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甜菜蛋白的褪黑素在体外加固Bentazon(番薯甘薯

Hortscience.
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  • 1克莱姆森海岸研究和教育中心,萨凡纳高速公路2700号,南卡罗来纳州查尔斯顿29414
  • 2农业研究局,美国蔬菜实验室,萨凡纳高速公路2700号,南卡罗来纳州查尔斯顿29414
  • 3.克莱姆森大学植物与环境科学系,克莱姆森,克莱姆森,SC 29634
  • 4.北卡罗莱纳州立大学园艺科学系,2501 Founders Drive, Raleigh, NC 27607
  • 5.克莱姆森海岸研究和教育中心,萨凡纳高速公路2700号,南卡罗来纳州查尔斯顿29414

杂草竞争是限制甘薯生长的主要因素[番薯甘薯(L.)LAM]生产。黄色nutsedge(香esculentusL.)由于其能够迅速敏捷,并且产生高量的管和射击,因此是一个有问题的杂草。复合这是缺乏用于选择性后期对黄色Nutsegn的后期除草剂。进行了研究,以评估两种甘薯品种和一种先进的克隆的甲唑顿剂量反应,并评估植物激素褪黑素,以确定其Safen Bentazon后出苗后的能力。Bioassays using Murashige and Skoog (MS) media supplemented with melatonin (0.232 g a.i./L and 0.023 g a.i./L) and bentazon (0.24 g a.i./L) were conducted to evaluate the effect of bentazon on sweetpotato and to determine the interactive response of the Beauregard cultivar to bentazon and exogenous applications of melatonin. Beauregard swas the most tolerant cultivar and required dosages of bentazon that were two-times higher to cause the same injury compared with other cultivars. MS media containing melatonin and bentazon showed fewer injuries and higher plant mass than plants treated with bentazon alone. These results indicate that sweetpotato injury caused by bentazon may be reduced by melatonin.

摘要

杂草竞争是限制甘薯生长的主要因素[番薯甘薯(L.)LAM]生产。黄色nutsedge(香esculentusL.)由于其能够迅速敏捷,并且产生高量的管和射击,因此是一个有问题的杂草。复合这是缺乏用于选择性后期对黄色Nutsegn的后期除草剂。进行了研究,以评估两种甘薯品种和一种先进的克隆的甲唑顿剂量反应,并评估植物激素褪黑素,以确定其Safen Bentazon后出苗后的能力。Bioassays using Murashige and Skoog (MS) media supplemented with melatonin (0.232 g a.i./L and 0.023 g a.i./L) and bentazon (0.24 g a.i./L) were conducted to evaluate the effect of bentazon on sweetpotato and to determine the interactive response of the Beauregard cultivar to bentazon and exogenous applications of melatonin. Beauregard swas the most tolerant cultivar and required dosages of bentazon that were two-times higher to cause the same injury compared with other cultivars. MS media containing melatonin and bentazon showed fewer injuries and higher plant mass than plants treated with bentazon alone. These results indicate that sweetpotato injury caused by bentazon may be reduced by melatonin.

地瓜(番薯甘薯(l)在美国是一种重要的经济作物;2017年,其价值超过7.33亿美元(美国农业部,2018年),在美国种植了超过60,000公顷的总面积(美国农业部,2019年)。甘薯是用营养繁殖的茎尖插条移植的,需要约2至6周的无杂草期才能达到最高产量(哈里森和杰克逊,2011年;史密斯等人。,2009年)。杂草竞争对收益率的影响得到了充分的记录。例如,香esculentus降低产量高达80%(Meyers和Shankle, 2017)。然而,Meyers等人(2010)报道了含有Palmer amaranth的Beauregard和Covington甘薯品种的市场产量下降了36%至81% [Amaranthus Palmeri.(S.)WATS]干扰。

由于登记的甘薯除草剂相对较少,化学杂草管理具有挑战性(哈里森和杰克逊,2011年)。Flumioxazin,S.-异甲草胺和氯马酮是登记在甘薯上的除草剂,可以控制棘手的杂草,例如Amaranthus Palmeri.一年生草(肯布尔是2017;Meyers等,2010年)。缺乏除草剂可以控制香esculentus地瓜(韦伯斯特,2010)。用于评估甘薯的潜在除草剂,可以控制或抑制黄色果实是贝斯坦顿。报道了对多种甘薯栽培品种的贫民窟的耐受性范围莫森博克和摩纳哥(1991)。然而,本研究中的安全数据需要进一步探索更多的品种,具有减少甜菜顿岛甲津损伤的替代策略。增加甘薯的除草剂选择后一种可能的方法是结合除草剂安全概念,理想情况下,它将保护甘薯免受除草剂免受拮抗杂草控制(帕克,1983年)。大量关于单种子植物的研究报道,安全剂增加了细胞色素p450的活性,通过除草剂分子的偶联和代谢增加了对多种除草剂作用方式的耐受性(Hatzios 1991)。此外,Dubleman等人(1997)记录了更安全的furilazole增强P450活化的能力,导致甲基氟磺隆在玉米幼苗中脱酯化为氟磺隆酸。褪黑素是一种植物激素,已被证明可以增加细胞色素p450和潜在的隔离活性氧物种在阔叶蔬菜作物。

Arnao (2014)突出显示褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基氨基胺)的抗氧化能力,其能够清除反应性氧物质(ROS),反应性氮物质(RNS),并排毒各种化学污染物作为对环境应激的反应。非生物或生物应力(例如,低温,植物竞争和化学应用)可以影响光合速率并增加ROS的生产。增加ROS产量可能导致膜的血液过氧化,DNA损伤和各种酶的失活(程和宋,2006;Voyer和Noctor,2003)。Turk等人(2014)建议褪黑素可以增强植物对小麦冷凝压力的抗性(小麦通过直接清除活性氧和调节氧化还原平衡等防御机制。组织培养实验埃尔兰等人。(2019)报道外源性褪黑素通过一种特定的转运机制被吸收。这种机制涉及积极的内部运输,作为对环境压力的反应,褪黑素被分散,导致这种抗氧化物质在内胚层细胞中积累。Mandal等人(2018)注意到褪黑激素的外部施用可以直接影响参与生物和非生物胁迫反应的基因,它们证明了褪黑素可以在西瓜中增加细胞色素P450活性(Citrullus lanatusl .)。在同一研究中,白粉病(podosphaera xanthii.)外施褪黑素后,疾病严重程度显著降低。转基因大米(栽培稻过表达褪黑素含有较低水平的H2O.2当用丁酰嘧啶处理时,因此证实植物中褪黑激素水平的细胞增加导致抗氧化应激(Park等人。,2013年)。

苯达松耐除草剂品系的鉴定和选育有利于甘薯杂草的治理。体外方法是筛选不同植物抗逆性的有效方法,因为它们所需的资源和材料比大田试验少(cululle等人,2020年;Sakhanokho和Kelley, 2009)。Rajasekaran等人。(2005)报道了组织培养分析棉花的效率(Gossypium植物园l)植物与多种抗真菌化合物的相互作用。Cutulle等人。(2009)将体外技术描述为评估一年生早熟禾对有丝分裂抑制除草剂的抗性的最准确的评估(Poa Annua.l .)。对甘薯除草剂项目的一个重大限制是缺乏注册的POST除草剂控制苋属植物还有黄色的坚果草。因此,扩大POST除草剂的选择将为种植者提供更灵活的杂草管理方案。苯达松是一种具有抗除草剂活性的光系统IISPP。如果标签扩展到包括甘薯,则将受益种植者。

了解甘薯中褪黑素与苯达松除草剂之间的相互作用可能有助于改善杂草管理。因此,本研究的目的是:1)确定苯达松对甘薯无性系的影响,2)表征“Beauregard”对苯达松和褪黑激素的外源性应用的反应。

材料和方法

品种的剂量反应。

在南卡罗来纳州查尔斯顿的克莱姆森大学海岸研究和教育中心进行了一项研究,筛选甘薯品种对苯达松的敏感性。甘薯材料是从美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)和位于查尔斯顿的美国蔬菜实验室(USVL)的体外培养中获得的,两个甘薯品种(Beauregard和Covington)和一个高级无性系(USDA-09-130)来自美国农业部农业研究所和USVL甘薯育种计划。

体外培养:Murashige-Skoog基础培养基(Murashige和Skoog,1962年)的pH值为≈5.7。Bentazon (Basagran, 440 g a.i./L;将reagle International LLC, Lakeland, FL)以对数速率从0、0.1、1和10.0 m添加到培养基中m并用4克/升植物凝固。随后,将40ml培养基加入到培养管中(25×150mm;杜鲁克斯硼硅酸盐玻璃; VWR International,Radnor,PA)并在121°C下高压灭菌。

当源苗发育时,无菌切下2 ~ 3节梢插枝转移到培养基中。培养温度为25℃,光照16 h,暗光照8 h,光照强度为74µmol·m-2·年代-1由荧光灯管提供。实验是一个随机的完整组块,有4个重复,重复两次。在转移(DAT)后7、14和21 d进行视觉评分,评分范围从0%到100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。由于存在污染风险,在实验结束前用塑料薄膜对导管进行密封。

褪黑激素安全研究。

褪黑激素安全性研究是用从与前一项研究的相同地点提供的甘薯类番茄岛进行。Beauregard是Bentazon筛选研究中最具耐受的品种。选择确定褪黑素是否进一步减少了甲卓津的伤害。介质制剂,日益增长的条件和实验设计与先前描述的相同。在0或1米中加入Bentazon向培养基中m和褪黑激素(Alfa Aesar,Ward Hill,MA)在介质中以0,0.1或1.0米的浓度纳入介质中m。使用梅特勒-托莱多量表(TLE303E, SNR B705644588;瑞士格雷芬西兰伽尔)21号。在第7、14和21天进行视觉评分,评分范围从0%到100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。

数据分析。

所有数据均采用JMP(版本14;SAS研究所,卡里,NC)。在除草率试验中,将品种及与除草率的互作视为固定,复制视为随机。采用logistic五参数方程来确定每个品种的除草剂剂量-反应(Gottschalk和Dunn, 2005):

y = C + D. - C 1 + 经验值 一种 日志 B. - 日志 除草剂 F

在哪里y除草剂的剂量是造成预期伤害所必需的吗,C是低剂量的渐近线,D.是高剂量的渐近,一种为斜率参数,B.是拐点,和F是对称的力量。上渐近线是生长曲线上的点,它代表了测量的参数的最大值。下渐近线是生长曲线上的点,它代表了所测参数的最小值(Paine等人,2012)。

结果与讨论

品种剂量 - 反应。

随着除草剂浓度的增加而增加,损伤率增加,并且除了除草剂损伤,没有治疗×实验运行相互作用;因此,组合了来自两个实验的数据。品种,除草剂浓度及其相互作用具有显着影响(表格1)。品种差异为10米m苯达松没有发生,因为所有的植物都表现出100%的伤害图1。在1米mBeauregard、USDA-09-130和Covington的受害率分别达到75%、77%和84%。降低浓度至0.1 mm苯达松对“Covington”和USDA-09-130的总损伤高达75%;然而,Beauregard的耐受性更强,只有41%的伤害。

表1。

3个甘薯品种处理3周后,各处理因子及其互作对甘薯损伤的影响。

表1。
图1所示。
图1所示。

由三个富纳顿浓度(MS)基础介质(MS)基础媒体(MS)基础介质造成的三种甲卓浓度引起的甘薯品种“Beauregard”,'Covington'和USDA-09-130造成的21 d损伤百分比。伤害间隔的范围为0%至100%(0 =无损伤; 100%=植物死亡)。数值是四次重复的平均值。根据Tukey的多个范围测试,不同字母的手段显着差异(P.< 0.05)。

引文:Hortscience Horts.55岁,9;10.21273 / hortsci15128-20

计算除草剂预测,以确定苯达松对每个品种造成10%、20%和30%伤害所需的浓度(表2.)。基于这些计算,USDA-09-130对Bentazon最敏感。Covington比USDA-09-130更容易耐受Bentazon,并且需要更高的剂量达到相同的伤害阈值。导致Beauregard Slips类似伤害所必需的除草剂剂量是其他品种的两倍。

表2。

苯达松的估计浓度(mm)在治疗后3周后,需要导致'Beauregard','Covington',“Covington”和USDA-09-130 Servingpotato Slips所需的10%,20%或30%的视觉伤害。

表2。

褪黑激素安全。

外源性褪黑素添加到培养基中可降低除草剂损伤21dat (图2)不含褪黑素,1米处用苯达松m对Beauregard植物造成了83%的伤害。相比之下,褪黑素(0.1 mm和1米米),当结合褪黑素时,除草剂造成的损伤所证明的30%降低。这意味着减少是统计学上不同的(f2,2= 5.4349P.< 0.01)(表3图2)。然而,补充苯他松和褪黑素对两种褪黑素浓度造成的损伤在统计学上是相等的。植物生物量也受到除草剂(表4.);未处理对照的最终生物质为1.47克,而用甲津处理的植物的最终生物质为0.4g(图3)。

图2所示。
图2所示。

治疗后21 d,在Murashige和Skoog (MS)培养基中加入苯他松和褪黑素对Beauregard甘薯的损伤百分比。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。数值是四次重复的平均值。不同的字母表示根据Tukey的多个范围测试的显着差异(P.< 0.05)。

引文:Hortscience Horts.55岁,9;10.21273 / hortsci15128-20

表3。

治疗后3周治疗治疗因素及其对甘薯植物损伤损伤的影响。

表3。
表4。

治疗因子治疗因素及其相互作用对治疗后3周3周的甜菜盆栽甘露盆幼虫重量的研究。

表4。
图3所示。
图3所示。

Beauregard Markige和Skoog植物的重量在Murashige and Skoog(MS)基础培养基在治疗后21天加入Bentazon和Melatonin。数值是四次重复的平均值。不同的字母表示根据Tukey的多个范围测试的显着差异(P.< 0.05)。

引文:Hortscience Horts.55岁,9;10.21273 / hortsci15128-20

讨论

品种的剂量反应。

本研究结果与以往有关甘薯耐除草剂的研究结果一致。在甘薯种质资源筛选中哈里森与杰克逊(2011b), Beauregard的耐受性比敏感品种高约10倍。添加氟磺隆POST的实验表明,Beauregard比Covington (Dittmar等人,2013)。这些结果表明Beauregard对外来生物具有固有的耐受性,当与褪黑素结合使用时,它们可以增加除草剂的解毒作用,减少苯达松的伤害(哈齐奥斯和布尔戈斯,2004年)。

与研究相比莫森博克和摩纳哥(1991)结果表明,甘薯对苯达松的耐受性较低。这种差异可以用除草剂的快速吸收来解释;根据矿井等。(1974),在培养基中掺入的除草剂可以起到类似于水淹除草剂的作用,而且可以很快获得,这就解释了对植株造成的快速而猛烈的伤害。Bentazon通过根或芽迅速吸收并转移到叶片,造成损伤6 ~ 9dat。因为植株很小,它们没有足够的碳水化合物浓度来保护自己免受苯达松抑制光合作用所引起的底物消耗。

褪黑激素安全。

苯达松与质体醌竞争D1蛋白的结合位点,从而阻断光系统II的电子传递。这种对光合作用和氧化应激的抑制会导致细胞损伤(Dat等人。,1998年;韩和王,2002)。与之前的报告一致(DieBold等,2004年;Herrmann等人。,2017年;利马等人。,2018年结果表明,苯达松对植物的生长发育具有一定的干扰作用,对植物的根和叶的生长造成严重的伤害。

在胁迫条件下,植物通常产生较高水平的ROS,随后诱导膜脂过氧化和氧化损伤(凹地,2011;Munné-Bosch和Peñuelas,2003)。褪黑素是一种植物生长调节剂,可以提高高等植物在应激条件下的光合效率(Jiang等人,2016;Yin等,2013;赵等人。,2015年)。一个分子的褪黑激素可以最终清除10分子的基团(Tan等人,2007年),从而降低活性氧含量,减轻活性氧过度积累引起的氧化损伤(孟等人,2014)。魏等人。(2014)该研究报告称,外源性褪黑激素的应用能够上调与应激通路相关的基因。这种与ROS的相互作用证明褪黑素是氧化还原系统的重要组成部分。我们的研究表明,外源应用褪黑激素可以提高植物对除草剂的解毒能力,可能是通过降低活性除草剂与植物靶部位的相互作用能力,减轻ROS引起的氧化应激损伤。这些结果补充了之前的实验,在这些实验中,褪黑素被报道可以减少植物在应激非生物条件下的氧化损伤,如盐和冷(Fan等人,2015;李等人。,2012年;Zhou等人,2016)。

结论

在本研究中,我们证明了Beauregard在浓度为0.1 m时对苯达松的耐受性显著提高m与“Covington”和USDA-09-130相比。由于缺乏一种有效的用于控制阔叶杂草和莎草POST的甘薯除草剂,使用褪黑素可以使苯达松用于甘薯杂草管理。除草剂造成的相对较高的伤害率,即使存在褪黑素,也不能使褪黑素发展成一种商业安全剂的潜力失效。为了更好地了解除草剂和褪黑激素对植物代谢的相互作用,需要进行更多的生理和生化研究。此外,有必要进行温室试验和田间试验,以确定褪黑素和苯达松在与商业环境更相关的条件下的相互作用。理想的情况是,这些试验可以产生数据来促进一种急需的POST除草剂的标签扩展香esculentus控制在地瓜。最后,今后的研究将重点关注褪黑素在除草剂驱动杂草控制中的潜在拮抗作用。

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贡献者的笔记

研究经费由南卡罗莱纳农业协会提供,作者对此表示赞赏。在本文中提及商品名称或商业产品仅用于提供具体信息,并不意味着美国农业部的推荐或认可。美国农业部既是机会提供者,也是雇主。

M.C.是相应的作者。电子邮件:mcutull@clemson.edu.

  • Percent injury at 21 d after treatment of sweetpotato cultivars \u2018Beauregard\u2019, \u2018Covington\u2019, and USDA-09-130 caused by three bentazon concentrations incorporated into Murashige and Skoog (MS) basal media. Injury intervals range from 0% to 100% (0 = no injury; 100% = plant death). Values are the averages of four replicates. Means with different letters are significantly different according to Tukey\u2019s multiple range tests (P<\/em> < 0.05).<\/p><\/caption>","header":"Fig. 1.","imageUris":["/view/journals/hortsci/55/9/full-1406fig1.jpg"],"id":"F1_0"}],"id":"F1"}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-d5abbcaf-0eae-421d-8a8e-a356a44da226" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    由三个富纳顿浓度(MS)基础介质(MS)基础媒体(MS)基础介质造成的三种甲卓浓度引起的甘薯品种“Beauregard”,'Covington'和USDA-09-130造成的21 d损伤百分比。伤害间隔的范围为0%至100%(0 =无损伤; 100%=植物死亡)。数值是四次重复的平均值。根据Tukey的多个范围测试,不同字母的手段显着差异(P.< 0.05)。

  • Percent injury of Beauregard sweetpotato by bentazon and melatonin incorporated in Murashige and Skoog (MS) media at 21 d after treatment. Injury intervals ranged from 0% to 100% (0 = no injury; 100% = plant death). Values are the averages of four replicates. Different letters indicate significant differences according to Tukey\u2019s multiple range tests (P<\/em> < 0.05).<\/p><\/caption>","header":"Fig. 2.","imageUris":["/view/journals/hortsci/55/9/full-1406fig2.jpg"],"id":"F2_0"}],"id":"F2"}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-d5abbcaf-0eae-421d-8a8e-a356a44da226" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    治疗后21 d,在Murashige和Skoog (MS)培养基中加入苯他松和褪黑素对Beauregard甘薯的损伤百分比。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。数值是四次重复的平均值。不同的字母表示根据Tukey的多个范围测试的显着差异(P.< 0.05)。

  • Weight of Beauregard sweetpotato plants in Murashige and Skoog (MS) basal media incorporated with bentazon and melatonin at 21 d after treatment. Values are the averages of four replicates. Different letters indicate significant differences according to Tukey\u2019s multiple range tests (P<\/em> < 0.05).<\/p><\/caption>","header":"Fig. 3.","imageUris":["/view/journals/hortsci/55/9/full-1406fig3.jpg"],"id":"F3_0"}],"id":"F3"}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-d5abbcaf-0eae-421d-8a8e-a356a44da226" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    Beauregard Markige和Skoog植物的重量在Murashige and Skoog(MS)基础培养基在治疗后21天加入Bentazon和Melatonin。数值是四次重复的平均值。不同的字母表示根据Tukey的多个范围测试的显着差异(P.< 0.05)。

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