Physiological response to drought stress of common bean (Phaseolus vulgaris L.) genotypes differing in drought resistance

Abstract

Drought stress is a major constraint to common bean (Phaseolus vulgaris L.) production worldwide. Understanding the physiological basis of drought resistance may help to target the key traits that limit yield of the crop under drought situations. The objective of this study was to test the hypotheses that I) differences exist in biomass accumulation, yield and water-use efficiency among common bean cultivars developed for wider agro-ecological adaptation and inbred lines selected for specific adaptation to drought situations when subjected to drought stress; II) a drought-resistant genotype has a higher sink strength than a susceptible genotype and the difference between the genotypes is related to the ability to maintain assimilate synthesis and availability of assimilates for metabolism in the reproductive sink organs under drought stress; III) drought stress induces higher accumulation of ABA in sink leaves of a drought-susceptible genotype than in the leaves of a resistant genotype; and IV) relative to non-stressed plants, drought stress alters the protein pattern in a mature bean leaf. Three adapted cultivars and three inbred lines of common bean were initially screened to assess seed yield-based drought resistance and water-use efficiency of the genotypes. A drought-resistant (SEA 15) and a susceptible genotype (Brown Speckled) were selected and used for subsequent experiments carried out thereafter. Drought stress was initiated at different growth stages (vegetative or reproductive phases) by withholding the amount of water applied in order to keep the moisture level at about 30% of the maximum water-holding capacity (WHC) of the soil. For control treatments, the soil moisture was maintained at 70% of the maximum WHC. Parameters related to growth, yield, water-use efficiency, leaf-water relations, gas-exchange, seed sink size, and the concentration of assimilates in various source and sink organs were determined. Changes in mature leaf proteins due to drought stress imposed during the vegetative phase were detected using 2D gel electophoresis. Drought stress initiated during the reproductive phase significantly reduced the seed yields of the tested genotypes. However, seed yield reductions owing to the stress imposed were considerably higher for the old adapted cultivars than for the inbred lines selected for specific adaptation to drought conditions. With ca. 30 and 53% decrease in seed yield, SEA 15 and Brown Speckled were the most drought-resistant and susceptible genotypes, respectively. Drought stress initiated during different growth phases of the crop adversely affected biomass accumulation, although apparent genotypic differences were lacking. However, the harvest index of the drought-susceptible genotype (Brown Speckled) was reduced by about 29% due to drought, whereas that of SEA 15 remained unaffected. The maintenance of higher sink strength (larger numbers of pods and seeds per plant) under drought stress of SEA 15 was partly contributed by the higher efficiency of the genotype to remobilize biomass from vegetative parts to reproductive organs. SEA 15 maintained higher water-use efficiency (WUE) than Brown Speckled when subjected to drought stress. Relatively smaller transpiration rate (less water consumption), efficient stomatal regulation, faster vegetative biomass accumulation and higher seed yield production accounted for the observed higher WUE of the drought-resistant genotype. These features may confer a fitness advantage for drought-resistant inbred lines over drought-susceptible cultivars under drought conditions. Drought stress commenced at the vegetative as well as reproductive growth phases decreased net photosynthetic rate of the bean genotypes differing in drought resistance. Drought-induced stomatal closure (limited availability of CO2) was the main factor responsible for the reduced carbon assimilation rate of both genotypes, although there was evidence of non-stomatal inhibition of photosynthesis for the drought-susceptible genotype. During the vegetative phase, drought-induced reductions in A corresponded with the decreases in leaf sugar concentrations of the bean genotypes. Thus, shortage of assimilate as a consequence of reduced carbon assimilation could be the growth-limiting factor during the vegetative phase. Similarly, drought initiated during the pod-filling stage reduced not only A but also the concentrations of sucrose in the leaves and seeds of Brown Speckled demonstrating that reproductive sink establishment and yield of the susceptible genotype was primarily source-limited. Moreover, higher pod sucrose to hexose sugars ratio found for Brown Speckled demonstrates that the capability to utilize the imported sucrose was inhibited due to drought. Drought stress initiated during the same period did not alter the availability of assimilates for the drought-resistant genotype (SEA 15) both at source and sink levels. The results suggest that at whole plant level of SEA 15, total A is less affected than total carbohydrate demand because the genotype was able to adjust sink demand with source supply under drought conditions. In addition to assimilate synthesis, availability and metabolism, the differences found in drought-induced ABA accumulation and the decrease in pod water concentration could also be responsible for the differential drought-sensitivity of the bean genotypes. Drought stress also negatively affected seed starch accumulation of the bean genotypes mainly through arresting the expansion growth of starch granules (amyloplasts). In summary, although apparent genotypic differences were observed for sink strength under drought stress, the underlying variation in sink establishment and ultimate yield of the bean genotypes reside in the capacity to supply assimilates by the source (source-strength). Drought stress imposed during the vegetative phase of Brown Speckled resulted in the differential expression of ca. 42% of the total leaf proteins detected. Out of these proteins, 1.5% disappeared, 1.8% were newly produced, 23.5% were down-regulated and 15.1% were up-regulated in response to drought. The sizes of the drought-responsive proteins were widely variable. Weltweit ist Dürrestress der stärkste ertragslimitierende Produktionfaktor für die Bohne (Phaseolus vulgaris L.). Das Verständis der physiologischen Grundlagen der Dürreresistenz trägt dazu bei Ertragsminderungen bei Trockenheit zu reduzieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die nachstehenden Hypothesen zu prüfen: I) Bestehen genotypische Unterschiede in der Biomasseproduktion von Bohnensorten und Bohnenlinien, die aufgrund ihrer Biomasseakkumulation und Wassernutzungseffizienz unter Dürre selektiert wurden? II) Hat ein trockenresistenter Genotyp eine größere Sinkkapazität als ein trockenempfindlicher Genotyp, und steht dieser Unterschied zwischen den Genotypen in Zusammenhang zur Assimilatsynthese und zum Vermögen bei Dürrestress die Assimilate in den reproduktiven Sinkorganen zu metabolisieren? III) Verursacht Dürrestress eine höhere Akkumulation von ABA in den Sinkblättern eines dürreempfindlichen Genotyps als in den Sinkblättern eines dürreresistenten Genotyps? IV) Verändert ein Dürrestress das Proteinmuster in einem vollentwickelten Bohnenblatt? Drei angepasste Sorten und drei Linien von Bohnen wurden zuerst selektiert, um eine auf den Samenertrag begründete Dürreresistenz und Wassernutzungseffizienz der Genotypen festzustellen. Für die folgenden Versuche wurde ein dürreresistenter (SEA 15) und ein dürreempfindlicher Genotyp (Brown Speckled) ausgewählt. Dürrestress wurde in verschiedenen Wachstumsphasen (vegetative oder reproduktive Phase) durch Wasserentzug appliziert, so dass die Bodenfeuchte bei ca. 30% von der maximalen Wasserhaltekapazität (WHK) des Bodens lag. In der Kontrolevariante wurde die Bodenfeuchte auf 70% der maximalen WHK eingestellt. Bezogen auf das Wachstum wurden die Parameter Ertrag, Wassernutzungseffizienz, Wassergehalt des Blattes, Gasaustausch, Sink-Größe der Samen und die Assimilat-Konzentration in verschiedenen Organen von Source und Sink bestimmt. Eine mögliche Änderung des Proteinmusters in den vollentwickelten Blättern infolge von Dürrestress wurde mit der 2D- Gelelektrophorese analysiert.Ein während der reproduktiven Phase induzierter Dürrestress führte zur Verminderung der Samenerträge bei den getesteten Genotypen. Die aufgrund von Dürrenstress beobachtete Reduktion im Samenertrag war bei der alten angepassten Sorte stärker ausgeprägt als bei den Inzuchtlinien, die auf Dürreresistenz selektiert worden waren. Mit ca. 30 und 53% Abnahme im Samenertrag war SEA 15 bzw. Brown Speckled der jeweilig dürreresistenteste und dürreempfindlichste Genotyp. Dürrestress, der während der unterschiedlichen Wachstumphasen induziert wurde, beeinflusste die Biomasseakkumulation ungünstig, obwohl deutliche genotypische Unterschiede verlagen. Jedoch wurde der Ernteindex des dürreempfindlichen Genotyps (Brown Speckled) um ungefähr 29% aufgrund von Dürre verringert, während der von SEA 15 unbeeinflusst blieb. Bei Dürrestress trug die Sinkgröße (größere Anzahl von Hülsen und Samen pro Pflanze) von SEA 15 dazu bei, dass Assimilate effizienter aus der vegetativen Biomasse in die reproduktiven Organen verlagert wurden. Bei Dürrestress zeigte SEA 15 eine höhere Wassernutzungseffizienz (WUE) als Brown Speckled. Die höhere WUE von SEA 15 beruhte auf einer kleineren Transpirationsrate (geringer Wasserverbrauch), effizienten Stomataregelung, einem raschen vegetativen Wachstum und einem hohen Samenertrag. Diese Eigenschaften könnten die Dürreresistanz der dürreresistenten Genotypen erklären. Dürrestress, der während der vegetativen sowie reproduktiven Wachstumsphasen induziert wurde, reduzierte die Nettophotosyntheserate (A) der Bohnengenotypen, die sich in der Dürrenresistenz unterschieden. Dürreverursachtes Stomataschließen (limitierende Verfügbarkeit von CO2) war der Hauptfaktor, der für die reduzierte Assimilationsrate beider Genotypen verantwortlich war. Dennoch gab es Hinweise auf eine nicht-stomatäre Hemmung der Photosynthese beim dürreempfindlichen Genotyp. Während der vegetativen Phase stand die durch Dürre bedingte Abnahme von A mit der Reduktion der Blattzuckerkonzentrationen der Bohnengenotypen in Beziehung. Folglich könnte ein Assimilatmangel, der durch eine verminderte CO2-Assimilation bedingt war, ein Grund für die Wachstumshemmung in der vegetativen Phase sein. Dürrestress, der während der Hülsenfüllungsphase induziert wurde, reduziert nicht nur Nettophotosyntheserate, sondern auch die Saccharosekonzentrationen in den Blättern und in den Samen von Brown Speckled. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Anlage von reproduktiven Sinkorganen und der Ertrag des empfindlichen Genotyps hauptsächlich vom Source begrenzt waren. Ferner weist das höhere Verhältnis der Saccharosekonzentration zur Hexosekonzentration in den Hülsen von Brown Speckled daraufhin, dass die Kapazität zur Nutzung von importierter Saccharose durch Trockenheit gehemmt wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei SEA 15, bezogen auf die Gesamtpflanze, Nettophotosyntheserate weniger beeinflusst wurde als der Gesamt-Kolenhydratbedarf. Dieser Genotyp ist in der Lage, die Sinknachfrage durch eine Sourceversorgung auszugleichen. Neben Synthese, Verfügbarkeit und Stoffwechsel von Assimilaten, könnte die Dürreempfindlichkeit der Bohnengenotypen mit einer dürreinduzierten ABA- Akkumulation und einer Abnahme der Hülsenwasserkonzentration erklärt werden. Dürrestress reduzierte die Stärkeakkumulation in den Samen von beiden Bohnengenotypen infolge einer Wachstumshemmung der Stärkekörnchen (Amyloplasten). Zusammenfassend ist festzustellen, dass, obwohl deutliche genotypische Unterschiede in der Sinkgröße unter Dürrestress beobachtet wurden, die Variation in der Sinkanlage und der Ertrag der Bohnengenotypen besonders auf dem Vermögen des Sources beruht Assimilate bereitzustellen (Sourcegröße). Der während der vegetativen Phase von Brown Speckled induzierte Dürrestress führte zu einer differentiellen Expression von ca 42% der bestimmten Blattproteine. Von diesen Proteinen waren 1,5% verschwunden, 1,8% neu synthetisiert, 23,5% herunterreguliert und 15,1% hochreguliert. Die Größe der Proteine, die infolge von Dürre auftraten, war sehr variabel.