Physiological and biochemical analysis of seed priming effect on Brachypodium distachyon under abiotic stress

Abstract

Bitki ıslahçıları ve bilim insanları, büyüyen dünya nüfusunun gıda ve yem talebini karşılamak için abiyotik strese dayanıklı yeni çeşitler geliştirmeye çalışmaktadır. Tohum ön uygulaması (priming), bitkinin metabolizmasını aktive etmek için tohumun ekimden önce çeşitli kimyasallarla muamele edilmesi ile uygulanan bir hidrasyon tekniğidir. Priming senkronize çimlenmeyi sağlamak ve çimlenme oranını arttırmak içinyıllardır kullanılmaktadır. Bununla birlikte, son yıllarda yapılan araştırmalar, priming uygulamasının bitkinin abiyotik strese karşı savunma mekanizması üzerindeki etkisine odaklanmıştır. Brachypodium distachyon, buğday, arpa ve çavdar gibi gıda ve yem tedariğinde öneme sahip tahıllara model bir bitkidir. Bu çalışmada, B. distachyon (Bd-21 hattı) tohumları, hidropriming için distile su, osmopriming için potasyum nitrat (yüzde 1, 2, 3 KNO3) ve hormonal priming için salisilik asit (0.25, 0.5, 0.75 mM SA) ile muamele edilmiştir. Bu sayede, priming uygulamasının çimlenme parametrelerine etkisinin incelenmesi ve priming metotlarının tuz ve kuraklık stresi altındaki B. distachyon'da sebep olduğu fizyolojik ve biyokimyasal değişimlerin değerlendirmesi amaçlanmıştır. Çimlenme testi, tüm priming uygulamalarının, özellikle ortalama çimlenme süresi (MGT), çimlenme endeksi (GI), çimlenme belirsizliği (U) ve senkronizasyon (Z) olmak üzere çimlenme parametrelerine olumlu etkisi olduğunu göstermiştir. Bitkilerin biyokütle ve bitki boyu gibi morfolojik özellikleri, hidropriming ve düşük konsantrasyonlu KNO3 priming uygulamasından olumlu yönde etkilenmiştir. Tuz ve kuraklık stresi altında, prolin içeriği ve nispi membran geçirgenliği (RMP) artarken, nispi su içeriği (RWC) ve klorofil konsantrasyonu azalmıştır. Antioksidan seviyeleri (katalaz-CAT, peroksidaz-POD ve süperoksit dismutaz-SOD), priming uygulamaları arasında önemli farklılıklar göstermiştir. Genel olarak, yüzde 1 KNO3 ile priming uygulamasının, tuz ve kuraklık stresi altındaki B. distachyon'da tolerans sağlamak için tercih edilebileceği sonucuna varılabilir. Bilgimiz dahilinde B.distachyon'da priming uygulaması ilk bu çalışmada yapılmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, priming sonrası B. distachyon ve diğer tahıllarda abiyotik stres toleransının altında yatan moleküler mekanizmaları araştırmak için omik çalışmalarda kullanılabilir.

Plant breeders and scientists try to develop more precise solutions for the production of new varieties, which are more resistant to abiotic stress to supply the food and feed demand of the growing world population. Seed priming is a hydration technique by treating seeds with various chemicals to activate the metabolism of the plant prior to sowing. For many years, seed priming has been used to achieve synchronized germination and increased germination rate. However, in recent years, studies have focused on the effect of seed priming on the plant's defense mechanism against abiotic stress. Brachypodium distachyon is a model plant for important cereals such as barley, wheat and rye that have great importance as food and feed supply. In this study, B. distachyon (Bd-21 line) seeds were treated with distilled water for hydropriming, potassium nitrate (1, 2, 3 per cent KNO3) for osmopriming, and salicylic acid (0.25, 0.5, 0.75 mM SA) for hormonal priming to investigate the effect of seed priming on germination parameters and evaluate the physiological and biochemical changes caused by different priming methods in B. distachyon plants under salt and drought stress. The germination test showed that all priming methods had a positive effect on seed germination parameters, in particular, mean emergence time (MGT), germination index (GI), uncertainty of germination (U) and synchronization (Z). Morphological characteristics of plants such as biomass and plant height were positively affected by hydropriming and low concentrations of KNO3. Relative water content (RWC) and chlorophyll concentration decreased while proline content and relative membrane permeability (RMP) increased under salt and drought stress. Antioxidant levels (catalase-CAT, peroxidase-POD and superoxide dismutase-SOD) showed extensive variation and significant differences among priming treatments. Overall, it can be concluded that osmopriming with 1 per cent KNO3 would be preferable for drought and salt stress tolerance in B. distachyon. To our knowledge, seed priming was performed for the first time in B. distachyon with this study. Therefore, the results of this study can further be used in omics studies to explore the molecular mechanisms underlying abiotic stress tolerance of B. distachyon and other cereal grains after seed priming