An investigation of the mycorrhiza-like growth-promoting and stress tolerance-enhancing effects of Piriformospora indica on bread and durum wheat in relation to boron toxicity and salinity stress

Abstract

Günümüzde tuz stresi ve bor toksisitesi verimi sınırlayan iki ana faktör olarak sınıflandırılmaktadır ve bu faktörlerin yaygınlığı iklim değişikliği nedeniyle artmakta ve sürdürülebilir buğday üretimini tehdit etmektedir. Önceki çalışmalar, tuzluluk stresi ve bor toksisitesinin tek başına veya birleşik etkilerini belirlemeye odaklanmıştır, fakat B toksisitesinin ve tuzluluğun buğday üretimi üzerindeki olumsuz etkilerini giderebilmek için geliştirilmiş yönetim stratejileri kısıtlıdır. Bu tez kapsamında, Piriformospora indica'nın tuz stresi ve bor toksisitesi altında yetiştirilen ticari makarnalık ve ekmeklik buğday üzerindeki fizyolojik ve morfolojik etkileri araştırılmıştır. Ayrıca eş zamanlı Piriformospora indica ve arbüsküler mikorizal fungusların inokülasyonlarının buğdayın verimine etkileri ortaya konmuştur. Tane verimi, gövde kuru ağırlığı ve süperoksit dismutaz, askorbat peroksidaz, katalaz, glutatyon redüktaz, peroksidaz enzimlerinin spesifik aktiviteleri sırasıyla %35, %22, %28, %24, %36, %7, %11 oranında Piriformospora indica inokülasyonuyla ekmeklik buğday çeşidinde artmıştır. Ayrıca, Piriformospora indica ile inoküle edilen ekmeklik ve makarnalık buğday çeşitleri edilmeyenlere kıyasla %40 ve %66 oranında daha düşük Na ve malondialdehit konsantrasyonuna sahiptir. Bu tezin sonucu, Piriformospora indica inokülasyonunun antioksidan savunma mekanizmalarını geliştirerek, aşırı Na+ konsantrasyonunu düşürerek, hücre zarını koruyarak ve mineral dengesini sağlayarak buğdayın büyümesini artırdığını ve tuzluluk stresi ve bor toksisitesine karşı tolerans sağladığını göstermiştir. Piriformospora indica ve arbüsküler mikorizal fungusların eş zamanlı inokülasyonu sırasıyla %41 ve %50'ye varan oranlarda ekmeklik ve makarnalık buğdayın tane veriminde artış sağlamıştır. Böylece, elde ettiğimiz sonuçlar Piriformospora indica inokülasyonunun buğdayı kombine tuz stresinden ve bor toksisitesinden koruduğunu göstermiştir.Nowadays, salinity stress and boron toxicity are classified as two major yield-limiting factors, and the prevalence of these factors have been increasing and threatening sustainable wheat production due to climate change. Previous studies have been focused on investigating single or combined effects of salinity stress and boron toxicity but development of management strategies which may ameliorate destructive effects of these factors on wheat is limited. The thesis aimed to reveal the physiological and morphological effects of Piriformospora indica on commercial durum and bread wheat grown under combined salinity stress and boron toxicity. In addition, interplay of simultaneous Piriformospora indica and arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on wheat yield was investigated. Piriformospora indica inoculation increased grain yield, shoot dry weight, specific activities of superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, catalase, glutathione reductase, peroxidase of bread wheat by up to 35%, 22%, 28%, 24%, 36%, 7%, 11%, respectively. Furthermore, bread and durum wheat cultivars inoculated with Piriformospora indica had 40% lower Na and 66% lower malondialdehyde concentrations when compared to non-inoculated counterparts. The result of the thesis showed that Piriformospora indica enhanced wheat growth and conferred tolerance against combined salinity stress and boron toxicity by promoting antioxidant defense mechanisms, alleviating membrane injury, excluding excess Na+ and maintaining mineral homeostasis. Furthermore, grain yield promotion by co-inoculation with Piriformospora indica and arbuscular mycorrhizal fungi reached up to 41% and 50% in bread and durum wheat cultivar, respectively. Thus, our data showed that Piriformospora indica inoculation protected wheat from combined salinity stress and boron toxicity.