Cercetări privind rezistenţa grâului la temperaturi scăzute - Elena Petcu şi colaboratorii, INCDA Fundulea

Rolul cercetărilor de fiziologia plantelor este de a participa la procesul de sporire a producţiei vegetale prin valorificarea întregului potenţial biologic de producţie al plantelor. Pentru realizarea acestui deziderat au fost necesare cercetări ample de fiziologie pentru obţinerea de date concludente privind procesele fundamentale ale formării recoltelor la principalele culturi de câmp prin:

• studiul proceselor fiziologice şi biochimice implicate în reacţia plantelor la condiţii de stres;


• studii privind creşterea şi dezvoltarea plantelor, nutriţia minerală, productivitatea;


• studii privind calitatea recoltelor;
• utilizarea modelelor matematice în agricultură;


• estimarea prin teledetecţie a eficienţei măsurilor agrotehnice aplicate.

În contextul în care la nivel global se estimează o creştere anuală a populaţiei cu 1,5%, ajungându-se la 11 miliarde de locuitori în anul 2050, înlăturarea tuturor cauzelor care duc la diminuarea recoltelor de cereale şi plante tehnice este de o importanţă vitală. Una din principale cauze care diminuează recoltele o reprezintă factorii de stres abiotic, care pot produce scăderi ale producţiei ce pot atinge uneori nivelul de 70% (Săulescu şi colab., 1996).

O modalitatea sigură pentru diminuarea acestor pierderi o reprezintă crearea de cultivare rezistente la factori de mediu nefavorabili. Cercetările de fiziologie au fost orientate în mare măsură pe linia sprijinirii activităţii de ameliorare prin studiul proceselor fiziologice şi biochimice implicate în reacţia plantelor la condiţii de stres, elaborarea de metode şi criterii de selecţie cu eficienţă sporită în identificarea diferenţelor de ordin genetic, în vederea îmbunătăţirii rezistenţei la temperaturi scăzute, arşiţă, secetă, exces de umiditate, salinitate şi aciditatea solului.

Rezistenţa la temperaturi scăzute
Cercetările efectuate în acest domeniu au avut în vedere pe lângă elucidarea unor probleme de natură teoretică, menite să îmbogăţească cunoştinţele privind mecanismele de apărare a plantelor faţă de temperaturile scăzute negative şi preocuparea de a găsi noi metode de investigare, mai puţin costisitoare, rapide şi eficiente, necesare caracterizării noilor genotipuri de cereale de toamnă din punctul de vedere al rezistenţei la iernare. Astfel, în concordanţă cu datele experimentale obţinute pe plan mondial şi folosind diferite metode de cercetare (directe şi indirecte), a fost pus în evidenţă caracterul dinamic al capacităţii de rezistenţă la ger în cursul iernii, atât la soiurile de grâu, cât şi la cele de orz, maximul acesteia instalându-se în funcţie de condiţiile naturale şi de genotip în perioade diferite ale iernii (Milică şi colab., 1967).

Temperatura şi durata de strălucire a soarelui din perioada călirii sunt decisive în acest sens, iar menţinerea (păstrarea) gradului de rezistenţă este determinată de evoluţia temperaturilor din perioada de iernare în relaţie cu constituţia genetică a fiecărui genotip (Petcu, 1999).Caracterizarea liniilor noi de grâu de toamnă privind rezistenţa la ger s-a făcut în comparaţie cu potenţialul de rezistenţă al genitorilor şi a evidenţiat posibilitatea apariţiei liniilor transgresive şi a dominanţei dintre genitori (Milică şi colab., 1969).

A fost pusă în evidenţă capacitatea de rezistenţă mai mare la ger a frunzelor tinere decât a celor mai mature şi sensibilitatea mai mare a sistemului radicular faţă de tulpină. Prin metode histo-cito-biochimice s-a evidenţiat sensibilitatea mai mare a vârfului de creştere faţă de ţesutul embrionar fundamental din zona coletului, care indică potenţialul crescut de refacere a plantelor caracteristic acestei zone. În scopul explicării mecanismelor de rezistenţă la ger s-au iniţiat o serie de cercetări biochimice asupra dinamicii substanţelor hidrosolubile, aminoacizilor liberi (prolină), fitohormoni (acid abscizic), a proceselor enzimatice celulare (concentraţia zaharurilor, a acidului ascorbic, activitatea catalazei, a peroxidazei etc.).

Rezultatele obţinute au evidenţiat importanţa metabolismului scăzut în timpul iernii la soiurile de grâu şi orz rezistente la ger, ceea ce corespunde unei stări profunde de hibernare (B r a d, 1963, 1966). S-a stabilit, de asemenea, importanţa şi rolul acumulării, mai ales în frunze, a metaboliţilor specifici (prolină) şi fitohormonilor şi relaţia directă cu gradul de rezistenţă la ger (Petcu şi colab.,1993; Petcu, 1999).

Genotipurile de grâu şi orz rezistente la ger sintetizează mai rapid şi în cantităţi mai mari prolină în timpul procesului de călire comparativ cu genotipurile sensibile, iar acidul abscisic are rolul de mediator în declanşarea proceselor metabolice care conduc la creşterea gradului de rezistenţă la ger a plantelor de grâu (Petcu şi colab., 1996; Petcu, 1999). Studiul corelaţiilor dintre potenţialul osmotic şi conţinutul în prolină, pe de o parte, şi acumularea de substanţă uscată în timpul procesului de călire a plantelor de grâu, pe de altă parte, a scos în evidenţă existenţa relaţiilor negative dintre aceşti parametri: scăderea potenţialului osmotic fiind benefică pentru creşterea rezistenţei la ger a plantelor de grâu (Petcu, 1999).

Se crede că o altă cauză importantă a vătămarilor produse de ger este formarea radicalilor liberi de oxigen (ROS). Plantele au enzime specifice, cunoscute ca enzime antioxidante, pentru anihilarea efectului negativ al ROS. Enzimele antioxidante din plante sunt catalaza (CAT), superoxidismutaza (SOD), peroxidaza (POX), ascorbat peroxidaza (APX) glutation S transferaza (GCT). Alături de efectul distructiv pe care îl produc radicalii liberi de oxigen în plante, se pare că aceştia au un rol critic şi în semnalele de transducţie. Având în vedere aceste considerente, este de o mare importanţă menţinerea unui echilibru între radicalii liberi formaţi (ROS) şi cei înlăturaţi/anihilaţi.

Se consideră că plantele rezistente la stresul oxidativ, generat de radicalii liberi de oxigen, sunt rezistente şi la ger, secetă şi salinitate. În acest sens, pentru stabilirea răspunsului la stresul oxidativ s-au analizat atât soiuri şi linii avansate de grâu, cât şi de triticale de toamnă. Stresul oxidativ a fost indus prin tratamente la plantule în vârstă de 10 zile la nivelul frunzei primare, cu Paraquat(Gramoxone) în concentraţie de 4 x 10-4M. Prealabil tratamentului cu Paraquat plantele au fost călite natural în condiţii de casă de vegetaţie.

Rezultatele obţinute au arătat că vătămările produse de tratamentul cu Paraquat au fost similare cu cele produse de expunerea plantelor la ger, iar genotipurile rezistente la gerau fost rezistente şi la stresul oxidativ.

Studii efectuate pe genotipuri de grâu izogene pentru genele de vernalizare au arătat o activitate mai intensă a enzimei peroxidaza la genotipurile rezistente la ger, ceea ce sugerează că genele de vernalizare (Vrn) dominante sunt implicate mai puţin în acest proces datorită relaţiei semnificative dintre necesarul de vernalizare şi rezistenţa la ger a genotipurilor studiate, iar alela vrn3 are efect pozitiv în conferirea rezistenţei la ger.

Genotipurile posesoare de vrn3 sunt mai rezistente la ger comparativ cu genotipurile posesoare de vrn1 recesive, ceea ce sugerează că gena vrn1 poate avea o acţiune pleiotropică afectând atât asupra tipului de creştere, cât şi a toleranţei la temperaturi scăzute la grâu (Petcu şi colab., 1997 a).

Scăderea temperaturilor sub 0°C conduce în cele mai multe cazuri la îngheţarea extracelulară. Membrana plasmatică formează o barieră împotriva cristalelor crescânde de gheaţă, determinând mişcarea apei în afara celulei, datorită potenţialului chimic mai scăzut al gheţii în comparaţie cu cel al apei. Stresul generat de această deshidratare celulară indusă de îngheţ este foarte sever şi celulele plantelor vor pierde cea mai mare parte a apei active din punct devedere osmotic. Prin urmare, toleranţa la îngheţ trebuie să includă toleranţa la deshidratarea severă indusă de îngheţ.

Membrana plasmatică este recunoscută ca situl primar al vătămărilor prin îngheţ, astfel încât metoda de măsurare a vătămării acesteia a fost perfecţionată în vederea identificării rapide a genotipurilor de grâu cu stabilitate ridicată a membranelor plasmatice la temperaturi scăzute (Petcu, 1999; Petcu şi colab., 1997).

Se poate afirma că la ora actuală potenţialul de rezistenţă la ger a liniilor şi soiurilor de grâu şi triticale nou create se încadrează în limitele de rezistenţă admise pentru condiţiile din ţara noastră, cu atât mai mult cu cât datorită schimbărilor climatice s-a impus o abordare mai complexă legată de rezistenţa la temperaturi scăzute, respectiv studierea efectul temperaturilor scăzute survenite în timpul meiozei asupra genotipurilor de grâu în vederea eliminării formelor sensibile la îngheţurile târzii de primăvară.

Astfel, s-a evidenţiat efectului negativ al temperaturilor scăzute asupra viabilităţii polenului şi a reducerii numărului de boabe în spic şi s-au elaborat metode de screening pentru identificarea rapidă a genotipurilor cu stabilitate ridicată la temperaturi scăzute în această fază (Petcu, date nepublicate, proiect RELANSIN 1074, raport tehnic - faza 7/2003).

În colaborare cu Laboratorul de Ameliorarea şi agrotehnica plantelor furajere s-au efectuat studii privind rezistenţa la temperaturi scăzute a lucernei şi a raigrasului aristat. Astfel, experienţele executate în fitotron, în camere cu temperaturi joase (-18, -24°C), s-a stabilit că raigrasul aristat şi lucerna semănate la sfârşitul verii - începutul toamnei (în tehnologia clasică aceste specii se seamănă primăvara) au avut o bună rezistenţă la ger. Rezultatele acestor experienţe au sprijinit promovarea noii tehnologii de cultivare a raigrasului aristat şi a lucernei (Moga şi colab., 1980).

În domeniul tehnicii de determinare a rezistenţei la temperaturi scăzute a raigrasului aristat s-a stabilit în condiţii de câmp şi fitotron că diferenţierea soiurilor se face cel mai bine când plantele sunt în vârstă de 2-4 săptămâni (Şerbănescu şi colab., 1978). Temperaturile scăzute care survin în zonele de cultivare a inului de fibră au impus punerea la punct a unei metode de caracterizare a materialului de ameliorare a inului din punctul de vedere al rezistenţei la îngheţul de primăvară (Velicoglu şi colab., 1984; D o u c e t şi colab., 1985).

Unele plante de cultură nu sunt tolerante la temperaturi scăzute pozitive caresurvin primăvara, în anumite zone, sau chiar în timpul verii. Legat de aceste considerente s-a studiat comportarea plantelor de porumb la temperaturi scăzute, urmărindu-se ritmul de absorbţie a apei în procesul de inhibare a seminţelor, stabilirea pragului minim de germinaţie, rezistenţa la putrezire a boabelor, ritmul de creştere, perioada de maximă sensibilitate (Milică şi Juncu, 1966,1969).

Cercetări recente privind capacitatea de germinare la temperaturile scăzute de până la 3°C evidenţiază, din acest punct de vedere, o serie de hibrizi de porumb rezistenţi, printre care: F 308, F 315, F 320, F 378, F 380, F 412, F 420.

Manifestarea fenomenului de şiştăvire a porumbului, fenomen întâlnit frecvent în unele zone din ţara noastră, a impus abordarea unor studii ample în scopul stabilirii cauzelor declanşării fenomenului şi a măsurilor corespunzătoare deprevenire şi combatere. Rezultatele acestor studii (Mureşan şi colab., 1967; Juncu, 1970) au evidenţiat faptul că oscilaţiile termice mari de la zi la noapte determină importante dereglări în creşterea şi dezvoltarea plantelor, având îndeosebi o acţiune negativă asupra organelor generative bărbăteşti - atunci când survin înaintea fecundării şi declanşează fenomenul de şiştăvire, dereglând procesele de formare şi umplere a bobului, atunci când acţiunea oscilaţiilor de temperatură se manifestă după fecundare. Cunoaşterea acestor efecte este importantă pentru luarea unor măsuri de prevenire.

Autori: ELENA PETCU, MARIA ŢERBEA, CĂTĂLIN LAZĂR
INCDA Fundulea