[학위논문]비생물학적 및 생물학적 스트레스에 의한 잔디류의 생리적 특성 변화 및 환경 스트레스 개선 방안 Characterization of Physiological Responses to Abiotic Stress or Biotic Stress and Possible Approach for Improving Stress Tolerance in Turfgrasses원문보기
본 연구는 잔디류의 비생물학적 또는 생물학적 스트레스에 대한 생리학적 반응을 조사하고 스트레스 개선을 위한 가능한 접근 방식을 찾기 위해 수행하였다. PART I에서는 가뭄과 병원균에 감염된 한지형 잔디와 난지형 잔디의 생리적 특성들을 조사하였다. 가뭄스트레스에 대한 페레니얼 라이그라스의 항산화 효소와 병 관련 단백질의 유도에 대한 조사는 일일 관수량을 감소 시킴으로써 가뭄 상태에 노출 시켰으며 15일 동안 수행되었다. 토양 수분 함량과 ...
본 연구는 잔디류의 비생물학적 또는 생물학적 스트레스에 대한 생리학적 반응을 조사하고 스트레스 개선을 위한 가능한 접근 방식을 찾기 위해 수행하였다. PART I에서는 가뭄과 병원균에 감염된 한지형 잔디와 난지형 잔디의 생리적 특성들을 조사하였다. 가뭄스트레스에 대한 페레니얼 라이그라스의 항산화 효소와 병 관련 단백질의 유도에 대한 조사는 일일 관수량을 감소 시킴으로써 가뭄 상태에 노출 시켰으며 15일 동안 수행되었다. 토양 수분 함량과 클로로필 함량은 가뭄스트레스에 의해 크게 감소되었다. 뿌리 생체량은 가뭄스트레스에 의해 크게 영향을 받았으나 지상부는 영향이 적게 나타났다. 가뭄스트레스는 과산화수소 함량과 지질 산화의 지표가 되는MDA 함량의 증가를 유도하였다. SOD, CAT, POD의 활성은 가뭄스트레스 처리된 작물에서 증가되었다. 이러한 경향은 지상부에 비해 뿌리에서 뚜렷하였다. β-1,3-glucanase활성은 지상부와 뿌리에서 모두 가뭄스트레스 하에서 12일 동안 지속적으로 증가되었다. Chitinase 활성은 지상부에서 가뭄 스트레스 초기6일 동안 빠르게 증가한 반면에 뿌리에서는 실험 기간 동안 지속적으로 증가하였다. 이러한 결과는 가뭄스트레스에 의한 산화적 스트레스가 항산화효소와 PR-protein에 의해 효과적으로 감소되었음을 나타내었고 이러한 활성은 지하부보다 지상부에서 효과적임을 보여주었다. 켄터키 블루그라스의 광합성 기관에 대한 가뭄스트레스 영향을 평가하기 위하여 필드 상태하에서 2달동안 가뭄 스트레스에 노출되었다. 가뭄스트레스에 의한 지상부 생체량은 유의적 영향은 없었으나, 클로로필 함량은 주목할 만큼 감소되었다. 틸라코이드막의 단백질 복합체의 단백질체 분석은 BN-PAGE 통해 관찰하였으며, PSI-LHCII, PSI 그리고 PSII와 PSII dimer, PSII monomer와 Cyt b6f는 가뭄스트레스 상태에서 억제되었다. 켈빈 사이클에 관여하는 유전자인 RLS, RSS, 루비스코 활성효소와 GAPDH의 유전자 발현 수준은 대조구에 비하여 가뭄스트레스 상태에서 강하게 감소되었다. SDS-PAGE 통한 단백질 분석을 통해 RLS로 인식 되는 밴드 (50kDa)가 급격하게 감소되는 것으로 보아 가뭄스트레스가 루비스코 단백질들의 감소를 유도함을 명백히 보여주었다. 가뭄스트레스에 유도된 가용성 탄수화물은 저장탄수화물인 fructan 농도의 감소와 일치하였다. 이러한 결과는 가뭄스트레스가 가용성 탄수화물의 축적과 fructan의 감소를 유도하고 틸라코이드 막내 에너지 이동을 저해하여 CO2 고정이 감소됨을 보여주었다. 한국잔디에 있어 병원성 (라지 패치) 감염이 산화적 스트레스의 발현 및 식물체내 프롤린과 암모니아의 농도 변화에 미치는 영향을 규명하기 위해 라지 패치에 감염된 잔디의 생육, 뿌리 건사율, 과산화수소 농도, 지질과산화 정도, 항산화 효소 및 암모니아와 프롤린 농도를 감염이 되지 않은 대조구와 비교하였다. 처리 후 6일동안 이틀 간격으로 작물을 수확 후 잎과 뿌리 시료에 대해 각각 분석하였다. 라지 패치에 감염된 잔디 뿌리의 건사율은 대조구에 비해 약 30%증가 하였다. 건물 함량은 4일째까지는 유의적인 차이가 없었으며 6일차에서만 라지 패치 감염에 따라 잎에서 14% 뿌리에서 20% 각각 감소하였다. 과산화수소의 농도는 라지 패치에 감염된 잎에서 초기 2일 동안 약 28%의 높은 증가를 하였다가 이후 서서히 감소하여 6일차에는 대조구에 비해 약 1.7배 높았다. 지질과산화 정도는 잎의 경우 라지 패치 감염에 따라 초기 4일간 지속적으로 증가하다가 이후 정체하였으며 뿌리에서는 초기 2일간의 증가가 뚜렷하였다. SOD 효소의 활성은 초기 2일 동안 아무런 차이가 나타나지 않았으나 처리 후 6일차에는 대조구에 비해 라지 패치에 감염된 잎에서 48% 뿌리에서 49% 각각 높게 나타났다. CAT 효소 활성은 처리 후 2일간 잎에서 25% 뿌리에서 101%각각 증가하였지만 그 이후 급격히 감소하여 4일차에는 대조구에 비해 현저히 낮게 나타났다. 라지 패치에 감염된 잎에서 POD 활성은 감염 기간 동안 현저히 증가하여 6일 차에는 75%까지 증가하였다. 뿌리에서 감염에 따른 POD 효소 활성의 증가는 뚜렷하였으며 대조구에 비해 약 2배 높았다. 이러한 결과들은 잔디에 있어 라지 패치 감염은 산화적 스트레스를 유도하며, 이에 따라 초기 6일간의 병원성 감염에 대한 SOD-CAT-POD 항산화적 기작이 효과적으로 작동됨을 보여주었다. 가용성 단백질 농도는 병원균 처리후 6일째 잎의 경우를 제외하고는 라지 패치 감염에 따른 유의적인 영향이 없었다. 암모니아 농도 역시 라지 패치에 감염된 잎과 줄기에서 공히 유의적으로 증가하였다. 프롤린 농도는 잎과 뿌리에서 대조구에 비해 각각 3.4 및 4.5배 증가하였다. 이러한 결과들은 잔디에 있어 병원균 감염에 따른 프롤린의 축적은 스트레스 강도를 나타내는 민감한 표지물질로서 의미가 있음을 제시한다. PART Ⅱ에서는 황과 인산 영양소의 시용이 가뭄과 염스트레스 내성의 효과를 시험하였다. 켄터키 블루그라스 (Poa pratensis L.)의 염스트레스에 의한 탄수화물의 반응과 식물호르몬의 변화와 염스트레스에 황(S)영양소의 생리적 중요성을 조사하기 위해 4개의 황 영양소와 염스트레스 처리구로 (+S/non-salt, control, +S/salt, -S/non-salt, -S/salt) 실험하였다. 염스트레스는 수용성 탄수화물인 sucrose, glucose, fructose의 함량을 증가 시켰으며 저장성 탄수화물인 starch를 감소시켰다. 수용성 탄수화물은 황 영양소에 의한 중대한 변화는 없었으나, starch는 황 영양소에 의해 더 높게 나타났다. Sucrose합성과 분해에 관련된 효소인 SPS와 SS는 실험 기간 동안 유도되었다. 염스트레스하의 황 영양소 결핍처리구 (-S/salt) 에서 SPS와 SS활성은 증가되었고, 반면에 황 영양소 공급에 의해 크게 감소되었다. 염스트레스는 식물 호르몬인 ABA, GA, IAA, SA, JA, Zeatin에 영향을 준다. 식물호르몬인 ABA, SA, JA, Zeatin의 함량은 황 영양소 공급에 의해 경감된 반면 GA의 함량은 염 스트레스에 상관없이 황 처리구에서 훨씬 높게 나타났다. 이러한 결과는 황 영양소가 탄수화물과 식물호르몬의 염스트레스에 대한 부정적인 변화를 개선하는데 중용한 역할을 할 수 있음을 제시해 주었다. 켄터키 블루그라스의 가뭄스트레스에서 유도된 산화적 스트레스 및 세포벽 관련 탄수화물에 대한 인 영양소의 영향을 조사하기 위해 포트에서 식물체의 수분공급을 감소함으로써 가뭄스트레스를 유도하였다. 2가지 형태의 인 영양소로 인산염(P)과 아인산염(PA)을 시용하였다. 인 영양소의 시용은 가뭄의 불량한 영향을 개선하는데 효과가 있었다. 지상부와 지하부 생육은 가뭄스트레스에 의해 부(-)의 영향을 보였고, 반면에 인산염과 아인산염 처리구는 생육이 개선되었다. 삼투 포텐셜과 클로로필 및 케로티노이드 함량은 가뭄스트레스 상태에서 급격히 감소되었으나, 인산염과 아인산염 공급에 의해 안정되었다. 과산화물 농도는 과산화수소와 지질과산화물 증가와 함께 가뭄스트레스에서 14배이상 급격히 증가되었다. 그러나, 가뭄스트레스 상태에서 인산염과 아인산염 처리구에서 O2•−, H2O2, MDA 의 축적은 매우 적었다. SOD, CAT, APOD, GPOD의 활성은 가뭄 스트레스에 의해 크게 증가되었고, APOD를 제외한 인산염과 아인산염 처리구에서 이 효소의 증가율은 매우 더 높았다. 이러한 결과는 인산염과 아인산염 처리에 의해 항산화 효소 활성의 증가로 가뭄스트레스의 산화적 스트레스가 경감되었음을 나타내었다. 리그닌 함량은 가뭄스트레스 처리구에서 PPO와 PAL의 증가와 함께 급격히 증가되었다. 반면에 인산염과 아인산염 처리구는 대조구와 비교하여 증가는 매우 적었다. 가용성 탄수화물의 함량은 가뭄 스트레스에 의해 높게 증가되었고, 반면에 인산염 또는 아인산염 처리구에서는 대조구와 유사하였다. Fructan 함량은 가뭄 스트레스에서 급격히 감소되었고, 반면에 인산염과 아인산염 처리구에서는 대조구와 비교하여 각각 증가되거나 유지되었다. 이러한 결과는 인 영양소 공급이 작물의 리그닌화를 경감시키며 광합성을 촉진 함으로써 가뭄 스트레스 내성을 증가시켰음을 나타내었다.
본 연구는 잔디류의 비생물학적 또는 생물학적 스트레스에 대한 생리학적 반응을 조사하고 스트레스 개선을 위한 가능한 접근 방식을 찾기 위해 수행하였다. PART I에서는 가뭄과 병원균에 감염된 한지형 잔디와 난지형 잔디의 생리적 특성들을 조사하였다. 가뭄스트레스에 대한 페레니얼 라이그라스의 항산화 효소와 병 관련 단백질의 유도에 대한 조사는 일일 관수량을 감소 시킴으로써 가뭄 상태에 노출 시켰으며 15일 동안 수행되었다. 토양 수분 함량과 클로로필 함량은 가뭄스트레스에 의해 크게 감소되었다. 뿌리 생체량은 가뭄스트레스에 의해 크게 영향을 받았으나 지상부는 영향이 적게 나타났다. 가뭄스트레스는 과산화수소 함량과 지질 산화의 지표가 되는MDA 함량의 증가를 유도하였다. SOD, CAT, POD의 활성은 가뭄스트레스 처리된 작물에서 증가되었다. 이러한 경향은 지상부에 비해 뿌리에서 뚜렷하였다. β-1,3-glucanase활성은 지상부와 뿌리에서 모두 가뭄스트레스 하에서 12일 동안 지속적으로 증가되었다. Chitinase 활성은 지상부에서 가뭄 스트레스 초기6일 동안 빠르게 증가한 반면에 뿌리에서는 실험 기간 동안 지속적으로 증가하였다. 이러한 결과는 가뭄스트레스에 의한 산화적 스트레스가 항산화효소와 PR-protein에 의해 효과적으로 감소되었음을 나타내었고 이러한 활성은 지하부보다 지상부에서 효과적임을 보여주었다. 켄터키 블루그라스의 광합성 기관에 대한 가뭄스트레스 영향을 평가하기 위하여 필드 상태하에서 2달동안 가뭄 스트레스에 노출되었다. 가뭄스트레스에 의한 지상부 생체량은 유의적 영향은 없었으나, 클로로필 함량은 주목할 만큼 감소되었다. 틸라코이드막의 단백질 복합체의 단백질체 분석은 BN-PAGE 통해 관찰하였으며, PSI-LHCII, PSI 그리고 PSII와 PSII dimer, PSII monomer와 Cyt b6f는 가뭄스트레스 상태에서 억제되었다. 켈빈 사이클에 관여하는 유전자인 RLS, RSS, 루비스코 활성효소와 GAPDH의 유전자 발현 수준은 대조구에 비하여 가뭄스트레스 상태에서 강하게 감소되었다. SDS-PAGE 통한 단백질 분석을 통해 RLS로 인식 되는 밴드 (50kDa)가 급격하게 감소되는 것으로 보아 가뭄스트레스가 루비스코 단백질들의 감소를 유도함을 명백히 보여주었다. 가뭄스트레스에 유도된 가용성 탄수화물은 저장탄수화물인 fructan 농도의 감소와 일치하였다. 이러한 결과는 가뭄스트레스가 가용성 탄수화물의 축적과 fructan의 감소를 유도하고 틸라코이드 막내 에너지 이동을 저해하여 CO2 고정이 감소됨을 보여주었다. 한국잔디에 있어 병원성 (라지 패치) 감염이 산화적 스트레스의 발현 및 식물체내 프롤린과 암모니아의 농도 변화에 미치는 영향을 규명하기 위해 라지 패치에 감염된 잔디의 생육, 뿌리 건사율, 과산화수소 농도, 지질과산화 정도, 항산화 효소 및 암모니아와 프롤린 농도를 감염이 되지 않은 대조구와 비교하였다. 처리 후 6일동안 이틀 간격으로 작물을 수확 후 잎과 뿌리 시료에 대해 각각 분석하였다. 라지 패치에 감염된 잔디 뿌리의 건사율은 대조구에 비해 약 30%증가 하였다. 건물 함량은 4일째까지는 유의적인 차이가 없었으며 6일차에서만 라지 패치 감염에 따라 잎에서 14% 뿌리에서 20% 각각 감소하였다. 과산화수소의 농도는 라지 패치에 감염된 잎에서 초기 2일 동안 약 28%의 높은 증가를 하였다가 이후 서서히 감소하여 6일차에는 대조구에 비해 약 1.7배 높았다. 지질과산화 정도는 잎의 경우 라지 패치 감염에 따라 초기 4일간 지속적으로 증가하다가 이후 정체하였으며 뿌리에서는 초기 2일간의 증가가 뚜렷하였다. SOD 효소의 활성은 초기 2일 동안 아무런 차이가 나타나지 않았으나 처리 후 6일차에는 대조구에 비해 라지 패치에 감염된 잎에서 48% 뿌리에서 49% 각각 높게 나타났다. CAT 효소 활성은 처리 후 2일간 잎에서 25% 뿌리에서 101%각각 증가하였지만 그 이후 급격히 감소하여 4일차에는 대조구에 비해 현저히 낮게 나타났다. 라지 패치에 감염된 잎에서 POD 활성은 감염 기간 동안 현저히 증가하여 6일 차에는 75%까지 증가하였다. 뿌리에서 감염에 따른 POD 효소 활성의 증가는 뚜렷하였으며 대조구에 비해 약 2배 높았다. 이러한 결과들은 잔디에 있어 라지 패치 감염은 산화적 스트레스를 유도하며, 이에 따라 초기 6일간의 병원성 감염에 대한 SOD-CAT-POD 항산화적 기작이 효과적으로 작동됨을 보여주었다. 가용성 단백질 농도는 병원균 처리후 6일째 잎의 경우를 제외하고는 라지 패치 감염에 따른 유의적인 영향이 없었다. 암모니아 농도 역시 라지 패치에 감염된 잎과 줄기에서 공히 유의적으로 증가하였다. 프롤린 농도는 잎과 뿌리에서 대조구에 비해 각각 3.4 및 4.5배 증가하였다. 이러한 결과들은 잔디에 있어 병원균 감염에 따른 프롤린의 축적은 스트레스 강도를 나타내는 민감한 표지물질로서 의미가 있음을 제시한다. PART Ⅱ에서는 황과 인산 영양소의 시용이 가뭄과 염스트레스 내성의 효과를 시험하였다. 켄터키 블루그라스 (Poa pratensis L.)의 염스트레스에 의한 탄수화물의 반응과 식물호르몬의 변화와 염스트레스에 황(S)영양소의 생리적 중요성을 조사하기 위해 4개의 황 영양소와 염스트레스 처리구로 (+S/non-salt, control, +S/salt, -S/non-salt, -S/salt) 실험하였다. 염스트레스는 수용성 탄수화물인 sucrose, glucose, fructose의 함량을 증가 시켰으며 저장성 탄수화물인 starch를 감소시켰다. 수용성 탄수화물은 황 영양소에 의한 중대한 변화는 없었으나, starch는 황 영양소에 의해 더 높게 나타났다. Sucrose합성과 분해에 관련된 효소인 SPS와 SS는 실험 기간 동안 유도되었다. 염스트레스하의 황 영양소 결핍처리구 (-S/salt) 에서 SPS와 SS활성은 증가되었고, 반면에 황 영양소 공급에 의해 크게 감소되었다. 염스트레스는 식물 호르몬인 ABA, GA, IAA, SA, JA, Zeatin에 영향을 준다. 식물호르몬인 ABA, SA, JA, Zeatin의 함량은 황 영양소 공급에 의해 경감된 반면 GA의 함량은 염 스트레스에 상관없이 황 처리구에서 훨씬 높게 나타났다. 이러한 결과는 황 영양소가 탄수화물과 식물호르몬의 염스트레스에 대한 부정적인 변화를 개선하는데 중용한 역할을 할 수 있음을 제시해 주었다. 켄터키 블루그라스의 가뭄스트레스에서 유도된 산화적 스트레스 및 세포벽 관련 탄수화물에 대한 인 영양소의 영향을 조사하기 위해 포트에서 식물체의 수분공급을 감소함으로써 가뭄스트레스를 유도하였다. 2가지 형태의 인 영양소로 인산염(P)과 아인산염(PA)을 시용하였다. 인 영양소의 시용은 가뭄의 불량한 영향을 개선하는데 효과가 있었다. 지상부와 지하부 생육은 가뭄스트레스에 의해 부(-)의 영향을 보였고, 반면에 인산염과 아인산염 처리구는 생육이 개선되었다. 삼투 포텐셜과 클로로필 및 케로티노이드 함량은 가뭄스트레스 상태에서 급격히 감소되었으나, 인산염과 아인산염 공급에 의해 안정되었다. 과산화물 농도는 과산화수소와 지질과산화물 증가와 함께 가뭄스트레스에서 14배이상 급격히 증가되었다. 그러나, 가뭄스트레스 상태에서 인산염과 아인산염 처리구에서 O2•−, H2O2, MDA 의 축적은 매우 적었다. SOD, CAT, APOD, GPOD의 활성은 가뭄 스트레스에 의해 크게 증가되었고, APOD를 제외한 인산염과 아인산염 처리구에서 이 효소의 증가율은 매우 더 높았다. 이러한 결과는 인산염과 아인산염 처리에 의해 항산화 효소 활성의 증가로 가뭄스트레스의 산화적 스트레스가 경감되었음을 나타내었다. 리그닌 함량은 가뭄스트레스 처리구에서 PPO와 PAL의 증가와 함께 급격히 증가되었다. 반면에 인산염과 아인산염 처리구는 대조구와 비교하여 증가는 매우 적었다. 가용성 탄수화물의 함량은 가뭄 스트레스에 의해 높게 증가되었고, 반면에 인산염 또는 아인산염 처리구에서는 대조구와 유사하였다. Fructan 함량은 가뭄 스트레스에서 급격히 감소되었고, 반면에 인산염과 아인산염 처리구에서는 대조구와 비교하여 각각 증가되거나 유지되었다. 이러한 결과는 인 영양소 공급이 작물의 리그닌화를 경감시키며 광합성을 촉진 함으로써 가뭄 스트레스 내성을 증가시켰음을 나타내었다.
The objective of this study was to investigate physiological responses to abiotic stress or biotic stress and possible approach for improving stress in turfgrasses. Cool-season and warm-season grasses were exposed to drought, salt or pathogen-infection stresses in a greenhouse or field condition, an...
The objective of this study was to investigate physiological responses to abiotic stress or biotic stress and possible approach for improving stress in turfgrasses. Cool-season and warm-season grasses were exposed to drought, salt or pathogen-infection stresses in a greenhouse or field condition, and the physiological responses to the exposed stresses were characterized. In addition, the significance of mineral nutrition in stress tolerance was discussed. In PART I, drought- or pathogen infection-induced physiological responses were investigated in cool-season and warm season grasses. In chapter I-1, the kinetics of the antioxidant enzymes and pathogenesis-related (PR) proteins induced by drought stress were determined in perennial ryegrass (Lolium perenne L.). The plants were imposed to drought stress by decreasing the daily irrigation for 15 days. Soil water content and chlorophyll content was largely decreased by drought stress. Root biomass was strongly affected by drought stress but not in shoot. Drought stress increased content of hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA) which is an indicator of lipid peroxidation. Activity of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD) enhanced in drought-stressed plants. Its tendency was more pronounced in the shoot than in roots. The β-1,3-glucanase activity in both root and shoot was gradually increased until 12 days of drought stress treatment. Chitinase activity in shoot was rapidly increased for 6 days and then maintained, while its activity in root continued to increase throughout the experimental period. These results indicate that oxidative stress induced by drought stress was efficiently reduced by antioxidant enzymes and PR-proteins. The positive effects were higher in shoot than in roots. In chapter I-2, to assess the influence of drought stress on photosynthetic organs in kentucky bluegrass (Poapratensis L.), plants were exposed to drought stress for 2 months under field condition. Shoot biomass was not significantly affected but chlorophyll content was remarkably decreased by drought stress. The proteomic analysis of multi-protein complexes in the thylakoid by BN-PAGE showed that the expression of PSI-LHCII, PSI and PSII dimer, PSII monomer and Cyt b6f were repressed under drought stressed condition. The transcription level of Calvin cycle genes, Rubisco large subunit (RLS), Rubisco small subunit (RSS), Rubisco activase (RCA) and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), decreased strongly in drought stressed plants compared to control. The protein profiles after SDS-PAGE clearly revealed that drought stress leads to the degradation of Rubisco proteins, as evidenced by the decreased intensity of the bands corresponding to the RLS. Drought stress-induced accumulation of soluble sugars was coincidence with decrease of fructan concentration. These results suggest that drought stress decreased photosynthetic capacity leading to inhibition of energy transport in thylakoid membrane and accumulation of soluble sugars and reduction of fructan. In chapter I-3, oxidative stress induction and the response of antioxidative enzymes were investigated in a warm-season turf grass, zoysiagrass, infected to large patch pathogen. The sampling for leaves and roots were carried out every 2 days for a period of 6 days. Dry mass was not significantly affected by pathogen-infection until day 4 but significant decreases in both leaves (-14%) and root (-20%) were observed at day 6. The H2O2 concentration in pathogen-infected leaves rapidly increased within the first 2 days (+28%) and the slightly decreased. The increase of H2O2 in pathogen-infected roots was distinct, showing 1.7-fold higher level than control at day 6. The extent of lipid peroxidation caused by pathogen-infection continuously increased for the first 4 days. This was then stagnated until day 6. In roots, the significant increase of lipid peroxidation was observed only at day 2. The SOD activity was not significantly affected by pathogen-infection until day 2, but significant increase of both leaves (+48%) and roots (+49%) were observed at day 6 compared with control. The CAT activity was remarkably increased by +25% in leaves and +101% in roots within the first 2 days and them rapidly decreased. The POD activity in pathogen-infected leaves was significantly increased by 74% at day 6. The increase of POD activity in pathogen-infected roots was 2-fold higher than that of the control at day 6. These results indicate that large patch-infection induces oxidative stress, and that the oxidative stress responsive pattern was plant organ specific and that SOD-CAT-POD antioxidant system of zoysiagrass was effectively operated. In chapter I-4, to characterize the response of protein synthesis to the stress induced by pathogen (large patch) infection, ammonia and proline accumulation was compared between pathogen-infection and healthy (control) zoysiagrass during 6 days after treatment. Pathogen-infection increased root mortality by 30% compared to control. Soluble protein was not significantly affected by pathogen-infection except in the leaf at day 6. Ammonia concentration also significantly increased in both leaves and roots of pathogen-infected plants. Proline concentration in leaves and roots increased to 3.4- and 4.5-fold, respectively, compared to those of control at day 6. These results suggest that proline accumulation may be a sensitive biochemical indicator representing the stress intensity caused by pathogen infection in zoysiagrass.
In PART II, the physiological significance of mineral nutrition (especially sulfur and phosphorus) in stress tolerance was addressed. In chapter II-1, to investigate physiological significance of sulfur (S) in salt stress, change of the responses carbohydrates and plant hormones by salt-stress in kentucky bluegrass (Poa pratensis L.) were carried out. The responses were examined four S-nutrition and/or salt-stress combined treatments: S-sufficient (+S/non-salt, control), presence of S with salt-stress (+S/salt), S-deprivation without salt-stress (-S/non-salt) and S-deprived and salt-stress (-S/salt). Salt-stress induced soluble carbohydrates such like sucrose, glucose and fructose and reduced insoluble carbohydrate such like starch. The soluble carbohydrates were not significantly changed by S nutrition, but starch was significantly higher in presence of S nutrition. The activity of carbohydrate enzymes, which sucrose phosphate synthase (SPS) and sucrose synthase (SS), was induced during experiment period. Salt-stress increased SPS and SS in absence of S nutrition, whereas the activity was significantly decreased by S nutrition supply. Salt-stress alternated levels of plant hormones such as abscisic acid (ABA), gibberellic acid (GA), indole acetic acid (IAA), jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA) and zeatin. The changes of plant hormones were alleviated by S nutrition. S application mitigated increase of stress phytohormones such as ABA, SA and JA and promoted increase of plant growth phytohormones such as IAA and GA. These results indicate that S nutrition is involved in regulation of salt stress-induced negative effects by maintaining of carbohydrate metabolism or modulating phytohormones biosynthesis. In chapter II-2, to determine phosphorus effects on drought stress-induced oxidative stress, kentucky bluegrass was exposed to drought stress by reducing of water supply. Two types of phosphorus were applied as potassium phosphate (PO43-; P) or potassium phosphonate (PO33-; PA) in drought-stressed plants. Application of phosphorus was efficient to ameliorate the adverse effects of drought. Shoot and root growth were negatively affected by drought stress, whereas application of P or PA improved their growth. Osmotic potential, relative water content, total chlorophyll and carotenoid content were significantly decreased by drought stress, but was relieved by P or PA application. Superoxide (O2•−) concentration was significantly increased more than 14-fold under drought-stressed plants, was accompanied with increase of hydrogen peroxide (H2O2) and lipid peroxidation (MDA). However, accumulation of O2•−, H2O2 and MDA was much less in P or PA applied plants under drought stress condition. Activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APOD) and guaiacol-peroxidase (GPOD) were largely increased by drought stress and its increase rate was much higher in P or PA applied plants except APOD. These results indicate that drought stress induced oxidative stress alleviated by P or PA application due to increase of antioxidant enzymes activities. In chapter II-3, to determine phosphorus effects on drought stress-induced modification of cell wall properties, kentucky bluegrass was exposed to drought stress by reducing of water supply. Two types of phosphorus were applied as potassium phosphate (PO43-; P) or potassium phosphonate (PO33- ; PA) in drought-stressed plants. Lignin content was significantly increased with a concomitant with the increase of polyphenol oxidase (PPO) and phenylalanine ammonia-lyase (PAL) under drought stressed plants, while it was much less increased by P or PA application compared to control. Soluble sugar content was highly increased by drought stress, while its concentration in P or PA applied plants was similar to control. Fructan content was largely decreased by drought stress, while it was increased or maintained by P or PA application, respectively, compared to control. These results indicate that phosphorus application enhanced drought stress tolerance by alleviating lignification and promoting of photosynthesis.
The objective of this study was to investigate physiological responses to abiotic stress or biotic stress and possible approach for improving stress in turfgrasses. Cool-season and warm-season grasses were exposed to drought, salt or pathogen-infection stresses in a greenhouse or field condition, and the physiological responses to the exposed stresses were characterized. In addition, the significance of mineral nutrition in stress tolerance was discussed. In PART I, drought- or pathogen infection-induced physiological responses were investigated in cool-season and warm season grasses. In chapter I-1, the kinetics of the antioxidant enzymes and pathogenesis-related (PR) proteins induced by drought stress were determined in perennial ryegrass (Lolium perenne L.). The plants were imposed to drought stress by decreasing the daily irrigation for 15 days. Soil water content and chlorophyll content was largely decreased by drought stress. Root biomass was strongly affected by drought stress but not in shoot. Drought stress increased content of hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA) which is an indicator of lipid peroxidation. Activity of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD) enhanced in drought-stressed plants. Its tendency was more pronounced in the shoot than in roots. The β-1,3-glucanase activity in both root and shoot was gradually increased until 12 days of drought stress treatment. Chitinase activity in shoot was rapidly increased for 6 days and then maintained, while its activity in root continued to increase throughout the experimental period. These results indicate that oxidative stress induced by drought stress was efficiently reduced by antioxidant enzymes and PR-proteins. The positive effects were higher in shoot than in roots. In chapter I-2, to assess the influence of drought stress on photosynthetic organs in kentucky bluegrass (Poapratensis L.), plants were exposed to drought stress for 2 months under field condition. Shoot biomass was not significantly affected but chlorophyll content was remarkably decreased by drought stress. The proteomic analysis of multi-protein complexes in the thylakoid by BN-PAGE showed that the expression of PSI-LHCII, PSI and PSII dimer, PSII monomer and Cyt b6f were repressed under drought stressed condition. The transcription level of Calvin cycle genes, Rubisco large subunit (RLS), Rubisco small subunit (RSS), Rubisco activase (RCA) and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), decreased strongly in drought stressed plants compared to control. The protein profiles after SDS-PAGE clearly revealed that drought stress leads to the degradation of Rubisco proteins, as evidenced by the decreased intensity of the bands corresponding to the RLS. Drought stress-induced accumulation of soluble sugars was coincidence with decrease of fructan concentration. These results suggest that drought stress decreased photosynthetic capacity leading to inhibition of energy transport in thylakoid membrane and accumulation of soluble sugars and reduction of fructan. In chapter I-3, oxidative stress induction and the response of antioxidative enzymes were investigated in a warm-season turf grass, zoysiagrass, infected to large patch pathogen. The sampling for leaves and roots were carried out every 2 days for a period of 6 days. Dry mass was not significantly affected by pathogen-infection until day 4 but significant decreases in both leaves (-14%) and root (-20%) were observed at day 6. The H2O2 concentration in pathogen-infected leaves rapidly increased within the first 2 days (+28%) and the slightly decreased. The increase of H2O2 in pathogen-infected roots was distinct, showing 1.7-fold higher level than control at day 6. The extent of lipid peroxidation caused by pathogen-infection continuously increased for the first 4 days. This was then stagnated until day 6. In roots, the significant increase of lipid peroxidation was observed only at day 2. The SOD activity was not significantly affected by pathogen-infection until day 2, but significant increase of both leaves (+48%) and roots (+49%) were observed at day 6 compared with control. The CAT activity was remarkably increased by +25% in leaves and +101% in roots within the first 2 days and them rapidly decreased. The POD activity in pathogen-infected leaves was significantly increased by 74% at day 6. The increase of POD activity in pathogen-infected roots was 2-fold higher than that of the control at day 6. These results indicate that large patch-infection induces oxidative stress, and that the oxidative stress responsive pattern was plant organ specific and that SOD-CAT-POD antioxidant system of zoysiagrass was effectively operated. In chapter I-4, to characterize the response of protein synthesis to the stress induced by pathogen (large patch) infection, ammonia and proline accumulation was compared between pathogen-infection and healthy (control) zoysiagrass during 6 days after treatment. Pathogen-infection increased root mortality by 30% compared to control. Soluble protein was not significantly affected by pathogen-infection except in the leaf at day 6. Ammonia concentration also significantly increased in both leaves and roots of pathogen-infected plants. Proline concentration in leaves and roots increased to 3.4- and 4.5-fold, respectively, compared to those of control at day 6. These results suggest that proline accumulation may be a sensitive biochemical indicator representing the stress intensity caused by pathogen infection in zoysiagrass.
In PART II, the physiological significance of mineral nutrition (especially sulfur and phosphorus) in stress tolerance was addressed. In chapter II-1, to investigate physiological significance of sulfur (S) in salt stress, change of the responses carbohydrates and plant hormones by salt-stress in kentucky bluegrass (Poa pratensis L.) were carried out. The responses were examined four S-nutrition and/or salt-stress combined treatments: S-sufficient (+S/non-salt, control), presence of S with salt-stress (+S/salt), S-deprivation without salt-stress (-S/non-salt) and S-deprived and salt-stress (-S/salt). Salt-stress induced soluble carbohydrates such like sucrose, glucose and fructose and reduced insoluble carbohydrate such like starch. The soluble carbohydrates were not significantly changed by S nutrition, but starch was significantly higher in presence of S nutrition. The activity of carbohydrate enzymes, which sucrose phosphate synthase (SPS) and sucrose synthase (SS), was induced during experiment period. Salt-stress increased SPS and SS in absence of S nutrition, whereas the activity was significantly decreased by S nutrition supply. Salt-stress alternated levels of plant hormones such as abscisic acid (ABA), gibberellic acid (GA), indole acetic acid (IAA), jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA) and zeatin. The changes of plant hormones were alleviated by S nutrition. S application mitigated increase of stress phytohormones such as ABA, SA and JA and promoted increase of plant growth phytohormones such as IAA and GA. These results indicate that S nutrition is involved in regulation of salt stress-induced negative effects by maintaining of carbohydrate metabolism or modulating phytohormones biosynthesis. In chapter II-2, to determine phosphorus effects on drought stress-induced oxidative stress, kentucky bluegrass was exposed to drought stress by reducing of water supply. Two types of phosphorus were applied as potassium phosphate (PO43-; P) or potassium phosphonate (PO33-; PA) in drought-stressed plants. Application of phosphorus was efficient to ameliorate the adverse effects of drought. Shoot and root growth were negatively affected by drought stress, whereas application of P or PA improved their growth. Osmotic potential, relative water content, total chlorophyll and carotenoid content were significantly decreased by drought stress, but was relieved by P or PA application. Superoxide (O2•−) concentration was significantly increased more than 14-fold under drought-stressed plants, was accompanied with increase of hydrogen peroxide (H2O2) and lipid peroxidation (MDA). However, accumulation of O2•−, H2O2 and MDA was much less in P or PA applied plants under drought stress condition. Activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APOD) and guaiacol-peroxidase (GPOD) were largely increased by drought stress and its increase rate was much higher in P or PA applied plants except APOD. These results indicate that drought stress induced oxidative stress alleviated by P or PA application due to increase of antioxidant enzymes activities. In chapter II-3, to determine phosphorus effects on drought stress-induced modification of cell wall properties, kentucky bluegrass was exposed to drought stress by reducing of water supply. Two types of phosphorus were applied as potassium phosphate (PO43-; P) or potassium phosphonate (PO33- ; PA) in drought-stressed plants. Lignin content was significantly increased with a concomitant with the increase of polyphenol oxidase (PPO) and phenylalanine ammonia-lyase (PAL) under drought stressed plants, while it was much less increased by P or PA application compared to control. Soluble sugar content was highly increased by drought stress, while its concentration in P or PA applied plants was similar to control. Fructan content was largely decreased by drought stress, while it was increased or maintained by P or PA application, respectively, compared to control. These results indicate that phosphorus application enhanced drought stress tolerance by alleviating lignification and promoting of photosynthesis.
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