Original article

Soluble sugars and proline accumulation play a role as effective indices for drought tolerance screening in Persian walnut (Juglans regia L.) during germination

Les sucres solubles et l’accumulation de proline sont des indicateurs efficaces pour la sélection de noyers persans (Juglans regia L.) tolérants à la sécheresse pendant la germination

Los azúcares solubles y la acumulación de prolina son indicadores eficaces para la selección de nogales persas (Juglans regia L.), tolerantes a la sequía durante la germinación

¹ Dep. Hortic., College Abouraihan, Univ. Tehran, Tehran, Iran
kvahdati@ut.ac.ir
² Dep. Biol., College Sciences, Shiraz Univ., Shiraz, Iran
³ Dep. Agron. Crop Breeding, College Abouraihan, Univ. Tehran, Tehran, Iran

^* Correspondence and reprints

Received: 3 June 2009
Accepted: 17 September 2009

Abstract

Introduction. Drought stress is the major factor affecting growth, development and production of walnut trees. In Iran, approximately 33 Mha of land is affected by salinization and drought stress. Finding genetic resources tolerant to drought stress at different growth stages is important for such semi-arid regions. Our aim was to understand better the adaptive mechanisms that enable different genotypes of walnut population to survive under drought stress, and to provide some useful clues for walnut tree breeding toward improved drought tolerance with utilization of existing drought-tolerant genetic resources. Materials and methods. To study the mechanism(s) involved in drought tolerance of some Persian walnut genotypes, drought stress was induced using polyethylene glycol-6000 to produce water potentials of 0 Mpa (control), –0.10 MPa, –0.50 MPa, –0.75 MPa, –1.00 MPa, –1.50 MPa and –2.00 MPa. The amount of proline and soluble sugar accumulation in four walnut genotypes (‘Panegine₂₀’, ‘Lara’, ‘Serr’ and ‘Chandler’) were determined after being exposed to the various water potential levels. Results. The rates of seed germination in all genotypes were significantly reduced by low external water potentials. Plants exposed to water stress had a higher amount of soluble sugars in roots and shoots of tolerant genotypes (‘Panegine₂₀’ and ‘Chandler’) and a lower amount of starch in their tissues. These results imply the important roles of soluble sugars as solutes conferring resistance to drought in these genotypes. The free proline levels were also increased in response to drought stress. They were higher in drought-tolerant genotypes than in sensitive ones (‘Lara’ and ‘Serr’). Proline increased more in shoots than in roots. However, the soluble sugar and starch fluctuations were higher in the roots. Conclusion. Our results support a direct correlation between the degree of drought stress and proline content. As a consequence, proline concentrations could be used as a biochemical marker of drought stress level in walnut plants.

Résumé

Introduction. Le stress dû à la sécheresse est le principal facteur influant sur la croissance, le développement et la production de noyers. En Iran, environ 33 Mha de terres sont affectées par la salinisation et la sécheresse. Trouver des ressources génétiques tolérantes à la sécheresse à différents stades de croissance est important pour ces régions semi-arides. Notre objectif a été de mieux comprendre les mécanismes adaptatifs qui permettent aux différents génotypes de noyers de survivre en conditions de stress hydrique et de fournir quelques indications utiles pour une amélioration de ces arbres vis-à-vis de la tolérance à la sécheresse en utilisant des ressources génétiques existantes. Matériel et méthodes. Pour étudier les mécanismes de certains génotypes de noyers persans impliqués dans la tolérance à la sécheresse, un stress hydrique a été induit en utilisant du polyéthylène glycol-6000 pour produire des potentiels hydriques de 0 Mpa (témoin), –0.10 MPa, –0.50 MPa, –0.75 MPa, –1.00 MPa, –1.50 MPa et –2.00 MPa. Le niveau d'accumulation de proline et de sucres solubles dans quatre génotypes de noyer ('Panegine₂₀', 'Lara', 'Serr' et 'Chandler') a été déterminé après qu’ils ont été exposés aux différents niveaux de potentiels hydriques. Résultats. Pour les quatre génotypes étudiés, les taux de germination des semences ont été considérablement réduits par les bas potentiels hydriques. Les semis des génotypes tolérants ('Panegine₂₀' et 'Chandler') exposés au stress hydrique ont présenté les plus grandes quantités de sucres solubles dans les racines et les tiges, mais une moindre quantité d’'amidon dans leurs tissus par rapport aux génotypes sensibles. Ces résultats suggèrent l'importance des sucres solubles comme solutés conférant, à ces génotypes, la résistance à la sécheresse. Les niveaux de proline libre ont également été augmentés en réponse à la sécheresse. Ils ont été plus élevés chez les génotypes tolérants à la sécheresse que chez les plus sensibles (‘Lara’ et ‘Serr '). La teneur en proline a davantage augmenté dans les tiges que dans les racines. Toutefois, les fluctuations du sucre soluble et de l'amidon ont été plus élevées dans les racines. Conclusion. Nos résultats confirment qu’il existe une corrélation directe entre le degré de stress hydrique et la teneur en proline dans les plantules. En conséquence, les concentrations en proline pourraient être utilisées comme marqueurs biochimiques du niveau de stress hydrique chez le noyer.

Resumen

Introducción. El estrés causado por la sequía es el factor principal que influye el crecimiento, el desarrollo y la producción de nogales. En Irán, cerca de 33 Mha de tierras están afectadas por la salinización y por la sequía. Es importante para estas regiones semi-áridas encontrar recursos genéticos que toleran la sequía en diferentes estadios de crecimiento. Nuestro objetivo fue comprender mejor los mecanismos de adaptación que permiten los diferentes genotipos de nogales sobrevivir en condiciones de estrés hídrico. También pretendimos aportar, mediante el empleo de los recursos genéticos existentes, algunas indicaciones útiles para una mejora de estos árboles con respecto a la tolerancia de la sequía. Material y métodos. Con el fin de estudiar los mecanismos de ciertos genotipos de nogales persas implicados en la tolerancia de la sequía, se indujo un estrés hídrico mediante el empleo del polietilenglicol-6000 para producir potenciales hídricos de 0 Mpa (testigo), –0.10 MPa, –0.50 MPa, –0.75 MPa, –1.00 MPa, –1.50 MPa y –2.00 MPa. El nivel de acumulación de prolina y de los azúcares solubles en cuatro genotipos de nogales (‘Panegine₂₀’, ‘Lara’, ‘Serr’ y ‘Chandler’) se determinó tras su exposición a diferentes niveles de potenciales hídricos. Resultados. Para los cuatro genotipos estudiados, los valores de germinación de las semillas se redujeron considerablemente por los bajos potenciales hídricos. Las siembras de los genotipos tolerantes ('Panegine₂₀' y 'Chandler') expuestos al estrés hídrico, en relación con los genotipos sensibles, presentaron las cantidades más grandes de azúcares solubles en las raíces y en las ramas, pero una cantidad menor de almidón en sus tejidos. Los resultados en cuestión sugieren la importancia de los azúcares solubles y solutos, que confieren a estos genotipos la resistencia a la sequía. Los niveles de prolina libre aumentaron igualmente en respuesta a la sequía. Fueron más elevados en los genotipos tolerantes a la sequía que en aquellos que eran más sensibles (‘Lara’ y ‘Serr'). El contenido en prolina aumentó considerablemente más en las ramas que en las raíces. No obstante, las fluctuaciones de azúcar soluble y del almidón fueron más elevadas en las raíces. Conclusión. Nuestros resultados confirman que existe una correlación directa entre el grado de estrés hídrico y el contenido en prolina en las plántulas. Por consecuente, las concentraciones de prolina podrían emplearse como marcadores bioquímicos del nivel de estrés hídrico en el nogal.