Physiological mechanisms and growth responses of sweet potato subjected to salinity

Abstract

For the development of salt-tolerant sweet potato varieties, either through breeding or biotechnology, an appropriate salinity screening tool is necessary for the identification of tolerant or sensitive genotype. Our overall objectives for this study were to develop a suitable, reliable and rapid salinity screening tool in view of salt tolerance mechanism in sweet potato under salinity. To better understand the tolerance mechanisms; leaf level ion uptake and distribution patterns by transpirational water loss and leaf level ROS scavenging antioxidant enzyme activities were evaluated under salinity. Additionally, different ion extraction methods were tested which will contribute to the development of reliable salinity screening tool in sweet potato genotypes. All the experiments were conducted in the greenhouse and VPD (vapor pressure deficit) chambers of the Hans-Rutenberg Institute of Tropical Agricultural Sciences, University of Hohenheim, Germany, in a hydroponic system. Twelve genotypes of sweet potato were collected from Bangladesh Agricultural Research Institute (BARI) and used to evaluate salt thresholds with salt tolerance mechanisms for a wide range of salinity levels (0, 50, 100, and 150 mM NaCl). First, genotypic thresholds were determined for 12 sweet potato genotypes exposed to salinity, whereupon it was found that 75 mM root zone salinity (NaCl) was the threshold for sweet potato. The genotypic threshold was estimated from the dry matter accumulation that began to decrease under the influence of salinity. It was found that genotypic thresholds were negatively linearly correlated with the difference between tissue K content at 75 mM NaCl and tissue K content at controlled salinity in the root zone. This information is very important for identifying the salt tolerant and sensitive genotype of sweet potato. Second, the uptake and distribution of Na, K, and Cl ions by transpiration, across different-aged leaves, were studied to better understand the mechanisms of salt tolerance in sweet potato. Two different sweet potato genotypes were subjected to salt stress of 0 and 50 mM NaCl in artificially dry (VPD 2.27 kPa) and humid (VPD 0.76 kPa) chambers. We found that cumulative water loss per unit leaf area was twice as high at a VPD of 2.27 kPa, but Na uptake remained the same. No relationship was observed between water loss from individual leaves and Na or Cl uptake. About 30% more Na was distributed in the petioles of salt tolerant genotype compared to leaf blades, while the opposite was observed in salt sensitive sweet potato genotype and VPD had no effect on Na distribution. Third, the activities of ROS scavenging antioxidant enzymes were evaluated with respect to different leaf age, in two different genotypes of sweet potato under 100 mM salinity. In general, antioxidant enzymes in sweet potato do not respond to salt stress but are altered by the effects of leaf position, leaf age, duration of stress, and genotype. No effect of Na on antioxidant enzyme activities was found under salt stress in sweet potato leaves. However, the significant positive correlation between K concentration and the level of SOD (super oxide dismutase) in older leaves suggests that SOD contributes to the maintenance of a high K concentration to protect photosynthetic activity. In summary, this study shows that sweet potato responds differently to salinity depending on the genotype, and that the threshold beyond which yield decreases is 75 mM NaCl. Genotypic threshold strongly linked to high tissue K content under increasing salinity that suggests a salt tolerance mechanisms in sweet potato. Salt-tolerant sweet potatoes distribute significant amounts of Na and K in their petioles. Young leaves of the tolerant genotype contain more K under salt stress. GR and positive relationship between K concentration and SOD in salt tolerant genotypes indicate some tolerance mechanisms. So, a screening tool is proposed for sweet potato based on the genotypic ability to maintain high tissue K levels under increasing salinity level.

Für die Entwicklung salztoleranter Süßkartoffelsorten, sei es durch Züchtung oder Biotechnologie, ist ein geeignetes Salzgehalt-Screening-Instrument erforderlich, um tolerante oder empfindliche Genotypen zu identifizieren. Unsere übergeordneten Ziele für diese Studie waren die Entwicklung eines geeigneten, zuverlässigen und schnellen Screening-Tools für die Salztoleranz von Süßkartoffeln unter Salinität. Um die Toleranzmechanismen besser zu verstehen, wurden die Ionenaufnahme und die Verteilungsmuster auf Blattebene durch den transpiratorischen Wasserverlust sowie die Aktivitäten der antioxidativen ROS-Fängerenzyme auf Blattebene unter Salzbelastung bewertet. Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden zur Ionenextraktion getestet, die zur Entwicklung eines zuverlässigen Screening-Tools für den Salzgehalt von Süßkartoffel-Genotypen beitragen werden. Alle Versuche wurden im Gewächshaus und in VPD-Kammern (Vapor Pressure Deficit) des Hans-Rutenberg-Instituts für Tropische Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim in einem Hydrokultursystem durchgeführt. Zwölf Genotypen von Süßkartoffeln wurden vom Bangladesh Agricultural Research Institute (BARI) gesammelt und zur Bewertung von Salzschwellenwerten mit Salztoleranzmechanismen für eine breite Palette von Salzgehalten (0, 50, 100 und 150 mM NaCl) verwendet. Zunächst wurden die genotypischen Schwellenwerte für 12 Süßkartoffelgenotypen bestimmt, die dem Salzgehalt ausgesetzt waren, wobei sich herausstellte, dass 75 mM Wurzelzonensalzgehalt (NaCl) der Schwellenwert für Süßkartoffeln war. Der genotypische Schwellenwert wurde anhand der Trockenmasseakkumulation geschätzt, die unter dem Einfluss der Versalzung zu sinken begann. Es wurde festgestellt, dass die genotypischen Schwellenwerte negativ linear mit der Differenz zwischen dem Gewebe-K-Gehalt bei 75 mM NaCl und dem Gewebe-K-Gehalt bei kontrolliertem Salzgehalt in der Wurzelzone korreliert waren. Diese Information ist sehr wichtig für die Identifizierung des salztoleranten und -empfindlichen Genotyps der Süßkartoffel. Zweitens wurde die Aufnahme und Verteilung von Na-, K- und Cl-Ionen durch Transpiration über Blätter unterschiedlichen Alters untersucht, um die Mechanismen der Salztoleranz bei Süßkartoffeln besser zu verstehen. Zwei verschiedene Süßkartoffel-Genotypen wurden in künstlich trockenen (VPD 2,27 kPa) und feuchten (VPD 0,76 kPa) Kammern einer Salzbelastung von 0 und 50 mM NaCl ausgesetzt. Wir stellten fest, dass der kumulative Wasserverlust pro Blattflächeneinheit bei einem VPD von 2,27 kPa doppelt so hoch war, die Na-Aufnahme jedoch gleich blieb. Es wurde kein Zusammenhang zwischen dem Wasserverlust einzelner Blätter und der Na- oder Cl-Aufnahme festgestellt. Etwa 30 % mehr Na wurde in den Blattstielen des salztoleranten Genotyps im Vergleich zu den Blattspreiten verteilt, während beim salzempfindlichen Süßkartoffel-Genotyp das Gegenteil beobachtet wurde und die VPD keinen Einfluss auf die Na-Verteilung hatte. Drittens wurden die Aktivitäten der ROS-fangenden antioxidativen Enzyme bei zwei verschiedenen Genotypen von Süßkartoffeln unter 100 mM Salzgehalt in Abhängigkeit vom Blattalter bewertet. Im Allgemeinen reagieren die antioxidativen Enzyme der Süßkartoffel nicht auf Salzstress, sondern werden durch die Auswirkungen der Blattposition, des Blattalters, der Dauer des Stresses und des Genotyps verändert. Bei Süßkartoffelblättern wurde unter Salzstress keine Auswirkung von Na auf die Aktivitäten antioxidativer Enzyme festgestellt. Die signifikante positive Korrelation zwischen der K-Konzentration und dem Gehalt an SOD (Superoxiddismutase) in älteren Blättern deutet jedoch darauf hin, dass SOD zur Aufrechterhaltung einer hohen K-Konzentration zum Schutz der photosynthetischen Aktivität beiträgt. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass die Süßkartoffel je nach Genotyp unterschiedlich auf den Salzgehalt reagiert und dass der Schwellenwert, ab dem der Ertrag sinkt, bei 75 mM NaCl liegt. Der genotypische Schwellenwert steht in engem Zusammenhang mit einem hohen K-Gehalt im Gewebe bei zunehmendem Salzgehalt, was auf einen Salztoleranzmechanismus bei Süßkartoffeln schließen lässt. Salztolerante Süßkartoffeln verteilen erhebliche Mengen an Na und K in ihren Blattstielen. Junge Blätter des toleranten Genotyps enthalten unter Salzstress mehr K. GR und die positive Beziehung zwischen der K-Konzentration und der SOD in salztoleranten Genotypen deuten auf einige Toleranzmechanismen hin. Es wird also ein Screening-Instrument für Süßkartoffeln vorgeschlagen, das auf der Fähigkeit des Genotyps beruht, einen hohen K-Gehalt im Gewebe bei steigendem Salzgehalt aufrechtzuerhalten.