Physiological response of pear cultivars to short-term high temperature stress | Вестник Томского государственного университета. Биология. 2025. № 72. DOI: 10.17223/19988591/72/11

Physiological response of pear cultivars to short-term high temperature stress

Для оптимизации и усовершенствования процессов селекции плодовых культур необходим поиск сортов с высоким адаптационным и продукционным потенциалом. Летом погодные условия Краснодарского края характеризуются недостаточным и неравномерным выпадением осадков, а также экстремально высокими температурами воздуха, которые в последнее время наблюдаются практически ежегодно. В настоящем исследовании наша задача заключалась в выявлении различий между четырьмя сортами груши (Pyrus sp. L.) по физиологическим параметрам в условиях моделируемого высокотемпературного стресса. Деревья груши произрастали в одинаковых экологических условиях при использовании однотипных технологий вырашцвания на опытном садовом участке на территории Краснодарского края (45°16' с. ш., 38°93' в. д.). Побеги груши выдерживали при температуре 40°С в течение 3 ч в климатической камере. Затем оценивали содержание физиологических параметров в листьях. По данным статистического анализа, взаимодействие между сортами, термической обработкой и годом исследования оказало существенное влияние на содержание обшцх фенолов и ферментативную активность в листьях груши. Установлено, что изучаемые сорта устойчивы к кратковременной термообработке, о чем свидетельствовали низкие показатели малонового диальдегида (16,2-37,5 нмоль г-1 сырого веса), который является одним из маркеров перекисного окисления липидов в растительных клетках. В то же время сорта характеризовались различной ответной реакцией на стресс. Выявлено, что отечественный сорт Краснодарская летняя имеет наиболее высокий уровень пероксидазной (25,5-41,8 у. ед. мг-1 белка мин-1) и полифенолоксидазной активности (3,9 у. ед. мг-1 белка) в условиях стресса, а также имеет наибольшее количество изоформ пероксидаз (9-10 изоформ) при сравнении с отечественным сортом Левен и американскими сортами Киффер и Дево. Содержание общих фенолов увеличилось в среднем с 20,7 до 22,5 мг г-1 сырого веса у всех исследованных сортов груши. Наибольшие значения этого показателя в условиях стресса обнаружены у сорта Краснодарская летняя. На основании полученных результатов можно заключить, что сорт Краснодарская летняя обладает более широким спектром защитных физиологических особенностей, что может определять его высокий адаптационный потенциал. Можно также предположить, что в условиях длительного высокотемпературного стресса этот сорт сможет проявить высокий уровень устойчивости. авторы выражают благодарность рецензентам за их вклад в рецензирование данной работяг. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Скачать электронную версию публикации

Ключевые слова

Pyrus, высокотемпературный стресс, фотосинтетические пигменты, антиоксидантная система защиты, окислительный стресс

Авторы

ФИО	Организация	Дополнительно	E-mail
Мишко Алиса Евгеньевна	Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия	канд. биол. наук, с. н. с. лаборатории физиологии и биохимии растений	mishko-alisa@mail.ru
Клюкина Анна Васильевна	Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия	м. н. с. лаборатории управления воспроизводством в плодовых агроценозах и экосистемах	anna.klyukina.95@list.ru
Можар Нина Васильевна	Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия	канд. с.-х. наук, с. н. с. лаборатории сортоизучения и селекции садовых культур	mozhar49@mail.ru
Мифтахова Снежана Ренатовна	Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова	канд. биол. наук, ведущий специалист отдела агроботаники и in situ сохранения генетических ресурсов растений	urmanchy@yandex.ru

Всего: 4

Ссылки

Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M.R. Heat tolerance in plants: an overview. Environmental and Experimental Botany. 2007;61:199-223. doi: 10.1016/j.envexpbot.2007. 05.011.

Climate change 2014: synthesis report. In: Proceedings of the Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Pachauri R.K., Meyer L.A., editors. Geneva: IPCC; 2014. 151 p.

Fahad S., Bajwa A.A., Nazir U., Anjum S.A., Farooq A., Zohaib A., Sadia S., Nasim W., Adkins S., Saud S., Ihsan M.Z., Alharby H., Wu C., Wang D., Huang J. Crop production under drought and heat stress: plant responses and management options. Frontiers in Plant Science. 2017;8:1147. doi: 10.3389/fpls.2017.01147.

Fahad S., Hussain S., Saud S., Khan F., Hassan S., Amanullah, Nasim W., Arif M., Wang F., Huang J. Exogenously applied plant growth regulators affect heat-stressed rice pollens. Journal of agronomy and crop science. 2016;202:139-150. doi: 10.1111/jac.12148.

Hassan M.U., Chattha M.U., Khan I., Chattha M.B., Barbanti L., Aamer M., Iqbal M.M., Nawaz M., Mahmood A., Ali A., Aslam M.T. Heat stress in cultivated plants: nature, impact, mechanisms, and mitigation strategies - a review. Plant Biosystems-An International Journal Dealing with all Aspects of Plant Biology. 2021;155:211-234. doi: 10.1080/ 11263504.2020.1727987.

Rezaei E.E., Webber H., Gaiser T., Naab J., Ewert F. HS in cereals: mechanisms and modelling. European Journal of Agronomy. 2015;64:98-113. doi: 10.1016/j.eja.2014.10.003.

Allakhverdiev S.I., Kreslavski V.D., Klimov V.V., Los D.A., Carpentier R. Mohanty P. Heat stress: an overview of molecular responses in photosynthesis. Photosynthesis Research. 2008;98:541-550. doi: 10.1007/s11120-008-9331-0.

Hu S., Ding Y., Zhu C. Sensitivity and responses of chloroplasts to heat stress in plants. Frontiers in Plant Science. 2020;11:375. doi: 10.3389/fpls.2020.00375.

Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry. 2010;48:909e930. doi: 10. 1016/j.plaphy.2010.08.016.

Dumanovic J., Nepovimova E., Natic M., Kuca K. Jacevic V. The significance of reactive oxygen species and antioxidant defense system in plants: a concise overview. Frontiers in Plant Science. 2021;11:552969. doi: 10.3389/fpls.2020.552969.

Itai A. Pear. In: Fruits and Nuts. Genome Mapping and Molecular Breeding in Plants. Vol. 4. Kole C, editor. Berlin, Heidelberg: Springer, 2007. pp. 157-170. doi: 10.1007/ 978-3-540-34533-6_6.

Semin I.V., Dolmatov E.A., Ozherelieva Z.E. Prospects for the use of intensive rootstock for cultivation of pear cultivars in the conditions of Central Russia. Ovoshchi Rossii - Vegetable crops of Russia. 2020;5:75-80. In Russian, English summary. doi: 10.18619/2072-9146-2020-5-75-80.

Ermolenko V.G., Аpolokhov F.F., Mozhar N.V. Prospects for pear growing in the central Precaucasia. Fruit Growing and Viticulture of South Russia. 2020;66(6):284-294. In Russian, English summary. doi: 10.30679/2219-5335-2020-6-66-284-294.

Mozhar N.V. The reaction of pear varieties to changes in environmental conditions in the spring. Scientific Publications of FSBSO NCRRIH&V. 2021;31:71-74. In Russian, English summary. doi: 10.4172/2157-7471.1000353.

Svistunova N.Yu., Burmenko Yu.V. Pear breeding (Pyrus L.) modern achievements and directions in Russia (review). Vestnik KrasGAU - Bulliten KrasSAU. 2022;2:85-92. In Russian, English summary. doi: 10.36718/1819-4036-2022-2-85-92.

Zarafshar M., Akbarinia M., Askari H., Hosseini S.M., Rahaie M., Struve D., Striker G.G. Morphological, physiological and biochemical responses to soil water deficit in seedlings of three populations of wild pear tree (Pyrus boisseriana). Biotechnology, Agronomy, Society and Environment. 2014;18(3):353-366.

Niu T., Zhang T., Qiao Y., Wen P., Zhai G., Liu E., Al-Bakre D.A., Al-Harbi M.S., Gao X., Yang X. Glycinebetaine mitigates drought stress-induced oxidative damage in pears. PLoS ONE. 2021;16(11):e0251389. doi:10.1371/journal.pone.0251389.

Ji W.W., Qiu C.H., Jiao Y., Guo Y.P., Teng Y.W. Effects of high temperature and strong light on photosynthesis, D1 protein, and the Deg1 protease in pear (Pyrus pyrifolia) leaves. Journal of Fruit Science. 2012;29:794-799.

Liu D.F., Zhang D., Liu G.Q., Hussain S., Teng Y.W. Influence of heat stress on leaf ultrastructure, photosynthetic performance, and ascorbate peroxidase gene expression of two pear cultivars (Pyrus pyrifolia). Journal of Zhejiang University Science. 2013;B14:1070-1083. doi:10.1631/jzus.B1300094.

Verma M.K. Pear production technology. In: Training manual on teaching of postgraduate courses in horticulture (Fruit Science). Singh S.K., Munshi A.D., Prasad K.V., Sureja A.K., editors. New Delhi: Post Graduate School, Indian Agricultural Research Institute; 2014. pp. 249-255.

Golyshkina L.V., Krasova N.G., Galasheva A.M. Hyperthermia effect on the activity of the enzyme system of peroxidase in tissues of annual apple shoots. Contemporary Horticulture. 2014;4:50-59. In Russian, English summary.

Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and carotenoids: measurement and characterization by UV-VIS spectroscopy. Current Protocols in Food Analytical Chemistry. 2001;F4.2.1. doi: 10.1002/047n42913.faf3403s01.

Ainsworth E.A., Gillespie K.M. Estimation of total phenolic content and other oxidation substrates in plant tissues using Folin-Ciocalteu reagent. Nature Protocols. 2007;2:875-877. doi: 10.1038/nprot.2007.102.

Hikmawanti N., Fatmawati S., Asri A.W. The effect of ethanol concentrations as the extraction solvent on antioxidant activity of katuk (Sauropus androgynus (L.) Merr.) leaves extracts. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021;755:012060. doi: 10.1088/1755-1315/755/1/012060.

Wei Z., Gao T., Liang B., Zhao Q., Ma F., Li C. Effects of exogenous melatonin on methyl viologen-mediated oxidative stress in apple leaf.International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(1):316. doi: 10.3390/ijms19010316.

Radyukina N.L., Ivanov Y.V., Shevyakova N.I. Metody otsenki soderzhaniya aktivnykh form kisloroda, nizkomolekulyarnykh antioksidantov i aktivnostey osnovnykh antioksidantnykh fermentov [...]. In: Molekulyarnogeneticheskiye i biokhimicheskiye metody v sovremennoy biologii rasteniy [Molecular-genetic and biochemical methods in modern plant biology]. Kuznetsov Vl.V., Kuznetsov V.V., Romanov G.A., editors. Moscow: BINOM; 2012. pp. 352-356. In Russian.

Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy [Methods of biochemical research on plants]. Ermakov A.I., editor. Leningrad: Agropromizdat; 1987. 429 p. In Russian.

Queiroz C., da Silva A.J.R., Lopes M.L.M, Fialho E., Valente-Mesquita V.L. Polyphenol oxidase activity, phenolic acid composition and browning in cashew apple (Anacardium occidentale L.) after processing. Food Chemistry. 2011;125:128-132. doi: 10.1016/ j.foodchem.2010.08.048.

Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding. Analytical Biochemistry. 1976;72:248-254.

Hodges D.M., DeLong J.M., Forney C.F., Prange R.K. Improving the thiobarbituric acid reactive substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds. Planta. 1999;207:604-611.

Landi M. Commentary to: “Improving the thiobarbituric acid-reactive substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds” by Hodges et al., Planta (1999) 207:604-611. Planta. 2017;245:1067. doi: 10.1007/s00425-017-2699-3.

Feng Y., Wei J., Zhang G., Sun X., Wang W., Wu C., Tang M., Gan Z., Xu X., Chen S., Wang Y. Effects of cooling measures on ‘Nijisseiki’ pear (Pyrus pyrifolia) tree growth and fruit quality in the hot climate. Scientia Horticulturae. 2018;238:318-324. doi: 10. 1016/j.scienta.2018.05.002.

Cho J.H., Yang U., Wi S.G., Lee B.R., Oh S., Kim M.S., Lee S.H. Potential effects of temperature differences on the soluble sugar content in pear fruit during the growing seasons of 2018 and 2019. Horticultural Science and Technology. 2021;31:560-571. doi: 10.7235/ HORT.20210050.

Sharma A., Shahzad B., Rehman A., Bhardwaj R., Landi M., Zheng B. Response of phenylpropanoid pathway and the role of polyphenols in plants under abiotic stress. Molecules. 2019;24(13):2452. doi: 10.3390/molecules24132452.

Sharma A., Kumar V., Shahzad B., Ramakrishnan M., Sidhu G.P.S, Bali A.S, Handa N., Kapoor D., Yadav P., Khanna K., Bakshi P., Rehman A., Kohli S.K., Khan E.A., Parihar R.D., Yuan H., Thukral A.K., Bhardwaj R., Zheng B. Photosynthetic response of plants under different abiotic stresses: a review. Journal of Plant Growth Regulation. 2020;39:509-531. doi: 10.1007/s00344-019-10018-x.

Sharkey T.D. Effects of moderate heat stress on photosynthesis: importance of thylakoid reactions, rubisco deactivation, reactive oxygen species, and thermotolerance provided by isoprene. Plant, Cell and Environment. 2005;28(3):269-277. doi: 10.ПП/].1365-3040.2005.01324.x.

Hasanuzzaman M., Bhuyan B.M., Zulfiqar F., Raza A., Mohsin S.M, Mahmud J.A., Fujita M., Fotopoulos V. Reactive oxygen species and antioxidant defense in plants under abiotic stress: revisiting the crucial role of a universal defense regulator. Antioxidants. 2020;9:681. doi: 10.3390/antiox9080681.

Morales M.M., Munne-Bosch S. Malondialdehyde: facts and artifacts. Plant Physiology. 2019;180:1246-1250. doi: 10.1104/pp.19.00405.

Asayesh Z.M., Arzani K., Mokhtassi-Bidgoli A., Abdollahi H. Enzymatic and nonenzymatic response of grafted and ungrafted young European pear (Pyrus communis L.) trees to drought stress. Scientia Horticulturae. 2023;310:111745. doi: 10.1016/j.scienta. 2022.111745.

Lin S, Li Y, Zhao J, Guo W, Jiang M, Li X, Liu W, Zhang J, Yang M. Transcriptome analysis of biochemistry responses to low-temperature stress in the flower organs of five pear varieties. Forests. 2023;14:490. doi: 10.3390/f14030490.

Mishko A.E., Lutskiy E.O. Dynamics in the activity of peroxidase and its isoforms in leaves of different apple cultivars. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2021;182(3):37-43. In Russian, English summary. doi: 10.30901/2227-8834-2021-3-37-43.