Effects of zinc biofortification strategies on yield, yield components and seed zinc content of bread wheat under drought and zinc deficient soil condition
Künye
Mohammed, M.M.A. (2021). Effects of zinc biofortification strategies on yield, yield components and seed zinc content of bread wheat under drought and zinc deficient soil condition. (Doktora tezi). Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun.Özet
Drought stress and Zinc (Zn) deficiency are serious abiotic stress factors
restricting plant growth and agricultural production when they occur concurrently,
especially in arid and semi-arid regions that wheat is the most commonly cultivated
crop. The main aims of this study were to improve drought tolerance, grain yield, and
increase seed Zn content through Zn biofortification in bread wheat. In experiment I,
the effect of seeds priming (2.5 and 5 mM Zn) and seed coating (1.5, 2.5 and 5 g
Zn/kg seeds) with Zn on seed germination and seedling growth parameters were
determined under controlled-growth chamber conditions at day/night temperature of
24/20 °C and 65-75% relative humidity during early growth stages of two wheat
varieties showing difference for their seed Zn content (Imam with average 29 mg/kg
Zn and Altındane 25.5 mg/kg Zn). In each treatment, 25 seeds were placed into petri
dishes to determine seed germination rate and sown into pots containing 700 g
alluvial soil with low Zn content to monitor seedling growth for 21 days with three
replications. Seed priming with Zn, particularly high dose (5 mM Zn) had relatively
positive impact and good performance on seed germination rate, mean germination
time and seedling growth parameters when compared with low Zn dose (2.5 mM Zn)
and hydropriming in both two wheat varieties. Seed coating with Zn, particularly
with low Zn concentration (1.5 g Zn/kg seeds) and in Altındane with less Zn content
has shown good respond and improved seed germination parameters in comparison
with untreated seeds for both wheat varieties.
Experiment II was conducted under controlled-growth chamber and
greenhouse conditions to evaluate different of Zn application strategies including
untreated seed (0 Zn), hydropriming (0 Zn), seed priming (5 mM Zn), seed coating
(1.5 g Zn/kg seeds), soil application (10 kg Zn/ha), foliar spray 0.5% and two
combinations of soil application with foliar (10 kg Zn/ha+0.5%) and seed coating
with foliar (1.5 g Zn/kg seeds+0.5%) on grain yield, drought tolerance and grain
biofortification with Zn for wheat varieties mentioned above. 30 seeds of each
variety and treatment sown in pot with 8 kg Zn deficient soil (0.6 mg/kg), after 7
days of germination seedling were thinned to 20 per pot. Initially, pots were irrigated
at 100% of field capacity (FC) by daily weighted and watering. After 60 days of
sowing at booting stage, plants were subjected to drought stress by maintain the
irrigation at 50% of FC, while pots in the well-watered treatment were maintained at
100% FC until harvest time. The results shown that, the losses of grains wheat yield
because of drought stress reached up to 8% in Imam and 15% in Altındane
comparison with well-watered yield for both varieties. However, Zn application
through seed coating and combination of seed coating with foliar spray improved the
yield under drought stress by 10.8 and 9.5% in Imam, and by 14 and 17% in
Altındane, respectively. Zn application mitigated negative effects of drought stress
and Zn deficiency through ameliorates WUE and Ψw. Antioxidants enzymes like
Superoxide dismutase (SOD) under drought stress displayed more activity in
untreated seed treatment, but the activity was more evident when Zn applied in
Altındane variety and was disappeared in Imam variety. In this study drought stress
has shown the highest grain Zn content by 57.5 mg/kg recorded by seed
coating+foliar spray and 42.3 mg/kg recorded by foliar spray treatment in Altındane
and Imam variety, respectively. However, in comparison with well-watered
condition, drought stress increased grain Zn content by 40 and 5.5% in Altındane and
Imam varieties, respectively.
Experiment III was carried out in Research Field of Ondokuz Mayıs
University, Agricultural Faculty, Samsun, Turkey during the 2018-2019 growing
season under rainfed conditions to assess whether Zn foliar spray, seed coating with
Zn alone or combine with foliar spray can improve grain yield, quality, and Zn
content of wheat varieties. Foliar spray, seed coating and combine application with
Zn improved grain yield and grain Zn content in Imam and Altındane varieties by
14.7, 10.8 and 5.3%, and 10, 0 and 19.2%, respectively when compared with control
treatment. Moreover, there was decline of grain protein content of wheat with all Zn
application treatments under rainfed conditions, and the correlation among them was
highly negative significant (r= - 0.62; P < 0.001). Kuraklık stresi ve çinko (Zn) eksikliği, özellikle eşzamanlı olarak
gerçekleştikleri zaman kurak ve yarı kurak bölgelerde bitki büyümesini ve tarımsal
üretimi kısıtlayan önemli abiyotik stres faktörleridir. Bu çalışmanın temel amacı,
kuraklık toleransını geliştirmek, buğday tanelerinin Zn ile biyolojik olarak
güçlendirilmesi yoluyla bu sorunları hafifletmek veya aşmaktır. Deneme I’de, çinko
ile tohum ön uygulama (2.5 ve 5 mM Zn) ve tohum kaplamanın (1.5, 2.5 ve 5 g
Zn/kg tohum) tohum çimlenmesi ve fide büyüme parametreleri üzerindeki etkileri,
tohumlarındaki çinko miktarları bakımından farklılık gösteren iki buğday çeşidinde
(Imam 29 mg/kg Zn ve Altındane 25.5 mg/kg Zn) erken gelişme dönemi sırasında
gündüz/gece 24/20 °C sıcaklık ve %65-75 oransal nemde kontrollü büyüme odası
koşullarında belirlenmiştir. Her uygulamada, 25 tohum çimlenme oranlarını
belirlemek için Petri kaplarına yerleştirildi ve fide büyümesini 21 gün boyunca
izlemek için düşük Zn içerikli 700 g alüvyal toprak içeren saksılara üç tekrarlamalı
olarak ekilmiştir. Zn ile tohum ön uygulamalarının, özellikle yüksek doz (5 mM Zn)
ile uygulamanın, düşük Zn dozu (2.5 mM Zn) ve her iki buğday çeşidinde de
hidropriming ile karşılaştırıldığında, tohum çimlenme oranı, ortalama çimlenme
süresi ve fide büyüme parametreleri üzerinde nispeten olumlu bir etkiye ve iyi
performansa sahip olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle düşük konsantrasyonda
(1.5 g Zn/kg tohum) tohum kaplama ve daha düşük Zn içeriğine sahip Altındane
çeşidinde yapılan kaplama, her iki çeşidin uygulama yapılmayan tohumları ile
karşılaştırıldığında daha iyi yanıt vermiş ve tohum çimlenme parametrelerini
artırmıştır.
Deneme II, muamele edilmemiş tohum (0 Zn), hidropriming (0 Zn), tohum
ön uygulama (5 mM), tohum kaplama (1.5 g Zn/kg tohum), toprak uygulaması (10
kg Zn/ha), yaprağa püskürtme (%0.5 Zn) ve toprak uygulaması+yaprak püskürtme
(10 kg Zn/ha+%0.5) ve tohum kaplama+yapraktan püskürtme (1.5 g Zn/kg
tohum+%0.5) birlikte uygulamalarının da dahil olduğu çinko uygulama stratejilerinin
yukarıda bahsedilen iki buğday çeşidinde tane verimi, kuraklık toleransı ve tanelerin
çinko ile zenginleştirilmesi üzerine etkilerini değerlendirmek için kontrollü büyütme
odasında ve sera koşullarında yapılmıştır. Her çeşit ve uygulamaya ait 30 tohum, Zn
eksikliği gösteren 8 kg toprakla (0.6 mg/kg) doldurulmuş saksılara ekilmiş,
çimlenmenin 7. gününden sonra fideler sayıları saksı başına 20 adet olacak şekilde
seyreltilmiştir. Başlangıçta saksılar yapılan günlük tartım ve sulamalar ile %100 tarla
kapasitesinde sulanmıştır. Ekimden 60 gün sonra, başaklanma öncesi döneminde,
toprak suyu %50 tarla kapasitesi arasında tutularak kuraklık stresine maruz
bırakılırken, iyi sulanan uygulamadaki saksılar hasat zamanına kadar %100 tarla
kapasitesinde tutulmuşlardır. Sonuçlar, kuraklık stresi nedeniyle buğday verimindeki
kayıpların her iki çeşidin iyi sulanan uygulamaları ile karşılaştırıldığında Imam'da
%8'e, Altındane'de ise %15'e ulaştığını göstermiştir. Bununla birlikte, tohum
kaplama ve tohum kaplamanın yaprağa püskürtme ile kombinasyonu kuraklık stresi
altında tane verimini İmam'da sırasıyla %10.8 ve 9.5, Altındane'de ise %14 ve 17
artırmıştır. Zn uygulaması, WUE ve Ψw'yi iyileştirerek kuraklık stresi ve Zn
eksikliğinin olumsuz etkilerini azaltmıştır. Öte yandan, mevcut çalışma, kuraklık
stresi altındaki Süperoksit Dismutaz (SOD) gibi antioksidant enzimlerin, uygulama
yapılmayan tohumlarda daha fazla aktivite sergilediğini, ancak Zn'nun Altındane
çeşidinde uygulandığında daha belirgin olduğunu ve Imam çeşidinde görülmediğini
göstermiştir. Bu çalışmada, kuraklık stresi, en yüksek tane Zn içeriği Altındane ve
Imam çeşidinde sırasıyla tohum kaplama+yaprağa püskürtme (57.5 mg/kg) ve
yaprağa püskürtme (42.3 mg/kg yaprak) uygulamasından elde edilmiştir. Bununla
birlikte, iyi sulanan koşullara kıyasla kuraklık stresi, Altındane ve Imam çeşidinde
tane Zn içeriğini sırasıyla %40 ve 5.5 artırmıştır.
Deneme III, Samsun Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Araştırma
sahasında yağmura dayalı koşullarda 2018-2019 yetiştirme sezonunda yapraktan Zn
uygulaması ve Zn ile tohum kaplamanın tek başına veya birlikte uygulandığında
buğdayda tane verimi, tane kalitesi ve Zn içeriği üzerine etkilerinin olup olmadığını
belirlemek için yapılmıştır. Çinkonun yapraktan püskürtme, çinko ile tohum kaplama
ve bunların birlikte uygulamalarının, kontrol uygulaması ile karşılaştırıldığında,
Imam ve Altındane çeşitlerinde tane verimini ve tane Zn içeriğini sırasıyla %14.7,
10.8 ve 5.3 ve %10.0 ve 19.2 oranında artırdığını göstermiştir. Tüm Zn uygulama
yöntemlerinde yağmura dayalı yetiştirme koşullarında ile buğdayın tane protein
içeriğinde azalma olmuş, aralarındaki korelasyon negatif ve çok önemli bulunmuştur
(r=- 0.62; P <0.001).