Induction of salt tolerance in rice (<i>Oryza sativa</i> L.) by brassinosteroids

Abstract

Salinity is one of the most serious constraints of rice production in the Mekong Delta of Vietnam. Currently, recommended strategies to overcome the adverse effects of salt stress include the use of tolerant cultivars, ameliorative water management and diverse cultural practices. However, none of these strategies is fully effective under the diverse environmental conditions or adoptable by farmers in the Mekong Delta. For improvement of quality parameters in rice grown under salt stress conditions, biological processes have been established on the basis of plant protectants, the brassinosteroids. They have been demonstrated to show effects in yield increase and its parameters in the induction of salt tolerance and in adaptation mechanisms against salt-stress. Recent findings on the effects of brassinosteroids on the stress tolerance of crops open new avenues to address the salinity problems in rice (Oryza sativa L.). The effects of an application of brassinosteroid “24-epibrassinolide” (EBl) on growth, yield and physiological traits of salinity-tolerant (MTL119) and salinity-sensitive (IR28) rice cultivars were studied under controlled growing conditions in hydroponics and potted soil. The effect of brassinosteroid treatment on the salinity tolerance of rice during the germination involved seed soaking in 0, 0.5, 1.0 and 1.5 mg l-1 of EBl solution with 0 and 100 mmol NaCl addition. The effect of brassinosteroid treatment on the salinity tolerance of rice during the seedling stage involved seed soaking in 0 and 1 mg l-1 of EBl solution and subsequent germination in nutrient solution with 0 and 100 mmol NaCl addition. The effect of brassinosteroid treatment on the salinity tolerance of rice during vegetative and reproductive growth stages involved seed soaking and the foliar application of EBl solution at a concentration of 1 mg l-1 of EBl at the early vegetative (25 days after sowing) and the panicle initiation stages of rice grown in potted soil. Salinity levels of 0, 50 and 100 mmol NaCl (approx., 0, 5 and 10 dSm-1) were applied between 30 and 51 days after seeding. Seed soaking with EBl improved both the earliness and the total germination (up to 50%) of cultivar MTL119 but had no effect on the salinity-sensitive cultivar IR28. While EBl application affected neither shoot or root growth nor the chlorophyll content of 14 day-old seedlings, it tended to improve the salinity tolerance of the seedlings. This trend was associated with a significant increase in the leaf proline content from 1.23 in control to 2.02 µmol (64%) in EBl-treated plants. EBl application during the vegetative and reproductive growth stages had little or no significant effect on the salinity tolerance of both varieties as measured by yield and yield parameters or a range of physiological parameters (leaf area, chlorophyll content, photosynthesis). However, most parameters, including the grain yield, tended to increase by up to 30% in the salt tolerant cultivar MTL119 and by up to 14% in the salt-sensitive cultivar IR28. However, EBl application significantly enhanced the number of filled grains by 20% in cultivar MTL119 under mild salinity stress of 5 dS m-1. This tendency was accompanied by a significant increase in leaf proline concentration (48-70%). It may be concluded that brassinosteroids appear to improve the salinity tolerance of some rice cultivars under mild salt stress. The physiological mechanism for this enhanced stress tolerance has been shown to involve the accumulation of proline in the cell of leaves. Further studies are needed to confirm the positive effect of EBl application on salt stress tolerance and the positive mechanism of proline accumulation and must involved field studies using a wider range of rice germplasm and more diverse environmental conditions.

<strong> Die Induktion von Salztoleranz beim Reis (<i>Oryza sativa</i> L.) unter Einfluss von Brassinosteroiden </strong> <br /> Salinität ist für den Reisanbau im Mekong-Delta ein begrenzender Faktor. Derzeitige Strategien zur Minimierung der negativen Effekte von Salzstress sind u. a. der Einsatz von toleranten Sorten, verbessertes Wassermanagement und verschiedene Anbaupraxen, die jedoch unter den gegebenen Umweltbedingungen keine zufriedenstellenden Erfolge erzielen. Die Umsetzung dieser Konzepte ist für die lokalen Landwirte nur bedingt realisierbar. Daher wurden biologische Verfahren zur Verbesserung von Qualitätsparametern von unter Salinität angebautem Reis auf der Basis von Pflanzenstärkungsmitteln, den Brassinosteroiden, etabliert. Effekte des Brassionsteroids 24-Epibrassinolid (EBI) auf Wachstum, Ertrag und physiologische Eigenschaften der salztoleranten Varietät MTL119 und der salzsensitiven Varietät IR28 wurden unter kontrollierten Klimabedingungen in Flüssigmedium sowie in Versuchen mit Topfboden experimentell untersucht. Diese Experimente zum Einfluss von Brassinosteroiden unter Salzstress beinhalteten das Quellen der Samen in EBI Lösung sowie Blattapplikationen von EBI zu verschiedenen Entwicklungsphasen. Das Vorquellen der Samen in EBI verbesserte sowohl die Geschwindigkeit der Keimung, sowie auch die effektive Keimrate (um bis zu 50%) der Varietät MTL119, zeigte jedoch keinen Effekt auf die salzsensitive Varietät IR28. Obwohl die EBI-Applikationen weder einen Effekt auf den Spross, noch auf die Wurzeln bzw. auf den Chlorophyllgehalt 14 Tage alter Keimlinge aufwiesen, ließ sich dennoch eine Tendenz einer Verbesserung der Salztoleranz erkennen. Dieser Trend wurde mit einem signifikanten Anstieg des Prolingehalts mit 1,23 µmol in Kontrollpflanzen auf bis zu 2,02 µmol (64%) in Blättern von mit EBI behandelten Pflanzen in Verbindung gebracht. Die Messung von Ertrag und Ertragsparametern bzw. physiologischen Parametern (Blattfläche, Chlorophyllgehalt, Photosynthese) wurden als Indizien für die Salztoleranz verwendet und ergaben nach EBI-Behandlung keine bzw. schwache Wirkungen auf die Salztoleranz während der vegetativen bzw. generativen Phase beider Varietäten. Für eine Vielzahl von Parametern, wie z.B. den Kornertrag, wurde ein Anstieg von bis zu 30 % bei der salztoleranten Varietät MTL119 und um bis zu 14% bei der salzsensitiven Varietät IR28 beobachtet. Die Anzahl der gefüllten Körner der Varietät MTL119 war unter milden Salzstressbedingungen (5 dS m-1) nach einer Behandlung mit EBI um 20% gestiegen. Der Prolingehalts in den Blättern nahm signifikant um 48 – 70 % zu. Die Toleranz gegenüber Salz kann in manchen Reisvarietäten unter mildem Salzstress durch Applikation von Brassinosteroiden erhöht werden. Der zu Grunde liegende physiologische Mechanismus geht mit einer Akkumulation von Prolin in den Zellen der Reisblätter einher. Der positive Effekt von EBI auf die Salzstresstoleranz und den Anstieg des Prolingehalts ist insbesondere in Feldversuchen zukünftig weiter zu untermauern, wobei basierend auf einer Vielzahl von unterschiedlichen Reisgermplasmen und variierenden Umweltbedingungen verknüpfende Untersuchungen durchzuführen sein werden.