식물 생장 조절제는 다양한 작물의 고온 스트레스를 줄이기 위한 전략으로 사용되어 왔다.

콜롬비아에서는 기후 변화와 기후 변동성으로 인해 쌀 생산량이 감소하고 있다.식물 생장 조절제고온 스트레스는 다양한 작물의 생육에 있어 여러 가지 작물의 스트레스를 줄이는 전략으로 활용되어 왔습니다. 따라서 본 연구의 목적은 고온 스트레스(주간 및 야간 고온), 잎 표면 온도, 상대 수분 함량의 복합적인 조건에 노출된 두 가지 상업용 벼 품종의 생리적 영향(기공 전도도, 총 엽록소 함량, Fv/Fm 비율)과 생화학적 변수(말론디알데히드(MDA) 및 프롤린산 함량)를 평가하는 것이었습니다. 첫 번째와 두 번째 실험은 각각 Federrose 67(“F67”)과 Federrose 2000(“F2000”) 두 가지 벼 품종을 이용하여 수행되었으며, 두 실험은 하나의 실험 시리즈로 통합 분석되었습니다. 설정된 처리군은 다음과 같습니다: 절대 대조군(AC)(최적 온도(주간/야간 온도 30/25°C)에서 재배한 벼), 고온 스트레스 대조군(SC)(고온/고온 복합 스트레스만 가한 벼). 벼에 고온 스트레스(30°C)를 가하고, 식물 생장 조절제(스트레스+AUX, 스트레스+BR, 스트레스+CK 또는 스트레스+GA)를 두 번(고온 스트레스 5일 전과 5일 후) 살포하였다. 살리실산(SA) 살포는 두 품종 모두에서 총 엽록소 함량을 증가시켰다(벼 "F67"과 "F2000"의 생체중은 각각 3.25mg/g과 3.65mg/g이었음). 이는 고온 스트레스 대조군("F67"의 생체중은 2.36mg/g과 2.56mg/g이었음)과 비교한 결과이다. 또한, CK 엽면 살포는 고온 스트레스 대조군에 비해 "F2000" 벼의 기공 전도도를 전반적으로 향상시켰다(499.25mmol m⁻² s 대 150.60mmol m⁻² s). 고온 스트레스 하에서 식물체의 윗부분 온도는 2~3°C 감소하고, 식물체의 MDA 함량은 감소하였다. 상대적 내성 지수는 CK(97.69%)와 BR(60.73%)의 엽면 살포가 주로 F2000 벼에서 복합 고온 스트레스 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있음을 보여줍니다. 결론적으로, BR 또는 CK의 엽면 살포는 복합 고온 스트레스 조건이 벼의 생리적 행동에 미치는 부정적인 영향을 줄이는 데 도움이 되는 농업적 전략으로 고려될 수 있습니다.
쌀(Oryza sativa)은 벼과에 속하며 옥수수, 밀과 함께 세계에서 가장 많이 재배되는 곡물 중 하나입니다(Bajaj and Mohanty, 2005). 쌀 재배 면적은 617,934헥타르이며, 2020년 전국 생산량은 2,937,840톤, 평균 수확량은 헥타르당 5.02톤이었습니다(Federarroz (Federación Nacional de Arroceros), 2021).
지구 온난화는 벼 작물에 영향을 미쳐 고온 및 가뭄과 같은 다양한 유형의 비생물적 스트레스를 유발하고 있습니다. 기후 변화로 인해 지구 온도가 상승하고 있으며, 21세기에는 1.0~3.7°C 상승할 것으로 예상되어 고온 스트레스의 빈도와 강도가 증가할 수 있습니다. 환경 온도 상승은 벼 작물에 영향을 미쳐 수확량이 6~7% 감소하는 결과를 초래했습니다. 또한, 기후 변화는 열대 및 아열대 지역에서 심각한 가뭄이나 고온과 같은 작물 생육에 불리한 환경 조건을 야기하기도 합니다. 엘니뇨와 같은 기후 변동 현상은 일부 열대 지역에서 고온 스트레스를 유발하고 작물 피해를 악화시킬 수 있습니다. 콜롬비아의 벼 생산 지역 온도는 2050년까지 2~2.5°C 상승할 것으로 예상되어 벼 생산량 감소와 시장 및 공급망으로의 제품 흐름에 악영향을 미칠 것으로 전망됩니다.
대부분의 벼는 작물 생장에 최적의 온도 범위에 가까운 지역에서 재배됩니다(Shah et al., 2011). 벼의 최적 평균 일광 및 야간 온도는 다음과 같다고 보고되었습니다.벼의 생장 및 발달일반적으로 적정 온도는 각각 28°C와 22°C입니다(Kilasi et al., 2018; Calderón-Páez et al., 2021). 이 임계값을 초과하는 온도는 벼 생육의 민감한 단계(분얼기, 개화기, 개화기, 곡립기) 동안 중등도에서 심각한 열 스트레스를 유발하여 수확량에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 수확량 감소는 주로 식물 생리에 영향을 미치는 장기간의 열 스트레스 때문입니다. 스트레스 지속 기간 및 최고 온도와 같은 다양한 요인의 상호 작용으로 인해 열 스트레스는 식물 대사 및 발달에 돌이킬 수 없는 손상을 초래할 수 있습니다.
고온 스트레스는 식물의 다양한 생리적 및 생화학적 과정에 영향을 미칩니다. 벼에서 잎의 광합성은 고온 스트레스에 가장 민감한 과정 중 하나로, 일일 기온이 35°C를 초과하면 광합성 속도가 50% 감소합니다. 벼의 생리적 반응은 고온 스트레스의 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어, 식물이 높은 주간 온도(33~40°C) 또는 높은 주간 및 야간 온도(주간 35~40°C, 야간 28~30°C, C는 야간을 의미)에 노출되면 광합성 속도와 기공 전도도가 억제됩니다(Lü et al., 2013; Fahad et al., 2016; Chaturvedi et al., 2017). 높은 야간 온도(30°C)는 광합성을 다소 억제하지만 야간 호흡을 증가시킵니다(Fahad et al., 2016; Alvarado-Sanabria et al., 2017). 스트레스 기간에 관계없이 고온 스트레스는 벼 잎의 엽록소 함량, 엽록소 가변 형광 대 최대 엽록소 형광 비율(Fv/Fm), 그리고 루비스코 활성화에 영향을 미칩니다(Cao et al. 2009; Yin et al. 2010; Sanchez Reynoso et al., 2014).
생화학적 변화는 식물이 고온 스트레스에 적응하는 또 다른 측면입니다(Wahid et al., 2007). 프롤린 함량은 식물 스트레스의 생화학적 지표로 사용되어 왔습니다(Ahmed and Hassan, 2011). 프롤린은 탄소 또는 질소 공급원 역할을 하고 고온 조건에서 막 안정제 역할을 하므로 식물 대사에 중요한 역할을 합니다(Sánchez-Reinoso et al., 2014). 고온은 또한 지질 과산화를 통해 막 안정성에 영향을 미치고, 이는 말론디알데히드(MDA) 생성을 유발합니다(Wahid et al., 2007). 따라서 MDA 함량은 고온 스트레스 하에서 세포막의 구조적 안정성을 이해하는 데에도 사용되어 왔습니다(Cao et al., 2009; Chavez-Arias et al., 2018). 마지막으로, 복합 고온 스트레스[37/30°C(주간/야간)]는 벼에서 전해질 누출률과 MDA 함량을 증가시켰습니다(Liu et al., 2013).
식물 생장 조절제(GR)는 고온 스트레스의 부정적인 영향을 완화하는 데 효과적인 것으로 평가되어 왔는데, 이는 이러한 물질들이 식물의 고온 스트레스에 대한 반응 또는 생리적 방어 기전에 적극적으로 관여하기 때문입니다(Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Ahmed et al., 2015). 외부 유전자원의 도입은 다양한 작물의 고온 스트레스 내성에 긍정적인 영향을 미쳤습니다. 연구에 따르면 지베렐린(GA), 사이토키닌(CK), 옥신(AUX) 또는 브라시노스테로이드(BR)와 같은 식물 호르몬은 다양한 생리적 및 생화학적 변수를 증가시키는 것으로 나타났습니다(Peleg and Blumwald, 2011; Yin et al., 2011; Mitler et al., 2012; Zhou et al., 2014). 콜롬비아에서는 외부 유전자원의 도입과 그것이 벼 작물에 미치는 영향에 대한 연구가 충분히 이루어지지 않았습니다. 그러나 이전 연구에서는 BR의 엽면 살포가 벼 묘목 잎의 가스 교환 특성, 엽록소 또는 프롤린 함량을 개선하여 벼의 내성을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다(Quintero-Calderón et al., 2021).
사이토키닌은 열 스트레스를 포함한 비생물적 스트레스에 대한 식물의 반응을 조절합니다(Ha et al., 2012). 또한, 사이토키닌을 외부에서 처리하면 열 손상을 줄일 수 있다는 보고가 있습니다. 예를 들어, 제아틴을 외부에서 처리하면 열 스트레스 상황에서 크리핑 벤트그래스(Agrotis estolonifera)의 광합성 속도, 엽록소 a와 b 함량, 전자 전달 효율이 증가합니다(Xu and Huang, 2009; Jespersen and Huang, 2015). 제아틴의 외부 처리는 또한 항산화 활성을 향상시키고, 다양한 단백질 합성을 촉진하며, 식물 조직에서 활성산소종(ROS) 손상과 말론디알데히드(MDA) 생성을 감소시킬 수 있습니다(Chernyadyev, 2009; Yang et al., 2009, 2016; Kumar et al., 2020).
지베렐린산(GA)은 고온 스트레스에 대한 긍정적인 반응을 보이는 것으로 나타났습니다. 연구에 따르면 GA 생합성은 다양한 대사 경로를 조절하고 고온 조건에서 내성을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다(Alonso-Ramirez et al., 2009; Khan et al., 2020). Abdel-Nabi et al.(2020)은 외인성 GA(25 또는 50 mg*L)를 엽면 살포했을 때 고온 스트레스를 받은 오렌지 식물의 광합성 속도와 항산화 활성이 대조군 식물에 비해 증가하는 것을 발견했습니다. 또한 외인성 히알루론산(HA)을 처리하면 고온 스트레스를 받은 대추야자(Phoenix dactylifera)의 상대 수분 함량, 엽록소 및 카로티노이드 함량이 증가하고 지질 과산화가 감소하는 것으로 관찰되었습니다(Khan et al., 2020). 옥신 또한 고온 조건에 대한 적응적 생장 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다(Sun et al., 2012; Wang et al., 2016). 이 생장 조절제는 비생물적 스트레스 하에서 프롤린 합성 또는 분해와 같은 다양한 과정에서 생화학적 지표 역할을 합니다(Ali et al., 2007). 또한, AUX는 항산화 활성을 향상시켜 지질 과산화를 감소시키고 식물 내 MDA 함량을 낮추는 효과도 있습니다(Bielach et al., 2017). Sergeev et al. (2018)은 고온 스트레스를 받은 완두콩(Pisum sativum)에서 프롤린(-디메틸아미노에톡시카르보닐메틸)나프틸클로로메틸 에테르(TA-14) 함량이 증가하는 것을 관찰했습니다. 같은 실험에서, AUX를 처리한 식물은 처리하지 않은 식물에 비해 MDA 함량이 더 낮은 것을 확인했습니다.
브라시노스테로이드는 열 스트레스의 영향을 완화하는 데 사용되는 또 다른 종류의 생장 조절제입니다. Ogweno 등(2008)은 외인성 브라시노스테로이드(BR) 분무가 8일 동안 열 스트레스를 받은 토마토(Solanum lycopersicum) 식물의 순 광합성 속도, 기공 전도도 및 루비스코 카르복실화 최대 속도를 증가시킨다고 보고했습니다. 에피브라시노스테로이드의 엽면 살포는 열 스트레스를 받은 오이(Cucumis sativus) 식물의 순 광합성 속도를 증가시킬 수 있습니다(Yu 등, 2004). 또한, 외인성 브라시노스테로이드 처리는 열 스트레스를 받은 식물에서 엽록소 분해를 지연시키고 수분 이용 효율과 광계 II 광화학 반응의 최대 양자 수율을 증가시킵니다(Holá 등, 2010; Toussagunpanit 등, 2015).
기후 변화와 변동성으로 인해 벼 작물은 일일 기온이 높은 기간에 직면합니다(Lesk et al., 2016; Garcés, 2020; Federarroz(Federación Nacional de Arroceros), 2021). 식물 표현형 분석에서 벼 재배 지역의 열 스트레스를 완화하기 위한 전략으로 식물 영양소 또는 생물 자극제의 사용이 연구되었습니다(Alvarado-Sanabria et al., 2017; Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderón et al., 2021). 또한, 생화학적 및 생리적 변수(잎 온도, 기공 전도도, 엽록소 형광 매개변수, 엽록소 및 상대 수분 함량, 말론디알데히드 및 ​​프롤린 합성)의 사용은 국내외적으로 고온 스트레스 조건 하의 벼를 선별하는 데 신뢰할 수 있는 도구입니다(Sánchez-Reynoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017). 그러나 국내 수준에서 벼에 대한 엽면 식물 호르몬 살포 연구는 아직 미흡합니다. 따라서 식물 생장 조절제 적용에 따른 생리적 및 생화학적 반응 연구는 벼의 복합적인 고온 스트레스 기간의 부정적인 영향을 해결하기 위한 실용적인 농업 전략을 제시하는 데 매우 중요합니다. 따라서 본 연구의 목적은 네 가지 식물 생장 조절제(AUX, CK, GA 및 BR)의 엽면 살포가 벼에 미치는 생리적(기공 전도도, 엽록소 형광 매개변수 및 상대 수분 함량) 및 생화학적 효과를 평가하는 것입니다. (광합성 색소, 말론디알데히드 및 ​​프롤린 함량) 고온 스트레스(높은 주야 온도)에 노출된 두 가지 상업용 벼 품종의 변수.
본 연구에서는 두 가지 독립적인 실험을 수행했습니다. 첫 번째 실험에는 Federrose 67(F67: 지난 10년간 고온 환경에서 개발된 품종)을, 두 번째 실험에는 Federrose 2000(F2000: 20세기 마지막 10년간 개발되어 흰잎바이러스 저항성을 보이는 품종)을 처음으로 사용했습니다. 두 품종 모두 콜롬비아 농부들이 널리 재배하고 있습니다. 종자는 유기물 함량 2%의 사양토가 담긴 10L 트레이(길이 39.6cm, 너비 28.8cm, 높이 16.8cm)에 파종했습니다. 각 트레이에는 발아시킨 종자 5개를 심었습니다. 팔레트는 콜롬비아 국립대학교 보고타 캠퍼스 농학대학 온실(북위 43°50′56″, 서경 74°04′051″)에 설치되었으며, 해발 2556m 고도에서 2019년 10월부터 12월까지 실험이 진행되었다. 한 실험(Federroz 67)은 2020년 같은 시기에, 다른 실험(Federroz 2000)은 2019년 10월부터 12월까지 진행되었다.
각 재배 기간 동안 온실의 환경 조건은 다음과 같습니다. 주간 및 야간 온도 30/25°C, 상대 습도 60~80%, 자연 광주기 12시간(광합성 유효 복사량 1500 µmol(광자) m⁻² s⁻¹, 정오 1시). 파종 후 20일(DAE)에 각 원소 함량에 따라 Sánchez-Reinoso et al.(2019)의 방법에 따라 비료를 시비했습니다. 질소 670mg/포기, 인 110mg/포기, 칼륨 350mg/포기, 칼슘 68mg/포기, 마그네슘 20mg/포기, 황 20mg/포기, 규소 17mg/포기입니다. 식물체에는 붕소 10mg/포기, 구리 17mg/포기, 아연 44mg/포기가 함유되어 있습니다. 벼는 각 실험에서 생육 단계 V5에 도달하는 파종 후 47일까지 재배했습니다. 이전 연구에서는 이 생육 단계가 벼의 열 스트레스 연구를 수행하기에 적절한 시기임을 보여주었습니다(Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2017).
각 실험에서 잎 생장 조절제를 두 번에 걸쳐 살포했습니다. 첫 번째 엽면 식물 호르몬 살포는 열 스트레스 처리 5일 전(파종 후 42일)에 실시하여 식물을 환경 스트레스에 대비시켰습니다. 두 번째 엽면 살포는 식물을 스트레스 조건에 노출시킨 후 5일 후(파종 후 52일)에 실시했습니다. 본 연구에서는 네 가지 식물 호르몬을 사용했으며, 각 활성 성분의 특성은 부록 표 1에 제시되어 있습니다. 사용된 잎 생장 조절제의 농도는 다음과 같습니다. (i) 옥신(1-나프틸아세트산: NAA) 5 × 10⁻⁵ M, (ii) 지베렐린(지베렐산: NAA; GA₃) 5 × 10⁻⁵ M. (iii) 사이토키닌(트랜스-제아틴) 1 × 10⁻⁵ M (iv) 브라시노스테로이드[스피로스탄-6-온, 3,5-디하이드록시-, (3b,5a,25R)] 5 × 10⁻⁵ M. 이러한 농도는 긍정적인 반응을 유도하고 식물의 열 스트레스 저항성을 증가시키기 때문에 선택되었습니다(Zahir et al., 2001; Wen et al., 2010; El-Bassiony et al., 2012; Salehifar et al., 2017). 식물 생장 조절제를 살포하지 않은 벼에는 증류수만 처리했습니다. 모든 벼에는 손 분무기를 사용하여 20ml의 물을 잎의 위아래 면을 적시도록 살포했습니다. 모든 엽면 살포에는 농업용 보조제(아그로틴, Bayer CropScience, 콜롬비아)를 0.1%(v/v) 농도로 사용했습니다. 화분과 분무기 사이의 거리는 30cm입니다.
각 실험에서 1차 엽면 살포 후 5일(47 DAE)째에 열 스트레스 처리를 실시했습니다. 벼는 온실에서 294L 생장 챔버(MLR-351H, Sanyo, IL, USA)로 옮겨 열 스트레스 처리를 하거나 동일한 환경 조건을 유지했습니다(47 DAE). 복합 열 스트레스 처리는 챔버의 온도를 다음과 같이 설정하여 진행했습니다. 주간 최고 온도 [40°C, 5시간(11:00~16:00)] 및 야간 [30°C, 5시간]. 이 과정을 8일 연속(19:00~24:00) 실시했습니다. 스트레스 온도와 노출 시간은 기존 연구(Sánchez-Reynoso et al. 2014; Alvarado-Sanabría et al. 2017)를 참고하여 선정했습니다. 반면, 생장실로 옮겨진 식물들은 8일 동안 온실에서 동일한 온도(낮 30°C/밤 25°C)로 유지되었다.
실험 결과, 다음과 같은 처리군이 얻어졌다: (i) 생육 온도 조건 + 증류수 처리 [절대 대조군(AC)], (ii) 고온 스트레스 조건 + 증류수 처리 [고온 스트레스 대조군(SC)], (iii) 고온 스트레스 조건 + 옥신 처리(AUX), (iv) 고온 스트레스 조건 + 지베렐린 처리(GA), (v) 고온 스트레스 조건 + 사이토키닌 처리(CK), (vi) 고온 스트레스 조건 + 브라시노스테로이드 처리(BR). 이 처리군은 두 가지 유전자형(F67 및 F2000)에 적용되었다. 모든 처리는 5반복의 완전 무작위 설계로 수행되었으며, 각 반복은 한 포기의 식물로 구성되었다. 각 식물은 실험 종료 시점에 측정된 변수들을 분석하는 데 사용되었다. 실험은 파종 후 55일(DAE) 동안 진행되었다.
기공 전도도(gs)는 휴대용 기공 측정기(SC-1, METER Group Inc., USA)를 사용하여 0~1000 mmol m⁻² s⁻¹ 범위에서 측정하였으며, 시료 챔버의 개구부는 6.35 mm였습니다. 측정은 식물의 주 줄기가 완전히 펼쳐진 성숙한 잎에 기공 측정기 프로브를 부착하여 수행했습니다. 각 처리 조건에 대해, 각 식물의 잎 세 개에서 오전 11시에서 오후 4시 사이에 gs 값을 측정하고 평균값을 구했습니다.
상대수분함량(RWC)은 Ghoulam et al.(2002)이 기술한 방법에 따라 측정하였다. g 값을 측정할 때 사용했던 완전히 펼쳐진 잎을 RWC 측정에도 사용하였다. 생중량(FW)은 수확 직후 디지털 저울을 이용하여 측정하였다. 잎을 물이 담긴 플라스틱 용기에 넣고 실온(22°C)의 암실에 48시간 동안 보관한 후, 디지털 저울로 측정하여 팽창 중량(TW)을 기록하였다. 팽창된 잎은 75°C 오븐에서 48시간 동안 건조시킨 후 건중량(DW)을 측정하였다.
상대적 엽록소 함량은 엽록소 측정기(atLeafmeter, FT Green LLC, USA)를 사용하여 측정하고 atLeaf 단위로 나타냈다(Dey et al., 2016). 광계 II 최대 양자 효율(Fv/Fm 비율)은 연속 여기 엽록소 형광계(Handy PEA, Hansatech Instruments, UK)를 사용하여 측정했다. Fv/Fm 측정 전, 잎을 잎 클램프를 사용하여 20분 동안 암적응시켰다(Restrepo-Diaz and Garces-Varon, 2013). 잎을 암적응시킨 후, 기준선(F0)과 최대 형광(Fm)을 측정했다. 이러한 데이터를 이용하여 가변 형광(Fv = Fm – F0), 가변 형광과 최대 형광의 비율(Fv/Fm), PSII 광화학의 최대 양자 수율(Fv/F0) 및 Fm/F0 비율을 계산하였다(Baker, 2008; Lee et al., 2017). 상대 엽록소 함량과 엽록소 형광 측정은 gs 측정에 사용된 동일한 잎에서 수행하였다.
생화학적 변수 측정을 위해 약 800mg의 잎 생체중량을 채취하였다. 채취한 잎 시료는 액체 질소에서 균질화한 후 추가 분석을 위해 보관하였다. 조직 내 엽록소 a, b 및 카로티노이드 함량 측정에 사용된 분광학적 방법은 Wellburn(1994)이 제시한 방법과 방정식을 기반으로 한다. 잎 조직 시료(30mg)를 채취하여 80% 아세톤 3ml에 넣고 균질화하였다. 그런 다음 입자를 제거하기 위해 원심분리기(모델 420101, Becton Dickinson Primary Care Diagnostics, USA)를 이용하여 5000rpm에서 10분간 원심분리하였다. 상등액에 80% 아세톤을 첨가하여 최종 부피를 6ml로 희석하였다(Sims and Gamon, 2002). 엽록소 함량은 분광광도계(Spectronic BioMate 3 UV-vis, Thermo, USA)를 사용하여 663nm(엽록소 a) 및 646nm(엽록소 b)에서, 카로티노이드 함량은 470nm에서 측정하였다.
Hodges 등(1999)이 기술한 티오바르비투르산(TBA) 방법을 사용하여 막 지질 과산화(MDA)를 측정했습니다. 약 0.3g의 잎 조직을 액체 질소에서 균질화했습니다. 시료를 5000rpm으로 원심분리한 후 분광광도계를 이용하여 440nm, 532nm, 600nm에서 흡광도를 측정했습니다. 마지막으로 소광계수(157 M mL⁻¹)를 이용하여 MDA 농도를 계산했습니다.
모든 처리군의 프롤린 함량은 Bates 등(1973)이 기술한 방법을 사용하여 측정하였다. 보관된 시료에 3% 설포살리실산 수용액 10ml를 첨가하고 Whatman 필터 페이퍼(No. 2)로 여과하였다. 이 여과액 2ml에 아세트산 2ml와 빙초산 2ml를 첨가하여 반응시켰다. 혼합물을 90°C 수조에서 1시간 동안 반응시켰다. 얼음 위에서 반응시켜 반응을 중지시켰다. 볼텍스 셰이커를 사용하여 튜브를 격렬하게 흔든 후, 생성된 용액을 톨루엔 4ml에 용해시켰다. 흡광도는 광합성 색소 정량에 사용했던 동일한 분광광도계(Spectronic BioMate 3 UV-Vis, Thermo, Madison, WI, USA)를 사용하여 520nm에서 측정하였다.
Gerhards et al.(2016)이 설명한 방법을 사용하여 캐노피 온도와 CSI를 계산했습니다. 스트레스 기간이 끝날 무렵 FLIR 2 카메라(FLIR Systems Inc., Boston, MA, USA)를 사용하여 ±2°C의 정확도로 열화상 사진을 촬영했습니다. 사진 촬영을 위해 식물 뒤에 흰색 표면을 놓았습니다. 두 개의 화분을 기준 모델로 사용했습니다. 식물을 흰색 표면 위에 놓았는데, 하나는 모든 기공이 열린 상태를 모방하기 위해 농업용 보조제(Agrotin, Bayer CropScience, Bogotá, Colombia)를 도포한 습윤 모드(Twet)였고, 다른 하나는 아무런 처리를 하지 않은 잎이었습니다(건윤 모드(Tdry))(Castro-Duque et al., 2020). 촬영 중 카메라와 화분 사이의 거리는 1m였습니다.
상대적 내성 지수(RTI)는 스트레스 처리를 하지 않고 생장 조절제를 적용한 대조 식물과 비교하여 처리 식물의 기공 전도도(gs)를 이용하여 간접적으로 계산하였으며, 이를 통해 본 연구에서 평가한 처리 유전자형의 내성을 측정하였다. RTI는 Chávez-Arias et al.(2020)의 방정식을 변형하여 구하였다.
각 실험에서, 위에서 언급한 모든 생리적 변수는 상부 수관에서 채취한 완전히 펼쳐진 잎을 이용하여 파종 후 55일(55 DAE)에 측정 및 기록하였다. 또한, 식물의 생장 환경 조건을 변화시키지 않기 위해 모든 측정은 생장 챔버에서 수행하였다.
첫 번째와 두 번째 실험의 데이터를 하나의 실험 시리즈로 통합하여 분석했습니다. 각 실험군은 5개의 식물로 구성되었으며, 각 식물을 하나의 실험 단위로 간주했습니다. 분산 분석(ANOVA)을 실시했으며, 유의미한 차이가 발견된 경우 P ≤ 0.05 유의수준에서 Tukey 사후 비교 검정을 수행했습니다. 백분율 값은 아크사인 함수를 이용하여 변환했습니다. 데이터 분석은 Statistix v 9.0 소프트웨어(Analytical Software, Tallahassee, FL, USA)를 사용하여 수행했으며, 그래프 작성은 SigmaPlot(버전 10.0; Systat Software, San Jose, CA, USA)을 사용했습니다. 주성분 분석은 InfoStat 2016 소프트웨어(Analysis Software, National University of Cordoba, Argentina)를 이용하여 수행하여 연구 대상 식물 생장 조절제 중 가장 효과적인 물질을 확인했습니다.
표 1은 실험, 다양한 처리, 그리고 이들의 상호작용이 잎의 광합성 색소(엽록소 a, b, 총 엽록소 및 카로티노이드), 말론디알데히드(MDA) 및 프롤린 함량, 그리고 기공 전도도에 미치는 영향을 보여주는 분산 분석(ANOVA) 결과를 요약한 것이다. gs는 상대 수분 함량(RWC), 엽록소 함량, 엽록소 알파 형광, 크라운 온도(PCT)(°C), 작물 스트레스 지수(CSI) 및 상대 내성 지수를 나타낸다. (파종 후 55일)
표 1. 실험(유전자형)과 열 스트레스 처리 간의 벼 생리 및 생화학적 변수에 대한 분산 분석(ANOVA) 데이터 요약.
표 2는 실험 및 처리 간 잎 광합성 색소 상호작용, 상대적 엽록소 함량(Atleaf 측정값), 알파-엽록소 형광 매개변수의 차이(P≤0.01)를 보여준다. 높은 주간 및 야간 온도는 총 엽록소 및 카로티노이드 함량을 증가시켰다. 식물호르몬을 엽면 살포하지 않은 벼 묘목("F67"의 경우 2.36 mg g⁻¹, "F2000"의 경우 2.56 mg g⁻¹)은 최적 온도 조건에서 재배한 식물(2.67 mg g⁻¹)에 비해 총 엽록소 함량이 낮았다. 두 실험 모두에서 "F67"은 2.80 mg g⁻¹, "F2000"은 2.80 mg g⁻¹였다. 또한, 고온 스트레스 조건에서 AUX와 GA를 함께 살포한 벼 묘목은 두 품종 모두에서 엽록소 함량이 감소하는 양상을 보였다(F67: AUX = 1.96 mg g⁻¹ 및 GA = 1.45 mg g⁻¹, F2000: AUX = 2.24 mg g⁻¹ 및 GA = 1.43 mg g⁻¹). 고온 스트레스 조건에서 BR 엽면 처리는 두 품종 모두에서 엽록소 함량을 약간 증가시켰다. 마지막으로, 대조군(CK) 엽면 살포는 F67(3.24 mg g⁻¹)과 F2000(3.65 mg g⁻¹) 품종에서 모든 처리(AUX, GA, BR, SC 및 AC 처리) 중 가장 높은 광합성 색소 함량을 나타냈다. 엽록소 함량(Atleaf 단위) 또한 열 스트레스에 의해 감소했습니다. 두 품종 모두에서 CC를 살포한 식물에서 가장 높은 값이 기록되었습니다(F67 품종 41.66, F2000 품종 49.30). Fv와 Fv/Fm 비율은 처리와 품종 간에 유의미한 차이를 보였습니다(표 2). 전반적으로 이러한 변수들 중에서 F67 품종이 F2000 품종보다 열 스트레스에 덜 민감했습니다. Fv와 Fv/Fm 비율은 두 번째 실험에서 더 큰 영향을 받았습니다. 식물 호르몬을 전혀 살포하지 않은 스트레스를 받은 'F2000' 묘목은 가장 낮은 Fv 값(2120.15)과 Fv/Fm 비율(0.59)을 나타냈지만, CK를 엽면 살포하자 이러한 값들이 회복되었습니다(Fv: 2591.89, Fv/Fm 비율: 0.73). 최적 온도 조건에서 재배한 "F2000" 식물에서 기록된 것과 유사한 측정값을 얻었다(Fv: 2955.35, Fv/Fm 비율: 0.73:0.72). 초기 형광(F0), 최대 형광(Fm), PSII의 최대 광화학 양자 수율(Fv/F0) 및 Fm/F0 비율에서 유의미한 차이는 없었다. 마지막으로, BR은 CK에서 관찰된 것과 유사한 경향을 보였다(Fv 2545.06, Fv/Fm 비율 0.73).
표 2. 복합 열 스트레스(주간 40°C/야간 30°C)가 잎의 광합성 색소[총 엽록소(Chl Total), 엽록소 a(Chl a), 엽록소 b(Chl b) 및 카로티노이드 Cx+c], 상대 엽록소 함량(Atliff 단위), 엽록소 형광 매개변수(초기 형광(F0), 최대 형광(Fm), 가변 형광(Fv), PSII 최대 효율(Fv/Fm), PSII의 광화학적 최대 양자 수율(Fv/F0) 및 Fm/F0)에 미치는 영향(두 가지 벼 유전자형[Federrose 67(F67) 및 Federrose 2000(F2000)]의 출현 후 55일(DAE))
다양한 처리를 거친 벼 식물의 상대수분함량(RWC)은 실험 처리와 엽면 살포 처리 간의 상호작용에서 유의미한 차이(P ≤ 0.05)를 보였다(그림 1A). 살리실산(SA) 처리 시 두 품종 모두에서 가장 낮은 값(F67 74.01%, F2000 76.6%)이 기록되었다. 고온 스트레스 조건에서 다양한 식물 호르몬으로 처리한 두 품종의 벼 식물의 RWC는 유의하게 증가했다. 전반적으로, 대조군(CK), 갈산지질(GA), 옥시리보네이트(AUX), 또는 브라시노스테로이드(BR)의 엽면 살포는 실험 기간 동안 최적 조건에서 재배한 식물의 RWC와 유사한 값까지 RWC를 증가시켰다. 절대 대조군과 엽면 살포 처리 식물은 두 품종 모두에서 약 83%의 값을 기록했다. 한편, 기공 전도도(gs) 또한 실험 처리 간의 상호작용에서 유의미한 차이(P ≤ 0.01)를 보였다(그림 1B). 절대 대조군(AC) 식물은 각 유전자형에서 가장 높은 g 값을 기록했습니다(F67 440.65 mmol m⁻²s⁻¹, F2000 511.02 mmol m⁻²s⁻¹). 복합 열 스트레스만 받은 벼는 두 유전자형 모두에서 가장 낮은 g 값을 보였습니다(F67 150.60 mmol m⁻²s⁻¹, F2000 171.32 mmol m⁻²s⁻¹). 모든 식물 생장 조절제를 엽면 처리했을 때 g 값이 증가했습니다. CC를 살포한 F2000 벼에서는 식물 호르몬 엽면 살포의 효과가 더욱 뚜렷하게 나타났습니다. 이 그룹의 식물은 절대 대조군 식물과 비교했을 때 유의미한 차이를 보이지 않았습니다(AC 511.02, CC 499.25 mmol m⁻²s⁻¹).
그림 1. 복합 열 스트레스(주간 40°C/야간 30°C)가 발아 후 55일(DAE) 된 두 가지 벼 품종(F67 및 F2000)의 상대 수분 함량(RWC)(A), 기공 전도도(gs)(B), 말론디알데히드(MDA) 생성량(C) 및 프롤린 함량(D)에 미치는 영향. 각 품종에 대해 절대 대조군(AC), 열 스트레스 대조군(SC), 열 스트레스 + 옥신(AUX), 열 스트레스 + 지베렐린(GA), 열 스트레스 + 세포 분열 촉진제(CK), 열 스트레스 + 브라시노스테로이드(BR) 처리를 시행하였다. 각 막대는 5개의 데이터 포인트에 대한 평균 ± 표준 오차(n = 5)를 나타낸다. 서로 다른 문자가 표시된 막대는 Tukey 검정(P ≤ 0.05)에 따라 통계적으로 유의미한 차이를 나타낸다. 등호가 있는 문자는 통계적으로 유의미한 차이가 없음을 나타낸다(≤ 0.05).
MDA(P ≤ 0.01) 및 프롤린(P ≤ 0.01) 함량 또한 실험과 식물호르몬 처리 간의 상호작용에서 유의미한 차이를 보였다(그림 1C, D). 두 유전자형 모두에서 SC 처리 시 지질 과산화가 증가했지만(그림 1C), 잎 생장 조절제 분무 처리 식물에서는 두 유전자형 모두에서 지질 과산화가 감소했다. 일반적으로 식물호르몬(CA, AUC, BR 또는 GA)을 사용하면 지질 과산화(MDA 함량)가 감소하는 것으로 나타났다. 두 유전자형의 AC 식물과 고온 스트레스 및 식물호르몬 살포 조건에서 재배한 식물 간에는 차이가 발견되지 않았습니다(관찰된 FW 값은 "F67" 식물에서 4.38~6.77 µmol g⁻¹, "F2000" 식물에서 2.84~9.18 µmol g⁻¹ 범위). 반면, 복합 스트레스 조건에서 "F67" 식물의 프롤린 합성은 "F2000" 식물보다 낮았으며, 이는 고온 스트레스를 받은 벼에서 프롤린 생산량 증가로 이어졌습니다. 두 실험 모두에서 이러한 호르몬 투여는 F2000 식물의 아미노산 함량을 유의하게 증가시키는 것으로 관찰되었습니다(AUX와 BR은 각각 30.44 및 18.34 µmol g⁻¹였습니다)(그림 1G).
엽면 식물생장조절제 살포와 고온 스트레스의 복합 처리가 식물 잎 표면 온도 및 상대적 내성 지수(RTI)에 미치는 영향은 그림 2A와 2B에 나타나 있다. 두 품종 모두에서 AC 처리 식물의 잎 표면 온도는 약 27°C였고, SC 처리 식물은 약 28°C였다. 또한, CK와 BR을 엽면 처리했을 때 SC 처리 식물에 비해 잎 표면 온도가 2~3°C 낮아지는 것을 관찰할 수 있었다(그림 2A). RTI는 다른 생리적 변수들과 유사한 양상을 보였으며, 실험과 처리 간의 상호작용에서 유의미한 차이(P ≤ 0.01)를 나타냈다(그림 2B). SC 처리 식물은 두 품종 모두에서 더 낮은 내성을 보였다(벼 품종 "F67"은 34.18%, "F2000"은 33.52%). 식물호르몬의 엽면 시비는 고온 스트레스에 노출된 식물의 RTI를 향상시킨다. 이러한 효과는 CC를 살포한 "F2000" 품종에서 더욱 두드러지게 나타났으며, 이때 RTI는 97.69였다. 한편, 엽면 살포 스트레스 조건에서 벼의 수확량 스트레스 지수(CSI)에서만 유의미한 차이가 관찰되었다(P ≤ 0.01) (그림 2B). 복합적인 고온 스트레스를 받은 벼에서만 가장 높은 스트레스 지수 값(0.816)이 나타났다. 다양한 식물 호르몬을 살포한 벼에서는 스트레스 지수가 더 낮았다(0.6~0.67). 마지막으로, 최적 조건에서 재배한 벼의 스트레스 지수 값은 0.138이었다.
그림 2. 복합 고온 스트레스(주간 40°C/야간 30°C)가 두 작물 종의 잎 온도(A), 상대 내성 지수(RTI)(B), 작물 스트레스 지수(CSI)(C)에 미치는 영향. 상업용 벼 품종(F67 및 F2000)에 다양한 고온 처리를 적용하였다. 각 품종에 대해 절대 대조군(AC), 고온 스트레스 대조군(SC), 고온 스트레스 + 옥신(AUX), 고온 스트레스 + 지베렐린(GA), 고온 스트레스 + 세포 분열 촉진제(CK), 고온 스트레스 + 브라시노스테로이드(BR) 처리를 시행하였다. 복합 고온 스트레스는 벼를 고온(주간 40°C/야간 30°C)에 노출시키는 것을 의미한다. 각 막대는 5개의 데이터 포인트(n = 5)에 대한 평균 ± 표준 오차를 나타낸다. 서로 다른 문자가 표시된 막대는 Tukey 검정(P ≤ 0.05)에 따라 통계적으로 유의미한 차이를 나타낸다. 등호가 있는 문자는 통계적으로 유의미한 차이가 없음을 나타낸다(≤ 0.05).
주성분 분석(PCA) 결과, 파종 후 55일(DAE)에 평가된 변수들이 생장 조절제 살포 처리된 고온 스트레스 벼 식물의 생리적 및 생화학적 반응의 66.1%를 설명하는 것으로 나타났다(그림 3). 벡터는 변수를 나타내고 점은 식물 생장 조절제(GR)를 나타낸다. 기공 전도도(gs), 엽록소 함량, 광계 II의 최대 양자 효율(Fv/Fm) 및 생화학적 매개변수(총 엽록소, MDA 및 프롤린)의 벡터는 원점에 매우 근접한 각도를 이루며, 이는 식물의 생리적 행동과 이들 변수 간의 높은 상관관계를 나타낸다. 한 그룹(V)에는 최적 온도(AT)에서 재배된 벼 묘목과 대조군(CK) 및 바이오제닉산(BA) 처리된 F2000 식물이 포함되었다. 동시에, GR 처리된 대부분의 식물은 별도의 그룹(IV)을 형성했고, F2000에 GA 처리된 식물은 별도의 그룹(II)을 형성했다. 반면, 식물호르몬 엽면 살포를 하지 않은 열 스트레스 벼 묘목(그룹 I 및 III, 두 유전자형 모두 SC)은 그룹 V와 반대되는 영역에 위치하여 열 스트레스가 식물 생리에 미치는 영향을 보여주었다.
그림 3. 발아 후 55일(DAE)에 두 가지 벼 유전자형(F67 및 F2000)에 대한 복합 열 스트레스(주간 40°C/야간 30°C)의 영향에 대한 생장 분석. 약어: AC F67, 절대 대조군 F67; SC F67, 열 스트레스 대조군 F67; AUX F67, 열 스트레스 + 옥신 처리 F67; GA F67, 열 스트레스 + 지베렐린 처리 F67; CK F67, 열 스트레스 + 세포 분열 처리; BR F67, 열 스트레스 + 브라시노스테로이드 처리 F67; AC F2000, 절대 대조군 F2000; SC F2000, 열 스트레스 대조군 F2000; AUX F2000, 열 스트레스 + 옥신 처리 F2000; GA F2000, 열 스트레스 + 지베렐린 처리 F2000; CK F2000, 열 스트레스 + 사이토키닌, BR F2000, 열 스트레스 + 황동 스테로이드; F2000.
엽록소 함량, 기공 전도도, Fv/Fm 비율, CSI, MDA, RTI 및 프롤린 함량과 같은 변수들은 벼 품종의 적응성을 이해하고 고온 스트레스 조건에서 재배 전략의 효과를 평가하는 데 도움이 될 수 있다(Sarsu et al., 2018; Quintero-Calderon et al., 2021). 본 실험의 목적은 복합적인 고온 스트레스 조건에서 벼 묘목의 생리적 및 생화학적 매개변수에 대한 네 가지 생장 조절제의 효과를 평가하는 것이었다. 묘목 시험은 이용 가능한 시설의 규모나 상태에 따라 벼 식물을 동시에 평가할 수 있는 간단하고 신속한 방법이다(Sarsu et al., 2018). 본 연구 결과는 복합적인 고온 스트레스가 두 가지 벼 품종에서 서로 다른 생리적 및 생화학적 반응을 유도하여 적응 과정을 나타낸다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 엽면 생장 조절제 살포(주로 사이토키닌과 브라시노스테로이드)가 벼가 복합적인 고온 스트레스에 적응하는 데 도움이 된다는 것을 보여줍니다. 이는 주로 기공 전도도(gs), 상대 수분 함량(RWC), Fv/Fm 비율, 광합성 색소 및 프롤린 함량에 영향을 미치기 때문입니다.
생장조절제 사용은 고온 스트레스 조건에서 벼의 수분 상태를 개선하는 데 도움이 되며, 이는 스트레스 수준 향상 및 식물 잎 표면 온도 저하와 관련될 수 있습니다. 본 연구에서는 "F2000"(고온에 취약한 유전자형) 벼 중에서 대조군(CK) 또는 바이오매스(BR)로 처리한 벼가 대조군(SC)으로 처리한 벼보다 gs 값이 높고 PCT 값이 낮은 것으로 나타났습니다. 이전 연구에서도 gs와 PCT는 벼의 적응 반응과 고온 스트레스에 대한 재배 전략의 효과를 판단하는 데 유용한 생리적 지표임이 밝혀졌습니다(Restrepo-Diaz and Garces-Varon, 2013; Sarsu et al., 2018; Quintero-Carr DeLong et al., 2021). 잎에 CK 또는 BR을 살포하면 이러한 식물 호르몬이 ABA(비생물적 스트레스 하에서 기공 폐쇄를 촉진하는 물질)와 같은 다른 신호 분자와의 합성적 상호작용을 통해 기공 개방을 촉진할 수 있기 때문에 스트레스 조건에서 g 값을 증가시킵니다(Macková et al., 2013; Zhou et al., 2013, 2014). 기공 개방은 잎의 냉각을 촉진하고 잎 전체의 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다(Sonjaroon et al., 2018; Quintero-Calderón et al., 2021). 이러한 이유로 CK 또는 BR을 살포한 벼는 복합적인 고온 스트레스 조건에서 잎 전체의 온도가 더 낮을 수 있습니다.
고온 스트레스는 잎의 광합성 색소 함량을 감소시킬 수 있다(Chen et al., 2017; Ahammed et al., 2018). 본 연구에서 벼가 고온 스트레스를 받고 식물 생장 조절제를 살포하지 않았을 때, 두 품종 모두에서 광합성 색소 함량이 감소하는 경향을 보였다(표 2). Feng et al.(2013) 또한 고온 스트레스에 노출된 두 밀 품종의 잎에서 엽록소 함량이 유의하게 감소했다고 보고했다. 고온에 노출되면 엽록소 함량이 감소하는데, 이는 엽록소 생합성 감소, 색소 분해 또는 이들의 복합적인 영향 때문일 수 있다(Fahad et al., 2017). 그러나 주로 CK와 BA를 처리한 벼는 고온 스트레스 조건에서 잎의 광합성 색소 농도가 증가했다. Jespersen and Huang(2015) 및 Suchsagunpanit et al.의 연구에서도 유사한 결과가 보고되었다. (2015)은 열 스트레스를 받은 벤트그래스와 벼에 각각 제아틴과 에피브라시노스테로이드 호르몬을 처리했을 때 잎의 엽록소 함량이 증가하는 것을 관찰했습니다. CK와 BR이 복합적인 열 스트레스 조건에서 잎의 엽록소 함량 증가를 촉진하는 이유는 CK가 노화 활성화 프로모터(SAG12) 또는 HSP18 프로모터와 같은 발현 프로모터의 지속적인 유도 개시를 촉진하고 잎의 엽록소 손실을 줄이며, 잎의 노화를 지연시키고 식물의 내열성을 증가시키기 때문일 수 있습니다(Liu et al., 2020). BR은 스트레스 조건에서 엽록소 생합성에 관여하는 효소의 합성을 활성화하거나 유도함으로써 잎의 엽록소를 보호하고 엽록소 함량을 증가시킬 수 있습니다(Sharma et al., 2017; Siddiqui et al., 2018). 마지막으로, 두 가지 식물 호르몬(CK 및 BR)은 열충격 단백질의 발현을 촉진하고 엽록소 생합성 증가와 같은 다양한 대사 적응 과정을 개선합니다(Sharma et al., 2017; Liu et al., 2020).
엽록소 a 형광 매개변수는 식물의 비생물적 스트레스 조건에 대한 내성 또는 적응성을 평가할 수 있는 빠르고 비파괴적인 방법을 제공합니다(Chaerle et al. 2007; Kalaji et al. 2017). Fv/Fm 비율과 같은 매개변수는 식물의 스트레스 조건 적응성을 나타내는 지표로 사용되어 왔습니다(Alvarado-Sanabria et al. 2017; Chavez-Arias et al. 2020). 본 연구에서 SC 식물, 특히 "F2000" 벼는 이 변수에서 가장 낮은 값을 보였습니다. Yin et al. (2010) 또한 분얼이 가장 활발한 벼 잎의 Fv/Fm 비율이 35°C 이상의 온도에서 유의하게 감소함을 발견했습니다. Feng et al. (2013)에 따르면, 고온 스트레스 조건에서 Fv/Fm 비율이 낮아진다는 것은 PSII 반응 중심에 의한 여기 에너지 포착 및 전환 속도가 감소함을 의미하며, 이는 고온 스트레스 조건에서 PSII 반응 중심이 파괴됨을 나타냅니다. 이러한 관찰을 통해 우리는 광합성 장치의 교란이 저항성 품종(Fedearroz 67)보다 민감성 품종(Fedearroz 2000)에서 더 두드러진다는 결론을 내릴 수 있습니다.
CK 또는 BR의 사용은 일반적으로 복합적인 열 스트레스 조건에서 PSII의 성능을 향상시켰습니다. Suchsagunpanit 등(2015)도 유사한 결과를 얻었는데, 그들은 벼에서 BR 처리가 열 스트레스 조건 하에서 PSII의 효율을 증가시킨다는 것을 관찰했습니다. Kumar 등(2020) 또한 CK(6-벤질아데닌)로 처리하고 열 스트레스를 가한 병아리콩에서 Fv/Fm 비율이 증가하는 것을 발견했으며, 이를 통해 CK의 엽면 살포가 제아잔틴 색소 순환을 활성화시켜 PSII 활성을 촉진한다고 결론지었습니다. 또한, BR 엽면 살포는 복합 스트레스 조건 하에서 PSII 광합성을 촉진했는데, 이는 이 식물 호르몬의 처리가 PSII 안테나의 여기 에너지 소산을 감소시키고 엽록체 내 소형 열충격 단백질의 축적을 촉진하기 때문인 것으로 나타났습니다(Ogweno 등, 2008; Kothari 및 Lachowitz, 2021).
MDA와 프롤린 함량은 최적 조건에서 자란 식물에 비해 비생물적 스트레스를 받는 식물에서 종종 증가합니다(Alvarado-Sanabria et al., 2017). 이전 연구에서도 MDA와 프롤린 수치는 주간 또는 야간 고온 환경에서 벼의 적응 과정이나 재배 방식의 영향을 이해하는 데 사용할 수 있는 생화학적 지표로 밝혀졌습니다(Alvarado-Sanabria et al., 2017; Quintero-Calderón et al., 2021). 이러한 연구들은 또한 야간 고온에 노출된 벼에서 MDA와 프롤린 함량이 더 높은 경향을 보인다는 것을 보여주었습니다. 그러나 CK와 BR을 엽면 살포한 결과, 특히 내성 품종에서 MDA는 감소하고 프롤린은 증가하는 것으로 나타났습니다(Federroz 67). CK 스프레이는 사이토키닌 산화효소/탈수소효소의 과발현을 촉진하여 베타인 및 프롤린과 같은 보호 화합물의 함량을 증가시킬 수 있습니다(Liu et al., 2020). BR은 베타인, 당류 및 아미노산(유리 프롤린 포함)과 같은 삼투 보호 물질의 생성을 촉진하여 다양한 불리한 환경 조건에서도 세포의 삼투 균형을 유지합니다(Kothari and Lachowiec, 2021).
작물 스트레스 지수(CSI)와 상대 내성 지수(RTI)는 평가 대상 처리가 다양한 스트레스(생물적 및 비생물적 스트레스)를 완화하고 식물 생리에 긍정적인 영향을 미치는지 여부를 판단하는 데 사용됩니다(Castro-Duque et al., 2020; Chavez-Arias et al., 2020). CSI 값은 0에서 1까지의 범위를 가지며, 각각 비스트레스 조건과 스트레스 조건을 나타냅니다(Lee et al., 2010). 고온 스트레스(SC)를 받은 벼의 CSI 값은 0.8에서 0.9 사이였으며(그림 2B), 이는 벼가 복합 스트레스에 의해 부정적인 영향을 받았음을 나타냅니다. 그러나 BC(0.6) 또는 CK(0.6)를 엽면 살포한 결과, 비생물적 스트레스 조건에서 고온 스트레스(SC)를 받은 벼에 비해 CSI 값이 감소했습니다. F2000 식물에서 RTI는 SA(33.52%)에 비해 CA(97.69%)와 BC(60.73%)를 사용했을 때 더 높은 증가율을 보였는데, 이는 이러한 식물 생장 조절제가 벼의 과열 내성 개선에도 기여함을 나타냅니다. 이러한 지표들은 다양한 종의 스트레스 조건 관리에 활용되어 왔습니다. Lee et al.(2010)의 연구에서는 적당한 수분 스트레스 조건에서 두 가지 면화 품종의 CSI가 약 0.85인 반면, 충분히 관개된 품종의 CSI 값은 0.4~0.6 범위에 있음을 보여주었으며, 이는 이 지표가 품종의 수분 스트레스 조건 적응성을 나타내는 지표임을 시사합니다. 또한, Chavez-Arias et al.(2020)은 예쁜꼬마선충(C. elegans) 식물에서 합성 유도물질의 효과를 종합적인 스트레스 관리 전략으로 평가한 결과, 이러한 화합물을 살포한 식물에서 RTI가 65% 더 높게 나타났습니다. 위의 내용을 바탕으로, CK와 BR은 벼의 복합적인 고온 스트레스 내성을 높이기 위한 농업 전략으로 간주될 수 있는데, 이는 이러한 식물 생장 조절제가 긍정적인 생화학적 및 생리적 반응을 유도하기 때문이다.
최근 몇 년간 콜롬비아의 벼 연구는 생리적 또는 생화학적 특성을 이용하여 높은 주간 또는 야간 온도에 내성이 있는 유전자형을 평가하는 데 집중해 왔습니다(Sánchez-Reinoso et al., 2014; Alvarado-Sanabria et al., 2021). 그러나 최근에는 콜롬비아에서 복합적인 고온 스트레스 기간의 영향을 개선하기 위한 통합 작물 관리 방안을 제시하기 위해 실용적이고 경제적이며 수익성 있는 기술 분석이 점점 더 중요해지고 있습니다(Calderón-Páez et al., 2021; Quintero-Calderon et al., 2021). 따라서 본 연구에서 관찰된 복합 고온 스트레스(주간 40°C/야간 30°C)에 대한 벼의 생리적 및 생화학적 반응은 CK 또는 BR 엽면 살포가 중간 정도의 고온 스트레스 기간의 악영향을 완화하는 데 적합한 작물 관리 방법일 수 있음을 시사합니다. 이러한 처리는 두 가지 벼 유전자형(낮은 CSI 및 높은 RTI) 모두의 내성을 향상시켜 복합적인 열 스트레스 하에서 식물의 생리적 및 생화학적 반응에 일반적인 경향이 있음을 보여주었습니다. 벼의 주요 반응은 GC, 총 엽록소, α 및 β 엽록소, 카로티노이드 함량의 감소였습니다. 또한, 식물은 PSII 손상(Fv/Fm 비율과 같은 엽록소 형광 매개변수 감소)과 지질 과산화 증가를 겪었습니다. 반면, 벼를 CK와 BR로 처리했을 때 이러한 부정적인 영향이 완화되었고 프롤린 함량이 증가했습니다(그림 4).
그림 4. 고온 스트레스와 엽면 식물 생장 조절제 살포가 벼에 미치는 복합적인 영향에 대한 개념 모형. 빨간색과 파란색 화살표는 고온 스트레스와 BR(브라시노스테로이드) 및 CK(사이토키닌) 엽면 살포의 상호작용이 생리적 및 생화학적 반응에 미치는 부정적 또는 긍정적 영향을 각각 나타낸다. gs: 기공 전도도; Total Chl: 총 엽록소 함량; Chl α: 엽록소 β 함량; Cx+c: 카로티노이드 함량;
요약하자면, 본 연구의 생리적 및 생화학적 반응은 페데아로즈 2000 벼가 페데아로즈 67 벼보다 복합적인 고온 스트레스에 더 취약함을 시사합니다. 본 연구에서 평가한 모든 생장 조절제(옥신, 지베렐린, 사이토키닌, 브라시노스테로이드)는 복합적인 고온 스트레스를 어느 정도 완화하는 효과를 보였습니다. 특히 사이토키닌과 브라시노스테로이드는 벼의 적응력을 향상시켰는데, 두 생장 조절제 모두 무처리군에 비해 엽록소 함량, 알파-엽록소 형광, 기공 전도도(gs), 상대 수분 함량(RWC)을 증가시키고, 말론디알데히드(MDA) 함량과 잎 표면 온도를 감소시켰습니다. 결론적으로, 식물 생장 조절제(사이토키닌과 브라시노스테로이드)는 고온기 동안 심각한 고온 스트레스에 노출된 벼 작물의 스트레스 관리에 유용한 도구임을 알 수 있습니다.
연구에 사용된 원본 자료는 논문에 첨부되어 있으며, 추가 문의 사항은 해당 저자에게 문의하시기 바랍니다.