Adequate magnesium nutrition mitigates adverse effects of heat and high light stress on maize and wheat

Abstract

Yüksek sıcaklık stresi ve yüksek ışık şiddeti, küresel ısınma ile birlikte gittikçe artan bir kaygı uyandırmaktadır. Birçok tarımsal sistemde bu stresler mineral eksikliği gibi diğer stres faktörleriyle birlikte ortaya çıkabilmektedir. Bu tez çalışması ile buğday ve mısırda yeterli magnezyum (Mg) beslenmesinin yüksek sıcaklık ve ışık şiddetinin tahrip edici etkilerinin hafifletilmesi üzerindeki rolü araştırılmaktadır. Mısırda ve buğdayda Mg eksikliği yaprak semptomları yüksek sıcaklık ve ışığa maruz kalındığında daha şiddetli ortaya çıkmaktadır. Magnezyum eksikliği genç yapraklarda çözünür karbonhidrat miktarını önemli derecede azaltırken yaşlı yapraklarda ise ciddi oranda artışa sebep olmuştur. Bu durum yaşlı yapraklardan genç yapraklara karbonhidrat taşınımının Mg eksikliğinde azaldığını göstermektedir. Magnezyum eksikliği özellikle yüksek sıcaklık ve ışığa maruz kalındığında bazı antioksidatif enzimlerin aktivitesini arttırmıştır. Bu artışlar, en çarpıcı biçimde; süperoksit dismutazda 80% oranında, glutatyon reduktazda %250 oranında, ve askorbat peroksidazda %300 oranında görülmüştür. Anılan artışlar, Mg eksikliğinin buğday ve mısır bitkilerinde yüksek ısı ve ışığa duyarlılığını arttırdığını ve hücrelerde oksidatif zararlanmaya yol açan zararlı/reaktif oksijen türevlerinin artan miktarda ortaya çıktığını göstermektedir. Sonuçlar, kültür bitkilerinde yüksek sıcaklık ve yüksek ışık yoğunluğuna bağlı olarak ortaya çıkan hücre zararlanması ve verim kayıplarını minimize etmede yeterli düzeyde bir Mg gübrelemesinin önemli olduğuna işaret etmektedir.

Heat stress and excess light intensity are growing concerns in crop production because of global warming. In many cropping systems these stresses often occur simultaneously with other environmental stress factors such as mineral nutrient deficiencies. This study aimed to investigate the role of adequate magnesium (Mg) nutrition in mitigating the detrimental effects of heat and high light stress on wheat (Triticum aestivum) and maize (Zea mays). Visual leaf symptoms of Mg deficiency were aggravated in wheat and maize when exposed to heat or high light stress. Magnesium deficiency markedly reduced soluble carbohydrate concentrations in young leaves; but resulted in substantial increase in source leaves, indicating reduced transportation of carbohytrates from older (source) leaves into younger (sink) leaves.Magnesium deficiency also increased activities of antioxidative enzymes, especially when combined with heat and high light stress. The highest activities of superoxide dismutase (up to 80% above the control), glutathione reductase (up to 250% above the control) and ascorbate peroxidase (up to 300% above the control) were measured when Mg-deficient plants were subjected to heat or high light stress, suggesting stimulated formation of reactive oxygen species (ROS) in Mg deficient leaves under heat or high light stress. These results indicate that Mg deficiency increases susceptibility of wheat and maize plants to heat or high light stress, probably by increasing oxidative cellular damage caused by ROS. Ensuring a sufficiently high Mg supply for crop plants through Mg fertilization is a critical factor for minimizing heat or high light-related cellular damage in leaves and losses in crop production.