk és detektáltuk a maximális fluoreszcenciát (Fm) (klorofill fluoreszcencia gyors szakasza). Az Fm sötétben kb. 20s elteltével az Fo szintre esik vissza. A genotípusok kisebb csoportjánál az indukciós görbe lassú szakaszát is vizsgáltuk. Ennek során a klorofill fluoreszcencia indukció lassú szakaszát 1200 µmol m-2s-1 intenzitású, aktiváló fénnyel történő 5 perces megvilágítás mellett szaturációs pulzus módszerrel elemeztük, amely lehetővé teszi, a fotokémiai és a nem fotokémiai klorofill fluoreszcencia kioltási folyamatok jellemezését. A vizsgálatokban használt fluoreszcencia indukciós paraméterek és számolásuk módja a következő: Gyors fluoreszcencia indukciós szakasz paraméterei: Fo: alapfluoreszcencia Fm: maximális fluoreszcencia Fv = Fm-Fo: változó fluoreszcencia Fv/Fm : a PS II potenciális fotokémiai hatékonysága Fv/Fo: a változó fluoreszcencia és alapfluoreszcencia aránya Fm/Fo: a maximális fluoreszcencia és alapfluoreszcencia aránya Lassú fluoreszcencia indukciós szakasz paraméterei 5 perc elteltével: qP: fotokémiai munka qN: nem-fotokémiai munka RFD: (Fm’-Ft)/Ft, vitalitási index NPQ: nem-fotokémiai klorofill fluoreszcencia kioltó folyamatok
450
1-qP/NPQ: PSII fényérzékenysége Az eredmények értékeléséhez SigmaPlot 8.0 programot használtuk. Eredmények és Értékelésük A klorofill fluoreszcencia indukció módszert széles körben alkalmazzák a növények fiziológiai állapotának a vizsgálatára különböző stresszhelyzetekben, így tápelemhiány-, fagy-, hideg-, hő-, szárazság-, fény- és UV-stresszek jelenlétében (Lichtenthaler és Rinderle, 1988; Mészáros et al., 2001; Veres et al., 2001; Tóth et al.., 2002). A klorofill fluoreszcencia indukció gyors szakaszából meghatározható a PSII potenciális (maximális) fotokémiai hatékonysága, melyről az Fv/Fm tájékoztat számszerűen (Maxwell és Johnson, 2000). Az Fv/Fm vizsgálata kiemelkedő jelentőségű, hiszen természetes körülmények között, a növények élőhelyén, vagy adott abiotikus/biotikus környezeti tényezők mellett információt kapunk a potenciálisan lehetséges fotokémiai munkáról. Eredményeink szerint az Fv/Fm értéke nagymértékű különbséget mutat a genotípustól függően optimális nitrogén ellátás mellett is (1. ábra). Az Fv/Fm értéke optimális fejlődési körülmények között élő, hajtásos növényeknél 0.832 ±0.004 (Björkmann és DemmigAdams, 1987). Az általunk mért értékek az ideálisnak becsült értéktől kisebbek, hiszen a napszaknak megfelelően az optimálishoz képest magasabb hőmérsékleten és nagyobb fényintenzitáson történtek a mérések. A kevesebb nitrogén ellátás alatt nevelt növények esetében is nagymértékű variabilitást tapasztaltunk az Fv/Fm értékben a különböző genotípusoknál. Ugyanakkor egyes genotípusok esetében, például Lang, Spear, Stiletto kis különbség volt mérhető a potenciális fotokémiai aktivitás értékében a különböző mennyiségű nitrogén ellátást összehasonlítva. A kisebb nitrogén ellátás mellett is relatíve magas potenciális fotokémiai aktivitással jellemezhető genotípus potenciális szülőpárt jelenthet a nemesítők számára. Az indukciós görbe Fv/Fm paramétere mellett a változó (Fv) és az alap (Fo) fluoreszcencia hányadosát (Fv/Fo) is alkalmasnak találtuk a genotípusok közötti különbségek jellemzésére eltérő mennyiségű nitrogéntáplálás mellett.
451
N 1/4N
0,82
***
**
Fv/Fm
** 0,80
*
*
0,78
0,76 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 genotípusok
14
15
16
17
18
19
20
21
41
42
43
N 1/4N
*
0,82
13
*
Fv/Fm
**
* *
0,80
0,78
0,76 22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
genotípusok
1. ábra Búza genotípusok potenciális fotokémiai hatékonyságának (Fv/Fm) változása eltérő mennyiségű nitrogén (optimális:N és annak negyed része:1/4 N) ellátás esetén, bokrosodás növekedési szakaszban. n=6±s.e.
A genotípusok kisebb csoportjánál a klorofill fluoreszcencia indukciós görbe lassú szakaszának a paramétereit is vizsgáltuk. Az 1. táblázat a Halberd és Ajana genotípusokra jellemző adatokat mutatja be normál és csak negyednyi mennyiségű nitrogén táplálás esetén. A vizsgált paraméterek többségénél nem tapasztaltunk eltérést a különböző kezelés hatására. Így a vitalitási index (RFD) értéke sem volt érzékeny a kisebb mennyiségű nitrogén ellátásra.
452
1. Ajana 2. Brookton 3. Cadoux 4. Calingiri 5. Amery 6. Cranbrook 7. Carnamah 8. Gamenya 9. Arrino 10. Halberd 11. Hartog 12. Janz 13. CD87 14. Correll 15. Batavia 16. Beaver 17. Ducula 18. Farme 19. Reeves 20. WAWHT2036 21. Lang 22. EGA Blanco 23. Soissons 24. Kalannie 25. Spear 26. Stiletto 27. Kauz 28. Klasic 29. Krichauff 30. Kukri 31. Sunco 32. Tasman 33. Westonia 34. Wilgoyne 35. WAWHT2074 36. Yitpi 37. W21MMT70 38. WAWHT2046 39. Millewa 40. Neepwa 41. Wyalkatchem 42. QT2200-20 43. Mendo
1. Táblázat A klorofill-fluoreszcencia indukció lassú szakaszának paraméterei eltérő mennyiségű nitrogén (N és ¼ N) ellátás hatására Haberd és Ajana genotípusok esetében. n=3±s.e. RFD
YIELD
qP
qN
NPQ
1-qP
1-qP/NPQ
Halberd N
3,56±0,19
0,05±0 0,22±0,08 0,92±0,03 3,31±0,17 0,78±0,08
0,24±0,04
Halberd ¼ N
3,91±0,26
0,06±0 0,45±0,23 0,94±0,04 3,59±0,25 0,55±0,23
0,16±0,08
Ajana N
3,47±0,20
0,06±0 0,21±0,12 0,91±0,03 3,20±0,16 0,79±0,12
0,25±0,05
Ajana ¼ N
3,30±0,02
0,06±0 0,15±0,02 0,88±0,00 3,03±0,02 0,85±0,02
0,18±0,00
Eredményeink szerint az 1-qP/NPQ arány csökken a kevesebb hozzáférhető nitrogén hatására. Az 1-qP/NPQ arány alkalmas a PSII azon belső képességének jellemzésére, mely során a fotokémiai és nem-fotokémiai folyamatok arányát szabályozza az adott nitrogén koncentráció jelenlétében. Kevesebb mennyiségű nitrogén ellátás hatására csökken a PSII ezen képessége, amely kihathat a további fotoszintetikus lépésekre is. A mért klorofill fluoreszcencia paraméterek alapján a vizsgált genotípusok csoportokba sorolhatók, mely csoportosítás elősegíti további vizsgálatukat.
Köszönetnyilvánítás A bemutatott munkát a Magyar Állami Eötvös Ösztöndíj támogatta, melyet ezúton is köszönünk.
Irodalomjegyzék Abedi, T., Alemzadeh, A., Kazemeini, S.A. (2011): Wheat yield and grain protein response to nitrogen amount and timing. Australian Journal of Crop Science, 5 (3), 330-336 Akram, M., Farooq, S., Afzaal, M., Naz, F., Arshad, R. (2006): Chlorophyll fluorescence in different wheat genotypes grown under salt stress. Pakistan Journal of Botany, 38(5): 17391743 Björkman, O., Demmig-Adams, B. (1987): Photon yield of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77K among vascular plants of diverse origins. Planta, 170: 489-504 Diekmann, F., Fishbeck, G. (2005): Differences in wheat cultivar response to nitrogen supply II: differences in N-metabolism related traits. Journal of Agronomy and Crop Science, 191:362-376
453
FAO (2008): Current world fertilizer trends and outlook to 2012. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Viale delle Terme di Caracalla, 00153, Rome, Italy, pp. 127 Foyer C, Ferrario-Mery S, Noctor G. (2001): Interactions between carbon and nitrogen metabolism. In: Lea PJ, Morot-Gaudry J-F, eds. Plant nitrogen. Berlin: Springer-Verlag, 237254 Guóth A, Tari I, Gallé Á, Csiszár J, Pécsváradi A, Cseuz L, Erdei L. (2009): Comparison of the drought stress responses of tolerant and sensitive wheat cultivars during grain filling: changes in flag leaf photosynthetic activity, ABA levels and grain yield. J Plant Growth Reg 28: 167-176 Krause, G.H., Weis, E. (1991): Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics. Annu. Rev. Plant Physiol Plant Mol. Biol., 42:313-349
Maxwell, K., Johnson, G.N. (2000): Chlorophyll fluorescence – a practical guide. Journal of Experimental Botany, 51: 659-668 Mészáros, I., Láposi, R., Veres, Sz., Bai, E., Lakatos, G., Gáspár, A., Mile, O. (2001): Effects of supplemental UV-B and drought stress on photosynthetic activity of sessile oak (Quercus petraea L.). PS2001 Proceedings of 12th International Congress on Photosynthesis. Csiro Publishing, S3-036 Lichtenthaler, H.K., Rinderle, U. (1988): The role of chlorophyll fluorescence in the detection of stress conditions in plants. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 19: 329-383 Pedersen, L., Jorgense, J.L. (2007): Variation in rheological properties of glutein from three biscuit wheat cultivars in relation of nitrogen fertilization. Journal of Cereal Science, 46: 132138 Pepó, P. (2005): Effect of crop year, genetic and agrotechnical factors on dry matter production and accumulation in winter wheat production. Cereal Research Communication, 33(1): 29-32 Roberts, T., L. (2009): The role of fertilizers in growing the world’s food. Better Crops 93(2): 12-15 Schreiber, U., Schliwa, U., Bilger, W. (1986): Continuous recording of photochemical and non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching with a new type of modulation fluorometer. Photosynthetic Research 10: 51-62 Tóth, R.V., Mészáros, I., Veres, Sz., Nagy, J. (2002): Effects of the available nitrogen on the photosynthtetic activity and xanthophyll cycle pool of maize in field. The Journal of Plant Physiology, 159: 627-634. Veres, Sz. , Mészáros, I., Tóth, R.V. Mile, O., Lakatos, Gy. (2001): Diurnal change in potential photochemical activity of some xerophyte species in semiarid grassland under field conditions. Acta Biologica. Debrecina, 23: 56-59 U. S. Census Bureau. International Data Base, June 2011 Update
454
