Salt sensitivity of rice, maize, sugar beet, and cotton during germination and early vegetative growth

Abstract

Bodenversalzung ist ein häufig vorkommendes Problem für die landwirtschaftliche Produktivität in vielen ariden Teilen der Welt. DieKeimung stellt eine Phase im Lebenszyklus der Pflanzen dar, die empfindlich für Stress durch Versalzung ist. Eine erfolgreiche Keimunghängt sowohl von der Häufigkeit und Menge des Niederschlags ab, als auch von der Fähigkeit einer Saatgutart, zu keimen und zu wachsen,während die Bodenfeuchtigkeit und die osmotischen Potentiale abnehmen. Die durch Versalzung bedingten Veränderungen der einzelnenphysiologischen und anatomischen Parameter variieren beträchtlich. Dies hängt von der Pflanzenart, dem Entwicklungsstadium undexternen Faktoren, wie dem Salzregime, ab. Die Nutzung saliner Böden für landwirtschaftliche Zwecke und die Wiederinkulturnahme dieserBöden für die gegenwärtige und zukünftige landwirtschaftliche Nutzung verlangt ein besseres Verständnis der Natur der Salzresistenz undSalzempfindlichkeit während der Saatkeimung. Die vorliegende Studie wurde deshalb durchgeführt, um sich mit den folgenden Zielenauseinanderzusetzen. Hauptziele: 1. Bestimmung der Wirkung von verschiedenen Graden der Versalzung (NaCl) auf keimendes Saatgut (Zuckerrüben, Baumwolle, Mais und Reis). 2. Untersuchung des Ausmaßes der osmotischen und speziellen Ionenwirkungen auf die Keimung der oben genannten Planzenarten unter Einsatz verschiedener Arten anorganischer Salze (NaCl, CaCl2 und Na2SO4). 3. Bewertung der Wirkung des Wasserpotentials (simulierte Trockenheit) unter Einsatz von osmotischen Substanzen wie PEG und Mannitol und der Vergleich dieser Substanzen mit NaCl während der Keimung dieser Pflanzenarten. Weitere Ziele: I. Identifikation salzresistenter und salzempfindlicher Pflanzen während der Keimung. II. Einschätzung der exogenen Anwendung von GA3 und Kinetin auf die Keimung und das frühe Wachstum der Keimlinge unter Salzstressbedingungen. III. Falls Unterschiede in der Widerstandsfähigkeit gegenüber Salz unter den Pflanzenarten identifiziert werden können wäre das Ziel, die Mechanismen zu identifizieren, die für diese Unterschiede verantwortlich sind. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: a. Die Ergebnisse weisen Reis und Mais während der Keimung als resistenter relativ zu Baumwolle und Zuckerrübensamen gegenüber durch NaCl bedingtem Salzstress aus. b. Bei der Anwendung von Substraten gleicher osmotischer Potentiale erscheint die Gesamtwirkung auf die Keimung und das frühe Setzlingswachstum folgendermaßen: Na2So4 reduziert die Keimung weit mehr als CaCl, gefolgt von NaCl. Jegliche Einstufung bestimmter Ionen erweist sich als schwierig, da bestimmte Kombinationen von Kationen und Anionen hemmender erscheinen als andere. c. Die in diesem Versuch gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass isotonische Lösungen von PEG, Mannitol und NaCl vergleichbare Keimprozentsätze und "root/shoot" Längen erbrachten, was darauf hinweist, dass die Verminderung in der Keimung und anderen Wachstumsparametern in erster Linie auf einen osmotischen Effekt zurückzuführen sind. d. Gibberellinsäure und Kinetin erwiesen sich als wirksam in der Linderung von salzinduzierten Stressbedingungen bei Mais und Zuckerrüben. Besonders auf der hohen Stufe der Salzbehandlungen war die Wirkung von GA3 größer als die von Kinetin bei Mais. Bei Zuckerrüben ist der Fall jedoch umgekehrt. Im allgemeinen kann die Keimung des Saatguts durch eine Hemmung der Wachstumsfaktoren und durch die Versalzung mit der metabolischen Aktivität beeinträchtigt werden. e. Die Anwesenheit von Salzionen in den Zellen könnte Veränderungen in der Enzymaktivität bewirken, aufgrund der Wirkung von Ionen auf die Struktur von hydratisierendem Wasser, das die Proteinmoleküle umgibt. NaCl könnte ebenfalls eine hemmende Wirkung auf die Aktivität einiger Enzyme haben, die eine entscheidende Rolle in der Saatkeimung spielen. Die geringe Keimung und höhere Salzempfindlichkeit von Zuckerrüben (und Baumwolle) könnte damit in Verbindung stehen. Das weist darauf hin, dass die Umwandlung in lösliche Zucker durch den auferlegten Stress beeinflusst wird.

Salinity is a common problem for agricultural productivity in many parts of the world and in land areas that have become arid. A stage in theplant life-cycle vulnerable to salinity stress is seed germination. Successful seedling establishment depends on the frequency and theamount of precipitation as well as on the ability of seed species to germinate and grow while soil moisture and osmotic potentialsdecrease. The changes induced by salinity in any one of the particular physiological or anatomical parameters vary considerably. Thisdepends on plant species, stage of development, and external factors such as salt regime. Based on this information, it is clear that thedemands for the use of salinized land for agricultural purposes and the reinstatement of these lands for agricultural use in the present timeand in the future require a better understanding of the nature of salt resistance and salt sensitivity during seed germination. The presentstudy was, therefore, conducted to deal with the following objectives: Major objectives: 1. To determine the effect of different levels of salinity (NaCl) on the germination of seeds (of sugar beet, cotton, maize, and rice). 2. To investigate the extent of osmotic and specific ion effects on germination by using different types of inorganic salts: NaCl, CaCl2, and Na2SO4 on the abovementioned plant species. 3. To evaluate the effect of water potential (drought simulation) using osmotic substances such as PEG and mannitol and comparing these with NaCl during germination on these plant species. Secondary objectives: I. Identify salt-resistance and salt-sensitive plants during germination. II. To assess the exogenous application of GA3 and kinetinon germination and early seedlings growth under saltstress conditions. III. To identify differences in salt resistance among species during germination and to identify the mechanisms that are responsible for these differences. The results of the series of experiments are summarized as follows: a. Rice and maize showed high salt resistance during germination. The data also indicates that germination of cotton and sugar beet was more sensitive to the stress caused by NaCl. b. When substrates of equal osmotic potentials are applied, the overall effect of salts on germination and early seedling growth appears to be as follows: Na2SO4 reduces germination much more than CaCl2 followed by NaCl. Any ranking of specific ions seems to be difficult, since particular combinations of cations and anions appear to be more inhibitory thanothers. c. The results indicated, that isotonic solutions of PEG, Mannitol and NaCl yielded similar germination percent and root/shoot length, indicating that the decrease in germination and other growth parameters may be due primarily to an osmotic effect. d. Gibberellic acid and kinetin were found to be effective in alleviating salt-induced stress conditions in maize and sugar beet seeds. Particularly at the high level of salinity treatments, the effect of GA3 was greater than that of kinetin in maize. However, the case was opposite in sugar beet. In general, seeds may be prevented from germination due to an inhibition of growth regulators or interference of salinity with metabolic activity. e. The presence of salt in the cells may induce changes in protein activity due to effects of ions on the structure of hydrating water which surrounds theprotein molecule. NaCl may also be inhibitory to the activities of some enzymes that play critical roles in seed germination. The poor germination and higher salt sensitivity of sugar beet (or cotton) may be linked to this and the following sugar input. This implies that transformation into soluble sugar is affected by the imposed stress.