תיאוריאה וארגינין שומרים באופן סינרגטי על הומאוסטזיס של חמצון-חיזור ואיזון יונים, ומקלים על עקת מלח בחיטה.

מווסתי צמיחת צמחים (PGRs)הן דרך חסכונית לשיפור הגנות הצמחים בתנאי עקה. מחקר זה בחן את יכולתם של שניPGRs, תיאוריאה (TU) וארגינין (Arg), כדי להקל על עקת מלח בחיטה. התוצאות הראו ש-TU ו-Arg, במיוחד כאשר משתמשים בהם יחד, יכולים לווסת את צמיחת הצמחים תחת עקת מלח. הטיפולים שלהם הגבירו משמעותית את פעילותם של אנזימים נוגדי חמצון תוך הפחתת רמות מיני חמצן ריאקטיביים (ROS), מלונדיאלדהיד (MDA) ודליפת אלקטרוליטים יחסית (REL) בשתילי חיטה. בנוסף, טיפולים אלה הפחיתו משמעותית את ריכוזי Na+ ו-Ca2+ ואת יחס Na+/K+, תוך הגברת ריכוז K+ משמעותית, ובכך שמרו על איזון יונים-אוסמוטי. חשוב מכך, TU ו-Arg הגבירו משמעותית את תכולת הכלורופיל, את קצב הפוטוסינתזה נטו ואת קצב חילוף הגזים של שתילי חיטה תחת עקת מלח. TU ו-Arg בשימוש לבד או בשילוב יכלו להגדיל את הצטברות החומר היבש ב-9.03-47.45%, והעלייה הייתה הגדולה ביותר כאשר נעשה בהם שימוש יחד. לסיכום, מחקר זה מדגיש כי שמירה על הומאוסטזיס של חמצון-חיזור ואיזון יונים חשובה לשיפור סבילות הצמחים לעקת מלח. בנוסף, TU ו-Arg הומלצו כטיפולים פוטנציאליים.מווסתי גדילת צמחים,במיוחד כאשר משתמשים בהם יחד, כדי לשפר את יבול החיטה.
שינויים מהירים באקלים ובשיטות החקלאיות מגבירים את ההידרדרות של מערכות אקולוגיות חקלאיות. אחת ההשלכות החמורות ביותר היא המלחת קרקעות, המאיימת על הביטחון התזונתי העולמי. המלחה משפיעה כיום על כ-20% מהאדמה הראויה לעיבוד ברחבי העולם, ונתון זה עשוי לעלות ל-50% עד שנת 2050. עקה של מלחים-בסיסים יכולה לגרום לעקה אוסמוטית בשורשי גידולים, אשר משבשת את האיזון היוני בצמח. תנאים קשים כאלה יכולים גם להוביל לפירוק מואץ של כלורופיל, ירידה בקצב הפוטוסינתזה והפרעות מטבוליות, וכתוצאה מכך יבולים מופחתים של צמחים. יתר על כן, השפעה חמורה נפוצה היא עלייה ביצירת מיני חמצן פעילים (ROS), אשר יכולים לגרום נזק חמצוני למולקולות ביולוגיות שונות, כולל DNA, חלבונים וליפידים.
חיטה (Triticum aestivum) היא אחד מגידולי הדגנים החשובים ביותר בעולם. היא לא רק גידול הדגנים הנפוץ ביותר, אלא גם גידול מסחרי חשוב. עם זאת, חיטה רגישה למלח, אשר יכול לעכב את צמיחתה, לשבש את התהליכים הפיזיולוגיים והביוכימיים שלה ולהפחית משמעותית את תנובתה. האסטרטגיות העיקריות למתן השפעות עקת המלח כוללות הנדסה גנטית ושימוש בווסתים לגידול צמחים. אורגניזמים מהונדסים גנטית (GM) הם שימוש בעריכה גנטית ובטכניקות אחרות לפיתוח זני חיטה עמידים למלח. מצד שני, ווסתים לגידול צמחים משפרים את הסבילות למלח בחיטה על ידי ויסות פעילויות פיזיולוגיות ורמות של חומרים הקשורים למלח, ובכך מפחיתים נזקי עקה. ווסתים אלה מקובלים בדרך כלל ונמצאים בשימוש נרחב יותר מגישות טרנסגניות. הם יכולים לשפר את הסבילות של הצמחים למגוון עקה אביוטית כמו מליחות, בצורת ומתכות כבדות, ולקדם נביטת זרעים, ספיגת חומרים מזינים וצמיחת רבייה, ובכך להגדיל את תנובת היבול ואיכותו. ווסתים לגידול צמחים הם קריטיים להבטחת צמיחת היבול ולשמירה על תנובה ואיכות בשל ידידותיותם לסביבה, קלות השימוש, יעילות העלות והמעשיות שלהם. 13 עם זאת, מכיוון שלמודולטורים אלה מנגנוני פעולה דומים, שימוש באחד מהם בלבד עשוי לא להיות יעיל. מציאת שילוב של מווסתי צמיחה שיכולים לשפר את הסבילות למלח בחיטה היא קריטית לגידול חיטה בתנאים קשים, להגדיל את היבולים ולהבטיח את ביטחון המזון.
אין מחקרים שבדקו את השימוש המשולב ב-TU וב-Arg. לא ברור האם שילוב חדשני זה יכול לקדם באופן סינרגטי את צמיחת החיטה תחת עקת מלח. לכן, מטרת מחקר זה הייתה לקבוע האם שני מווסתי צמיחה אלה יכולים להקל באופן סינרגטי על ההשפעות השליליות של עקת מלח על חיטה. לשם כך, ערכנו ניסוי הידרופוני קצר טווח בשתילי חיטה כדי לחקור את היתרונות של יישום משולב של TU ו-Arg על חיטה תחת עקת מלח, תוך התמקדות באיזון החמצון והאיזון היוני של הצמחים. שיערנו כי השילוב של TU ו-Arg יכול לפעול באופן סינרגטי כדי להפחית נזק חמצוני הנגרם כתוצאה מעקת מלח ולנהל חוסר איזון יוני, ובכך לשפר את הסבילות למלח בחיטה.
תכולת ה-MDA בדגימות נקבעה בשיטת החומצה התיוברביטורית. שקלו במדויק 0.1 גרם של אבקת דגימה טרייה, הוסיפו 1 מ"ל של חומצה טריכלורואצטית 10% למשך 10 דקות, צנטריפוגה ב-10,000 גרם למשך 20 דקות, ואספו את הנוזל העל-תכליתי. התמצית עורבבה עם נפח שווה של חומצה תיוברביטורית 0.75% ודגרו ב-100 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. לאחר הדגירה, נאסף הנוזל העל-תכליתי באמצעות צנטריפוגה, וערכי ה-OD ב-450 ננומטר, 532 ננומטר ו-600 ננומטר נמדדו. ריכוז ה-MDA חושב כדלקמן:
בדומה לטיפול בן 3 הימים, גם יישום של Arg ו-Tu הגביר משמעותית את פעילות האנזימים נוגדי החמצון של שתילי החיטה במסגרת טיפול בן 6 הימים. השילוב של TU ו-Arg עדיין היה היעיל ביותר. עם זאת, 6 ימים לאחר הטיפול, פעילותם של ארבעת האנזימים נוגדי החמצון בתנאי טיפול שונים הראתה מגמת ירידה בהשוואה ל-3 ימים לאחר הטיפול (איור 6).
פוטוסינתזה היא הבסיס להצטברות חומר יבש בצמחים ומתרחשת בכלורופלסטים, הרגישים ביותר למלח. עקה במלח יכולה להוביל לחמצון של קרום הפלזמה, לשיבוש איזון אוסמוטי תאי, נזק למבנה העל-תאי של הכלורופלסטים36, לגרום לפירוק כלורופיל, להפחית את פעילותם של אנזימי מחזור קלווין (כולל רוביסקו), ולהפחית את העברת האלקטרונים מ-PS II ל-PS I37. בנוסף, עקה במלח יכולה לגרום לסגירת הפיוניות, ובכך להפחית את ריכוז ה-CO2 בעלים ולעכב את הפוטוסינתזה38. תוצאותינו אישרו ממצאים קודמים לפיהם עקה במלח מפחיתה את המוליכות הפיוניות בחיטה, וכתוצאה מכך מופחתת קצב דיות העלים וריכוז ה-CO2 התוך-תאי, מה שמוביל בסופו של דבר לירידה ביכולת הפוטוסינתזה ולירידה בביומסה של חיטה (איורים 1 ו-3). ראוי לציין כי יישום של TU ו-Arg יכול לשפר את יעילות הפוטוסינתזה של צמחי חיטה תחת עקה במלח. השיפור ביעילות הפוטוסינתזה היה משמעותי במיוחד כאשר TU ו-Arg יושמו בו זמנית (איור 3). ייתכן שזה נובע מהעובדה ש-TU ו-Arg מווסתים את הפתיחה והסגירה של הפיוניות, ובכך משפרים את יעילות הפוטוסינתזה, נתמך על ידי מחקרים קודמים. לדוגמה, Bencarti ועמיתיו מצאו שתחת עקת מלח, TU הגביר משמעותית את המוליכות של הפיוניות, את קצב הטמעת ה-CO2 ואת היעילות הקוונטית המקסימלית של פוטוכימיה של PSII ב-Atriplex portulacoides L.39. למרות שאין דיווחים ישירים המוכיחים ש-Arg יכול לווסת את הפתיחה והסגירה של הפיוניות בצמחים החשופים לעקת מלח, Silveira ועמיתיו ציינו ש-Arg יכול לקדם חילוף גזים בעלים בתנאי בצורת .
לסיכום, מחקר זה מדגיש כי למרות מנגנוני הפעולה והתכונות הפיזיקוכימיות השונים שלהם, TU ו-Arg יכולים לספק עמידות דומה לעקה של NaCl בשתילי חיטה, במיוחד כאשר מיושמים יחד. השימוש ב-TU ו-Arg יכול להפעיל את מערכת ההגנה של אנזימים נוגדי חמצון בשתילי חיטה, להפחית את תכולת ה-ROS ולשמור על יציבות הליפידים בממברנה, ובכך לשמור על פוטוסינתזה ואיזון Na+/K+ בשתילים. עם זאת, למחקר זה יש גם מגבלות; למרות שההשפעה הסינרגטית של TU ו-Arg אושרה והמנגנון הפיזיולוגי שלהם הוסבר במידה מסוימת, המנגנון המולקולרי המורכב יותר נותר לא ברור. לכן, יש צורך במחקר נוסף של המנגנון הסינרגטי של TU ו-Arg באמצעות שיטות טרנסקריפטומיות, מטבולומיות ואחרות.
מערכי הנתונים ששימשו ו/או נותחו במהלך המחקר הנוכחי זמינים מהמחבר המתאים על פי בקשה סבירה.