تقييم تراكيب المحاصيل الوراثية لتحمل الإجهاد الحراري
Evaluation of genotypes for heat stress tolerance
من البديهي أن تقييم المصادر الوراثية تحت ظروف الحقل الطبيعية يبدو من الصعوبة لعدم إمكانية التحكم في درجات الحرارة ونسبة الرطوبة بالإضافة إلى تداخل الفعل بين تأثيرات الحرارة ونقص محتوى رطوبة التربة المؤدى إلى حدوث الجفاف.
ويتطلب تقييم التراكيب الوراثية للحرارة العالية إجراء اختبارات التقييم تحت ظروف محكمة؛ في المعمل أو في غرف النمو أو البيوت المحمية. هذا إلى جانب عملية التقييم الحقلي باختيار مواعيد زراعة تواكب وصول النباتات عند المراحل الحرجة من النمو فترات من الإجهاد الحراري البيئي.
أولاً: التقييم المعملي Evaluation under laboratory conditions
ترتبط قدرة البذور على الإنبات والتطور تحت ظروف الإجهاد الحراري بقدرة النباتات البالغة على تحمل الحرارة العالية. حيث يمكن تقييم سلالات وأصناف المحاصيل معملياً بزراعتها في فوط ورقية في أطباق بترى وتقدير بعض المؤشرات السريعة مثل النسبة المئوية للإنبات ومعدلات نمو وقوة البادرات .. وغيرها، تحت ظروف إجهاد حراري صناعي. فعند تعريض بادرات تراكيب وراثية مختلفة من الذرة الشامية لدرجات حرارة مرتفعة 52 م و 54.5 م لمدة 6 ساعات في المعمل ارتبطت درجة الضرر لبادرات الذرة الشامية عند 54.5 م ، مع درجة احتراق الأوراق Leaf firing في النباتات المعرضة للإجهاد تحت الظروف الحقلية (1969 Kilen and Andrew) .
1- التقييم تحت ظروف غرف النمو Growth chambers
يجرى تقييم التراكيب الوراثية لأنواع المحاصيل بزراعتها تحت ظروف محكمة في غرف النمو. وقد أفادت في تقييم مجموعة من تراكيب القمح الوراثية للإجهاد الحراري المزمن (Chronic) وتأثير ذلك على نواتج التمثيل الغذائي (Yang et al., 2002 a). حيث تمت الزراعة في أصص 15×12 سم تحتوى على كميات متساوية من الطين والرمل والبيت موس بمعدل بادرة/ أصيص في تصميم قطاعات كاملة العشوائية في 3 مكررات في غرف النمو حتى الوصول إلى 10 أيام بعد الإخصاب على درجة حرارة 20 م نهاراً و 15 م ليلاً و 50 / 70 % رطوبة نسبية و 16 ساعة فترة ضوئية وإضاءة 420μ mol m-2 s-1 عند قمة الأوراق وكانت المعاملات كالتالي :
1 - المقارنة، 20 م نهاراً و 15 م ليلاً و 16 ساعة فترة ضوئية وإضاءة 420 μ mol m-2 s-1
2- 20 م نهاراً و 15 م ليلاً وإظلام مستمر.
3- 30 م نهاراً و 25 م ليلاً و 16 ساعة فترة ضوئية تحت شدة إضاءة 420 μ mol m-2 s-1 .
4- 30 م نهاراً و 25 م ليلاً وإظلام مستمر.
وعند وصول النباتات إلى مرحلة النضج الفسيولوجي (اصفرار القنابع) ، منع الري وأستكمل النضج على 30 م على مدى أسبوعين. وعند الحصاد تم تقدير وزن الحبوب ودليل الحساسية للحرارة Heat sensitivity index لتبيان مدى مساهمة مخزون الساق ونواتج التمثيل الضوئي في امتلاء الحبوب وقسمت التراكيب الوراثية طبقاً لـ (1999 ,Khanna - Chopra and Viswanathan) إلى :
1- عالية التحمل HSI ≤ 0.5
2- متوسطة التحمل HSI > 0.5 to ≤ 1
3- حساسة HSI > 1.0
وقد أستكمل Yang ومساعدوه (2002 a) الدراسة السابقة بتجربة أخرى على أفضل ستة تراكيب وراثية من القمح أظهرت تبايناً في دليل الحساسية للحرارة والمحصول عند 30 م نهاراً و 25 م ليلاً لدراسة تأثير الإجهاد الحرارى المزمن (Chronic) والصدمة الحرارية Heat shock في علاقتها بنواتج التمثيل. حيث تم تعريض أصناف القمح السنة عند 10 أيام بعد الإخصاب لأربعة معاملات كانت على النحو التالي :
1 - المقارنة: تعريض نباتات الأصناف لدرجة حرارة 20 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 15 م ليلاً (لمدة 8 ساعات) .
2- المعاملة الثانية : 30 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 25 م ليلاً لمدة 8 ساعات .
3- المعاملة الثالثة : 40 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 35 م ليلاً (لمدة 8 ساعات) على مدى 3 أيام يعقبها 20 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 15م ليلاً (لمدة 8 ساعات) حتى النضج.
4- المعاملة الرابعة : 40 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 35 م ليلاً (لمدة 8 ساعات) على مدى 3 أيام يعقبها 30 م نهاراً (لمدة 16 ساعة) و 25 م ليلاً (لمدة 8 ساعات) حتى النضج.
حيث مثلت هذه المعاملات ظروف الحرارة المثلى (المقارنة) ، ثم إجهاد حراري مزمن، وصدمة حرارية يعقبها حرارة مثلى وصدمة حرارية يعقبها إجهاد حرارى من Chronic على الترتيب.
وقد نفذت التجربة في تصميم قطاعات كاملة العشوائية في ثلاث مكررات وزرعت النباتات حتى النضج في غرف محكمة من حيث الإضاءة والرطوبة النسبية والري وأشارت النتائج إلى ما يلى :
1- وجود ارتباط موجب وعالي المعنوية (r = 0.848**) بين التجربتين عند المعاملة 30 م نهاراً و 25 ليلاً المتبوعة بالمعاملة 20 م نهاراً و 15 م ليلاً، في إشارة إلى تشابه تأثير الطريقتين على إنتاجية التراكيب الوراثية المدروسة.
2- انخفض استشعاع الكلورفيل بتأثير الصدمة الحرارية في الأصناف المدروسة، ولكن استعاد نسبته الطبيعية في الأصناف المتحملة.
3- أسهمت نواتج التمثيل الناتجة من كل من ثبات التمثيل الضوئي أو نواتج التمثيل المخزنة بالساق في إعطاء محصول عالي خلال معاملة الصدمة الحرارية.
4- تميزت أصناف القمح المتحملة للحرارة العالية بارتفاع نواتج التمثيل الضوئي والاحتياطي المخزن بالساق.
5- يعتبر تميز التركيب الوراثي بدرجة ثبات عالية لكفاءة التمثيل الضوئي والاحتياطي المخزن في الساق خلال فترة الإجهاد ذو أهمية في تحمل الإجهاد الحراري.
2- التقييم في الفيتروترونات Phytotrons
استخدمت الفيتروترونات بمعهد بحوث الأرز الدولي بالفلبين IRRI في تقييم منتخبات الأرز الهندي 22N ، 6 - B2 747 BKN 6624 - 46 - 2 ,IR للحرارة العالية. حيث عرضت السلالات لنظام حراري 35 م و 41°م على فترات تعريض مختلفة. واتضح من النتائج، أن مرحلة التزهير هي أكثر المراحل حساسية للإجهاد الحراري المرتفع، حيث ازدادت نسبة العقم بزيادة درجة الحرارة من 35 إلى 41 م وطول فترة التعريض (. Sataka and Yoshida, 1978) .
ثانياً: التقييم في أنفاق البولي ايثيلين Evaluation in polyethylene tunnels
تستخدم أنفاق مغطاة بالبولي إيثيلين Polyethylene - covered tunnels كوسيلة رخيصة وسريعة لغربلة سلالات وأصناف المحاصيل لتحمل الحرارة العالية. حيث يمكن التحكم في الإضاءة ودرجة حرارة الليل والنهار بواسطة أجهزة تحكم خاصة، كما يمكن التحكم في نسبة الرطوبة باستخدام رشاشات صغيرة توضع في أرضية النفق. وقد استخدمت هذه الطريقة في تقييم 25 أصل وراثي من القمح لمختلف الصفات الفسيولوجية والمحصولية بزراعتها في أنفاق من البولي إيثيلين في وجود أو غياب نظام التبريد Cooling system . وأظهرت النتائج وجود تباين وراثي في تحمل التراكيب الوراثية لإجهاد حراري أعلى من 35 م على أساس ضرر الغشاء الخلوي لورقة العلم مقارنة بالكنترول Rane and Chauhan, 2002) «Cooling system).. كما أفادت هذه الطريقة في تقييم قدرة السلالات المبشرة ونواتج برنامج التربية في القمح، على تكوين الحبوب تحت ظروف إجهاد حرارى > 35 م (2003 ,Rane) .
كما ساعدت أنفاق البولي إيثيلين حجم 633 م3 صممت باتجاه شرق - غرب في تقييم خمسة أصناف من الفول السوداني الإسبانية وثلاثة أصناف من فرجينيا تختلف في تحملها للحرارة والجفاف، عرضت لنظام حراري 27 م و 34 م على 50% و 100% محتوى رطوبي ميسر في الفترة من بداية التزهير وحتى النضج، حيث لاحظ Craufurd ومعاونون (1999) أن أصناف فرجينيا كانت أكثر حساسية للحرارة العالية رغم إنتاجها العالي من المادة الجافة الكلية وكفاءة استخدام الماء.
ثالثاً: التقييم تحت ظروف البيوت المحمية
Evaluation under greenhouse conditions
يتميز تقييم مدى تحمل التراكيب الوراثية للحرارة العالية تحت ظروف البيوت المحمية بإمكان التحكم في بيئة النمو ودرجات الحرارة وعدد ساعات الإضاءة والإظلام ونسبة الرطوبة وغيرها من العوامل المؤثرة .. كما تتميز بقلة التكاليف وتوفير الوقت والجهد.
وقد ساعدت البيوت المحمية تحت ظروف الهند في تقييم تحمل نبانات السمسم للحرارة العالية ( درجة حرارة الوسط + 5 °م ) لمدة صفر، 3 ، 6 ، 9 أيام عند مرحلة التزهير تحت مستويين من النيتروجين بدون تسميد و 60 كجم /نيتروجين/ هكتار، حيث لاحظ Vyas ومساعدوه (2003) حدوث نقص شديد في المحصول والمادة الجافة الكلية نتيجة الإجهاد الحرارى الشديد، إلا أن هذا التأثير قد خف في النباتات المعرضة لمستوى عالي من النيتروجين (60 كجم/ هكتار) . في دلالة على التأثير المخفف لتسميد النيتروجين من التأثيرات المعاكسة المستحثة للحرارة العالية على نباتات السمسم.
رابعاً: التقييم تحت الظروف الحقلية Evaluation under field conditions
على الرغم من أن عملية تقييم واختبار نواتج برامج التربية لتحمل الحرارة العالية تحت ظروف الحقل الطبيعية يبدو صعباً لعدم إمكان التحكم في الظروف المحيطة من درجات الحرارة ونسبة الرطوبة والإضاءة، إلا أن الباحثين قد توجهوا بالفكر حيال اختيار مواعيد زراعة مختلفة تمثل فترات إجهاد حرارى تواكب مراحل النمو الحرجة.
وعموماً يجرى اختبار التراكيب الوراثية بزراعتها تحت الظروف الحقلية في قطع تجريبية في تصميم إحصائي بمكررات واستحداث بيئات إجهاد حراري بالزراعة في مواعيد مختلفة تسمح بإن تواجه النباتات في محصول مثل القمح ظروف من درجات الحرارة العالية بعد التزهير وصلت إلى فارق 5 - 7°م عن الطبيعي .... درجة حرارة الوسط المحيط Ambient، كما أوضحته نتائج بعض التجارب كالآتي :
- درجة حرارة الوسط المحيط 27 م ± 5 م (2003 ,Singh & Ahmad)
- درجة حرارة الوسط المحيط ± 7 (2003 Prakash & Ghildiyal)
- درجة حرارة الوسط المحيط ± 5 إلى 7 م (2003 ,.Saira et al)
وتحت الظروف المصرية، قام عبد الشافي وآخرون (1999) بتقييم أقلمة 25 تركيب وراثي من قمح الخبز تنتمي إلى مناطق مختلفة النشأة وهي مصر والسودان واليمن والهند والسميت بزراعتها في مصر العليا في منطقتي شندويل والماتاتا Mataana خلال موسم 96/ 1997 وفي مناطق شندويل وماتانا وكوم أمبو خلال موسم 97 /1998 في ميعادين 15 نوفمبر (العادي) و 15 ديسمبر ميعاد متأخر يمثل «إجهاد حرارى». النظام من الزراعة باختيار أفضل السلالات المتأقلمة وراثياً مع ظروف الإجهاد الحرارى. وقد أظهرت النتائج أن تحمل التراكيب الوراثية للحرارة العالية يكون راجعا إلى القدرة الإنتاجية العالية وانخفاض دليل الحساسية للظروف المعاكسة والذي ظهر بوضوح في الأصناف جيزة 165 و El - Nelian و 81 Ures .
مقاييس تحمل الحرارة العالية High temperature tolerance measurements
أولا: التقديرات المعملية Laboratory assessments
1- سرعة الإنبات وقوة البادرات Rapid germination and seedling vigour
تستخدم قياسات نمو البادرة مثل ( طول البادرة - وزن البادرة - طول الجذير - طول الريشة - سرعة وقوة النمو... وغيرها) كمؤشرات لتحمل الإجهاد الحراري في عديد من المحاصيل الحقلية مثل القمح والذرة الشامية والذرة الرفيعة وغيرها (Kilen and Andrew, 1969; Clarke and Townley - Smith, 1986 and Singh and Ahmad, 2003)
2- مستوى النشاط الأنزيمي Enzyme activity level
يعتبر النشاط الأنزيمى مؤشراً لمدى حساسية أو تحمل سلالات المحاصيل للحرارة العالية ومن أمثلة هذه التقديرات :
أ - تقدير نشاط أنزيمات Superoxide dismutase, Ascorbate peroxidase Catalase, Glutathione reductase حيث كان النشاط الأنزيمي أكثر وضوحاً في أصناف القمح والبقوليات المتحملة عن تلك الحساسة للإجهاد الحراري (Rao et al., 2003 and Sairam et al., 2003)
ب - تقدير نشاط أنزيم البناء الضوئي الثابت حرارياً روبيسكو RuBisCo وإنزيم فوسفوإينول بيروقات كتاليز والبروتين (6 Chaperoni) والتي كانت أعلى في أصناف محاصيل الحبوب مثل السورجم والأرز المقاومة للإجهاد الحرارى مقارنة بالأصناف الحساسة (1999 ,.Japtap et al., 1998 and Bose et al) .
3- محتوى الكلوروفيل Chlorophyll content
يعتبر محتوى كلوروفيل أوراق النبات ودليل ثبات الكلوروفيل مؤشراً لثبات التمثيل الضوئي وزيادة الاحتياطي المخزن في الساق والموجه إلى امتلاء الحبوب في مرحلة إجهاد ما بعد الإخصاب.
ويقدر الكلوروفيل إما بتحليل الفصل اللوني Spectrophotometer أو بجهاز تقدير الكلوروفيل 502 Castelli et al., 1996) SPAD) وأمكن استخدامه في تقييم جيرمبلازم القمح والشعير والفول البلدي والذرة الشامية وقصب السكر وغيرها.
4- استشعاع الكلوروفيل Chlorophyll fluorescence
تقدر قياسات استشعاع الكلوروفيل على عينة عشوائية من 10 ورقات من العلم من الصنف المحصولي بواسطة بعض الأجهزة مثل :
- Portable plus amptitude modulation fluorometer (PAM 2000, Walz GmbH, Effeltrich, Germany).
- Portable fluorometer (Model SF 20, Richard Brancker Research Ltd, Ottawa).
حيث تقدر المؤشرات الآتية :
Fo: استشعاع الكلوروفيل المبدئي.
Fm : أقصى استشعاع للكلوروفيل بعد التعرض للإجهاد الحراري.
Fv: : الفرق بين Fo و Fm .
حيث يعتبر الثبات في قيم استشعاع الكلوروفيل المتغير Fv»» عند درجة الحرارة العالية مقياس جيد لتحمل الإجهاد الحراري، بينما تنخفض قيمة استشعاع الكلوروفيل مع زيادة ضرر الأوراق في الأصناف الحساسة. ويحدد معدل الزيادة في قيم استشعاع الكلوروفيل من المبدئي إلى الأقصى الفروق بين الأصناف في تحمل الحرارة (Smillie and Gibbons, 1981).
5- الثبات الحراري للأغشية النباتية
Cellular membrane thermostability
يتم قياس التسرب الحراري للأغشية النباتية بتقدير كمية التسريب للمكونات الخلوية Cell solute leakage لنسيج الورقة بعد التعرض لدرجات الحرارة العالية بقياس الزيادة في درجة التوصيل الكهربي على عينة من أقراص أوراق عدة نباتات من الصنف تؤخذ بثاقب العينات. حيث تظهر الأغشية الأكثر ثباتاً تسريب أقل.
وعموماً يقدر الضرر النسبي للأغشية Relative injury الحادث من تأثير الحرارة العالية ومعاملات التجفيف المعادلة الآتية:
RI = 
حيث :
T1: درجة التوصيل الكهربي للعينات المعاملة بالحرارة على 50 م أو بالبولي ايثيلين جليكول 6000 .
C1 : التوصيل المبدئي لعينات المقارنة.
T2: التوصيل بعد غليان العينات المعاملة بالحرارة على 50 م أو بالبولي ايثيلين جليكول 6000.
C2 : التوصيل بعد عليان عينات المقاربة
(Blum and Ebercon, 1981 and Shanahan et al., 1990)
وبمقارنة الثبات الحراري للأغشية في كل من نباتات المواسم الباردة والحارة، تبين أن نظام التمثيل الضوئي الثاني لنباتات المناطق الباردة مثل القمح كان أكثر حساسية للحرارة من نباتات المناطق الحارة مثل الأرز والذرة الرفيعة وقد أقترح Saadalla وآخرون (1990) استخدام هذا الاختبار في انتحاب سلالات القمح المتحملة للحرارة في برامج التربية رغماً عن صعوبة تطبيقه على الانعزالات الفردية خلال الأجيال الانعزالية من البرنامج.
ثانياً: التقديرات الحقلية Field assessments
1- درجة احتراق الأوراق Leaf firing
تعتبر من القياسات الحقلية السريعة سهلة التقدير، وتتم على مقياس نظره من - 5 أو 1 - 10 على التراكيب الوراثية تحت الاختبار. حيث تعتبر مؤشراً لمدى تحمل أو حساسية الأصناف للحرارة العالية (1986 ,Clarke and Townley - Smith).
2- درجة حرارة الأوراق (العرش) Canopy temperature
يتم ذلك باستخدام ترمومتر يعتمد على الأشعة تحت الحمراء الصادرة من النبات infrared thermometer instrument . يستخدم خلال الفترة من الساعة 12 : 2 بعد الظهر لمعرفة حالة النبات تحت تأثير الإجهاد حيث يقيس حرارة العرش النباتي (المجموع الخضري) والهواء المحيط .
وبناءاً على ذلك يقسم النباتات إلى فئات منخفضة ومتوسطة ومرتفعة الحرارة فالسلالات التي تكون حرارتها منخفضة تكون أكثر قدرة على الأقلمة مع الظروف البيئية المحيطة. وقد أمكن استخدام قياس حرارة العرش بنجاح في تقييم جيرمبلازم القمح والشعير والذرة الشامية والدرة الرفيعة وفول الصويا لتحمل الإجهاد البيئي عن Singh 2001)).
3- المحصول ودليل الحساسية للحرارة Yield and heat sensitivity index
يفيد تقدير المحصول تحت ظروف الإجهاد الحراري والظروف المثلي في تقدير بعض المقاييس الهامة لتحمل الإجهاد الحرارى ومن أهمها دليل الحساسية للحرارة طبقاً لـ Fischer and Wood, 1978 .
Heat sensitivity index = ((1 - Ys / Yp) / (1 - Ys / Yp))
حيث :
Ys : محصول حبوب الصنف تحت ظروف الإجهاد الحراري.
pȲ: محصول حبوب الصنف تحت الظروف المثلى.
sȲ : متوسط محصول حبوب جميع الأصناف تحت ظروف الإجهاد الحراري.
Yp : متوسط محصول حبوب جميع الأصناف تحت الظروف المثلى.
وبناء على ذلك، تقسم التراكيب الوراثية إلى الأقسام الآتية :
1- عالية التحمل HIS ≤ 0.5
2- متوسطة التحمل HSE > 0.5 to ≤ 1
3- حساسية HSI > 1.0
(Khanna - Chopra and Viswanathan, 1999)
