Polyamines of cotton during reproductive development

Abstract

Cotton (Gossypium hirsutum L.) is a major industrial crop grown for fiber, fuel, and feed, but suffers from sensitivity to high temperature stress during the reproductive development. The number of seeds per boll is a basic component of cotton yield and fiber quality. Polyamines are intimately involved in the successful reproductive development of many crops and are reputed to play an important role in flowering, pollination and early fruit development in horticulture plants but limited information exists for cotton. The objectives of this study were firstly to investigate the nodal distribution of polyamines in a cotton plant, secondly to examine the effect of exogenous application of putrescine on polyamine concentration and seed set of cotton ovaries under high temperature stress, and finally to investigate the effect of a commercially used plant growth regulator on polyamines and seed set efficiency of three cotton genotypes (FM960BR, DP444BR, and ST5599BR). Two field studies in Marianna, AR in 2005 and 2006 revealed that individual polyamines have a distinct nodal distribution pattern up the main-stem of the cotton plant that correlates with yield development in the plant. Among the cotton genotypes tested the differences in ovarian polyamine content were limited with only the FM960BR having higher polyamine content but this was not consistent from year to year. In addition, two growth chamber studies were conducted using the cotton cultivar DP444BR to investigate the effect of high temperature and exogenous application on polyamine concentration and seed set of cotton. Exogenous application of putrescine was shown to significantly increase putrescine concentration in cotton ovaries, while high temperature (38oC) caused a significant reduction in ovarian spermidine and spermine content but not putrescine, compared to the control (30oC). Exogenous application of putrescine can partly ameliorate the negative effects of extreme temperatures and significantly increase the total seed number of the crop. Finally, two field studies in Marianna, AR in 2005 and 2006 investigated the effect of the plant growth regulator BM86, that is reputed to enhance polyamine biosynthesis, on polyamine content and seed set efficiency of the cotton cultivars FM960BR, DP444BR, and ST5599BR. Application of BM86 significantly increased putrescine and spermidine content of cotton ovaries and significantly increased the total seed number. The small differences detected in ovarian polyamine content among the current commercial cultivars used can be attributed to the narrow genetic pool from where the current cotton genotypes are derived.

Το βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.) είναι μια σημαντική βιομηχανική καλλιέργεια που καλλιεργείται για φυτικές ίνες, καύσιμα και ζωοτροφές, αλλά παρουσιάζει ευαισθησία στο στρες υψηλής θερμοκρασίας κατά την αναπαραγωγική ανάπτυξη. Ο αριθμός των σπόρων ανά καρύδι είναι βασικό συστατικό της απόδοσης του βαμβακιού και της ποιότητας των ινών. Οι πολυαμίνες συμμετέχουν ενεργά στην επιτυχή αναπαραγωγική ανάπτυξη πολλών καλλιεργειών και φημολογείται ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανθοφορία, την επικονίαση και την ανάπτυξη πρώιμων καρπών σε φυτά κηπευτικών, αλλά υπάρχουν περιορισμένες πληροφορίες για το βαμβάκι. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν αρχικά η διερεύνηση της κατανομής των πολυαμινών ανα κόμβο στο φυτό βαμβακιού, δεύτερον το πως επηρεάζεται η συγκέντρωση των πολυαμινών και το σύνολο των σπόρων που παράγονται, μετά από εξωγενή εφαρμογή πουτρεσκίνης και τέλος η διερεύνηση της επίδρασης ενός εμπορικά χρησιμοποιούμενου ρυθμιστής ανάπτυξης φυτών στη συγκέντρωση των πολυαμινών αλλά και στο σύνολο των σπόρων που παράγονται σε τρείς γονότυπους βαμβακιού (FM960BR, DP444BR και ST5599BR). Δύο μελέτες στο πεδίο που πραγματοποιήθηκαν στη Mαριανα, Aρκάνσας το 2005 και το 2006 αποκάλυψαν ότι μεμονωμένες πολυαμίνες έχουν ένα διακριτό μοτίβο κατανομής στο κύριο στέλεχος του φυτού βαμβακιού που συσχετίζεται με την ανάπτυξη της απόδοσης στο φυτό. Μεταξύ των γονότυπων βαμβακιού που δοκιμάστηκαν, οι διαφορές στην περιεκτικότητα σε πολυαμίνη των ωοθηκών ήταν περιορισμένες με μόνο το FM960BR να έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε πολυαμίνη, αλλά αυτό δεν ήταν συνεπές από έτος σε έτος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν δύο μελέτες θαλάμου ανάπτυξης χρησιμοποιώντας την ποικιλία βαμβακιού DP444BR για τη διερεύνηση της επίδρασης της υψηλής θερμοκρασίας και της εξωγενούς εφαρμογής πουτρεσκίνης στη συγκέντρωση πολυαμίνων και το σύνολο σπόρων βαμβακιού. Η εξωγενής εφαρμογή της πουτρεσκίνης φάνηκε να αυξάνει σημαντικά τη συγκέντρωση της πουτρεσίνης στις ωοθήκες του βαμβακιού, ενώ η υψηλή θερμοκρασία (38oC) προκάλεσε σημαντική μείωση της περιεκτικότητας σε σπερμιδίνη και σπερμίνη των ωοθηκών αλλά όχι σε πουτρεσκίνη, σε σύγκριση με τον έλεγχο (30oC). Η εξωγενής εφαρμογή της πουτρεσίνης μπορεί να βελτιώσει εν μέρει τις αρνητικές επιπτώσεις των ακραίων θερμοκρασιών και να αυξήσει σημαντικά τον συνολικό αριθμό σπόρων της καλλιέργειας. Τέλος, δύο μελέτες πεδίου στη Mαριανα, Aρκάνσας το 2005 και το 2006 διερεύνησαν την επίδραση του ρυθμιστή ανάπτυξης φυτών BM86, που φημίζεται ότι ενισχύει τη βιοσύνθεση πολυαμίνης, στην περιεκτικότητα σε πολυαμίνη και στην αποτελεσματικότητα του συνόλου των σπόρων των ποικιλιών βαμβακιού FM960BR, DP444BR, και ST5599. Η εφαρμογή του BM86 αύξησε σημαντικά την περιεκτικότητα σε πουτρεσκίνη και σπερμιδίνη των ωοθηκών βαμβακιού και αύξησε σημαντικά τον συνολικό αριθμό σπόρων. Οι μικρές διαφορές που ανιχνεύονται στην περιεκτικότητα σε πολυαμίνη των ωοθηκών μεταξύ των σημερινών εμπορικών ποικιλιών που χρησιμοποιούνται μπορούν να αποδοθούν στη στενή γενετική δεξαμενή από όπου προέρχονται οι σημερινοί γονότυποι βαμβακιού.