Spektrálne indexy ako indikátory reakcie slovenských genotypov fazule na stres zo sucha

Gubišová M., Kaňuková Š., Gubiš J., Zetochová E., Hudcovicová M., Ondreičková K.

Národné poľnohospodárske a potravinárske centrum - Výskumný ústav rastlinnej výroby

Úvod

Sucho patrí medzi najvýznamnejšie abiotické stresy obmedzujúce poľnohospodársku produkciu, pričom jeho vplyv sa v dôsledku klimatických zmien naďalej prehlbuje. Fazuľa obyčajná (Phaseolus vulgaris L.) je na deficit vody mimoriadne citlivá, najmä v raných rastových fázach a počas kvitnutia. Vodný stres vyvoláva celý rad fyziologických zmien, od redukcie rastu po narušenie fotosyntézy a akumuláciu osmolytov ako prolín. Moderné spektroskopické metódy umožňujú nedeštruktívne hodnotenie stavu rastlín pomocou vegetačných indexov, ktoré odrážajú nielen poškodenie, ale aj adaptívne reakcie rastlín.

Cieľ práce

Cieľom práce bolo zhodnotiť odozvu slovenských genotypov fazule obyčajnej na krátkodobý vodný stres pomocou nedeštruktívnych spektrálnych meraní. Pozornosť bola venovaná identifikácii indexov s najvyššou diskriminačnou schopnosťou a ich interpretácii v rámci stresovej odozvy.

Materiál a metódy

Pokus bol realizovaný v kontrolovaných podmienkach. Hodnotených bolo deväť slovenských genotypov pestovaných vo variante Optimal a Sucho. Spektrálne indexy (NDVI, SR, GM1, GM2, ZMI, MCARI, Ctr1, Ctr2, Lic2) boli merané prístrojom PolyPen RP 410 (PSI, Česká republika). Obsah prolínu bol stanovený kolorimetricky podľa Bates et al. (1973), hmotnosť nadzemnej biomasy bola zmeraná po jej vysušení (dry weight, DW). Dáta boli spracované v prostredí MetaboAnalyst 6.0. Pred analýzou boli normalizované podľa súčtu, log-transformované a autoškálované. Použité boli metódy PCA, PLS-DA a ROC; hierarchické klastrovanie prebehlo na základe Euklidovskej vzdialenosti a Average linkage algoritmu.

Výsledky

Hierarchické klastrovanie (Obr. 1A) potvrdilo jasnú separáciu vzoriek podľa vodného režimu, pričom rastliny pestované v suchých podmienkach vytvorili kompaktný klaster s vyššími hodnotami indexov SR, GM1, GM2, ZMI, NDVI a Lic2, zatiaľ čo indexy MCARI, Ctr1 a Ctr2 vykazovali pokles. Tento trend poukazuje na skorú adaptačnú fázu stresu charakterizovanú zvýšenou koncentráciou chlorofylu, čo vizuálne potvrdzuje aj obrazová dokumentácia pokusu (Obr. 1B). Analýza hlavných komponentov (PCA, Obr. 2) vysvetlila viac ako 90 % variability datasetu, pričom komponent PC1 (75,2 %) štatisticky významne odlišoval varianty Optimal a Sucho (p = 0,001). Indexy MCARI, Ctr1, Ctr2 a DW dosahovali vyššie hodnoty pri optimálnych podmienkach, zatiaľ čo ZMI, GM1, GM2, SR, NDVI, Lic2 a prolín pri stresových. Multivariátna ROC analýza (Obr. 3A) potvrdila vysokú diskriminačnú presnosť a identifikovala GM2, ZMI, Ctr2, MCARI a SR ako najvýznamnejšie indexy. Percentuálne porovnanie jednotlivých parametrov (Obr. 3B) poukázalo na odlišnú intenzitu odozvy genotypov: ‘Marta’, ‘Melinda’ a ‘Timea’ prejavili vyššiu stabilitu, zatiaľ čo ‘Nigrona’ bola citlivejšia aj pri optimálnej vlhkosti.

Obrázek 1.

Obrázek 2.

Obrázek 3.

Záver

Stres zo sucha významne ovplyvnil fyziologické a spektrálne ukazovatele slovenských genotypov fazule. Indexy GM2, ZMI, Ctr2, MCARI a SR sa ukázali ako najspoľahlivejšie biomarkery stresu, zatiaľ čo prolín nebol signifikantným diskriminačným faktorom. Zmeny v hodnotách chlorofylových indexov v suchom variante naznačili prechodnú adaptačnú fázu spojenú s krátkodobým nárastom chlorofylu a stabilizáciou fotosyntetického aparátu. Genotypy ‘Marta’, ‘Melinda’ a ‘Timea’ vykázali lepšiu toleranciu, zatiaľ čo ‘Nigrona’ prejavila vyššiu citlivosť.

Poďakovanie

Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja (APVV-24-0226): Jedinečnosť genetickej diverzity slovenskej fazule: Inovatívne prístupy pre zvýšenie rezistencie voči fytopatogénnym hubám a vírusom.