ABSTRAK
Kedelai (Glycine max L. Merr.) sangat rentan terhadap kondisi salin-alkali, menunjukkan variabilitas genotipe yang signifikan dalam toleransi. Sistem perakaran memainkan peran penting dalam ketahanan salin-alkali, namun mekanisme yang tepat, khususnya yang terkait dengan sifat morfologi akar, masih belum jelas. Studi ini mengeksplorasi variasi genotipe dalam morfologi akar dan toleransi salin-alkali di antara berbagai genotipe kedelai dan meneliti hubungan antara pertumbuhan sistem akar dan mekanisme toleransi. Delapan genotipe kedelai dengan berbagai ukuran sistem akar dievaluasi untuk toleransi salin-alkali 26 hari setelah transplantasi. Tanaman mengalami stres NaHCO3 (0 dan 30 mmol L−1) selama 5 hari menggunakan platform fenotipe semi-hidroponik di rumah kaca. Stres salin-alkali menyebabkan variasi yang signifikan dalam 20 sifat pucuk dan akar, serta 23 sifat fisiologis dan biokimia. Profil transkripsional mengungkap ekspresi diferensial gen-gen kunci, termasuk GmHKT1;4, GmPLMT, GmERF8 dan GmWRKY12. Berdasarkan rasio massa kering pucuk relatif rata-rata, delapan genotipe dikategorikan sebagai sensitif, agak toleran atau toleran. Di bawah tekanan salin-basa, genotipe Nannong 26 yang toleran dan berakar besar menunjukkan peningkatan akumulasi Ca2+ dan peningkatan regulasi GmHKT1;4 dan GmPLMT pada pucuk dan akar. Sebaliknya, genotipe NJP580 yang toleran dan berakar lebih kecil menunjukkan akumulasi K+ yang lebih tinggi dan peningkatan regulasi GmERF8 dan GmWRKY12 pada pucuk dan akar. Massa kering akar, panjang akar halus dan rasio alokasi biomassa atas-ke-bawah muncul sebagai indikator potensial toleransi salin-basa pada kedelai. Sifat-sifat ini dapat berfungsi sebagai proksi yang berguna untuk penyaringan tahap awal genotipe yang toleran. Genotipe toleran salin–basa yang teridentifikasi menjanjikan untuk dibudidayakan di tanah salin–basa dan untuk mengembangbiakkan hibrida kedelai berproduksi tinggi dan toleran terhadap stres.
1 Pendahuluan
Kedelai (Glycine max L. Merr.), yang berasal dari Tiongkok, merupakan tanaman polong-polongan yang penting, menempati peringkat keempat secara global setelah gandum (Triticum aestivum L.), beras (Oryza sativa L.), dan jagung (Zea mays L.) (Liu et al. 2021a). Terkenal karena kandungan protein dan minyak nabatinya yang tinggi, kedelai dapat digunakan untuk konsumsi manusia, pakan ternak, produksi biofuel, dan berbagai produk lainnya (Valliyodan et al. 2017; Liu et al. 2021a). Meskipun memiliki nilai ekonomis yang signifikan, kedelai, sebagai glikofit, secara inheren menghadapi kepekaan terhadap stres garam (Liu et al. 2021b; Cao et al. 2023). Namun, beragamnya variasi gen toleransi garam pada kedelai menawarkan sumber daya genetik yang potensial untuk memilih varietas dengan pertumbuhan, perkembangan, dan produktivitas yang ditingkatkan di tanah salin-alkali (Liu et al. 2021b).
Sistem akar berfungsi sebagai saluran penting untuk transportasi air dan nutrisi dalam tanaman dan memainkan peran penting dalam memahami dan merespons stres salin-alkali (Jiang dan Deyholos 2006). Di bawah stres alkali, pemanjangan dan pertumbuhan akar terhambat, yang mengakibatkan berkurangnya biomassa akar (Fuglsang et al. 2007; Monshausen et al. 2007a; Xu et al. 2012; Li et al. 2015; Chen et al. 2017; Yun et al. 2024). Meskipun demikian, pemahaman kita tentang bagaimana arsitektur sistem akar beradaptasi dengan stres salin-alkali masih terbatas. Di lingkungan yang dicirikan oleh stres salin-alkali, tanaman yang diberkahi dengan sistem akar besar sering kali menunjukkan keunggulan dibandingkan tanaman dengan sistem akar yang lebih kecil karena peningkatan penyerapan air dan nutrisi (Tjoelker et al. 2005; Roumet et al. 2006; Valliyodan et al. 2017; Li et al. 2019; Lynch 2019; Xiong et al. 2021). Keunggulan ini menggarisbawahi peran penting sifat akar dalam adaptasi tanaman terhadap kondisi pertumbuhan yang menantang. Penelitian lebih lanjut tentang morfologi dan fisiologi akar berpotensi untuk mengidentifikasi dan mengembangkan varietas tanaman dengan sistem akar yang dioptimalkan yang cocok untuk lingkungan tersebut.
Salinitas-alkalinitas tanah merupakan stresor abiotik yang signifikan yang secara signifikan membatasi pertumbuhan dan perkembangan tanaman (Grattan dan Grieve 1992; Shabala dan Cuin 2008; Liu et al. 2024). Secara global, lebih dari 1125 juta hektar lahan mengalami salinitas yang berlebihan (Liu et al. 2020), dengan hampir setengah dari wilayah ini menunjukkan alkalinitas (FAO 2021). Tanaman yang tumbuh di tanah alkali tidak hanya berjuang melawan toksisitas garam-garam individual, seperti konsentrasi tinggi Na+, CO32− dan HCO3−, tetapi juga menghadapi efek buruk dari nilai pH yang tinggi, yang dapat mengganggu operasi H+-ATPase—faktor penting dalam toleransi stres salinitas tanaman (Shabala et al. 2016). Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa garam alkali menimbulkan kerugian yang lebih besar bagi pertumbuhan tanaman dibandingkan dengan garam netral (Chen et al. 2017; Guo et al. 2017; Higuchi et al. 2017; Zhang et al. 2017). Akumulasi natrium bikarbonat (NaHCO3) secara signifikan berkontribusi terhadap alkalinitas tanah (Shi dan Sheng 2005). Meskipun ada kemajuan penting dalam memahami mekanisme yang mendasari kerusakan garam alkali pada tanaman (Ge et al. 2010; DuanMu et al. 2015; Zhang et al. 2017), keterbatasan dan tantangan tetap ada dalam mempelajari toleransi salin-alkali varietas kedelai dengan arsitektur sistem akar yang berbeda. Pemahaman yang lebih mendalam tentang respons tanaman dalam kondisi salin-alkali akan memfasilitasi pengembangan tanaman dengan toleransi yang lebih baik terhadap lingkungan salin-alkali yang tinggi, sehingga mengoptimalkan pemanfaatan sumber daya tanah salin-alkali.
Dalam penelitian ini, delapan genotipe kedelai dengan morfologi akar yang beragam—terdiri dari dua dengan sistem akar kecil dan enam dengan sistem akar besar—dipilih dari studi fenotipe akar (Liu et al. 2021a). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menilai respons pertumbuhan tanaman kedelai terhadap stres salin-alkali selama tahap pertumbuhan awal dan untuk menentukan sifat morfologi akar tertentu yang berkontribusi terhadap toleransi salin-alkali mereka. Dengan menganalisis ciri-ciri fisiologis dan ekspresi gen terpilih yang terkait dengan arsitektur sistem akar yang berbeda di bawah tekanan salin-basa, kami bertujuan untuk mengeksplorasi variasi respons varietas kedelai dengan konfigurasi akar yang berbeda terhadap tekanan salin-basa. Hipotesis kerja kami adalah bahwa genotipe kedelai dengan sistem akar yang kontras menggunakan strategi yang berbeda untuk mengatasi tekanan salin-basa, dengan ciri morfologi akar tertentu yang memberikan respons terhadap kondisi tersebut. Ciri-ciri ini dapat berfungsi sebagai kriteria untuk memilih genotipe kedelai yang toleran terhadap salin-basa selama tahap pertumbuhan awal.
2 Bahan dan Metode
2.1 Bahan Tanaman
Delapan genotipe kedelai (Glycine max L. Merr.) dipilih dari studi fenotipe akar kami dalam 171 genotipe menggunakan sistem fenotipe semi-hidroponik, diikuti oleh eksperimen validasi dari tiga genotipe terpilih dengan fenotipe akar yang bersentuhan dalam sistem rhizobox yang diisi tanah (Liu et al. 2021a). Delapan genotipe yang dipilih dianggap mewakili spektrum sistem perakaran dengan karakteristik yang kontras.
2.2 Desain Eksperimen
Desain blok acak diterapkan untuk eksperimen ini, yang terdiri dari dua tingkat perlakuan salin-alkali, dengan empat tanaman yang direplikasi per genotipe per perlakuan. Dua tingkat salin-alkali terdiri dari 0 (kontrol, pH = 7,7) dan 30 mM NaHCO3 (pH = 9,4). Untuk mengurangi potensi risiko yang terkait dengan syok osmotik dan pemisahan dinding sel yang diakibatkan oleh paparan mendadak terhadap konsentrasi salin-alkali yang tinggi, dan menurut eksperimen penyaringan kami untuk penentuan konsentrasi salin-alkali (Gambar S1), NaHCO3 secara bertahap dimasukkan dalam kelipatan 15 mM setiap dua hari, dimulai 26 hari setelah penanaman bibit pada tahap trifoliolat ketiga (V3).
Percobaan dilakukan menggunakan sistem fenotipe semi-hidroponik (Chen, Dunbabin dkk. 2011) yang sama dengan sistem yang digunakan untuk fenotipe akar (Liu dkk. 2021a) dari Desember 2021 hingga Januari 2022. Setiap sistem merupakan replikasi (seperti yang digambarkan pada Gambar 1A) dan mencakup tong beroda berkapasitas 240 L, rangka penyangga, pompa, sistem irigasi, dan delapan unit pertumbuhan yang dibuat dari panel akrilik transparan (250 × 500 mm, ketebalan 4 mm) yang dibungkus dengan kain katun hitam. Kain katun hitam di unit pertumbuhan menahan kelembapan melalui sistem pemompaan otomatis. Setiap wadah diisi dengan 30 L larutan nutrisi, yang mengandung konsentrasi nutrisi berikut (dalam μM): K (1220), P (50), S (1802), Ca (600), Mg (200), Cu (0,2), Zn (0,75), Mn (0,75), B (5) Co (0,2), Na (0,06), Mo (0,03), Fe (40) dan N (1000).
Benih disterilkan permukaannya dalam 10% H2O2 selama 10 menit, diikuti dengan lima kali pembilasan dengan air deionisasi. Selanjutnya, bibit yang berkecambah dengan akar sepanjang 2 hingga 3 cm dibilas secara menyeluruh untuk menghilangkan pasir dan kemudian dipindahkan ke sistem pertumbuhan. Setiap unit pertumbuhan menampung dua tanaman dengan genotipe yang sama, dengan total 32 tanaman per sistem wadah. Empat tanaman dari setiap genotipe ditanam dalam satu wadah replikasi. Tanaman tersebut dibudidayakan dalam rumah kaca dengan suhu terkontrol di Northwest A&F University, Yangling (34°16′ N, 108°4″ E), Tiongkok. Suhu harian rata-rata selama periode percobaan adalah sekitar 25/15°C (siang/malam). Sistem penyiraman yang dikontrol pengatur waktu digunakan, yang menyediakan pasokan air terus-menerus selama 7 hari pertama pascatransplantasi. Selanjutnya, air diberikan dengan siklus 15 menit menyala dan 5 menit mati selama sisa percobaan, yang diatur oleh pompa dan pengatur waktu sistem irigasi. Larutan nutrisi diperbarui setiap minggu.
2.3 Penilaian Morfologi Tunas dan Akar
Tanaman dinilai 31 hari setelah transplantasi (DAT) setelah 5 hari terpapar perlakuan salin-alkali, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1A. Selama panen, pengukuran manual dilakukan untuk tinggi tunas (dari simpul kotiledon ke puncak batang utama), jumlah daun, dan panjang akar tunggang per tanaman. Selanjutnya, unit pertumbuhan dikeluarkan dari sistem dan diletakkan di bangku dengan latar belakang hitam. Kain hitam pada panel pertumbuhan dibuka agar sistem akar dapat berkembang secara alami, dan foto diambil menggunakan kamera (Sony LICE-7, SONY CORP, Tokyo, Jepang). Setelah fotografi, tunas dan akar dipisahkan. Untuk pengukuran massa kering pucuk, tanaman dikeringkan dalam oven udara paksa pada suhu 75°C hingga berat konstan tercapai.
Untuk analisis akar, subsampel akar dikumpulkan dengan membagi sistem akar menjadi beberapa bagian sepanjang 20 cm, dimulai dari pangkal. Sampel-sampel ini disimpan dalam lemari es pada suhu 4°C hingga pemindaian, yang dilakukan untuk memperoleh pengukuran morfologi dan arsitektur. Bagian-bagian akar dipindai dalam skala abu-abu pada 300 dpi menggunakan pemindai desktop (Epson Perfection V800, AS). Gambar akar dianalisis menggunakan perangkat lunak WinRHIZO Pro (v2009, Regent Instruments, Kanada) untuk menghasilkan data morfologi, termasuk panjang akar total, luas permukaan akar, diameter akar rata-rata, dan panjang akar untuk kelas diameter yang berbeda. Setelah pemindaian, subsampel akar dari tanaman yang sama digabungkan untuk membentuk satu sampel akar, dan sampel-sampel ini selanjutnya dikeringkan dalam oven untuk menentukan massa kering akar. Pengukuran seperti lebar akar maksimal, sudut akar, dan panjang akar hipokotil diukur menggunakan ImageJ (versi 1.51j8, Wayne Rasband, National Institutes of Health, AS).
2.4 Analisis Fisiologis dan Biokimia
Kerusakan membran dinilai menggunakan metode kebocoran elektrolit relatif (Tantau dan Dorffling 1991). Prosedur untuk memperkirakan kebocoran elektrolit relatif mengikuti protokol yang diuraikan oleh Wang et al. (2020a) dengan sedikit modifikasi. Sepuluh cakram daun diperoleh dari daun majemuk ketiga menggunakan pelubang daun dan ditempatkan ke dalam tabung reaksi 15 mL yang berisi 10 mL air deionisasi. Selain itu, akar segar (0,1 g) ditempatkan dalam tabung reaksi 15 mL yang berisi 10 mL air deionisasi. Konduktivitas listrik awal (C0) dicatat setelah pengambilan sampel. Selanjutnya, sampel dikocok selama 2 jam sebelum mengukur konduktivitas listrik (C1). Setelah itu, sampel diinkubasi pada suhu 100°C selama 15 menit, didinginkan hingga suhu kamar, lalu konduktivitas listrik (C2) diukur. Persentase kebocoran elektrolit dihitung menggunakan rumus: (C1—C0) / (C2—C0) × 100.
Konsentrasi klorofil daun ditentukan menggunakan spektrofotometri (Chung et al. 2022). Awalnya, sampel daun (dari daun majemuk ketiga) diekstraksi dalam aseton 80% selama 24 jam dalam kegelapan. Kadar klorofil a, klorofil b, dan karotenoid diukur menggunakan spektrofotometer (UV-3802, Unico Instruments Co. Ltd., Shanghai, Tiongkok) pada panjang gelombang masing-masing 663, 645, dan 470 nm. Total kadar gula terlarut dan kadar pati terlarut dalam tunas dan akar dinilai menggunakan metode anthrone (Zheng et al. 2017). Kandungan selulosa diukur secara kolorimetri menggunakan metode fenol-asam sulfat (Shao et al. 2021). Aktivitas enzim antioksidan, termasuk askorbat peroksidase (APX), superoksida dismutase (SOD), peroksidase (POD) dan katalase (CAT), dalam tunas dan akar ditentukan menggunakan metode yang dilaporkan oleh Chen, Han dan Jiang (2011). Chen, Dunbabin et al. 2011 dan Ur Rahman et al. (2021).
2.5 Penentuan Kandungan Ca2+, K+ dan Na+ dalam Tunas
Dalam kasus tanaman sensitif garam yang terpapar kondisi salin-basa, lokasi utama toksisitas salin-basa sering diamati pada tunas (Munns 2005). Oleh karena itu, kami hanya fokus pada pengukuran konsentrasi Ca2+, K+ dan Na+ di dalam sepatu.
2.6 Ekstraksi RNA dan Analisis PCR Real-Time Kuantitatif (qRT-PCR)
Setelah dipanen 30 hari setelah transplantasi (DAT), sampel pucuk dan akar dipisahkan dengan hati-hati. Sampel-sampel ini dari tiga replikasi setiap perlakuan segera dibekukan dalam nitrogen cair dan disimpan pada suhu -80°C. Total RNA diekstraksi dari pucuk dan akar beku menggunakan kit (R6827, Omega Bio-Tek, GA, AS) mengikuti petunjuk pabrik pembuatnya. Kualitas RNA dinilai melalui elektroforesis gel agarosa, memastikan bahwa rasio absorbansi pada 260 hingga 280 nm secara konsisten berada di antara 1,8 dan 2,2.
Lima gen (GmERF8, GmPLMT, GmWRKY12, GmHKT1;4 dan GmNHX1) dianalisis dalam eksperimen qRT-PCR (sebagaimana diuraikan dalam Tabel 1). Gen faktor respons etilen 8 (ERF8) termasuk dalam superfamili apetala2/faktor responsif etilen (AP2/ERF). Sebagai pengatur negatif, ekspresinya dipengaruhi oleh pH, dan ekspresinya yang berlebihan dapat menginduksi kematian sel terprogram (PCD) dan ekspresi diferensial gen yang terkait dengan kekebalan tanaman (teratur naik), jalur metabolisme (teratur turun) dan fotosintesis (teratur turun) (Hernandez-Garcia et al. 2010; Cao et al. 2018). Gen fosfolipid N-metiltransferase (PLMT) terlibat dalam jalur sintesis fosfatidilkolin kedelai (PtdCho), dan PtdCho merupakan metabolit penting untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman, yang berfungsi sebagai komponen lipid utama membran sel tanaman (Keogh et al. 2009; Chen et al. 2021). Gen GmWRKY12 termasuk dalam famili faktor transkripsi WRKY Grup IIc, dan ekspresinya yang berlebihan dapat meningkatkan toleransi kedelai terhadap kekeringan dan garam (Shi et al. 2018). Gen GmHKT1;4 merupakan bagian dari famili gen transporter K+ afinitas tinggi (HKTs) yang beroperasi dalam pengambilan Na+ dari pucuk, dan ekspresinya yang berlebihan dapat meningkatkan toleransi tanaman terhadap stres NaHCO3 (Chen et al. 2014). Antiporter Na+/H+ (NHX) 1 merupakan protein vakuola yang mengendalikan pH vakuola, homeostasis Na+ dan K+ (Leidi et al. 2010; Bassil et al. 2011; Bassil dan Blumwald 2014). Gen housekeeping GmEF1-α berfungsi sebagai standar internal. Masing-masing dari empat genotipe kedelai yang disaring di bawah dua perlakuan menjalani tiga replikasi biologis. cDNA untai pertama disintesis menggunakan kit reagen PrimeScript RT, menggunakan sekitar 1 μg total RNA (DRR037S, Takara, Dalian, Tiongkok). PCR waktu nyata dilakukan menggunakan Sistem Waktu Nyata IQ5 (Bio-Rad, Hercules, CA, AS). Sistem reaksi memiliki volume total 20 μL, terdiri dari 2,0 μL cDNA, 0,2 μL primer (20 mM) dan 10 μL 2 × SYBR Green Premix Ex TaqII (DRR081A, Takara). GmEF1-α digunakan sebagai kontrol internal, dan untuk perhitungan ekspresi, metode 2−ΔΔCt digunakan (Livak dan Schmittgen 2001).
2.7 Pengolahan dan Analisis Data
Analisis ANOVA satu arah dan ANOVA dua arah dilakukan menggunakan SPSS Statistics 22 (IBM Corporation, Somers, NY, AS) untuk mengetahui perbedaan signifikan di antara genotipe yang diuji dan perlakuan untuk setiap sifat. Angka-angka tersebut dibuat menggunakan Origin 2021 (OriginLab, Northampton, MA, AS). Gambar jaringan divisualisasikan menggunakan perangkat lunak Gephi (versi 0.9.5, https://gephi.org/users/download/). Korelasi antara variabel dinilai menggunakan koefisien korelasi Pearson, dengan signifikansi statistik dipertimbangkan pada ambang batas p≤ 0,05. Sifat-sifat dengan derajat≥ 5 dalam hasil perhitungan diagram jaringan dipilih untuk analisis komponen utama (PCA) guna memastikan faktor-faktor yang memengaruhi variabilitas dalam toleransi salinitas–alkali di berbagai genotipe.
3 Hasil
Analisis multivariat menunjukkan perbedaan signifikan pada 20 sifat morfologi pucuk dan akar di antara delapan genotipe kedelai (p≤ 0,05, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3), dengan mempertimbangkan kedua sumber variasi: genotipe kedelai dan perlakuan NaHCO3. Secara khusus, di antara sifat-sifat ini, hanya tiga sifat pucuk (jumlah daun, panjang hipokotil, dan massa kering pucuk) dan 10 sifat akar (kedalaman akar maksimal, lebar akar maksimal, panjang akar total, luas permukaan akar, rasio massa akar-pucuk, panjang akar di segmen atas dan bawah, panjang akar halus (diameter <0,2 mm) dan akar sedang (diameter antara 0,2 dan 1,0 mm), dan rasio alokasi biomassa akar atas-ke-bawah) yang menunjukkan interaksi signifikan antara genotipe dan perlakuan NaHCO3. Sebaliknya, satu sifat pucuk (tinggi pucuk) dan enam sifat akar (sudut akar, diameter akar, massa kering akar, panjang akar spesifik, kepadatan jaringan akar dan panjang akar kasar (diameter ≥ 1,0 mm) tidak menunjukkan interaksi yang signifikan antara genotipe dan perlakuan NaHCO3. 3.1 Ciri Morfologi Tunas dan Akar Stres salin-basa berdampak nyata pada pertumbuhan tunas (Gambar 1A,B). Jumlah daun, panjang hipokotil, tinggi tunas, dan massa kering tunas semuanya dipengaruhi secara signifikan oleh perlakuan NaHCO3 (Tabel 3, Tabel S2 dan S3). Di antara ciri-ciri ini, jumlah daun menunjukkan penurunan paling substansial pada NJP020 dan NJP436 (masing-masing 33%), dengan penurunan yang lebih ringan pada NJP058 (5,3%). Penurunan terbesar pada panjang hipokotil diamati pada NJP436 (62%), sementara Nannong 26 hanya menunjukkan penurunan marjinal (1,3%). Penurunan terbesar pada tinggi tunas diamati pada NJP020 (24%), sementara NJP580 menunjukkan penurunan yang lebih kecil (5,7%). Untuk massa kering, penurunan paling signifikan terjadi pada NJP436 (58%), dengan penurunan yang relatif lebih kecil pada NJP580 (20%). Tanpa perlakuan NaHCO3, massa kering pucuk berkisar antara 317 hingga 659 mg per tanaman di delapan genotipe (rincian tersedia dalam Tabel 3). Di bawah tekanan NaHCO3, kisaran massa kering pucuk adalah 184–512 mg per tanaman di delapan genotipe (Tabel 3). Tekanan salin-basa juga memengaruhi sifat akar, yang menyebabkan penurunan kedalaman akar maksimal, lebar akar maksimal, sudut akar, panjang total akar, luas permukaan akar, massa kering akar, panjang akar spesifik, kepadatan jaringan akar, rasio massa akar-pucuk, rasio alokasi biomassa (atas/bawah) dan panjang akar berukuran halus atau sedang (lihat Tabel 3, S2 dan S3; Gambar 1C). Misalnya, tanpa perlakuan NaHCO3, kedalaman akar maksimal bervariasi dari 27,9 (NJP058) hingga 38,5 (Nannong 26) cm per tanaman di antara delapan genotipe (Tabel 3). Lebar akar maksimal berkisar antara 9,87 (NJP580) hingga 17,7 (Nannong 26) cm per tanaman di delapan genotipe. Panjang total akar berkisar antara 432 (NJP436) hingga 896 (Nannong 26) cm per tanaman. Luas permukaan akar berkisar antara 52 (NJP580) hingga 101 (Nannong 26) cm2 per tanaman. Rasio massa akar-pucuk berkisar antara 0,11 (Nannong 26) hingga 0,16 (Kefeng 1 Hao) di delapan genotipe (Tabel 3). Dalam kondisi stres salin-alkali, kisaran kedalaman akar maksimal bervariasi dari 16,0 (Nannong 86–4) hingga 41,8 (NJP383) cm per tanaman di antara delapan genotipe (Tabel 3). Lebar akar maksimal berkisar dari 8,33 (Kefeng 1 Hao) hingga 16,1 (NJP058) cm per tanaman di delapan genotipe (seperti yang disajikan dalam Tabel 3). Panjang total akar berkisar dari 140 (Nannong 86–4) hingga 510 (Nannong 26) cm per tanaman di delapan genotipe (seperti yang tercantum dalam Tabel 3). Luas permukaan akar berkisar dari 19,8 (NJP436) hingga 64,2 (Nannong 26) cm2 per tanaman di delapan genotipe (Tabel 3). Rasio massa akar-pucuk bervariasi dari 0,07 (Nannong 86–4) hingga 0,15 (NJP436) di antara delapan genotipe (Tabel 3). Tanpa perlakuan NaHCO3, nilai rata-rata panjang akar di bagian atas, panjang akar di bagian bawah, panjang akar halus, dan panjang akar sedang masing-masing 2, 2,3, 2,5, dan 1,9 kali lebih panjang dibandingkan dengan yang mengalami stres salin-basa (Tabel 3). Stres salin-basa mengakibatkan peningkatan diameter akar dan rasio alokasi biomassa (atas/bawah) (lihat Tabel 3, S2 dan S3). Tanpa perlakuan NaHCO3, diameter akar berkisar antara 0,33 (NJP436) hingga 0,43 (Kefeng 1 Hao) mm per tanaman di delapan genotipe (Tabel 3). Di bawah tekanan salinitas-alkali, diameter akar berkisar antara 0,34 (NJP383) hingga 0,49 (Nannong 86–4) mm per tanaman di antara delapan genotipe (Tabel 3). Tanpa adanya perlakuan NaHCO3, nilai rata-rata rasio alokasi biomassa (atas/bawah) adalah 3,9 kali lebih rendah daripada di bawah tekanan salinitas-alkali (Tabel 3). Penilaian toleransi salinitas-alkali, ditentukan oleh perubahan relatif dalam massa kering pucuk, dan dengan mengacu pada perubahan relatif dalam massa kering akar, panjang akar total, dan panjang akar halus, menunjukkan variasi di antara delapan genotipe (Gambar 2A–D dan Tabel S3 dan S6). Di antara genotipe ini, dua dikategorikan sebagai sensitif salinitas-alkali, empat sebagai agak toleran, dan dua sebagai toleran salinitas-alkali (seperti yang digambarkan pada Gambar 2A). Khususnya, Nannong 26 dan NJP580 menunjukkan tingkat toleransi salin–basa tertinggi, sementara NJP436 dan NJP020 diidentifikasi sebagai genotipe yang paling sensitif (Gambar 2A). 3.2 Ciri Fisiologis dan Biokimia Stres salin-basa memicu respons tanaman yang bertujuan untuk meningkatkan toleransi. Untuk menjelaskan perbedaan mekanisme toleransi salin-basa di antara genotipe kedelai dengan ukuran sistem akar yang bervariasi, kami menyelidiki berbagai ciri fisiologis dan biokimia terkait. Kami memeriksa kapasitas untuk membersihkan spesies oksigen reaktif (ROS) dengan menganalisis aktivitas antioksidan enzimatik utama seperti askorbat peroksidase (APX), superoksida dismutase (SOD), peroksidase (POD) dan katalase (CAT). Selain itu, kami menilai kerusakan membran melalui kebocoran elektrolit relatif. Lebih jauh, kami mengukur atribut fotosintesis seperti klorofil a, klorofil b, karotenoid, total gula terlarut, pati terlarut, dan kandungan selulosa. Analisis multivariat mengungkap perbedaan mencolok dalam 23 sifat fisiologis dan biokimia di antara empat genotipe kedelai (NJP436, NJP020, Nannong 26, dan NJP580) (p ≤ 0,05, Tabel 4). Perbedaan ini disebabkan oleh genotipe kedelai dan perlakuan NaHCO3. Di antara sifat-sifat ini, delapan sifat pucuk (kandungan selulosa, kebocoran elektrolit relatif, kandungan klorofil a, kandungan klorofil b, kandungan karotenoid, kandungan Na+ pucuk, rasio Na+/K+ pucuk, dan kandungan Ca2+ pucuk) dan tiga sifat pada akar (kandungan gula terlarut total, kandungan pati terlarut, dan kandungan selulosa) menunjukkan interaksi signifikan antara genotipe dan perlakuan NaHCO3 (Tabel 4). Sebaliknya, tujuh sifat pada pucuk (aktivitas APX, SOD, POD dan CAT; total kandungan gula terlarut dan pati terlarut; dan kandungan K+ pada pucuk) dan lima sifat pada akar (aktivitas APX, SOD, POD, CAT dan kebocoran elektrolit relatif) tidak menunjukkan interaksi yang signifikan antara genotipe dan perlakuan NaHCO3. Stres salin-basa menyebabkan peningkatan total kandungan gula terlarut pada pucuk dan penurunan pada akar, kecuali untuk NJP436 (Tabel S4 dan S6). Khususnya, kandungan pati terlarut pada pucuk meningkat pada genotipe toleran Nannong 26 dan NJP580 tetapi menurun pada genotipe sensitif NJP436 dan NJP020. Namun, kandungan pati terlarut menurun pada akar, kecuali untuk NJP436 (Tabel S4 dan S6). Kandungan selulosa meningkat pada pucuk dan akar di bawah stres salin-basa, dengan persentase peningkatan yang lebih tinggi diamati pada genotipe sensitif dibandingkan dengan genotipe toleran (Gambar 3A,B; Tabel S4 dan S6). Kebocoran elektrolit relatif meningkat pada pucuk dan akar di bawah stres salin-basa, kecuali untuk NJP580 (Tabel S4). Lebih jauh lagi, perubahan dalam kandungan pati terlarut, kandungan selulosa dan kebocoran elektrolit relatif lebih jelas terlihat pada akar daripada pada pucuk di bawah perlakuan NaHCO3 dibandingkan dengan kontrol (Tabel S4). Pada akar, kandungan selulosa meningkat pada genotipe toleran, sedangkan kandungan gula terlarut total dan kandungan pati terlarut menurun (Tabel S6 dan Gambar 8). Sebaliknya, pada genotipe NJP436 (sensitif, sistem akar kecil), kandungan gula terlarut total dan kandungan pati terlarut pada akar meningkat, sedangkan pada genotipe NJP020 (sensitif, sistem akar besar), mereka menunjukkan tren yang berlawanan (Tabel S6). Kandungan selulosa pucuk dan selulosa akar, kandungan gula terlarut total dan kandungan pati terlarut menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan rasio panjang akar–atas/bawah (Gambar 6). Namun, kandungan gula terlarut total dan kandungan pati terlarut menurun pada akar, dengan genotipe Nannong 26 mengalami penurunan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan NJP580. Kandungan selulosa meningkat pada akar, dengan genotipe Nannong 26 menunjukkan peningkatan yang signifikan lebih besar dibandingkan dengan NJP580 Pada genotipe toleran, perlakuan NaHCO3 secara signifikan menurunkan kandungan klorofil a sebesar 65% dan 74% pada genotipe Nannong 26 dan NJP580, secara signifikan menurunkan kandungan klorofil b sebesar 7,4% dan 40% pada genotipe Nannong 26 dan NJP580, dan secara signifikan menurunkan kandungan karotenoid sebesar 5,1% dan 11% pada genotipe Nannong 26 dan NJP580, masing-masing, dibandingkan dengan kontrol (Gambar 4A,B,C). Sebaliknya, pada genotipe sensitif, perlakuan NaHCO3 secara signifikan menurunkan kandungan klorofil a sebesar 65% dan 72% pada genotipe NJP436 dan NJP020, secara signifikan menurunkan kandungan klorofil b sebesar 15% dan 26% pada genotipe NJP436 dan NJP020, dan secara signifikan meningkatkan kandungan karotenoid sebesar 0,3% dan 5,7% pada genotipe NJP436 dan NJP020, masing-masing, relatif terhadap kontrol. 3.3 Kandungan Ca2+, K+, dan Na+ pada Tunas Stres salin-alkali memengaruhi pertumbuhan tanaman dengan mengubah penyerapan ion. Perlakuan NaHCO3 menyebabkan penurunan signifikan kandungan kalsium (Ca2+) pada tunas pada genotipe NJP436, NJP020, dan NJP580, sementara kandungan Ca2+ pada tunas meningkat pada genotipe Nannong 26 (Gambar 5A). Genotipe Nannong 26 menunjukkan kandungan Ca2+ tertinggi, diikuti oleh genotipe NJP020 dan NJP580, dengan genotipe NJP436 menunjukkan kandungan Ca2+ terendah. Mengenai kandungan kalium (K+) pucuk, perlakuan NaHCO3 secara signifikan menurunkannya pada genotipe NJP436, NJP020 dan Nannong 26, sementara kandungannya meningkat pada genotipe NJP580 (Gambar 5B). Selain itu, perlakuan NaHCO3 secara signifikan meningkatkan kandungan natrium (Na+) pucuk pada keempat genotipe (Gambar 5C). Di antara keempat genotipe tersebut, genotipe NJP580 menunjukkan kandungan Na+ tertinggi, diikuti oleh genotipe NJP020 dan Nannong 26, dengan genotipe NJP436 menunjukkan kandungan Na+ terendah. Peningkatan kandungan Na+ ini tercermin dalam rasio Na+/K+ pucuk (Gambar 5D). 3.4 Ekspresi Gen GmERF8, GmPLMT, GmWRKY12, GmHKT1;4 dan GmNHX1 Untuk mempelajari lebih dalam variasi di antara genotipe kedelai dengan ukuran akar yang berbeda dalam kondisi stres salin-alkali pada tingkat seluler, kami menganalisis tingkat transkripsi lima gen (GmERF8, GmPLMT, GmWRKY12, GmHKT1;4 dan GmNHX1) yang terkait dengan stres salin-alkali (Li et al. 2006; Keogh et al. 2009; Hernandez-Garcia et al. 2010; Chen et al. 2014; Shi et al. 2018). Pada pucuk, gen GmERF8, GmPLMT, GmWRKY12 dan GmHKT1;4 mengalami peningkatan regulasi pada genotipe sistem perakaran besar NJP020 dan Nannong 26 dan mengalami penurunan regulasi pada genotipe sistem perakaran kecil NJP436 dan NJP580, kecuali untuk gen GmERF8 dan GmHKT1;4, yang mengalami peningkatan pada NJP580 dan penurunan level pada NJP020 (Tabel 2). Gen GmNHX1 menunjukkan peningkatan regulasi pada pucuk keempat genotipe pada perlakuan NaHCO3 (Tabel 2). Pada akar, GmERF8, GmHKT1;4 dan GmNHX1 menunjukkan penurunan regulasi pada keempat genotipe pada perlakuan NaHCO3 (Tabel 2). GmPLMT mengalami peningkatan regulasi pada NJP436 dan Nannong 26 tetapi mengalami penurunan regulasi pada NJP020 dan NJP580 (Tabel 2). Gen GmWRKY12 mengalami peningkatan regulasi pada NJP580 tetapi mengalami penurunan regulasi pada NJP436, NJP020, dan Nannong 26 (Tabel 2). 3.5 Korelasi Antar Sifat Subset yang terdiri dari 37 sifat, yang terdiri dari 15 sifat fenotipik dengan koefisien variasi (CV) ≥ 0,28 (Tabel 3), sifat fisiologis dengan interaksi signifikan (Genotipe × NaHCO3) (Tabel 4), semua sifat biokimia (Tabel 4), dan semua sifat gen (Tabel 2), dipilih untuk analisis korelasi Pearson guna mengungkap hubungan antar sifat (Gambar 6). Dengan menggunakan analisis korelasi, kami membangun jaringan untuk lebih jauh mengeksplorasi hubungan topologi di antara sifat-sifat yang dipilih. Ciri-ciri dengan korelasi (r) ≥ 0,9 atau ≤ −0,9 dan p ≤ 0,01 dipilih untuk membangun jaringan. Sebagian besar sifat fisiologis, sifat biokimia, dan ekspresi gen yang dipilih memiliki korelasi kuat dengan sifat fenotipik akar utama (Gambar 6). Kebocoran elektrolit relatif (r = 0,93) dan kandungan Ca2+ di pucuk (r = 0,98) menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan massa kering akar (Gambar 6). Kandungan selulosa di pucuk (r = −0,91) menunjukkan korelasi negatif yang kuat dengan panjang akar total (Gambar 6). Kandungan selulosa di pucuk (r = −0,99) menunjukkan korelasi negatif yang kuat dengan panjang akar halus (Gambar 6). Kandungan selulosa di akar (r = −0,96) menunjukkan korelasi negatif yang kuat dengan panjang akar di bawah kedalaman 20 cm (panjang akar–bawah) (Gambar 6). Kandungan selulosa pada pucuk (r = 0,99), kandungan selulosa pada akar (r = 0,91), total kandungan gula terlarut pada akar (r = 0,99) dan kandungan pati terlarut pada akar (r = 0,99) menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan rasio alokasi biomassa (atas/bawah) (Gambar 6). Selain itu, ekspresi gen GmHKT1;4 pada pucuk menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan massa kering akar (r = 0,97), panjang akar kasar (r = 0,93) dan kandungan Ca2+ (r = 0,98) pada pucuk (Gambar 6). Ekspresi gen GmERF8 pada pucuk menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan panjang akar–bawah (r=0,99) dan korelasi negatif yang kuat dengan rasio alokasi biomassa (atas/bawah) (r=−0,92) (Gambar 6). Berdasarkan topologi jaringan dan keanggotaan modulnya, sebagian besar sifat yang dipilih menunjukkan korelasi yang kuat dengan sifat lainnya (Gambar 6). Sifat seperti kepadatan jaringan akar, panjang hipokotil, dan rasio alokasi biomassa (atas/bawah) sangat terkait dengan sembilan sifat lainnya (derajat=9) (Gambar 7; Tabel S5). Demikian pula, massa kering pucuk, panjang akar halus, total kandungan gula terlarut dalam akar, kandungan pati terlarut dalam akar, dan kandungan selulosa dalam akar dan pucuk sangat terkait dengan tujuh sifat lainnya (derajat=7) (Gambar 7; Tabel S5). Selain itu, panjang akar bawah, panjang akar sedang, dan gen GmERF8 pada pucuk sangat terkait dengan enam sifat lainnya (derajat = 6) (Gambar 7; Tabel S5). Sifat-sifat seperti panjang total akar, luas permukaan akar, massa kering akar, rasio alokasi biomassa (atas/bawah), panjang akar kasar, kebocoran elektrolit relatif pada pucuk, kandungan klorofil a, kandungan Ca2+ pucuk, dan ekspresi gen GmHKT1;4 pada pucuk dan akar sangat terkait dengan lima sifat lainnya (derajat = 5) (Gambar 7; Tabel S5). Di antara 14 sifat yang tersisa, dua sifat sangat terkait dengan empat sifat lainnya (derajat = 4), lima sifat sangat terkait dengan tiga sifat lainnya (derajat = 3), tiga sifat sangat terkait dengan dua sifat lainnya (derajat = 2), dan empat sifat sangat terkait dengan satu sifat lainnya (derajat = 1) (Gambar 7; Tabel S5). Patut dicatat bahwa sifat-sifat dengan derajat yang sama tidak selalu termasuk dalam kelas modularitas yang sama. Misalnya, panjang total akar, luas permukaan akar, panjang akar spesifik, panjang hipokotil, massa kering pucuk, panjang akar–atas, panjang akar halus, panjang akar sedang, ekspresi gen GmERF8 dan GmWRKY12 pada akar berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Massa kering akar, panjang akar kasar, kebocoran elektrolit relatif pada pucuk, kandungan Ca2+ pucuk, ekspresi gen GmHKT1;4 pada pucuk dan akar berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Kepadatan jaringan akar, rasio massa akar–pucuk, rasio alokasi biomassa (atas/bawah), total kandungan gula terlarut pada akar, kandungan pati terlarut pada akar dan kandungan selulosa pada pucuk dan akar berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Panjang akar pada bagian bawah, gen GmERF8 pada pucuk dan gen GmNHX1 pada akar berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Ekspresi gen GmPLMT, GmWRKY12, dan GmNHX1 pada pucuk berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Kandungan klorofil a, kandungan klorofil b, rasio Na+/K+ pucuk, dan ekspresi gen GmPLMT pada akar berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). Kandungan Na+ dan K+ pada pucuk berada dalam kelas modularitas yang sama (Tabel S5). 3.6 Variabilitas dalam Toleransi Salin-Alkali 22 sifat dengan derajat ≥ 5 (Tabel S5), yang diidentifikasi melalui analisis jaringan korelasi, dimasukkan dalam analisis komponen utama (PCA). Tiga komponen utama (PC) diidentifikasi, masing-masing dengan nilai eigen > 1, secara kolektif mencakup 99,97% dari total variasi dalam 22 sifat di keempat genotipe kedelai (NJP436, NJP020, Nannong 26, dan NJP580)
Komponen pertama (PC1) mencakup 66,1% variabilitas dan dipengaruhi oleh empat sifat fenotipik (luas permukaan akar, panjang hipokotil, panjang akar halus dan rasio alokasi biomassa (atas/bawah)) dan empat sifat fisiologis dan biokimia (total kandungan gula terlarut dalam akar, kandungan pati terlarut dalam akar, kandungan selulosa dalam akar dan pucuk) (Tabel 5). Komponen kedua (PC2), yang mewakili 26,5% dari total variasi, dipengaruhi oleh tiga sifat fenotipik (massa kering akar, kepadatan jaringan akar dan panjang akar kasar), tiga sifat fisiologis dan biokimia (kebocoran elektrolit relatif dalam pucuk, kandungan klorofil a, kandungan Ca2+ pucuk) dan dua sifat gen (ekspresi gen GmHKT1;4 dalam pucuk dan akar) (Tabel 5). Komponen ketiga (PC3), yang mencakup 7,37% dari total variasi, dipengaruhi oleh lima sifat fenotipik (panjang akar total, massa kering pucuk, panjang akar di bagian atas dan bawah, dan panjang akar sedang) dan ekspresi gen GmERF8 di pucuk (Tabel 5).
4 Pembahasan
Genotipe kedelai dengan sistem akar yang berbeda menunjukkan variasi yang nyata dalam responsnya terhadap stres salin-basa selama pertumbuhan awal. Kami mencatat perbedaan substansial dalam sifat bibit di delapan genotipe kedelai di bawah dua tingkat salin-basa, dengan sebagian besar nilai sifat menunjukkan tren penurunan (kecuali untuk diameter akar dan rasio alokasi biomassa (atas/bawah)) (Tabel 3, S3 dan S6). Temuan ini menunjukkan beragam mekanisme toleransi salin-basa di antara genotipe kedelai yang dicirikan oleh berbagai ukuran sistem akar
4.1 Efek Stres Garam-Basa pada Ciri Tunas dan Akar
Kedelai, tanaman yang sensitif terhadap kondisi garam-basa, sering mengalami pengurangan panjang hipokotil dan massa kering tunas yang signifikan di bawah tekanan tersebut (Tabel 3, S3), yang umumnya terkait dengan ketidakseimbangan nutrisi yang disebabkan garam-basa (Shabala dan Cuin 2008). Stres garam-basa biasanya mengurangi massa kering tunas dengan menghambat fotosintesis dan mengganggu penyerapan ion esensial, sehingga membatasi akumulasi zat di tunas (Bose et al. 2017; Munns et al. 2020). Dalam penelitian kami, sementara massa kering pucuk genotipe Nannong 26 (toleran, sistem akar besar) dan NJP580 (toleran, sistem akar kecil) mengalami sedikit penurunan, genotipe NJP020 (sensitif, sistem akar besar) dan NJP436 (sensitif, sistem akar kecil) menunjukkan penurunan yang signifikan (Gambar 2; Tabel S1, S3, dan S6).
Sebagai antarmuka utama dengan lingkungan yang penuh tekanan, pertumbuhan akar sering kali terhambat (Wang et al. 2020b; Fang et al. 2021). Dalam penelitian kami, semua sifat akar secara umum menunjukkan tren penurunan kecuali untuk diameter akar dan rasio alokasi biomassa (atas/bawah) (Gambar 8; Tabel S6). Khususnya, diameter akar meningkat untuk genotipe Nannong 26, NJP580, dan NJP436, sedangkan diameter akar menurun untuk genotipe NJP020 (Tabel S6). Menariknya, persentase pengurangan panjang akar kasar pada genotipe NJP580 adalah 8,1 kali lebih besar daripada yang ada pada genotipe Nannong 26 (Tabel S3). Dengan penurunan panjang akar total, baik massa kering akar maupun luas permukaan akar menurun (Gambar 6). Pengurangan luas permukaan akar menyebabkan penurunan penyerapan nutrisi, yang selanjutnya menghambat pertumbuhan akar (Amini et al. 2015; Zhang et al. 2017; An et al. 2021). Penurunan panjang akar kasar secara signifikan lebih jelas daripada yang ada pada panjang akar halus, mungkin karena peningkatan pH di bawah tekanan salin-basa, yang memengaruhi pengasaman sel ujung akar, akibatnya menghambat pemanjangan akar (Tabel S3) (Monshausen et al. 2007; Zhang et al. 2017). Selain itu, rasio alokasi biomassa (atas/bawah) menunjukkan tren peningkatan. 4.2 Efek Stres Garam-Basa pada Sifat Fisiologis dan Biokimia
Stres garam-basa dapat menimbulkan kerusakan pada sel tanaman, yang memengaruhi transportasi fotosintesis dan penyerapan nutrisi (Zhang et al. 2017). Dalam penelitian kami, aktivitas enzim antioksidan—APX, SOD, POD, dan CAT—menunjukkan tren menurun pada pucuk dan tren meningkat pada akar untuk genotipe Nannong 26 (toleran, sistem akar besar) dan NJP580 (toleran, sistem akar kecil). Namun, untuk Genotipe NJP436 (sensitif, sistem akar kecil) dan NJP020 (sensitif, sistem akar besar), aktivitas APX, SOD, dan POD menunjukkan tren yang sama pada pucuk dan akar, sementara aktivitas CAT menunjukkan tren yang berlawanan antara pucuk dan akar (Tabel S6; Gambar 8). Menariknya, kebocoran elektrolit relatif pada pucuk sangat berkorelasi dengan massa kering akar dan panjang akar kasar (Gambar 6). Fenomena ini mungkin disebabkan oleh kerusakan oksidatif yang disebabkan oleh stres salin-basa, dengan akar mengalami kerusakan yang lebih parah daripada pucuk. Selain itu, kebutuhan akan sistem pertahanan enzimatik lebih tinggi pada akar daripada pada pucuk. Stres salin-basa kemungkinan meningkatkan aktivitas enzim antioksidan pada akar untuk menetralkan spesies oksigen reaktif dan melawan stres oksidatif. Ketika kebocoran elektrolit relatif meningkat di bawah stres salin-basa, kerusakan membran sel tanaman memburuk, yang menyebabkan penurunan massa kering akar dan peningkatan panjang akar kasar. Genotipe Nannong 26 menunjukkan membran sel pucuk yang paling rusak, dengan kerusakan membran sel akar yang kurang parah dibandingkan dengan genotipe lainnya. Toleransi salin-basa mungkin terkait dengan ekspresi berlebihan gen GmHKT1;4 pada pucuk yang berfungsi dalam pengambilan Na+ dari pucuk (Gambar 8; Tabel S6).
Stres salin-basa diketahui menghambat fotosintesis tanaman (Munns et al. 2020). Klorofil a sangat penting dalam fotosistem (León-Chan et al. 2017). Dalam penelitian kami, kadar klorofil a, klorofil b, dan karotenoid menurun pada genotipe yang toleran dan sensitif, kecuali kadar karotenoid pada genotipe sensitif (Tabel S6). Klorofil a menunjukkan korelasi positif yang kuat dengan klorofil b dan rasio Na+/K+ pucuk (Gambar 6). Fenomena ini mungkin disebabkan oleh genotipe sensitif NJP436 dan NJP020 yang merespons stres salin-alkali dengan meningkatkan kandungan karotenoid. Karotenoid berfungsi sebagai antioksidan nonenzimatik dan dapat membantu tanaman mengurangi kerusakan oksidatif. Konsentrasi Na+ yang tinggi memengaruhi penyerapan K+, yang selanjutnya memengaruhi pengangkutan produk fotosintesis, yang menyebabkan daun menguning dan menyusut serta akhirnya memengaruhi fotosintesis (Bose et al. 2017). Stres salin-alkali menghambat pertumbuhan akar, sehingga mengakibatkan penurunan penyerapan nutrisi langsung akibat kerusakan akar (Chen et al. 2017). Dalam penelitian kami, total kandungan gula terlarut dan kandungan selulosa meningkat.
4.3 Efek Stres Garam–Alkali pada Kandungan Ca2+ dan Kebocoran K+
Kalsium (Ca2+) memainkan peran penting dalam proses struktural, metabolisme, dan pensinyalan (Demidchik et al. 2018). Suplementasi Ca2+ dapat mengurangi efek buruk stres garam–alkali pada hasil panen (Shabala dan Cuin 2008). Kalsium dikenal sebagai penghambat kuat saluran kation nonselektif (NSCC), jalur utama penyerapan Na+ oleh akar (Demidchik et al. 2002; Wu et al. 2023), serta mencegah kebocoran K+ yang dimediasi NSCC (Shabala et al. 2005). Akibatnya, peningkatan penyerapan Ca2+ dapat membantu mengurangi rasio Na+/K+ sitoplasma. Dalam penelitian kami, kandungan Ca2+ menurun pada semua genotipe kecuali genotipe Nannong 26 (sistem perakaran besar yang toleran) (Gambar 5; Tabel S6). Selain itu, kandungan Ca2+ berkorelasi kuat dengan massa kering akar (Gambar 6). Fenomena ini mungkin disebabkan oleh genotipe kedelai dengan sistem perakaran besar yang mampu meredakan stres salin-alkali dengan meningkatkan penyerapan Ca2+.
Kemampuan sel untuk mencegah kebocoran K+ yang disebabkan oleh Na+ berfungsi sebagai ukuran toleransi salin-alkali (Chen et al. 2005; Shabala dan Cuin 2008). Lebih jauh lagi, K+ merupakan nutrisi penting bagi tanaman, yang diperlukan untuk regulasi sel pH, volume, dan transpor elektron dalam kloroplas (Zhao et al. 2020). Dalam penelitian kami, kandungan K+ menurun pada semua genotipe kecuali genotipe NJP580 (toleran, sistem perakaran kecil) (Gambar 5; Tabel S6). Fenomena ini mungkin disebabkan oleh genotipe kedelai dengan sistem perakaran kecil yang mampu meredakan stres salin-alkali dengan meningkatkan penyerapan K+.
4.4 Efek Stres Garam-Basa pada Ekspresi Gen
Dalam penelitian kami, pada ukuran akar yang sama, ekspresi GmHKT1;4 dan GmERF8 pada pucuk, dan ekspresi GmPLMT dan GmWRKY12 pada akar meningkat pada genotipe toleran. Selain itu, kecuali GmNHX1, ekspresi lima gen menunjukkan korelasi kuat dengan sifat akar, kandungan ion pada pucuk (Ca2+, Na+ dan K+) dan kandungan klorofil b. Fenomena yang diamati dapat dijelaskan sebagai berikut: peningkatan ekspresi GmHKT1;4 pada pucuk dan ekspresi GmPLMT pada akar dapat meningkatkan toleransi garam-basa pada genotipe Nannong 26 (sistem akar besar yang toleran). Sebaliknya, peningkatan ekspresi GmERF8 pada pucuk dan ekspresi GmWRKY12 pada akar dapat meningkatkan toleransi garam-basa pada genotipe NJP580 (sistem akar kecil yang toleran). Peningkatan ekspresi GmHKT1;4 memengaruhi akumulasi Na+ di pucuk, yang selanjutnya meningkatkan toleransi salin-basa genotipe Nannong 26 (Demidchik et al. 2002; Shabala et al. 2005; Chen et al. 2014). Dalam lingkungan yang tertekan salin-basa, pH yang tinggi mengganggu integritas membran sel, menurunkan vitalitas akar, dan memengaruhi fungsi fotosintesis. Peningkatan ekspresi GmPLMT di pucuk dan akar dapat meningkatkan stabilitas sel, yang berkontribusi pada toleransi salin-basa genotipe Nannong 26. Karena regulasi gen merupakan proses yang kompleks dan respons tanaman terhadap lingkungan stres akan dihasilkan dari regulasi beberapa gen, peningkatan regulasi GmPLMT dalam genotipe NJP436 (sensitif, sistem akar kecil) dapat menunjukkan bahwa gen ini mungkin tidak penting dalam mengatur toleransi salin-basa dalam genotipe sistem akar kecil. Peningkatan ekspresi GmERF8 pada pucuk mempercepat kematian sel terprogram pada sel-sel tertentu. Setelah sel mati, aliran keluar cairan seluler memfasilitasi pemeliharaan homeostasis ion dan stabilitas pH, sehingga meningkatkan toleransi salinitas–alkali pada genotipe NJP580. Selain itu, peningkatan ekspresi GmWRKY12 pada akar mendorong aktivitas enzim antioksidan, membantu ketahanan terhadap stres oksidatif dan meningkatkan toleransi salinitas–alkali pada genotipe NJP580.
5 Kesimpulan
Penelitian ini menemukan perbedaan genotipe di antara delapan varietas kedelai dan menyelidiki mekanisme toleransi salinitas–alkali yang digunakan oleh genotipe kedelai dengan sistem akar yang berbeda ketika mengalami stres salinitas–alkali selama tahap pertumbuhan awal. Strategi untuk toleransi salinitas–alkali bervariasi di antara genotipe kedelai ini. Perubahan pada sifat morfologi akar, khususnya massa kering akar, panjang akar halus, dan rasio alokasi biomassa atas ke bawah, kemungkinan besar akan memengaruhi kinerja tanaman secara signifikan dalam kondisi salin-alkali. Genotipe kedelai Nannong 26, yang dicirikan oleh sistem perakaran besar, tampaknya mengurangi stres dengan menambah akumulasi Ca2+ dan meningkatkan ekspresi gen GmHKT1;4 pada pucuk dan gen GmPLMT pada akar. Sebaliknya, genotipe kedelai NJP580, dengan sistem perakaran kecil, mencapai hal ini dengan meningkatkan akumulasi K+ dan meningkatkan ekspresi GmERF8 pada pucuk dan GmWRKY12 pada akar. Investigasi di masa mendatang akan melibatkan penggambaran toleransi salin-alkali pada spektrum genotipe yang lebih luas untuk mendapatkan wawasan yang lebih mendalam tentang
Leave a Reply