بیوپرایمینگ تریکودرما: روشی کارآمد در تغییر معماری و گسترش سیستم ریشه برنج

مقدمه و هدف: کم‌آبی و تنش خشکی از مهم‌ترین عوامل محدودکننده تولید گیاهان زراعی در مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان به‌شمار می‌آیند. تغییرات اقلیمی، از جمله کاهش منابع آب و افزایش دما، می‌توانند تاثیرات قابل توجهی بر کشاورزی و به‌ویژه بر تولید و کیفیت دانه‌های غلات بگذارند. در ایران، به‌ویژه با توجه به شرایط اقلیمی خاص و نیاز بالای آب گیاه برنج، موضوع تنش خشکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است .برای مقابله با تنش خشکی و افزایش مقاومت برنج، روش‌های مختلفی پیشنهاد شده اند که یکی از موثرترین آن‌ها بیوپرایمینگ بذر است. بیوپرایمینگ به فرایند پیش‌تیمار بذر با استفاده از میکروارگانیسم‌ها یا ترکیبات زیستی اشاره دارد که به‎منظور بهبود جوانه‌زنی و رشد اولیه گیاهان انجام می‌شود. این روش به‎دلیل تاثیرات مثبت آن بر افزایش تولید محصول، بهبود حاصل‌خیزی پایدار خاک و افزایش مقاومت گیاه به شرایط نامساعد، اهمیت زیادی دارد. در این تحقیق، فرمولاسیون‌های پروبیوتیک تریکودرما برای بیوپرایمینگ بذر برنج مورد استفاده قرار گرفت. تریکودرما، به‎عنوان یک میکروارگانیسم با خواص محرک رشد و زیست‌مهارگری، می‌تواند به بهبود معماری ریشه و توسعه سیستم ریشه کمک کند. هدف این مطالعه، افزایش توانمندی گیاه برنج در دسترسی به آب و بهبود مقاومت به تنش‌های محیطی مانند خشکی و کم‌آبی است. بیوپرایمینگ بذر به‌ویژه از طریق افزایش قدرت جوانه‌زنی، تقویت رشد ریشه، و بهبود توانایی گیاه در جذب آب و مواد غذایی، به کاهش اثرات منفی تنش خشکی کمک می‌کند. در نتیجه، استفاده از فرمولاسیون‌های پروبیوتیک تریکودرما می‌تواند به بهبود عملکرد برنج در شرایط تنش و افزایش بهره‌وری تولید کمک کند.مواد و روش‌ها: برای بررسی تاثیر بیوپرایمینگ بذر با استفاده از قارچ‌های trichoderma بر بهبود سیستم ریشه و صفات مورفولوژیکی رقم هاشمی برنج (l.oryza sativa )، آزمایش‌هایی در شرایط آزمایشگاهی و گلخانه‌ای طراحی و اجرا شدند. در مرحله اول، تیمارهای بیوپرایمینگ بر روی بذرهای پوشش‌دار و بدون پوشش در شرایط آزمایشگاهی اعمال شدند. تاثیر این تیمارها بر بذرهای بدون پوشش از طریق کشت متقابل تایید گردید. سپس، آزمایش بیوپرایمینگ با 60 جدایه قارچ trichoderma به‌صورت فاکتوریل و در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با 15 تکرار، بر روی بذرهای پوشش‌دار انجام شد. فاکتورهای آزمایشی شامل بیوپرایمینگ بذر برنج با 10 تیمار منتخب از جدایه‌های trichoderma در دو سطح کاربرد و عدم کاربرد قارچ بودند. بهترین تیمارهای حاصل از مرحله آزمایشگاهی، به‌طور جداگانه و در ترکیب با یکدیگر از نظر توانایی تحریک رشد ریشه و تاثیر بر صفات مورفولوژیکی در شرایط گلخانه‌ای بررسی شدند. شرایط کشت در گلخانه به‌گونه‌ای طراحی شد که شبیه‌سازی دقیقی از شرایط مزرعه‌ای را فراهم آورد. بذور تیمار شده در آزمایشگاه جوانه زدند و گیاهان به سینی‌های نشا در گلخانه منتقل شدند. سپس گیاهان به گلدان‌ها منتقل شدند و در فواصل زمانی یک‌ماهه، داده‌برداری از صفات مورفولوژیکی و افزودن مایه تلقیح به گلدان‌ها انجام شد. پس از ورود گیاهان به فاز زایشی، داده‌برداری از سطح ریشه، طول و تعداد ریشه‌ها صورت گرفت.یافته‌ها: تحلیل جوانه‌زنی بذر برنج در مراحل اولیه رشد نشان داد که تیمارهای  m4، (m9+m74+gl89)، و (m9+g131+m4+gl89) موجب 100 درصد جوانه‌زنی بذرها شدند. تحلیل آماری داده‌ها نشان داد که درصد جوانه‌زنی در نمونه‌های تیمارشده به‌طور معنی‌داری بالاتر از نمونه‌های شاهد بود و در شرایط گلخانه‌ای نیز تمامی تیمارها درصد جوانه‌زنی بیشتری را نسبت به شاهد نشان دادند. تحلیل heat map، تجزیه و تحلیل واریانس و مقایسه میانگین‌ها نشان دادند که استفاده از trichoderma به‌طور معنی‎داری (68 درصد) تعداد پنجه‌ها، طول و تعداد ریشه‌ها را نسبت به تیمار شاهد افزایش داد. به‌ویژه، تیمار m75 با تولید 50 ریشه، در مقایسه با شاهد که 23 ریشه داشت، بیشترین تاثیر را در افزایش تعداد ریشه‌ها نشان داد. همچنین، تیمار khb2 با طول ریشه 35/5 سانتی‌متر، بیشترین طول ریشه و تیمار gl89 با تعداد 2/14 پنجه، بیشترین تعداد پنجه را تولید کردند. علاوه بر این، تیمار m75 با طول ساقه 82/5 سانتی‌متر، بیشترین رشد طولی را ثبت نمود. این نتایج نشان می‌دهند که بیوپرایمینگ بذر برنج با trichoderma به‌طور موثری می‌تواند ویژگی‌های گیاهچه‌ای، سیستم ریشه‌ای و مراحل فنولوژیکی رشد گیاه را بهبود بخشد. تحلیل‌های سه‌بعدی ریشه با استفاده از نرم‌افزار image j و نقشه‌های حرارتی (heat map) برتری تیمارهای khb2 و gl89 را در تمامی ارزیابی‌های مورفولوژیکی تایید کرد. این تحلیل‌ها به‌طور جامع مورفولوژی سطح ریشه تیمارهای ممتاز را با استفاده از نمودارهای سه‌بعدی و مقیاس z به تصویر کشیدند. نتایج نمودار سه‌بعدی نشان دادند که درصد سطح ریشه‌ها در تیمارهای ممتاز gl89 و khb2 به‌طور معنی‎داری بالاتر از تیمار شاهد بود. سطح ریشه برای تیمار khb2 سه برابر و برای تیمار gl89 یک و نیم برابر شاهد افزایش یافت. این افزایش‌ها به‌وضوح نشان‌دهنده ارتقاء معنی دار سطح مقطع ریشه‌ها در تیمارهای پروبیوتیک نسبت به تیمار شاهد است. این یافته‌ها با داده‌های مقایسه میانگین‌ها و نقشه‌های حرارتی هم‌خوانی دارند و تاثیر مثبت تیمارهای پروبیوتیک بر گسترش سطح ریشه را تایید می‌کنند.علاوه بر این، بررسی خواص زیست‌مهارگری 10 جدایه منتخب trichoderma نشان داد که این جدایه‌ها به‌طور معنی‌داری درصد رشد طولی و جوانه‌زنی اسپورهای 15 قارچ پاتوژن را نسبت به شاهد کاهش دادند. در میان این جدایه‌ها، khb2  و gl89 با کاهش‌های 100% و %93 نسبت به شاهد، به‌عنوان بهترین عملکردها شناسایی شدند.نتیجه گیری: آنالیز نهایی یافته‌ها نشان داد که استفاده از سویه‌های ممتاز قارچ تریکودرما، khb2 وgl89، که دارای خواص زیست‌مهارگری و تحریک رشد بسیار خوب هستند، بیشترین تاثیر را بر افزایش طول و تعداد ریشه‌ها در گیاه برنج داشت. بنابراین، کاربرد فرمولاسیون‌های پروبیوتیک این سویه‌های منتخب می‌تواند به‌عنوان یک گزینه موثر برای معرفی به شالی‌کاران و استفاده در مزارع توصیه شود.

biopriming with trichoderma: an effective method for modifying root architecture and expanding the root system of rice

extended abstractbackground: water scarcity and drought stress are major constraints on crop production in arid and semi-arid regions worldwide. climate change, including reduced water resources and rising temperatures, can significantly impact agriculture, particularly affecting the production and quality of cereal grains. in iran, the issue of drought stress is especially critical due to the specific climatic conditions and the high water requirements of rice. various methods have been proposed to address drought stress and improve rice resilience, with seed bio-priming being one of the most effective techniques. bio-priming involves pre-treating seeds with microorganisms or biological agents to enhance germination and early plant growth. this technique is valuable due to its positive effects on increasing crop yield, improving soil fertility sustainably, and boosting plant resistance to adverse conditions. in this study, probiotic formulations of trichoderma were utilized for bio-priming rice seeds. trichoderma, known for its growth-promoting and biocontrol properties, can enhance root architecture and root system development. this research aims to improve rice plants’ ability to access water and enhance their resilience to environmental stresses, such as drought and water scarcity. seed bio-priming, particularly through boosting germination rates, strengthening root growth, and improving the plant’s capacity to absorb water and nutrients, helps mitigate the adverse effects of drought stress. therefore, employing probiotic trichoderma formulations can improve rice performance under stress conditions and enhance overall production efficiency.methods: to assess the impact of seed bio-priming using trichoderma fungi on improving the root system and morphological traits of the hashemi rice cultivar (oryza sativa l.), experiments were designed and carried out under both laboratory and greenhouse conditions. in the initial phase, bio-priming treatments were applied to both coated and uncoated seeds in the laboratory. the effectiveness of these treatments on uncoated seeds was validated through preliminary testing. following this, bio-priming experiments with 60 trichoderma isolates were conducted in a factorial design based on a randomized complete block design (rcbd) with 15 replications, using coated seeds. the experimental factors included bio-priming rice seeds with 10 selected trichoderma isolates, applied at two levels: with and without the fungi. the most effective treatments from the laboratory phase were then evaluated separately and in combination for their ability to stimulate root growth and impact morphological traits in greenhouse conditions. the greenhouse cultivation setup was designed to accurately replicate field conditions. seeds treated in the laboratory were allowed to germinate and then transferred to seedling trays in the greenhouse. subsequently, the seedlings were moved to pots, and data on morphological traits were collected at one-month intervals, including inoculation of the pots. measurements of root surface area, root length, and number of roots were recorded once the plants reached the reproductive stage.results: analysis of rice seed germination during the early growth stages revealed that treatments m4, (m9+m74+gl89), and (m9+g131+m4+gl89) resulted in 100% seed germination. statistical analysis indicated that the germination percentage in treated samples was significantly higher than in control samples, with all treatments showing greater germination rates than the control under greenhouse conditions. heat map analysis, variance analysis, and mean comparisons demonstrated that the use of trichoderma significantly (68%) increased the number of tillers, root length, and root number compared to the control treatment. specifically, the m75 treatment, with 50 roots compared to 23 in the control, had the most significant effect on root number increase. additionally, the khb2 treatment produced the longest roots at 35.5 cm, and the gl89 treatment yielded the highest number of tillers at 2.14. furthermore, the m75 treatment achieved the greatest stem length of 82.5 cm. these results indicate that seed biopriming with trichoderma can effectively enhance seedling characteristics, root systems, and phenological growth stages of rice plants. three-dimensional root interaction analyses using image j software and heat map analysis confirmed the superiority of the khb2 and gl89 treatments in all morphological assessments. these analyses provided a comprehensive view of the root morphology of the superior treatments through three-dimensional charts and z-scores. the three-dimensional charts revealed that the root surface area in the superior treatments gl89 and khb2 was significantly greater than in the control treatment. the root surface area for khb2 was three times greater, and for gl89, it was 1.5 times greater than that of the control. these increases clearly indicate a significant enhancement in the root cross-sectional area in the probiotic treatments compared to the control. these findings are consistent with mean comparison data and heat map results, confirming the positive impact of probiotic treatments on root surface expansion. furthermore, an assessment of the biocontrol properties of 10 selected trichoderma isolates showed that these isolates significantly reduced the longitudinal growth and spore germination of 15 pathogenic fungi compared to the control. among these isolates, khb2 and gl89 were identified as having the best performance with reductions of 100% and 93%, respectively, compared to the control.conclusion: the final analysis of the findings revealed that the use of the superior trichoderma strains, khb2 and gl89, which possess excellent biocontrol and growth-promoting properties, had the greatest impact on increasing root length and number in rice plants. therefore, the application of these selected probiotic formulations can be recommended as an effective option for introduction to rice growers and use in fields.