Рис. 1. Экспериментальные участки, размещенные на скамьях в соответствии со штрих-кодами, обнаруженными мультиспектральными 3D лазерными сканерами PlantEye F500.

В данном исследовании был проведен тепличный эксперимент по оценке морфо-физиологических и метаболических реакций растений томата, обработанных двумя биостимуляторами, полученными из Malvaceae (PH1) и Fabaceae (PH2), в условиях повторяющихся циклов стресса от засухи. Цель заключалась в изучении механизмов, с помощью которых эти биостимуляторы повышают устойчивость растений томата к засухе. Подкормка проводилась один раз после пересадки и один раз в середине цикла выращивания. Растения выращивали с использованием системы капельного орошения и подвергали четырем циклам засушливого стресса, при этом полив прекращали до видимого увядания. PH1 и PH2 применяли в виде еженедельных внекорневых опрыскиваний и сравнивали с контрольными растениями, опрыскиваемыми дистиллированной водой. Платформа фенотипирования высокой производительности (PlantEye F500, Phenospex) использовалась для мониторинга цифровой биомассы, трехмерной площади листьев и высоты растений, а также спектральных индексов (NDVI, NPCI, PSRI, GLI, Hue°) для оценки состояния растений. В конце испытания были собраны образцы листьев для метаболомического анализа с целью изучения биохимических изменений, связанных с устойчивостью к засухе, вызванной обработкой PH.

Рис. 4. Склоны линейной регрессионной модели (y = ax +b, где a - наклон, а b - интерцепт), описывающей связь между цифровой биомассой (y) и днями (x) периода восстановления после повторного полива после каждого события водного стресса. PH1 = гидролизат белка, полученный из Malvaceae; PH2 = гидролизат белка, полученный из Leguminosae. Столбики указывают на стандартные ошибки средних значений.

Анализ фенотипов показал, что PH1 улучшает восстановление растений после засухи, особенно в отношении цифровой биомассы, 3D-площади листьев и высоты растений. В дополнение к положительной корреляции с высотой растений, сильная связь между цифровой биомассой и 3D-площадью листьев указывала на то, что разрастание листьев было основным фактором накопления биомассы в условиях стресса. Хотя PH2 оказал временный положительный эффект во время первой засухи, его эффективность ослабла в последующих стрессовых циклах, что сделало его более похожим на контроль. Регрессионный анализ подтвердил, что растения, обработанные PH1, имели самые высокие показатели восстановления, с наклонами на 48-75 % выше, чем у необработанных растений во всех стрессовых ситуациях. Это говорит о том, что PH1 повышает устойчивость растений и способность к восстановлению роста.
Спектральные индексы позволили лучше понять состояние растений на протяжении всего цикла выращивания. Значения NDVI, связанные с фотосинтетической активностью и здоровьем растений, были выше у растений, обработанных PH1, что свидетельствует об улучшении устойчивости к стрессу. Показатели NPCI и PSRI, связанные с содержанием хлорофилла и старением листьев, увеличивались с течением времени, что свидетельствует о естественном накоплении хлорофилла, которое совпадает с результатами NDVI. GLI и Hue°, которые всегда соответствовали NDVI, в значительной степени соответствовали отражению в зеленой полосе (GLI) и зеленом диапазоне (75:135, Hue°).

Рис. 6. Анализ химического обогащения (ChemRICH) статистически различных аннотированных метаболитов в листьях, обработанных белковым гидролизатом мальвазии (PH1), по сравнению с контрольной обработкой в конце испытания. Красные точки = метаболиты с повышенной регуляцией; синие точки = метаболиты с пониженной регуляцией; фиолетовые точки = метаболиты с повышенной/пониженной регуляцией.

Метаболомический анализ выявил несколько метаболитов, на которые значительно повлияла обработка PH1. Среди них дипептиды (например, Leu-Phe, PyroGlu-Val, Arg-Phe) показали наибольшее накопление в растениях, обработанных PH1. Эти соединения связаны с перераспределением азота, осмопротекцией и метаболической регуляцией в условиях стресса. Дипептиды, содержащие глюкогенные аминокислоты (например, Arg-Leu, Val-Pro), вероятно, выступали в качестве источника углерода, смягчая углеводное голодание, вызванное снижением фотосинтеза во время стресса засухи. Растения, обработанные PH1, также демонстрировали более низкие уровни маркеров окислительного стресса, таких как (R)-S-лактоилглутатион и скополин, что позволяет предположить, что дипептиды играют роль в снижении повреждения ROS. Накопление фенольных соединений и жирных кислот также указывало на то, что PH1 способствует адаптации к стрессу через антиоксидантные пути.
Данный эксперимент показывает, что PH1 является эффективным биостимулятором для усиления восстановления растений томата после стресса засухи, в первую очередь за счет ускорения восстановления и модуляции ключевых метаболитов, участвующих в устойчивости к стрессу. Полученные результаты позволяют предположить, что дипептиды играют важнейшую роль в смягчении последствий водного стресса и поддержании метаболического баланса. Будущие исследования должны изучить, поглощаются ли пептиды, полученные из PH1, непосредственно растениями или способствуют эндогенному синтезу пептидов. Данное исследование дополнительно подчеркивает потенциал биостимуляторов в повышении устойчивости сельскохозяйственных культур в стрессовых условиях и предлагает важные идеи для будущей разработки и тестирования биостимуляторов.