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ゴーヤ根株は光合成と抗酸化防御経路を制御することでキュウリの耐熱性を向上させる
Bitter Melon ( L.) Rootstock Improves the Heat Tolerance of Cucumber by Regulating Photosynthetic and Antioxidant Defense Pathways.
PMID: 32485835 DOI: 10.3390/plants9060692.
抄録
高温は、継続的に増加している重要な生物学的ストレッサーと考えられており、植物の成長と発達に深刻な影響を与えている。耐熱性根株接ぎ木の使用は、生物学的ストレスに対する植物の抵抗力を向上させるために世界的に実践されている実行可能な技術である。本実験では、ゴーヤ根株がどのように光合成や抗酸化防御システムを制御し、キュウリの熱ストレス（42℃/32℃）を緩和するかを検討しました。その結果、苦瓜を接ぎ木した苗は、自己接ぎ木した苗に比べて、熱による生育阻害や光阻害を有意に緩和し、より優れた光合成活性を維持し、より大きなバイオマスを蓄積していることが明らかになった。その結果、熱ストレスは接ぎ木した苗の中庭でポリアミンと過酸化水素（HO）の一過性の増加を誘導することがわかった。この増加は、苦瓜接ぎ木苗ではより大きく、より強固なものであった。さらに、ポリアミン合成阻害剤MGBG（メチルグリオキサールビスガニルヒドラゾン）およびD-Arg（D-アルギニン）を使用することにより、熱ストレス下でのHOの産生は、内因性ポリアミンの蓄積によって媒介されていることがさらに確認された。さらに、他の処理法と比較して、苦瓜接ぎ木苗は高温条件下で高い抗酸化酵素活性を維持していた。しかし、ポリアミン合成阻害剤やHOスカベンジャー（ジメチルチオ尿素、DMTU）によってこれらの活性は有意に阻害された。このことから、ゴーヤの根株は高温ストレス下でより優れた光合成活性を維持するだけでなく、内在性ポリアミンの高レベルの調節を通じてHOの産生を仲介し、抗酸化防御システムを高め、キュウリ苗の耐熱性を総合的に向上させたことが示唆された。以上の結果から、耐性品種を接ぎ木することは、ストレスによる損傷を軽減するための代替手段として有望であることが示された。
High temperature is considered a critical abiotic stressor that is increasing continuously, which is severely affecting plant growth and development. The use of heat-resistant rootstock grafting is a viable technique that is practiced globally to improve plant resistance towards abiotic stresses. In this experiment, we explored the efficacy of bitter melon rootstock and how it regulates photosynthesis and the antioxidant defense system to alleviate heat stress (42 °C/32 °C) in cucumber. Our results revealed that bitter-melon-grafted seedlings significantly relieved heat-induced growth inhibition and photoinhibition, maintained better photosynthesis activity, and accumulated a greater biomass than self-grafted seedlings. We measured the endogenous polyamine and hydrogen peroxide (HO) contents to determine the inherent mechanism responsible for these effects, and the results showed that heat stress induced a transient increase in polyamines and HO in the inner courtyard of grafted seedlings. This increment was greater and more robust in bitter-melon-grafted seedlings. In addition, the use of polyamine synthesis inhibitors MGBG (methylglyoxal bis-guanylhydrazone) and D-Arg (D-arginine), further confirmed that the production of HO under heat stress is mediated by the accumulation of endogenous polyamines. Moreover, compared with other treatments, the bitter-melon-grafted seedlings maintained high levels of antioxidant enzyme activity under high temperature conditions. However, these activities were significantly inhibited by polyamine synthesis inhibitors and HO scavengers (dimethylthiourea, DMTU), indicating that bitter melon rootstock not only maintained better photosynthetic activity under conditions of high temperature stress but also mediated the production of HO through the regulation of the high level of endogenous polyamines, thereby boosting the antioxidant defense system and comprehensively improving the heat tolerance of cucumber seedlings. Taken together, these results indicate that grafting with a resistant cultivar is a promising alternative tool for reducing stress-induced damage.