THE PHYSIOLOGICAL RESPONSE AND DROUGHT TOLERANT GENE EXPRESSION OF TOMATO (Solanum lycopersicum cv. CH154) BY BRASSINOSTEROIDS MIMIC

Abstract

Tomato plants (Solanum lycopersicum) are an exported and important economic crop in Thailand. However, drought caused to limit tomato growth. Therefore, the researchers were interested in 7,8-dihydro-8α-20-hydroxyecdysone (DHECD), which was similar in the structure of brassinosteroids plant hormones for increasing drought tolerance in tomato cv. CH154. This research aimed to investigate the effect of DHECD on the chloroplast ultrastructure, leaf greenness index (SPAD value), photosynthetic pigments, proline, total soluble sugar and total phenolic compounds accumulations, the maximum quantum efficiency of PSII (Fv/Fm), performance index (PI), enzymatic antioxidant activity, hydrogen peroxide (H2O2) content, lipid peroxidation and CHLASE gene expression. The experiment was divided into six groups as follows: (1) unstressed plants (0%(w/v) polyethylene glycol 6000 (PEG)) without DHECD spray; (2) stressed plants (0.5%(w/v) PEG) without DHECD spray; (3) stressed plants + 10 μM DHECD; (4) stressed plants + 50 μM DHECD; (5) stressed plants + 100 μM DHECD; and (6) stressed plants + 150 μM DHECD. The results showed that DHECD application at concentrations of 10 μM and 50 μM increased total chlorophyll, carotenoids contents and SPAD value in tomato leaves after 9 days of drought. The drought treated plants and spray with 50 μM DHECD improved accumulations of proline, total soluble sugar and total phenolic compounds on day 18 of the experiment. The MDA, H2O2 contents and relative expression of CHLASE gene declined in stressed plants and spray with 100 μM DHECD after 18 days of drought. The DHECD application at a concentration of 50 μM maintained chloroplast structure and enhanced catalase (CAT) activity, Fv/Fm and PI in stressed tomato leaves on day 12 of the experiment, compared with stressed plants without DHECD spray. These results indicated that DHECD application could enhance photosynthetic efficiency, improve drought tolerance in tomatoes by increasing proline and total soluble sugar contents in leaves, alleviate drought stress by inducing an antioxidant defense system for decreasing lipid peroxidation, and maintain chloroplast structures and photosynthetic pigments in leaves under drought stress. Moreover, DHECD at 50 μM was the most optimum concentration for tomato cv. CH154.

มะเขือเทศจัดเป็นพืชเศรษฐกิจส่งออกที่สำคัญของประเทศไทย แต่ปัญหาภัยแล้งในปัจจุบันส่งผลกระทบต่อ การเติบโตของมะเขือเทศ จึงทำให้ผู้วิจัยสนใจนำสารที่มีโครงสร้างคล้ายกับฮอร์โมนพืชบราสสิโนสเตียรอยด์ ได้แก่ 7,8-dihydro-8α-20-hydroxyecdysone (DHECD) มาใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการทนแล้งให้กับต้นมะเขือเทศ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของสาร DHECD ต่อโครงสร้างคลอโรพลาสต์ ดัชนีความเขียวของใบ ปริมาณรงควัตถุ การสะสมปริมาณโพรลีน น้ำตาลที่ละลายน้ำ สารประกอบฟีนอลิกรวม คลอโรฟิลล์ฟลูออเรสเซนซ์ (Fv/Fm) performance index (PI) กิจกรรมการทำงานของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระ ปริมาณไฮโดรเจนเพอรอกไซด์ (H2O2) การเกิดปฏิกิริยาลิพิดเปอร์ออกซิเดชัน และการแสดงออกของยีน CHLASE ในใบของต้นมะเขือเทศ ภายใต้สภาวะแล้ง โดยแบ่งการทดลองออกเป็น 6 ทรีตเมนต์ ได้แก่ ต้นมะเขือเทศที่อยู่ในสภาวะปกติและไม่ได้รับการพ่นด้วยสาร DHECD ต้นมะเขือเทศที่อยู่ในสภาวะแล้งระดับ 0.5%(w/v) polyethylene glycol 6000 (PEG) และไม่ได้รับการพ่นด้วยสาร DHECD และต้นมะเขือเทศที่อยู่ในสภาวะแล้งระดับ 0.5%(w/v) PEG และได้รับการพ่นด้วยสาร DHECD ที่ระดับความเข้มข้นแตกต่างกัน ได้แก่ 10, 50, 100 และ 150 ไมโครโมลาร์ ผลการทดลองพบว่า ต้นมะเขือเทศที่ได้รับการพ่นด้วยสาร DHECD ความเข้มข้น 10 และ 50 ไมโครโมลาร์ มีปริมาณคลอโรฟิลล์รวม แคโรทีนอยด์ และค่าดัชนีความเขียวของใบเพิ่มขึ้น หลังจากได้รับสภาวะแล้งเป็นเวลา 9 วัน การพ่นด้วยสาร DHECD ความเข้มข้น 50 ไมโครโมลาร์ ทำให้ต้นมะเขือเทศที่อยู่ในสภาวะแล้งมีการสะสมปริมาณโพรลีน น้ำตาล และสารประกอบฟีนอลิกรวมในใบเพิ่มขึ้น ในวันที่ 18 ของการทดลอง การใช้สาร DHECD ความเข้มข้น 100 ไมโครโมลาร์ ช่วยลดปริมาณ malondialdehyde (MDA) H2O2 และระดับการแสดงออกของยีน CHLASE ในใบ หลังได้รับสภาวะแล้งเป็นเวลา 18 วัน และการพ่นด้วยสาร DHECD ความเข้มข้น 50 ไมโครโมลาร์ รักษาสภาพของโครงสร้างคลอโรพลาสต์ และส่งเสริมกิจกรรมการทำงานของเอนไซม์ catalase (CAT) ค่า Fv/Fm และ PI ในใบ ของต้นมะเขือเทศ หลังได้รับสภาวะแล้งเป็นเวลา 12 วัน เมื่อเทียบกับต้นมะเขือเทศที่อยู่ในสภาวะแล้งและไม่ได้รับการพ่นด้วยสาร DHECD แสดงให้เห็นว่า การใช้สาร DHECD ส่งเสริมประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสง เพิ่มความสามารถในการทนแล้งให้กับต้นมะเขือเทศ โดยเพิ่มการสะสมปริมาณโพรลีนและน้ำตาลในใบ และช่วยบรรเทาความเครียดจากสภาวะแล้งได้ โดยกระตุ้นระบบป้องกันด้วยสารต้านอนุมูลอิสระ เพื่อลดการเกิดปฏิกิริยาลิพิดเปอร์ออกซิเดชัน อีกทั้งช่วยรักษาสภาพของโครงสร้างคลอโรพลาสต์และปริมาณรงควัตถุในใบภายใต้สภาวะแล้ง นอกจากนี้สาร DHECD ที่ 50 ไมโครโมลาร์ เป็นความเข้มข้นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับมะเขือเทศพันธุ์ CH154