Document

The Identification and role of native arbuscular mycorrhizal fungi to improve salt and drought tolerance of cucumber.

Source
Doctoral dissertation
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Doctoral dissertation
English abstract
For decades, conventional farming has played a vital role in producing food and reducing starvation in developed and developing countries. However, its negative impacts on human health, animals, plants, and the environment, especially soil, are becoming increasingly evident. Climate change is also exacerbating these impacts, including drought and soil salinity. Organic farming, on the other hand, seeks to address and mitigate these issues through various practices, particularly by maintaining the biodiversity of soil microorganisms and the addition of beneficial microorganisms such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in crop production. AMF are ubiquitous in the plant kingdom, with more than 80% of terrestrial plants forming symbiotic relationships with them. Known benefits include providing nutrition and protecting against biotic and abiotic stresses for the host plant. This research investigated the impact of conventional and organic farming practices on AMF biodiversity in both systems and isolated some quick-colonizing AMF species to test their effects on cucumber plants under salinity and drought stress. The overall research was divided into three parts: the first part’s objective was to investigate the impact of organic and conventional farming systems on the diversity of AMF in the rhizosphere soils of mango, citrus and cucumber. The objective of second part was to evaluate and compare the efficacy of native inoculation, obtained through a quick colonizing method, and a commercially available AMF product in enhancing the physiological responses of two cucumber varieties ‘Diva’ and ‘Safaa’ under four salinity stress conditions. The third study’s objective was to investigate the potential of enhancing drought tolerance in cucumber plants through a combination of a native quick root colonizer AMF, a commercial AMF, and potassium silicate (PS). The first study investigated the impact of organic and conventional farming practices on AMF diversity in the rhizosphere soils of mango, citrus, and cucumber from 16 sites. Spore morphological analysis and internal transcribed spacers (ITS) RNA analysis were employed for AMF identification. Additionally, some AMF species were isolated by using the quick colonizer method, and they were identified morphology and molecular techniques by using AMF primers. Spore morphological analysis identified 9 families, 20 genera, and 36 species, with higher diversity observed in samples from organic farming. ITS sequencing analysis detected 6 families and 12 genera, and, once again, greater diversity in terms of taxa and the Shannon H index was observed in organic farming samples. The families Diversisporaceae and Glomeraceae were found to be the most abundant across all treatments. A higher mycorrhizal inoculum potential for cucumber was observed in organic soils, and higher root colonization percentages were recorded for citrus in organic soils. Furthermore, two AMF species, Rhizoglomus intraradices and Septoglomus viscosum, were identified as quick colonizers with potential for cucumber production in Oman. These results contribute to the understanding of AMF diversity in different farming systems and support the development of sustainable agriculture in semi-arid and arid region. The second study compared the effects of native inoculation obtained through the quick colonizing method, a commercial AMF product, and control treatments on plant physiological response of two cucumber varieties; ‘Diva’ and ‘Safaa’. Salinity stress was induced by irrigating with saline water at various levels (0.64 dS m-1 as control, 2, 4, and 6 dS m-1 ). The mycorrhizae treatments included native AMF quick root colonizer and a commercial inoculum containing 5 species of Glomeraceae, Glomerales. The study found that salinity stress led to a significant reduction in plant growth, disrupted ion homeostasis (K/Na ratio), decreased mycorrhizal root colonization percentage, and increased levels of proline, chlorophyll content (SPAD), leaf chlorophyll fluorescence, Na concentration in leaves, and malondialdehyde (MDA) content. The two AMF inoculants improved plant growth, including plant height, biomass, potassium (K), and phosphorus (P) uptake. They also enhanced the K/Na ratio and optimized nutrient availability under saline conditions. AMF inoculation resulted in improved SPAD and photosynthetic efficiency, increased proline accumulation, and enhanced catalase activity. Notably, native AMF exhibited higher root colonization percentages compared to the commercial AMF product. These findings underscore the complex interplay between plant and fungal genotypes in regulating salinity tolerance. The study suggests that the use of native AMF species, better suited to the region's soil and climate, can partially benefit cucumber plants under salinity stress, offering potential integration into sustainable farming practices to improve vegetable production in high-salinity conditions. The third investigated the impact of combined AMF and potassium silicate on drought tolerance in cucumber plants in a greenhouse experiment. Cucumber plants were grown under two watering regimes: drought-stressed 60% water holding capacity (WHC)and unstressed 80%WHC, and three mycorrhizal inoculation treatments (control, native AMF: quick root colonizer species, and commercial AMF) with or without potassium silicate application. Drought stress significantly reduced plant height, biomass, and photosystem II efficiency, while it increased the content of leaf glycine betaine and catalase activity. Generally, AMF inoculation significantly improved plant growth, SPAD, photosystem II efficiency, concentration of proline, glycine betaine, and catalase activity, and the native species exhibited comparable effects to commercial species for most variables studied. Contrary to our expectations, PS application alone did not improve plant growth, except for increased photosystem II efficiency, but root fresh and dry weights were reduced. Under drought stress, combination of PS and AMF significantly improved plant height, shoot fresh weight, chlorophyll content (SPAD), glycine betaine, and catalase activity compared to PS alone. Our results highlight that the combined application of PS and AMF inoculants can protect cucumber seedlings from drought stress; however, further research is needed to optimize the PS application method and dosage and to investigate the long-term effects on plant growth and yield under field conditions.
Arabic abstract
على مدى عقود من الزمن، لعبت الزراعة التقليدية دوراً حيوياً في إنتاج الغذاء والقضاء على المجاعة في البلدان المتقدمة والنامية. ومما لا شك فيه أن آثارها السلبية على صحة الانسان والحيوان والنبات والبيئة، خاصة التربة، أصبحت واضحة بشكل متزايد. ويؤدي تغير المناخ أيضا إلى تفاقم هذه الاثار، وذلك من خلال الجفاف وملوحة التربة. من ناحية أخرى تسعى الزراعة العضوية إلى معالجة هذه المشكالت والتخفيف منها من خلال ممارسات زراعية مختلفة، لا سيما في الحفاظ على الكائنات الحية الدقيقة في التربة ذات التنوع البيولوجي واستخدام الكائنات الحية الدقيقة المفيدة في إنتاج المحاصيل مثل فطريات الجذور المايكورايزا(AMF (. ينتشر هذ النوع من الفطريات بشكل كبير في التربة، فهي تكون عالقات تكافلية ألكثر من ٪80 مع النباتات حول العالم، فهي تعزز من امتصاص مغذيات التربة وتحمي من الاجهاد الحيوي وغير الحيوي للنبات المضيف. بحثت هذه الدراسة في تأثير ممارسات الزراعة العضوية والتقليدية على التنوع البيولوجي لفطريات المايكورايزا في كال النظامين و عزلت بعض أنواع AMF الختبار تأثيرها على نباتات الخيار تحت إجهاد الملوحة والجفاف. تم تقسيم الدراسة إلى ثالثة أجزاء: الجزء الاول يهدف إلى دراسة تأثير أنظمة الزراعة العضوية والتقليدية على تنوع AMF في ترب الجذور للمانجو والحمضيات والخيار، وكان الهدف من الجزء الثاني هو تقييم ومقارنة كفاءة كالً من التلقيح المحلي - الذي تم عزله من خلال طريقة استعمار الجذور السريعة - ومنتج AMF المتوفر تجاريًا في تعزيز الاستجابات الفسيولوجية لصنفين من الخيار Diva و Safaa تحت إجهاد ملوحة التربة بنسب مختلفة من الماء المالح والجزء الثالث هدف إلى دراسة إمكانية تعزيز تحمل الجفاف في نباتات الخيار من خلال استخدام مستعمر الجذور السريع المحليAMF والتجاري، وسيليكات البوتاسيوم(PS(. بحث الجزء الاول من هذه الدراسة في تأثير ممارسات الزراعة العضوية والتقليدية على تنوع AMF في تربة الجذور للمانجو والحمضيات والخيار في 16 موقع. تم استخدام التحليل المورفولوجي لألبواغ وتحليل RNA) ITS (لتحديد أنواع AMF . بالاضافة إلى ذلك، تم عزل بعض أنواع AMF بطريقة المستعمر السريع، وتم تحديد شكلها وجزيئيتها باستخدام بادئات المايكورايزا حيث تم الكشف عن نتائج مهمة فيما يتعلق بتنوع AMF في ممارسات الزراعة العضوية مقابل الممارسات الزراعية التقليدية في الدراسة. حدد التحليل المورفولوجي لألبواغ 9 عائالت، و20 جن ًسا، و36 نو ًعا، مع مالحظة تنوع أكبر في العينات المأخوذة من الزراعة العضوية. كشف تحليل تسلسل ITS عن 6 عائالت و12 جن ًسا، ولوحظ تنوع أكبر من حيث الاصناف مؤشر شانون للتنوع )index Shannon )في عينات الزراعة العضوية. تم مالحظات أن عائالت Diversisporaceae و Glomeraceae الاكثر وفرة في جميع المعامالت. ولوحظ وجود ارتفاع في احتمالية تلقيح المايكورايزا للخيار في التربة العضوية، كما تم تسجيل نسب أعلى الستعمار الجذور للحمضيات في التربة العضوية. عالوة على ذلك، تم تحديد نوعين محليين منAMF ، وهما Rhizoglomus intraradices وviscosum Septoglomus، كمستعمرين سريعين مع إمكانية استخدمها في إنتاج الخيار عمان. تساهم هذه النتائج في فهم تنوع AMF في أنظمة الزراعة المختلفة ودعم تنمية الزراعة المستدامة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة . XI قارن الجزء الثاني تأثيرات التلقيح المحلي الذي تم الحصول عليه من خلال طريقة الاستعمار السريع، ومنتج AMF التجاري على فسيولوجيا النبات لصنفين من الخيارDiva و .Safaaحيث تم إحداث إجهاد الملوحة عن طريق الري بالمياه المالحة بمستويات مختلفة )0.64 ديسي سيمنز/م كتحكم، ،2 ،4 و6 ديسي سيمنز/م(. تضمنت عالجات الفطريات الجذرية AMFكمستعمر الجذور السريعة للصنف المحلي به 3 أنواع محلية ولقا ًحا تجاريًا يحتوي على 5 أنواع. وجدت الدراسة أن الاجهاد الملحي أدى إلى انخفاض كبير في نمو النبات، واختالل التوازن الايوني (Na/K( وانخفاض نسبة استعمار جذور المايكورايزا، وزيادة مستويات البرولين، ومحتوى الكلوروفيل(SPAD (، وفلورة الكلوروفيل الورقية، وتركيز الصوديوم ومحتوى المالونديالدهيد (MDA (في أوراق النباتات. ومع ذلك، أدى تلقيح AMFإلى تحسين نمو النبات، بما في ذلك ارتفاع النبات والكتلة الحيوية وامتصاص البوتاسيوم والفوسفوركما أنها عززت نسبة البوتاسيوم إلى الصوديوم Na/K وتحسين توافر العناصر الغذائية في ظل الظروف المالحة. وأيضا أدى تلقيح AMF إلى تحسين SPAD وكفاءة التمثيل الضوئي، وزيادة تراكم البرولين، وتعزيز نشاط انزيم الكاتالز. بمنتج ً والجدير بالذكر أن الاصناف المحلية للمايكورايزا أظهرت نسبًا أعلى الستعمار الجذر مقارنة AMF التجاري. تؤكد هذه النتائج التفاعل المعقد بين الانماط الجينية النباتية والفطرية في تنظيم تحمل النبات للملوحة. وتشير الدراسة إلى أن استخدام أنواع AMF المحلية تعتبر الاكثر مالءمة لتربة المنطقة ومناخها، يمكن أن يفيد استخدام هذه الفطريات إلى حد ما في انتاج نباتات الخيار تحت إجهاد الملوحة، مما يوفر إمكانية التكامل في الممارسات الزراعية المستدامة لتحسين إنتاج الخضروات في ظروف الملوحة العالية. الجزء الاخير من الدراسة كان لدراسة تأثير الجمع بين AMF وسيليكات البوتاسيوم على تحمل الجفاف في نباتات الخيار. تم زراعة نباتات الخيار تحت نظامين للري: ٪60 من سعة الاحتفاظ بالماء WHC كعامل إجهاد الجفاف و٪80 WHC غير مجهد، وثالث معامالت تلقيح الفطريات الجذرية )التحكم، وAMF المحلي: سالالت مستعمرة سريعة للجذور، وAMF التجاري( مع أو بدون تطبيق سيليكات البوتاسيوم. قلل إجهاد الجاف بشكل كبير من اطوال النبات وكتلته البيولوجية وكفاءة نظام الضوئي PSII، بينما زاد من محتوى بيتائين الجاليسين في الاوراق ونشاط كاتالاز. بشكل عام، أدى تلقيح AMF إلى تحسين نمو النبات بشكل ملحوظ، وSPAD، وكفاءة نظام الضوئي PSII، وتركيز البرولين، وبيتاين الجليسين، ونشاط كاتالاز في أوراق النبات، وأظهرت الانواع المحلية تأثيرات مماثلة لألنواع التجارية بالنسبة لمعظم المتغيرات التي تم دراستها. على عكس توقعاتنا، لم يؤد تطبيق PS وحده إلى تحسين نمو النبات، باستثناء زيادة كفاءة نظام الضوئي PSII ، ولكن تم تقليل أوزان الجذور الطازجة والجافة. تحت إجهاد الجاف، أدى مزيج PS وAMF إلى تحسين ارتفاع النبات بشكل ملحوظ، ووزن الساق طازج، ومحتوى الكلوروفيل )SPAD بـ ً (، وبيتاين الجاليسين، ونشاط كاتالاز مقارنة PS وحده. تسلط نتائجنا الضوء على أن التطبيق المشترك لـ PS وAMF يمكن أن يحمي شتلات الخيار من الاجهاد الجاف؛ ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين طريقة تطبيق سيليكات البوتاسيوم وجرعته وللتحقق من آثارها طويلة المدى على نمو النبات وإنتاجه في ظروف الحقل.
Category
Theses and Dissertations