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甘薯褪黑素对苯达松的体外安全性研究(番薯甘薯

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  • 1 克莱姆森海岸研究和教育中心,2700萨凡纳公路,查尔斯顿,SC 29414
  • |2 农业研究局,美国蔬菜实验室,2700萨凡纳公路,查尔斯顿,SC 29414
  • |3. 克莱姆森大学植物与环境科学系,105 Sikes Hall,克莱姆森,SC 29634
  • |4 北卡罗来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,2700萨凡纳公路,查尔斯顿,SC 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.)是一种难以控制的杂草,因为它能迅速在田间滋生并产生大量的管和芽。更糟糕的是,缺乏一种注册的除草剂来对黄豆草的出现后进行选择性控制。摘要研究了2个甘薯品种和1个高育无性系对苯达松的剂量反应,并对植物激素褪黑素进行了评价,以确定其对苯达松的保护能力。采用MS培养基添加褪黑素(0.232 g a.i./L和0.023 g a.i./L)和苯达松(0.24 g a.i./L),评价了苯达松对甘薯的影响,并研究了Beauregard品种对褪黑素和苯达松的互作反应。Beauregard是最耐受性最强的品种,需要比其他品种多2倍的苯达松才能造成同样的伤害。含褪黑素和苯达松的MS培养基比单用苯达松处理的植株损伤小,植株质量高。这些结果表明褪黑素可减轻苯达松对甘薯的伤害。

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.)是一种难以控制的杂草,因为它能迅速在田间滋生并产生大量的管和芽。更糟糕的是,缺乏一种注册的除草剂来对黄豆草的出现后进行选择性控制。摘要研究了2个甘薯品种和1个高育无性系对苯达松的剂量反应,并对植物激素褪黑素进行了评价,以确定其对苯达松的保护能力。采用MS培养基添加褪黑素(0.232 g a.i./L和0.023 g a.i./L)和苯达松(0.24 g a.i./L),评价了苯达松对甘薯的影响,并研究了Beauregard品种对褪黑素和苯达松的互作反应。Beauregard是最耐受性最强的品种,需要比其他品种多2倍的苯达松才能造成同样的伤害。含褪黑素和苯达松的MS培养基比单用苯达松处理的植株损伤小,植株质量高。这些结果表明褪黑素可减轻苯达松对甘薯的伤害。

甘薯[番薯甘薯(L.)林]是美国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),整个美国的种植面积超过6万公顷(美国农业部,2019年).甘薯采用营养繁殖的茎尖插条(slip)进行移植,需要≈2至6周无杂草,以最大限度地提高产量(哈里森和杰克逊,2011a史密斯等人,2009年).杂草竞争对产量的影响已被充分证明。例如,香esculentus产量减少高达80% (Meyers和Shankle, 2017年).然而,Meyers等人(2010年)报道了Beauregard和Covington两种含帕尔默苋的甘薯品种的市场产量下降了36%至81% [苋属palmeri(美国)寺庙)的干扰。

由于甘薯类除草剂注册相对较少,化学除草具有挑战性(哈里森和杰克逊,2011b).Flumioxazin,年代-异丙甲草胺和异丙草酮是注册用于甘薯的预除草剂,用于控制麻烦的杂草,如苋属palmeri和一年生草(肯布尔,2017年Meyers等人,2010年).缺乏POST除草剂来控制香esculentus甘薯(韦伯斯特,2010).苯达松是一种潜在的甘薯评价除草剂,具有防治黄豆苔的作用。研究表明,甘薯品种对苯达松的耐受性差异较大莫森博克和摩纳哥(1991).然而,本研究的安全性数据为进一步探索更多甘薯品种对苯达松的耐受性提供了依据,并提出了减少苯达松危害的对策。增加甘薯的POST除草剂选择的一种可能的方法是引入除草剂安全概念,这在理想情况下可以保护甘薯不受POST除草剂的影响,同时又不会拮抗杂草控制(帕克,1983年).对单子叶植物的大量研究表明,安全剂增加了细胞色素p450的活性,通过结合和代谢除草剂分子,增加了对多种除草剂作用模式的耐受性(Hatzios 1991).此外,Dubleman等人(1997)记录了更安全的呋喃唑增强P450活化的能力,导致在玉米幼苗中氟磺隆-甲基脱酯化为氟磺隆酸。褪黑素是一种植物激素,它被证明可以增加阔叶蔬菜作物中的细胞色素p450,并可能隔离活性氧。

阿诺(2014)强调了褪黑素(N-acetyl-5-methoxytryptamine)的抗氧化能力,它能够清除活性氧(ROS)、活性氮(RNS),并在环境胁迫下解毒各种化学污染物。非生物或生物胁迫(例如,低温、植物竞争和化学应用)会影响光合速率并增加ROS的产生。增加ROS产生可导致膜脂质过氧化、DNA损伤和各种酶的失活(程和松,2006Foyer and Noctor, 2003年).Turk et al. (2014)提示褪黑素可增强小麦对冷胁迫的抗性(普通小麦通过直接清除活性氧和调节氧化还原平衡和其他防御机制。组织培养实验Erland et al. (2019)报道外源性褪黑素通过特定的转运机制被吸收。这一机制涉及到积极的内部运输,作为对环境压力的反应分散褪黑激素,导致这种抗氧化物质在内胚层细胞中积累。Mandal等人(2018)研究发现,外用褪黑素可直接影响参与生物和非生物胁迫反应的基因,并证明褪黑素可增加西瓜细胞色素P450活性(西瓜l .)。在同一项研究中,白粉病(Podosphaera xanthii)外源性应用褪黑素后,疾病严重程度显著降低。转基因水稻(栽培稻研究发现,过度表达的褪黑激素含有较低水平的H2O2当使用布那非尼治疗时,证实了植物细胞中褪黑激素水平的增加会导致抗氧化应激(Park et al., 2013).

甘薯耐苯达松除草剂品系的鉴定和选择将有助于甘薯杂草的防除,离体方法比田间试验所需资源和材料少,是筛选不同植物抗逆性的有效方法(Cutulle等人,2020年萨哈诺科和凯利,2009年).Rajasekaran等人(2005)用组织培养法分析棉花(Gossypium植物园植物与多种抗真菌化合物的相互作用。Cutulle等(2009)描述了体外技术是评价一年生蓝草(植物l .)。甘薯除草剂项目的一个重要限制是缺乏注册的POST除草剂来控制苋菜因此,扩大除草剂后的选择将为种植者的杂草管理计划提供更大的灵活性。苯达松是一种光系统II抑制除草剂,具有抗除草剂活性如果这个标签扩大到甘薯,种植者也会受益。

了解褪黑素和苯达松在甘薯中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)研究苯达松用量对甘薯无性系的影响;2)研究Beauregard对苯达松和外源褪黑激素的响应。

材料和方法

品种剂量反应。

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,以筛选对苯达松敏感的甘薯品种。甘薯材料从美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)和查尔斯顿美国蔬菜实验室(USVL)的离体培养中获得,本研究包括美国农业部(USDA)的两个甘薯品种(Beauregard和Covington)和一个高级无性系(USDA-09-130)。

对于体外培养,Murashige-Skoog基培养基(Murashige和Skoog, 1962年)将pH值调整为≈5.7. 将Bentazon(Basagran,440 g a.i./L;Redeagle International LLC,Lakeland,FL)从0、0.1、1和10.0 m以对数递增率添加到介质中用4 g/L植酸固化。随后,在25 × 150 mm的培养管中加入40 mL培养基;杜蕾斯硼硅玻璃;VWR国际,Radnor, PA)和蒸压121°C。

当源苗发育时,无菌切除2 ~ 3节茎尖,转移到培养基中。培养温度保持在25℃,光照16 h,暗8 h,光照强度为74µmol·m−2·年代−1由荧光管灯提供。该实验是一个随机完整区组,有四个重复,重复两次。视觉评分在转移后7、14和21天(DAT)进行,评分范围为0%至100%(0=无损伤;100%=植物死亡).由于存在污染风险,在试验结束前,容器管均采用parafilm密封。

褪黑激素safener研究。

一项褪黑素安全性的研究是用来自与先前研究相同地点的甘薯材料进行的。在苯达松筛选研究中,包瑞德是最耐受性最强的品种。选择它来确定褪黑素是否能进一步减少苯达松造成的损伤。培养基准备、生长条件和实验设计与前面描述的相同。本达松在0米或1米的时候加入了媒体,和褪黑激素(Alfa Aesar, Ward Hill, MA)以0、0.1或1.0 m的浓度加入培养基中.采用梅特勒-托莱多量表(TLE303E, SNR B705644588;Langacher, Greifensee,瑞士)21 DAT。分别在7、14和21 DAT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中的混合模型方法进行方差分析(第14版;北卡罗来纳州卡里市SAS研究所).在除草剂用量试验期间,品种以及品种与除草剂用量之间的相互作用被视为固定的,复制被视为随机的。使用logistic五参数方程确定每个品种的除草剂剂量反应(戈特沙克和邓恩,2005年):
y c + d c 1 + 经验值 一个 日志 b 日志 除莠剂 f

在哪里y是造成预期伤害所必需的除草剂剂量,c是低剂量的渐近线,d是高剂量的渐近线,一个为斜率参数,b拐点是,和f是对称的力量。上渐近线是生长曲线上代表所测参数最大值的点。下渐近线是生长曲线的点,它表示所测参数的最小值(潘恩等,2012).

结果和讨论

品种的剂量反应。

除草剂的伤害率随除草剂浓度的增加而增加,处理与试验之间没有相互作用;因此,将两个实验的数据进行了合并。品种、除草剂浓度及其互作效应显著(表1).10 m间品种间差异苯达松的毒性没有发生,因为所有植物都表现出100%的伤害,如图所示图1.在1米处Beauregard、USDA-09-130和Covington的伤害率分别为75%、77%和84%。将浓度降低到0.1 m苯达松导致≈“Covington”和USDA-09-130的总伤害率为75%;然而,博雷德的容忍度明显更高,只有41%的伤害。

表1。

在处理3周后,测试处理因素及其交互作用对三个甘薯品种伤害的影响。

表1。
图1所示。
图1所示。

用3种苯达松(bentazon)处理甘薯品种Beauregard、Covington和USDA-09-130后21 d的损伤率。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试(P< 0.05).

引文:HortScience horts 55,9;10.21273 / HORTSCI15128-20

计算除草剂喷施量,以确定对每个品种造成10%、20%和30%伤害所需的苯达松浓度(表2).根据这些计算,USDA-09-130对苯达松最敏感。与USDA-09-130相比,Covington对苯达松的耐受性更强,需要更高的剂量才能达到相同的损伤阈值。对Beauregard滑条造成类似伤害所需除草剂剂量是其他品种的2倍。

表2。

估计苯达松浓度(m)要求在治疗3周后对“Beauregard”、“Covington”和USDA-09-130红薯片造成10%、20%或30%的视觉损伤。

表2。

褪黑激素safener。

向培养基中添加外源褪黑素可降低除草剂对21 DAT的伤害(图2)在没有褪黑激素的情况下,1米服用苯达松对Beauregard植物造成83%的伤害。相比之下,除草剂和褪黑素对褪黑素(0.1 m)的伤害均为≈51%和1米m)同时施用褪黑素时,除草剂造成的伤害降低了30%。这意味着减少在统计上是不同的(F2,2= 5.4349,P< 0.01) (表3图2)然而,苯达松和褪黑素补充所造成的损伤在统计学上与褪黑素浓度相等。植物生物量也受到除草剂的影响(表4);未处理的最终生物量为1.47 g,而苯达松处理的最终生物量为0.4 g (图3).

图2所示。
图2所示。

治疗21 d后,在MS培养基中加入苯达松和褪黑素对Beauregard甘薯的伤害百分率。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试,不同的字母表示显著差异(P< 0.05).

引文:HortScience horts 55,9;10.21273 / HORTSCI15128-20

表3。

试验各处理因子及其互作对Beauregard品种处理后3周甘薯滑块的伤害影响。

表3。
表4。

试验各处理因子及其互作对包瑞德甘薯苗处理后3周重的影响。

表4。
图3所示。
图3所示。

在Murashige和Skoog (MS)基础培养基中添加苯达松和褪黑激素处理21 d后,测定Beauregard甘薯植株的重量。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试,不同的字母表示显著差异(P< 0.05).

引文:HortScience horts 55,9;10.21273 / HORTSCI15128-20

讨论

品种剂量反应。

我们的研究结果与前人对甘薯耐除草剂的研究结果一致。在甘薯种质资源氯氮酮筛选中哈里森和杰克逊(2011b),博雷德≈耐盐性是敏感品种的10倍。用卤磺隆桩进行的附加试验表明,Beaured的贮藏根伤害比Covington小(Dittmar等人,2013年).这些结果表明Beauregard对外生物质固有的耐受性,当与褪黑素结合使用时,它们可以增加除草剂解毒和减少苯达松的伤害(哈齐奥斯和布尔格斯,2004年).

与之相反的是莫森博克和摩纳哥(1991)结果表明甘薯对苯达松的耐受性较低。这种差异可能与除草剂的快速吸收有关;根据Mine等人(1974),介质中掺入的除草剂可以起到类似于淹水除草剂的作用,而且可迅速获得,这解释了对幼苗造成快速和侵略性伤害的原因。Bentazon通过根或枝迅速被吸收并转移到叶片,致伤6 ~ 9dat。由于植株体积小,它们没有必要的碳水化合物浓度来保护自己免受苯达松抑制的光合作用造成的基质耗竭。

褪黑激素safener。

苯达松与塑性醌竞争D1蛋白上的结合位点,从而阻断来自光系统II的电子传递。这种对光合作用和氧化应激的抑制随后是细胞损伤(Dat等人,1998年韩和王,2002年).与先前的报告一致(Diebold等人,2004年Herrmann等人,2017Lima等人,2018年结果表明,苯达松对植物生长发育有一定的干扰作用,对植物造成严重的伤害,影响根和叶的生长。

在胁迫条件下,植物通常会产生较高水平的活性氧,从而导致膜脂过氧化和氧化损伤(凹地,2011Munné-Bosch和Peñuelas, 2003).褪黑素是一种植物生长调节剂,可在压力条件下提高高等植物的光合效率(蒋等人,2016尹等人,2013年Zhao et al., 2015).一分子褪黑激素可能最终清除10分子自由基(Tan et al., 2007),从而降低活性氧含量,减轻活性氧过量积累引起的氧化损伤(孟等,2014).Wei等(2014),报道了外源性褪黑素应用的能力,上调与应激途径相关的基因。这种与ROS的相互作用证明褪黑激素是氧化还原系统的重要组成部分。我们的研究表明,外源施用褪黑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位点的互作能力,减轻ROS对植物的氧化应激损伤。这些结果补充了先前的实验,在这些实验中,褪黑素被报道在盐和冷等非生物胁迫条件下减少植物的氧化损伤(Fan等人,2015年李等,2012周等人,2016年).

结论

在这项研究中,我们证明‘Beauregard’在0.1 m浓度下对苯达松的耐受能力显著增强与“科文顿”和USDA-09-130相比。鉴于缺乏一种有效的除草剂来控制甘薯上的阔叶杂草和莎草,褪黑素的使用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,也不会使褪黑素发展成为商业安全剂的潜力失效。为了更好地理解除草剂和褪黑素在植物代谢中的相互作用,需要进行更多的生理生化研究。此外,有必要在与商业环境更相关的条件下进行温室和田间试验,以确定褪黑素和苯达松的相互作用。理想情况下,这些试验可以产生数据,以促进一种急需的后除草剂的标签扩展香esculentus控制在地瓜。最后,未来的研究将集中于褪黑素在除草剂驱动杂草防治中的潜在拮抗作用。

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投稿人笔记

本研究的资金由南卡罗来纳州农业协会提供,作者非常感谢。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。美国农业部是一个平等的机会供应商和雇主。

M.C.是通讯作者。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>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-78d4683a-346f-4b5c-9670-aa23c13dd688" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    用3种苯达松(bentazon)处理甘薯品种Beauregard、Covington和USDA-09-130后21 d的损伤率。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试(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>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-78d4683a-346f-4b5c-9670-aa23c13dd688" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    治疗21 d后,在MS培养基中加入苯达松和褪黑素对Beauregard甘薯的伤害百分率。损伤间隔为0% ~ 100%(0 =无损伤;100% =植物死亡)。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试,不同的字母表示显著差异(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>"}]}" aria-selected="false" role="option" data-menu-item="list-id-78d4683a-346f-4b5c-9670-aa23c13dd688" class="ListItem ListItem--disableGutters ListItem--divider">

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    在Murashige和Skoog (MS)基础培养基中添加苯达松和褪黑激素处理21 d后,测定Beauregard甘薯植株的重量。值是四个重复的平均值。根据Tukey的多量程测试,不同的字母表示显著差异(P< 0.05).

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