Blog

Nov 10, 2023

Effets de la fertilisation oxygénée sur la réduction des dommages chez le haricot mange-tout inondé (Phaseolus vulgaris L.)

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 4282 (2022) Citer cet article

1624 accès

6 Altmétrique

Détails des métriques

Les inondations sont l'un des principaux stress abiotiques pour la production de légumes en Floride. Des essais hydroponiques et en pot ont été menés avec des haricots mange-tout pour évaluer les effets de la fertilisation à l'oxygène sur l'état biochimique et physiologique des plants de haricots mange-tout inondés. Il y avait trois traitements dans les essais hydroponiques : (1) inondé (témoin), (2) aération par bulles avec de l'air ambiant et (3) peroxyde d'hydrogène (H2O2) appliqué au début de l'essai. La santé des plantes a été évaluée en déterminant les taux d'absorption d'azote (N) et de phosphore (P). Les essais en pots en serre ont été utilisés pour quantifier les effets de trois taux d'application différents d'engrais oxygénés solides tels que le peroxyde de calcium (CaO2) et le peroxyde de magnésium (MgO2). Les résultats ont montré que les taux d'absorption de N et P par les plantes étaient significativement plus élevés (p < 0,05) avec H2O2 que sans H2O2. Les taux d'absorption de N avec H2O2 étaient similaires à ceux avec barbotage. Le taux d'absorption de NH4+ était significativement supérieur à celui de NO3− dans les conditions de bullage et de H2O2, mais le taux d'absorption de NO3− était significativement supérieur à celui de NH4+ dans les conditions d'inondation. La hauteur de la plante, la verdeur des feuilles, la biomasse des pousses et le rendement étaient tous significativement plus élevés avec CaO2 ou MgO2 que sans l'un ou l'autre des engrais oxygénés solides. Les dommages minimaux du haricot mange-tout inondé ont été trouvés avec 2 g de CaO2 ou 4 g de MgO2 par pot. Ces résultats indiquent que la fertilisation à l'oxygène peut potentiellement améliorer le rendement des plants de haricots mange-tout inondés.

La Floride se classe au premier rang en termes de superficie et de valeur totale de la production de haricots mange-tout (Phaseolus vulgaris), mais la productivité des haricots mange-tout est souvent considérablement réduite par les fortes pluies résultant des ouragans et des tempêtes tropicales. Le haricot mange-tout est sensible aux inondations et souffre de stress hypoxique, ce qui entraîne une suppression de la croissance et une réduction du rendement1. Selon Holbrook et Zwieniecki2, la principale cause de stress hypoxique est le manque d'oxygène dans le sol ; le coefficient de diffusion de l'oxygène est 10 000 fois plus élevé dans l'air (2,14 × 10–1 cm2 s−1) que dans l'eau (1,97 × 10–5 cm2 s−1). Pour la plupart des espèces végétales3, la carence en oxygène se produit dans le sol de la zone racinaire avec des concentrations d'O2 dissous inférieures à 2 mg L−1. Ainsi, les plants de haricot mange-tout dans les champs inondés reçoivent une quantité insuffisante d'O2 biodisponible pour un métabolisme racinaire normal et souffrent de dommages causés par l'engorgement.

Dans l'hypoxie, le métabolisme anaérobie est activé et la phosphorylation oxydative est arrêtée. Le taux de biosynthèse de l'ATP dérivé de la glycolyse est faible4,5,6,7. Dans le cycle de Krebs, en raison du manque d'O2 biodisponible en tant qu'accepteur d'électrons final, les intermédiaires s'accumulent, les niveaux de NAD(P)+ diminuent, le pyruvate s'accumule et les concentrations d'ATP diminuent. Ces changements affectent négativement le métabolisme des plantes, y compris l'absorption de nutriments tels que l'azote (N) et le phosphore (P) et leur assimilation3,8. De plus, les plantes souffrent de l'accumulation d'éthanol et de toxines formées lors du métabolisme anaérobie9.

L'alcool déshydrogénase (ADH) est une enzyme bien étudiée chez les plantes et est inductible dans les racines lors d'une exposition à des conditions hypoxiques ou anaérobies. Lorsque la biodisponibilité de l'oxygène dans la zone racinaire est faible, l'activité de l'ADH augmente significativement, améliorant la tolérance de la plante à l'hypoxie ou à l'anoxie10,11. L'activité ADH ​​est considérée comme essentielle à la survie des plantes dans des conditions hypoxiques ou anaérobies12. Ainsi, l'activité ADH ​​dans les extrémités des racines des plantes inondées est utilisée comme indicateur de la tolérance potentielle aux inondations et à la gravité des inondations.

La fertilisation à l'oxygène de la zone racinaire est une méthode potentielle pour atténuer les dommages causés par le stress des inondations. Il existe deux types d'engrais oxygénés : les engrais oxygénés solides (SOF), tels que CaO2 et MgO2, et les engrais oxygénés liquides, tels que le peroxyde d'hydrogène (H2O2)13,14. Les engrais oxygénés solides répertoriés ici libèrent lentement de l'oxygène biodisponible, c'est-à-dire des engrais oxygénés à libération lente, tandis que l'engrais oxygéné liquide H2O2 libère rapidement de l'oxygène biodisponible et est considéré comme un engrais oxygéné rapide. Le peroxyde d'hydrogène peut être décomposé biologiquement par l'enzyme catalase (EC 1.11.1.16). La décomposition de H2O2 libère 0,5 mol d'O2 biodisponible par mole de H2O2 comme le montre l'équation15 :

Dans un sol inondé, les composés oxygénés solides (par exemple, CaO2, MgO2) se décomposent en H2O2, qui fournit ensuite de l'oxygène biodisponible à la rhizosphère, comme le montre l'équation1,13 :

Ainsi, le sol amendé avec des engrais oxygénés solides insolubles peut potentiellement réduire le stress hypoxique dans la zone racinaire causé par les inondations.

Les objectifs de cette étude étaient de (1) quantifier la dynamique de la biodisponibilité de l'oxygène de la solution hydroponique avec l'application de H2O2, (2) déterminer les effets de l'application d'engrais oxygénés sur l'absorption de N et de P par les plantes de haricot mange-tout inondées, et (3) évaluer l'effet d'engrais oxygénés solides à libération lente à des taux différents sur la croissance et le rendement du haricot mange-tout inondé.

Dans l'essai hydroponique 1–1, "l'inondation" est définie comme des plantes cultivées dans une solution qui ne reçoit ni aération ni application de H2O2. Dans tous les traitements, les concentrations de NO3− et P dans la solution nutritive ont diminué avec le temps (Fig. 1), ce qui indique que NO3− et P ont été absorbés par la plante. Il y avait des différences dans les taux d'absorption des éléments nutritifs entre le témoin et l'aération ou l'application de H2O2. Cependant, il n'y avait pas de différence significative dans le taux d'absorption de NO3− entre les traitements de H2O2 et l'aération (Fig. 2). Le taux d'absorption de NO3 était d'environ 50 % inférieur avec l'inondation qu'avec l'aération ou le traitement au H2O2. Le phosphore a montré une tendance similaire à NO3−; il n'y avait pas de différence significative entre les traitements au H2O2 et à l'aération, mais le contrôle par inondation avait un taux d'absorption de P significativement plus faible (Fig. 2) que chacun des traitements au H2O2 et à l'aération. La concentration d'oxygène dissous (DO) n'était pas significativement différente entre les traitements H2O2 et d'aération dans l'expérience de 10 h (Fig. 3). Le niveau d'OD du témoin était significativement inférieur à chacun des traitements H2O2 et d'aération après 2 h. Ce résultat a également indiqué que l'application de H2O2 avait un effet légèrement meilleur que l'aération pour oxygéner la solution hydroponique.

Les changements dynamiques des concentrations de NO3− (I) et de P (II) dans la solution de mesure avec trois traitements au fil du temps : (1) inondation sans barbotage ou application de H2O2 après un temps prédéfini pour la mesure (niveau d'environ 100 μM DO) ; (2) aération (bullage, 250 μM DO); et (3) application de 529 μM H2O2. Des lettres différentes au même moment indiquent des différences significatives basées sur le test de différence significative honnête (HSD) de Tukey (p ≤ 0,05).

L'absorption cumulée de NO3− (I) et P (II) avec trois traitements pendant 10 h : (1) inondation (niveau d'environ 100 μM DO à 0 h) ; (2) aération (bullage, 250 μM DO); et (3) application de 529 μM H2O2. Les barres avec des lettres différentes sont significativement différentes selon le test de différence significative honnête (HSD) de Tukey (p ≤ 0,05).

Les concentrations d'oxygène dissous (OD) avec trois traitements pendant 10 h : (1) inondation sans aération ni application de H2O2) ; (2) aération (bullage, 250 μM DO); et (3) application de 529 μM H2O2. Les barres avec des lettres différentes sont significativement différentes selon le test de différence significative honnête (HSD) de Tukey (p ≤ 0,05).

Dans l'essai 1–2, la plante a absorbé le NH4+ en premier dans les traitements H2O2 et d'aération, alors qu'elle a absorbé le NO3− en premier dans le traitement par inondation. Pour le traitement par inondation, les niveaux d'OD ont diminué de 3 mg L−1 à environ 0,01 mg L−1 de 0 à 10 h, les concentrations de NO3− et NH4+ ont diminué avec le temps (Fig. 4). La déplétion de NO3− est plus rapide que celle de NH4+ de 0 à 8 h, et la concentration de NH4+ reste supérieure à celle de NO3−. Après 10 h, les concentrations de NO3− et NH4+ n'étaient pas significativement différentes. Cependant, dans les traitements H2O2 et aération (Fig. 4), la concentration de NH4+ a diminué plus rapidement que celle de NO3− pendant 0 à 8 h, et la concentration de NO3− est restée supérieure à celle de NH4+. Les niveaux de DO du traitement H2O2 sont restés supérieurs à 8 mg L-1 pendant 0 à 10 h et ont diminué à 3 mg L-1 à 20 h, ce qui indique que H2O2 devait être appliqué toutes les 20 h pour maintenir une concentration satisfaisante en DO.

Les changements dynamiques pour les concentrations de NO3−, NH4+ et DO dans des conteneurs avec trois conditions. I = condition d'aération, II = conditions d'inondation (à partir de 3 mg L-1 DO, sans supplément d'oxygène) pendant 20 h, et III = conditions d'inondation avec 529 μM H2O2 à 0 h. Ammonium = concentration NH4+, Nitrate = concentration NO3−, Oxygène = concentration DO. Les lectures de concentration ont été prises toutes les 10 min.

Pour l'essai 1–3, le niveau d'OD dans la solution était de 8 mg L−1 au début, ce qui était saturé d'air. Les niveaux d'OD étaient systématiquement et significativement plus élevés avec H2O2 (Fig. 5) qu'avec l'aération (8 mg L−1) pendant 0 à 20 h. Cependant, le niveau d'OD a chuté à environ 0,01 mg L−1 après 20 h, ce qui indique qu'un stress hypoxique s'est produit avant le début du jour 2. Au début du jour 2 avant l'application de H2O2, le taux d'absorption de NO3− était significativement plus élevé. que celle de NH4+ qui a également été observée dans le traitement par inondation dans l'essai 1–2 (Fig. 4). Le nitrate contient 3 atomes d'oxygène et peut fournir de l'oxygène servant d'accepteur d'électrons terminal dans la respiration cellulaire, mais l'ammonium ne contient pas d'oxygène. L'inversion de cette tendance s'est produite 1 h après l'application du H2O2 au début du jour 2 et s'est produite 3 h après l'application du H2O2 au jour 3.

Les changements dynamiques des concentrations de NO3−, NH4+ et DO dans le conteneur pendant 96 h. La solution dans le récipient a été aérée à 0 h et le 529 μM H2O2 a été appliqué à 48 h. Les 5 mg L−1 de NO3− et NH4+ ont été appliqués toutes les 24 h. Ammonium = concentrations NH4+, Nitrate = concentrations NO3−, Oxygène = concentrations DO. Les lectures de concentration ont été prises une fois toutes les 10 min.

Pour l'essai 2, les semis avec application de SOF avaient significativement plus d'unités de lectures de développement de l'analyse des plantes du sol (SPAD) que ceux sans SOF (tableau 1) 2 jours après l'inondation. La lecture SPAD est un indicateur de la verdeur des feuilles liée à la teneur en chlorophylle des feuilles. À travers les différents taux de CaO2, les lectures de SPAD étaient plus faibles avec 1 g de CaO2 qu'avec des taux de CaO2 plus élevés. Les taux d'application de MgO2 n'étaient pas significatifs dans la verdeur des feuilles. En outre, les différences dans les lectures SPAD des plantes inondées étaient également significativement plus importantes avec chacune de 2 g, 4 g CaO2 et 8 g MgO2 que sans application de peroxyde. Cependant, les plantes sans inondation avaient des lectures de SPAD significativement plus élevées avec chacun de 2 g, 4 g de CaO2 et 4 g, 8 g de MgO2 qu'avec 1 g de CaO2 ou sans peroxyde. Les lectures avec 1 g de CaO2 étaient significativement plus élevées que le contrôle sans fertilisation à l'oxygène. Aucune différence significative n'a été trouvée entre 2 g et 4 g de CaO2 et tous les taux de MgO2 (tableau 1).

Les plantes inondées étaient significativement plus hautes avec CaO2 ou MgO2 que sans application de peroxyde. La hauteur des plantes sans inondation était significativement plus élevée avec un engrais oxygéné que sans engrais oxygéné. Les plantes non inondées avec 4 g de CaO2 et 4 g de MgO2 avaient la hauteur la plus élevée (tableau 1).

La biomasse des pousses des plantes inondées était plus élevée avec CaO2 ou MgO2 que sans SOF (tableau 1). Dans le traitement sans inondation, seuls ceux avec 2 g de MgO2 et sans SOF avaient la biomasse végétale la plus faible (tableau 1).

Les rendements en gousses du haricot mange-tout inondé étaient plus élevés avec les traitements SOF qu'avec le témoin (Fig. 6). Les traitements 2 g CaO2 et 8 g MgO2 avaient un rendement supérieur de près de 50 % à celui du témoin, ce qui était significativement supérieur à celui du reste des traitements (Fig. 6).

Effets de l'inondation et des applications de CaO2 et MgO2 sur les rendements (I) et ADH (II) du haricot mange-tout en pots. L'axe horizontal montre différentes quantités de CaO2 et de MgO2 appliquées. CK1 représente le groupe sans CaO2 et MgO2 avec inondation, CK2 représente le groupe sans CaO2 et MgO2 et sans inondation. Les bacs avec des lettres différentes sont significativement différents à p ≤ 0,05.

En tant que bio-indicateur, l'activité ADH ​​est utilisée pour évaluer les effets de différentes quantités de SOF sur la croissance et le développement des plantes inondées. Les activités ADH étaient significativement plus faibles avec tous les traitements SOF qu'avec le traitement par inondation. Par exemple, l'activité ADH ​​se situait dans une plage allant de 44 nmol de NADH par minute par mg de protéine pour les plants de haricots mange-tout inondés sans fertilisation à l'oxygène à 5 nmol de NADH par minute par mg de protéine pour les plantes inondées avec 4 g de CaO2 (Fig. 6). Les activités ADH inférieures ont indiqué que les traitements SOF avaient beaucoup moins de stress d'inondation par rapport au traitement d'inondation. les traitements de 2 g CaO2, 4 g CaO2 et 8 g MgO2 avaient des activités ADH significativement plus faibles que les autres traitements (Fig. 6), ce qui indiquait que ces traitements avaient encore moins ou pas de stress d'inondation par rapport aux autres traitements. Ce résultat a fourni des preuves physiologiques pour l'évaluation du potentiel des SOF sur l'atténuation du stress d'inondation.

Dans l'essai 1, le traitement H2O2 a eu un effet positif sur l'absorption de N et P des plantes en stress hypoxique. Le taux d'absorption plus faible des plantes inondées a peut-être été causé par une pénurie d'ATP, résultant d'un manque d'oxygène induit par l'inondation et d'une respiration anaérobie. Ainsi, l'application de H2O2, fournissant directement de l'O2, était une méthode potentielle pour atténuer les dommages causés par l'hypoxie. Cette constatation est appuyée par d'autres études. Jampeetong et Brix16 ont découvert que les plantes de Salvinia natans alimentées en NO3− poussaient normalement dans une solution hypoxique mais étaient fortement inhibées lorsque seul le NH4+ était fourni comme source d'azote.

Dans l'essai 2, les résultats ont montré que l'application de SOF améliorait la croissance et le développement des plants de haricot mange-tout en cas de stress d'inondation. Lakitan17 a signalé que le rendement total et la survie des haricots mange-tout étaient sensibles aux inondations imposées après le début du développement reproducteur (28 JAP), et que les inondations imposées à une croissance ultérieure (> 28 JAP) réduisaient considérablement les rendements totaux. Peu de plantes ont survécu et il n'y a pas eu de rendement mesurable lorsque l'inondation a été imposée à 36 JAP. Plus d'essais utilisant SOF avec différentes durées d'inondation doivent être menés à différents stades de croissance des plantes à l'avenir.

Après absorption, l'assimilation de l'azote suit quelques étapes, notamment la réduction de NO3- en NH4+ et l'incorporation ultérieure de NH4+ dans les acides aminés18. La réduction du NO3− est catalysée par l'enzyme nitrate réductase (NR, EC 1.6.6.1-3). La nitrate réductase réduit le NO3− en NO2−, qui est ensuite transféré au chloroplaste pour être réduit en NH4+ par la nitrite réductase (NiR, EC 1.6.6.4). Après cela, NH4+ est utilisé pour biosynthétiser la glutamine par la glutamine synthase (GS, EC 6.3.5.1)19. La nitrate réductase est une enzyme clé étroitement régulée par de nombreux facteurs environnementaux, tels que les inondations20,21. L'anoxie et l'hypoxie augmentent l'activité NR, et le NO3− sans oxygène moléculaire disponible est utilisé pour oxyder les molécules organiques afin d'obtenir de l'énergie, un phénomène appelé "respiration des nitrates"22. Cette étude peut étayer le résultat selon lequel le haricot mange-tout absorbe plus de NO3− que de NH4+ dans l'hypoxie, car l'augmentation de l'activité NR et NiR favoriserait l'absorption et l'assimilation de NO3−. Les premiers essais ont utilisé du 15 NO3− marqué pour surveiller l'assimilation des nitrates pendant la germination anaérobie du riz et ont montré que le 15N était incorporé dans les acides aminés23. Les résultats ont confirmé que le NO3− exogène apporté lors d'une carence en oxygène avait été assimilé par les plantes23. Même si l'apport de NO3− aux cultures inondées augmente le pourcentage de survie, les mécanismes biochimiques et moléculaires sous-jacents à ses effets positifs ne sont pas entièrement compris. Ainsi, des recherches futures seront nécessaires pour investir les mécanismes permettant aux plantes de survivre à l'inondation avec l'amendement NO3−.

Les résultats de cette étude ont montré la tendance selon laquelle le supplément de NO3− peut améliorer l'absorption de NH4+ (Fig. 4). Par exemple, un approvisionnement abondant en NO3− a permis d'atténuer les conséquences de l'anoxie ou de l'hypoxie racinaire chez l'orge9. Il a été émis l'hypothèse que NO3− peut servir d'accepteur d'électrons terminal alternatif dans des conditions hypoxiques ou anoxiques8. Le nitrate peut atténuer les conséquences de l'anoxie par d'autres moyens. Comme un approvisionnement suffisant en NO3− peut directement induire une activité de nitrate réductase24, le NADH étant détourné de la réduction de l'acétaldéhyde en éthanol. L'accumulation de concentrations nocives d'éthanol dans les cellules est retardée. De plus, le NO3− peut influencer le potentiel redox de la rhizosphère et peut agir comme une source d'oxygène par afflux dans les racines déficientes en O2 ou par absorption dans les racines peu profondes partiellement aérées9.

Les résultats de cette étude ont indiqué que les peroxydes, CaO2 et MgO2 ont le potentiel d'atténuer les dommages causés par les inondations dans les haricots mange-tout. Plusieurs chercheurs ont observé qu'une inondation prolongée provoque un arrêt de la croissance des racines et des pousses, un flétrissement, une diminution de l'absorption des nutriments et souvent la mort des plantes25. Selon Lakitan17, les inondations à différents stades de croissance du haricot mange-tout ont eu des effets différents sur la croissance et le rendement, et il est prouvé qu'une durée d'inondation plus longue entraînerait une survie et des rendements inférieurs17. Ainsi, d'autres études sont justifiées pour évaluer les effets de la fertilisation à l'oxygène solide sur la réduction du stress d'inondation et les taux de survie des haricots mange-tout à différents stades de croissance et avec différentes durées de traitements d'inondation.

Le haricot mange-tout est sensible au stress hypoxique et souffre souvent d'inondations, en particulier pendant les saisons des ouragans et des tempêtes tropicales. Nous avons mené des essais hydroponiques et en pot pour étudier comment la fertilisation à l'oxygène affecte les taux d'absorption de NH4− et NO3− et P, la croissance et les rendements des haricots mange-tout inondés. Trois peroxydes, dont H2O2, CaO2 et MgO2, ont été évalués. Les résultats de cette étude ont indiqué que la fertilisation à l'oxygène avait le potentiel de minimiser les dommages causés par les inondations aux haricots mange-tout inondés. L'application de peroxyde d'hydrogène a considérablement augmenté le niveau d'oxygène dissous et le taux d'absorption de NH4+, NO3− et P par le haricot mange-tout. Le haricot mange-tout avait une préférence pour l'absorption de NH4+-N avec suffisamment d'oxygène biodisponible. Cependant, NO3-N est préféré dans des conditions d'inondation. Le bon dosage d'engrais oxygéné solide de 2 g CaO2 ou 8 g MgO2 a eu le meilleur rendement parmi tous les plants de haricots mange-tout inondés. Ainsi, les fertilisations à l'oxygène CaO2 et MgO2 avaient le potentiel de continuer à absorber les nutriments tels que N et P par les plants de haricot mange-tout inondés, de réduire les dommages causés par les inondations et de minimiser la perte de rendement. Ces nouvelles méthodes de fertilisation à l'oxygène peuvent atténuer les pertes économiques et profiter à l'agriculture souvent confrontée à différents stress hypoxiques.

Le haricot mange-tout (P. vulgaris. cv. 'Bronco') est une culture légumière primaire largement cultivée aux États-Unis. Les graines de « Bronco » sont disponibles dans le commerce pour la recherche et la sélection et ont été achetées auprès d'une société de semences, HOSS TOOLS située à Norman Park, GA (coordonnées GPS : Latitude : 31,2462 et Longitude -83,6549) avant le début de l'étude au printemps 2015. Miracle -La terre de jardin Gro® a été achetée chez Lowes à Gainesville, FL.

Dans l'essai 1, les graines de haricot mange-tout ont été trempées dans 0,15 % de H2O2 pendant 24 h et rincées à l'eau déminéralisée (DI) 5 fois, puis placées dans une boîte de Pétri de 12 cm avec du papier filtre humidifié et scellées à l'intérieur d'une fermeture à glissière. sac plastique et incubé à 33 °C pendant une nuit. Après l'émergence des plantules, chaque plantule a été repiquée dans un panier grillagé en plastique de 5,1 cm de diamètre. Les paniers (Net Pots Net Cups, Heavy Duty Plastic Net Pot with Wide Rim Design) ont été placés dans un système aéroponique pour permettre une croissance et un développement rapides des racines. Le système aéroponique se composait d'un réservoir à moitié rempli de solution de Hoagland à 10 %26, d'une pompe de brumisation, de tubulures et de trois arroseurs qui vaporisaient en continu les racines. Après deux semaines, les semis avec trois vraies feuilles ont été transférés du système aéroponique à un système hydroponique où les racines ont été immergées dans une solution de 1000 ml de CaSO4 0,2 mM à des fins de mesure. L'utilisation d'une solution de CaSO4 0,2 mM visait à protéger les membranes, car le calcium est essentiel à l'intégrité et à la sélectivité des membranes biologiques27.

Dans l'essai 2, deux tailles de pots ont été utilisées à des fins différentes. Les petits pots de 7,6 cm de diamètre × 8,9 cm de hauteur étaient destinés à la germination des graines. Les plus grands pots de 15 cm de diamètre × 16,5 cm de hauteur pour la production. De la terre de jardin Miracle-Gro® a été utilisée et les engrais ont été appliqués par pot comme suit : NH4NO3, 2,92 g ; superphosphate triple, 1,65 g; chlorure de potassium, 0,44 g par pot.

Les essais ont tous été menés au Département des sciences horticoles, Université de Floride/IFAS, Gainesville, Floride. Les essais hydroponiques comportaient trois sous-essais. Les essais 1–1 et 1–2 avaient les mêmes traitements avec quatre répétitions. L'essai 1–1 a été mené dans une chambre de croissance à environnement contrôlé avec une plage de température de 23 à 27 °C, 16 h de lumière du jour et 8 h d'obscurité. L'essai 1–2 et l'essai 1–3 ont été menés dans une serre standard avec une plage de température de 23–27 °C. L'essai 2 a été réalisé en tunnel haut sous atmosphère naturelle. Les traitements ont été imposés par (1) le contrôle de l'inondation sans barbotage ni application de H2O2 après le temps prédéfini (niveau d'environ 100 μM d'OD au début, pas d'apport d'oxygène), (2) l'aération (alimentation continue en oxygène avec une pompe à air), et (3) H2O2 (application de 529 μM H2O2 à 0 h). Le milieu de croissance était 1 L d'eau DI avec 0,22 g L−1 KH2PO4, 0,373 g L−1 KNO3, 0,02 g L−1 CaSO4, 0,012 gL−1 MgSO4, 0,29 mg L−1 H3BO3, 0,18 mg L−1 MnCl2∙ 4H2O, 0,02 mg L−1 ZnSO4∙7H2O, 0,008 mg L−1 CuSO4∙5H2O, 0,002 mg L−1 H2MoO4∙H2O, 0,65 mg L−1 Acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) et 0,62 mg L−1 FeSO4∙7H2O. Pour l'essai 1–1, des échantillons de 2 ml ont été prélevés au centre des pots toutes les 2 h pendant 10 h. Les échantillons ont été analysés pour ortho-P (méthode EPA 365.3) et NO3− (méthode EPA 352.1) à l'aide d'un analyseur discret Seal AQ-2 (2006 SEAL Analytical Ltd. Mequon, WI) (Fig. 1).

Pour les essais 1 et 2, des capteurs d'oxygène dissous Neulog™, des capteurs Neulog NO3− et des capteurs Neulog NH4+ ont été configurés pour chaque conteneur afin de surveiller les changements de concentration (Fig. 7). Ces trois capteurs ont été combinés et installés dans chaque conteneur, et une feuille d'aluminium a été utilisée pour maintenir les capteurs et les plantes et bloquer la lumière du soleil. Les données ont été surveillées toutes les 10 min pendant 20 h et enregistrées avec le capteur d'oxygène dissous NeuLog ™, les capteurs d'enregistreur de nitrate et les capteurs d'enregistreur d'ammonium (capteur d'oxygène dissous de marque Neulog, EISCO Scientific, Rochester, NY, USA).

Le schéma du conteneur et des capteurs utilisés pour surveiller les changements de concentrations de NH4+, NO3− et DO en culture hydroponique avec une plante de haricot mange-tout.

Les essais 1 à 3 ont utilisé les mêmes capteurs et paramètres que les essais 1 à 2 pour surveiller les changements d'azote dynamiques constants pendant 96 h (96 h). Le milieu de croissance était 1 L d'eau DI avec les mêmes ingrédients que l'essai 1–1 mais utilisait 0,57 g L-1 NH4H2PO4 et 1,8 g L-1 KNO3 au lieu de 0,22 g L-1 KH2PO4 et 0,373 g L-1 KNO3. De plus, 0,57 g L-1 NH4H2PO4 et 1,8 g L-1 KNO3 ont été appliqués toutes les 24 h pour fournir 5 mg L-1 de NO3- et 5 mg L-1 de NH4+. Les données ont été enregistrées toutes les 30 min pendant 4 jours (96 h).

Dans l'essai 2, un plan complètement randomisé a été utilisé avec 4 répétitions. Il y avait deux SOF à des taux différents, c'est-à-dire CaO2 à 0, 1, 2 et 4 g par pot et MgO2 à 0, 2, 4 et 8 g par pot. Les graines ont été plantées dans des pots de 7,6 cm pendant deux semaines et ont été transférées dans les pots de 15,2 cm (volume interne : 2 622 cm3) après germination. Le SOF, CaO2 ou MgO2 a été mélangé avec le sol (environ 2 000 cm3 par pot), le sol mélangé a été ajouté dans les pots de 15,2 cm, puis les semis ont été transplantés dans les pots, respectivement. Un semis a été planté par pot. Les taux d'engrais étaient basés sur le manuel de production de légumes de Floride28. Les taux d'application de N, P et K étaient de 112 kg ha−1, 134 kg ha−1 et 134 kg ha−1 pour toute la saison. Après une semaine, les deux groupes avec CaO2 et MgO2 ont été chacun divisés en deux sous-groupes. Un sous-groupe a été inondé individuellement dans des seaux de 18,9 L remplis d'eau pour simuler les conditions d'inondation pendant deux jours, tandis qu'un autre sous-groupe n'a pas été inondé.

Les données de verdeur des feuilles représentant la teneur en chlorophylle des feuilles déterminées par un compteur SPAD (Knoica-Minolta, Osaka, Japon), la hauteur des plantes, les activités ADH et la biomasse des pousses ont été mesurées lorsque les plantes inondées ont commencé à se faner. Pour collecter les données de rendement, cet essai a été répété à l'identique et les rendements ont été mesurés 55 DAP.

Dans l'essai 2, deux jours après l'inondation, environ 1 g de racines (à 4–5 cm des pointes) a été récolté par traitement et placé dans un récipient rempli d'azote liquide. L'activité de l'ADH racinaire a été déterminée selon une modification de la méthode30 comme suit. Les apex racinaires (1 g) ont été homogénéisés dans un tampon de solution d'extraction (10 ml) composé de 7,88 g L−1 Tris–HCl (pH 8,0), 0,29 g L−1 EDTA, 0,5 μg L−1 DTT et 0,08 mg L-1 β-mercaptoéthanol. Ensuite, la solution d'extraction de l'enzyme ADH a été centrifugée à 4 ° C à 15 000 tr/min pendant 10 min. 100 μL de solution enzymatique ont été ajoutés à 900 μL d'une solution de réaction composée de 7,88 g L-1 Tris – HCl (pH 9,0), 0,29 g L-1 EDTA et 0,66 g L-1 NAD. Le mélange a été incubé dans des tubes de microcentrifugeuse de 1,5 mL dans un bain-marie à 30 °C pendant 3 min. Pour démarrer la réaction mesurable, 100 µL d'éthanol à 100 % ont été ajoutés au mélange réactionnel de 900 µL. Les mesures ont été prises après 15 s et l'absorbance à A340 a été enregistrée toutes les 15 s pendant deux minutes. Après un temps de réaction de 1 min dans la cuvette, une lecture à 340 nm a été faite avec un spectrophotomètre (Eppendorf BioSpectrometer®, Hauppauge, NY.USA) pour déterminer la concentration en NADH. L'activité a été calculée en utilisant une valeur de 6,22 mmol-1 cm-1 comme coefficient d'extinction molaire du NADH à 340 nm31.

Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide du logiciel statistique R Studio (RSTUDIO, INC., Boston, MA). Une ANOVA unidirectionnelle a été appliquée pour tester la signification des lectures SPAD, de la hauteur des plantes, de la biomasse des pousses, du rendement et des activités ADH. Les comparaisons des moyennes des effets significatifs ont été déterminées à l'aide des tests Tukey HSD. Les données collectées ont toutes été soumises à une analyse statistique par ANOVA, et la valeur de (HSD à 5 % a été calculée pour comparer toutes les deux moyennes. Les différences entre les moyennes et les coefficients de corrélation ont été jugées statistiquement significatives au niveau p <0,05.

Toutes les expériences sur les plantes, y compris la collecte de matériel de haricot mange-tout, 'Bronco' utilisé comme cultivar, ont été strictement réalisées conformément aux directives, réglementations et législations en vigueur.

Wadman-van Schravendijk, H. & van Andel, OM Interdépendance de la croissance, des relations hydriques et du niveau d'acide abscisique chez Phaseolus vulgaris pendant l'engorgement. Physiol. Usine. 63, 215-220 (1985).

Holbrook, NM & Zwieniecki, MA Biologie végétale : porte d'eau. Nature 425, 361–361 (2003).

Article ADS CAS Google Scholar

Ma, M., Cen, W., Li, R., Wang, S. & Luo, J. Les voies de régulation moléculaire et l'adaptation métabolique dans la germination des graines et la croissance précoce des semis de riz en réponse à un faible stress O2. Plantes 9, 1363 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zhang, Y., Liu, G., Dong, H. & Li, C. Stress d'engorgement du coton : dommages, adaptabilité, stratégies d'atténuation et mécanismes. Crop J. 9, 257–270 (2021).

Article Google Scholar

Li, Y. et al. Effet de l'aération du sol sur la morphologie des racines et les caractéristiques photosynthétiques de plants de tomates en pot (Solanum lycopersicum) à différents niveaux de salinité de NaCl. BMC Plant Biol. 19, 1–15 (2019).

Article Google Scholar

Tian, ​​LX, Zhang, YC, Chen, PL, Zhang, FF, Li, J., Yan, F. et Feng, BL (2021). Comment le régime d'engorgement affecte-t-il le rendement des cultures ? Une méta-analyse globale. Devant. Plant Sci., 12.

Zabalza, A. et al. Régulation de la respiration et de la fermentation pour contrôler la concentration interne en oxygène de la plante. Physique Végétale. 149, 1087-1098 (2009).

Article CAS Google Scholar

Ma, Z., Bykova, NV & Igamberdiev, AU Mécanismes de signalisation cellulaire et régulation métabolique de la germination et de la dormance dans les graines d'orge. The Crop J. 5, 459–477 (2017).

Article Google Scholar

Drew, MC Carence en oxygène et métabolisme racinaire : blessure et acclimatation sous hypoxie et anoxie. Anne. Rév. Plant Physiol. Plante taupe. Biol. 48, 223-250 (1997).

Kato-Noguchi, H. Evaluation de l'importance du lactate pour l'activation de la fermentation éthanolique chez la laitue en anoxie. Physiol. Usine. 109, 28-33 (2000).

Article CAS Google Scholar

Morimoto, K. & Yamasue, Y. Capacité différentielle de fermentation alcoolique entre les graines de variétés tolérantes et sensibles aux inondations d'Echinochloa crus-galli. Mauvaises herbes Biol. Géré. 7, 62–69 (2007).

Article CAS Google Scholar

Johnson, JR, Cobb, BG & Drew, MC Induction hypoxique de la tolérance à l'anoxie dans les racines d'adh1 null Zea mays L. Plant Physiol. 105, 61–67 (1994).

Article CAS Google Scholar

Liu, GD & Porterfield, DM Enrichissement en oxygène avec du peroxyde de magnésium pour minimiser le stress hypoxique du maïs inondé. J. Plante Nutr. Sol Sci. 177, 733–740 (2014).

Article CAS Google Scholar

Liu, GD, Li, YC, Migliaccio, K., Olczyk, T. & Alva, A. La fertilisation à l'oxygène améliore la croissance et l'efficacité d'utilisation de l'azote du basilic italien inondé (Ocimum Basilicum L.). Intl. J. Légumes. Sci. 19, 217-227 (2013).

Gil, PM, Ferreyra, RE, Barrera, CM, Zuniga, CE & Gurovich, LR Effets de l'injection de peroxyde d'hydrogène dans un sol de limon argileux lourd sur l'état de l'eau des plantes, l'assimilation nette du CO2, la biomasse et l'anatomie vasculaire des avocatiers. Chil. J. Agric. Rés. 69, 97-106 (2009).

Google Scholar

Jampeetong, A. & Brix, H. Stress oxygéné chez Salvinia natans : effets interactifs de la disponibilité de l'oxygène et de la source d'azote. Environ. Exp. Bot. 66, 153–159 (2009).

Article CAS Google Scholar

Lakitan, B., Wolfe, DW et Zobel, RW Les inondations affectent le rendement des haricots mange-tout et la variation génotypique de l'échange de gaz foliaire et de la réponse de croissance des racines. Confiture. Soc. Hort. Sci. 117, 711–716 (1992).

Article Google Scholar

Masclaux-Daubresse, C. et al. Absorption, assimilation et remobilisation de l'azote dans les plantes : enjeux pour une agriculture durable et productive. Anne. Bot. 105, 1141–1157 (2010).

Article Google Scholar

Stitt, M. Régulation des nitrates du métabolisme et de la croissance. Courant. Avis. Végétal Biol. 2, 178–186 (1999).

Article CAS Google Scholar

Wray, JL Approches moléculaires de l'analyse de l'assimilation des nitrites. Cellule végétale Environ. 11, 369–382 (1998).

Article Google Scholar

Campbell, WH Structure, fonction et régulation de la nitrate réductase. Annu. Rév. Plant Physiol. Plante Mol. Biol. 50, 277–303 (1999).

Klok, EJ et al. Analyse du profil d'expression de la réponse à faible teneur en oxygène dans les cultures de racines d'Arabidopsis. Cellule végétale 14, 2481–2494 (2002).

Article CAS Google Scholar

Reggiani, R. & Bertani, A. Métabolisme anaérobie des acides aminés. Russe. J. Plant Physiol. 50, 733–736 (2003).

Article CAS Google Scholar

Aslam, M. & Huffaker, RC Rôle du nitrate et du nitrite dans l'induction de la nitrite réductase dans les feuilles des semis d'orge. Physique Végétale. 91, 1152-1156 (1989).

Article CAS Google Scholar

Schaffer, P., Andersen, BC & Ploetz, RC Réponses des cultures fruitières aux inondations. Hort. Rév. 13, 257–313 (1993).

Google Scholar

Hoagland, RR & Arnon, DI La méthode de culture de l'eau pour faire pousser des plantes sans sol. Californie Agric. Exp. Station Circ. 347, 1–32 (1950).

Google Scholar

Lynch, J., Cramer, GR et Lauchli, A. La salinité réduit le calcium associé à la membrane dans les protoplastes de racine de maïs. Physique Végétale. 83, 390–394 (1987).

Article CAS Google Scholar

Mathews LP, Peter JD, Shinsuke A., Hugh AS, et al. Manuel de production végétale de Floride, édition 2021-2022. L'Institut des sciences alimentaires et agricoles, Université de Floride. https://doi.org/10.32473/edis-cv292-2021.

Hoel, BO Utilisation d'un compteur de chlorophylle portatif dans le blé d'hiver : évaluation de différentes positions de mesure sur les feuilles. Acta Agric. 48, 222-228 (1998).

Google Scholar

Chung, HJ & Ferl, RJ L'expression de l'alcool déshydrogénase d'Arabidopsis dans les pousses et les racines est conditionnée par l'environnement de croissance des racines. Physique Végétale. 121, 429–436 (1999).

Article CAS Google Scholar

Schomburg, KT et al. Biotechnologie computationnelle : prédiction de l'inhibition compétitive du substrat des enzymes par des composés tampons avec amarrage protéine-ligand. J. Biotechn. 161, 391–401 (2012).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Ed Hanlon, Ashok Alva de l'Université de Floride et Mary Dixon de l'Université d'Auburn ont révisé et aidé à améliorer le manuscrit.

Département des sciences horticoles, Université de Floride/IFAS, 1253 Fifield Hall, 2550 Hull Road, PO Box 110690, Gainesville, FL, 32611, États-Unis

Danyang Liu, Anna-Lisa Paul et Guodong Liu

Département des sciences du sol et de l'eau, Université de Floride/IFAS, McCarty Hall, Gainesville, FL, 32611, États-Unis

Kelly T.Morgan

Centre interdisciplinaire de recherche en biotechnologie de l'Université de Floride, Gainesville, FL, 32610, États-Unis

Anna-Lisa Paul

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

GDL, DL, AL.P. et KTM ont conceptualisé les expériences. DL a mené les expériences, analysé les données et rédigé la première ébauche du manuscrit. Tous les auteurs ont contribué à l'édition et à l'amélioration du manuscrit. GDL a finalisé le manuscrit.

Correspondance à Guodong Liu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Liu, D., Paul, AL., Morgan, KT et al. Effets de la fertilisation oxygénée sur la réduction des dommages chez le haricot mange-tout inondé (Phaseolus vulgaris L.). Sci Rep 12, 4282 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

Télécharger la citation

Reçu : 29 septembre 2021

Accepté : 03 mars 2022

Publié: 11 mars 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.