Effect of a new antitranspirant on the physiology and water use efficiency of soybean under different irrigation rates in an arid region

Abstract

Antitranspirants are exogenous substances applied to leaves to reduce luxury transpiration by regulating stomatal conductance to increase water use efficiency (WUE). A cheap and environmentally-friendly antitranspirant, FZ, was newly developed, extracted mainly from Alhagi sparsifolia. Its effects on soybean water use were investigated in a field experiment using the locally-used irrigation rate and a low irrigation rate (The lower and upper limit of irrigation is 40%–70% of field capacity). Foliar application of FZ and measurement of leaf physiological characteristics, final biomass, seed yield and water use efficiency were carried out during the pod bearing and pod filling stages of drip-irrigated soybean with film-mulching. Under the low irrigation rate, leaf stomatal conductance (g_s) and transpiration rate (Tr) decreased significantly by 7 d after spraying, but photosynthesis (Pn) and instantaneous water use efficiency (WUE_in) were not significantly affec ted. The stomatal frequency, stomatal aperture, g_s, Tr and Pn decreased by 1 d after spraying, without significantly increasing WUE_in. However, applying FZ during the pod bearing and pod filling stages did not significantly affect the final biomass, water consumption, seed yield and WUE of soybean. Under the locally-used irrigation rate, applying FZ increased the activities of superoxide dismutase and peroxidase in the leaves by 38% and 33%, respectively, but did not significantly affect g_s, Tr, Pn, stomatal aperture and stomatal frequency. Applying FZ three times during pod bearing and pod filling stages enhanced seed yield and WUE by 24% and 21%, respectively, but did not significantly affect the final biomass and water consumption. Therefore, seed yield and WUE of soybean were significantly increased by foliar application of FZ during the pod bearing and pod filling stages under the locally-used irrigation rate in arid region, but applying FZ did not have a positive effect on water use efficiency of soybean under a low irrigation rate.

Keywords

antitranspirant / soybean / water deficit / leaf gas exchange / enzymes activities / water consumption / seed yield

References

[1] Kang S, Hao X, Du T, Tong L, Su X, Lu H, Li X, Huo Z, Li S, Ding R. Improving agricultural water productivity to ensure food security in China under changing environment: from research to practice. Agricultural Water Management, 2017, 179: 5–17

[2] Jones H. Crop characteristics and the ratio between assimilation and transpiration. Journal of Applied Ecology, 1976, 13(2): 605–622

[3] Hafez E, Gharib H. Effect of exogenous application of ascorbic acid on physiological and biochemical characteristics of wheat under water stress. International Journal of Plant Production, 2016, 10(4): 579–596

[4] Farooq M, Basra S, Wahid A, Ahmad N, Saleem B. Improving the drought tolerance in rice (Oryza sativa L.) by exogenous application of salicylic acid. Journal Agronomy & Crop Science, 2009, 195(4): 237–246

[5] Zhou B, Guo Z, Liu Z. Effects of abscisic acid on antioxidant systems of Stylosanthes guianensis (Aublet) Sw. under chilling stress. Crop Science, 2005, 45(2): 599–605

[6] Hayat Q, Hayat S, Irfan M, Ahmad A. Effect of exogenous salicylic acid under changing environment: a review. Environmental and Experimental Botany, 2010, 68(1): 14–25

[7] Ashraf M, Foolad M. Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environmental and Experimental Botany, 2007, 59(2): 206–216

[8] Hayat S, Ahmad A. Salicylic acid: a plant hormone. Dordrecht: Springer Netherlands, 2007

[9] Zhang X, Zhang X, Liu X, Shao L, Sun H, Chen S. Improving winter wheat performance by foliar spray of ABA and FA under water deficit conditions. Journal of Plant Growth Regulation, 2016, 35(1): 83–96

[10] Weerasinghe M, Kettlewell P, Grove I, Hare M. Evidence for improved pollen viability as the mechanism for film antitranspirant mitigation of drought damage to wheat yield. Crop & Pasture Science, 2016, 67(2): 137–146

[11] Park S, Mills S, Moon Y, Waterland N. Evaluation of antitranspirants for enhancing temporary water stress tolerance in bedding plants. HortTechnology, 2016, 26(4): 444–452

[12] Faralli M, Grove I, Hare M, Boyle R, Williams K, Corke F, Kettlewell P. Canopy application of film antitranspirants over the reproductive phase enhances yield and yield-related physiological traits of water-stressed oilseed rape (Brassica napus). Crop & Pasture Science, 2016, 67(7): 751–765

[13] Fanourakis D, Giday H, Li T, Kambourakis E, Ligoxigakis E, Papadimitriou M, Strataridaki A, Bouranis D, Fiorani F, Heuvelink E, Ottosen C. Antitranspirant compounds alleviate the mild-desiccation-induced reduction of vase life in cut roses. Postharvest Biology and Technology, 2016, 117: 110–117

[14] Brillante L, Belfiore N, Gaiotti F, Lovat L, Sansone L, Poni S, Tomasi D. Comparing kaolin and pinolene to improve sustainable grapevine production during drought. PLoS ONE, 2016, 11(6): e0156631

[15] Willmer C, Fricker M. Stomata. London: Springer Science & Business Media, 1996

[16] Gubbels G. Yield and weight per seed in buckwheat after foliar applications of growth-regulators and antitranspirants. Canadian Journal of Plant Science, 1979, 59(3): 857–859

[17] Santakumari M, Reddy C, Das V. Alachlor: a new potent antitranspirant on maize plants. In: Proceedings of the Indian Academy of Sciences-Section B. India: Springer, 1977, 143–150

[18] Wellburn A R, Ogunkanmi A B, Fenton R, Mansfield T A. All-trans-farnesol: a naturally occurring antitranspirant? Planta, 1974, 120(3): 255–263

[19] Mansfield T. Stomatal behaviour following treatment with auxin-like substances and phenylmercuric acetate. New Phytologist, 1967, 66(3): 325–330

[20] Fuehring H. Effect of antitranspirants on yield of grain sorghum under limited irrigation. Agronomy Journal, 1973, 65(3): 348–351

[21] Davenport D C, Fisher M A, Hagan R M. Some counteractive effects of antitranspirants. Plant Physiology, 1972, 49(5): 722–724

[22] Majbenik O. Responses of stomata of barley and maize to phenylmercuric acetate. Biologia Plantarum, 1970, 12(6): 419–423

[23] Pasternak D. Some factors responsible for varying effectiveness of stomatal closing antitranspirants. Animal Production Science, 1971, 11(48): 48–52

[24] Patil B, De R. Studies on the effect of nitrogen fertilizer, row spacing and use of antitranspirants on rapeseed (Brassica campestris) grown under dryland conditions. Journal of Agricultural Science, 1978, 91(2): 257–264

[25] Srinivasa Rao N. The effects of antitranspirants on leaf water status, stomatal resistance and yield in tomato. Journal of Horticultural Science, 1985, 60(1): 89–92

[26] Possingham J, Kerridge G, Bottrill D. Studies with antitranspirants on grapevines (Vitis vinifera var. sultana). Crop & Pasture Science, 1969, 20(1): 57–64

[27] Khan W, Prithiviraj B, Smith D L. Photosynthetic responses of corn and soybean to foliar application of salicylates. Journal of Plant Physiology, 2003, 160(5): 485–492

[28] Arfan M, Athar H R, Ashraf M. Does exogenous application of salicylic acid through the rooting medium modulate growth and photosynthetic capacity in two differently adapted spring wheat cultivars under salt stress? Journal of Plant Physiology, 2007, 164(6): 685–694

[29] Hayat S, Hasan S, Fariduddin Q, Ahmad A. Growth of tomato (Lycopersicon esculentum) in response to salicylic acid under water stress. Journal of Plant Interactions, 2008, 3(4): 297–304

[30] Travaglia C, Reinoso H, Cohen A, Luna C, Tommasino E, Castillo C, Bottini R. Exogenous ABA increases yield in field-grown wheat with moderate water restriction. Journal of Plant Growth Regulation, 2010, 29(3): 366–374

[31] Weaver G, van Iersel M. Antitranspirational efficacy and longevity of abscisic acid and a synthetic abscisic acid analog in pansies (Viola  × wittrockiana). HortScience, 2014, 49(6): 779–784

[32] Tucker D J, Mansfield T A. A simple bioassay for detecting “antitranspirant” activity of naturally occurring compounds such as abscisic acid. Planta, 1971, 98(2): 157–163

[33] Ogunkanmi A, Tucker D, Mansfield T. Improved bio-assay for abscisic acid and other antitranspirants. New Phytologist, 1973, 72(2): 277–282

[34] Liu L, Cang J, Yu J, Wang X, Huang R, Wang J, Lu B. Effects of exogenous abscisic acid on carbohydrate metabolism and the expression levels of correlative key enzymes in winter wheat under low temperature. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2013, 77(3): 516–525

[35] Berkowitz G A, Rabin J. Antitranspirant associated abscisic acid effects on the water relations and yield of transplanted bell peppers. Plant Physiology, 1988, 86(2): 329–331

[36] Iriti M, Picchi V, Rossoni M, Gomarasca S, Ludwig N, Gargano M, Faoro F. Chitosan antitranspirant activity is due to abscisic acid-dependent stomatal closure. Environmental and Experimental Botany, 2009, 66(3): 493–500

[37] Shinohara T, Leskovar D. Effects of ABA, antitranspirants, heat and drought stress on plant growth, physiology and water status of artichoke transplants. Scientia Horticulturae, 2014, 165: 225–234

[38] Travaglia C, Cohen A, Reinoso H, Castillo C, Bottini R. Exogenous abscisic acid increases carbohydrate accumulation and redistribution to the grains in wheat grown under field conditions of soil water restriction. Journal of Plant Growth Regulation, 2007, 26(3): 285–289

[39] Goreta S, Leskovar D, Jifon J. Gas exchange, water status, and growth of pepper seedlings exposed to transient water deficit stress are differentially altered by antitranspirants. Journal of the American Society for Horticultural Science, 2007, 132(5): 603–610

[40] Seki M, Umezawa T, Urano K, Shinozaki K. Regulatory metabolic networks in drought stress responses. Current Opinion in Plant Biology, 2007, 10(3): 296–302

[41] Russo V, Diaz-Perez J. Kaolin-based particle film has no effect on physiological measurements, disease incidence or yield in peppers. HortScience, 2005, 40(1): 98–101

[42] Cantore V, Pace B, Albrizio R. Kaolin-based particle film technology affects tomato physiology, yield and quality. Environmental and Experimental Botany, 2009, 66(2): 279–288

[43] Boari F, Donadio A, Pace B, Schiattone M, Cantore V. Kaolin improves salinity tolerance, water use efficiency and quality of tomato. Agricultural Water Management, 2016, 167: 29–37

[44] Abou‐Khaled A, Hagan R, Davenport D. Effects of kaolinite as a reflective antitranspirant on leaf temperature, transpiration, photosynthesis, and water‐use efficiency. Water Resources Research, 1970, 6(1): 280–289

[45] Palliotti A, Panara F, Famiani F, Sabbatini P, Howell G, Silvestroni O, Poni S. Postveraison application of antitranspirant di-1-p-menthene to control sugar accumulation in sangiovese grapevines. American Journal of Enology and Viticulture, 2013, 64(3): 378–385

[46] del Amor F M, Cuadra-Crespo P, Walker D J, Cámara J M, Madrid R. Effect of foliar application of antitranspirant on photosynthesis and water relations of pepper plants under different levels of CO₂ and water stress. Journal of Plant Physiology, 2010, 167(15): 1232–1238

[47] Ludwig N, Cabrini R, Faoro F, Gargano M, Gomarasca S, Iriti M, Picchi V, Soave C. Reduction of evaporative flux in bean leaves due to chitosan treatment assessed by infrared thermography. Infrared Physics & Technology, 2010, 53(1): 65–70

[48] Abdullah A, Aziz M, Siddique K, Flower K. Film antitranspirants increase yield in drought stressed wheat plants by maintaining high grain number. Agricultural Water Management, 2015, 159: 11–18

[49] Mohawesh O, Al-Absi K, Tadros M. Effect of antitranspirant application on physiological and biochemical parameters of three orange cultivars grown under progressive water deficit. Advances in Horticultural Science, 2010, 24(3): 183–194

[50] Kettlewell P, Heath W, Haigh I. Yield enhancement of droughted wheat by film antitranspirant application: rationale and evidence. Agricultural Sciences, 2010, 1(3): 143–147

[51] Weerasinghe M, Kettlewell P, Grove I, Hare M. Physiological mechanisms underlying the yield increase of droughted wheat from film antitranspirant application. Aspects of Applied Biology, 2010, (105): 25–29

[52] Kettlewell P. Waterproofing wheat-a re-evaluation of film antitranspirants in the context of reproductive drought physiology. Outlook on Agriculture, 2014, 43(1): 25–29

[53] Khalil S, Hussein M, Da Silva J. Roles of antitranspirants in improving growth and water relations of Jatropha curcas L. grown under water stress conditions. Plant Stress, 2012, 6(1): 49–54

[54] Moftah A, Al-Humaid A R. Effects of antitranspirants on water relations and photosynthetic rate of cultivated tropical plant (Polianthes tuberosa L.). Polish Journal of Ecology, 2005, 53(2): 165–175

[55] Ran H, Kang S, Li F, Tong L, Ding R, Du T, Li S, Zhang X. Performance of AquaCrop and SIMDualKc models in evapotranspiration partitioning on full and deficit irrigated maize for seed production under plastic film-mulch in an arid region of China. Agricultural Systems, 2017, 151: 20–32

[56] Ran H, Kang S, Li F, Tong L, Du T. Effects of irrigation and nitrogen management on hybrid maize seed production in north-west China. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2016, 3(1): 55–64

[57] Jiang X, Kang S, Tong L, Li F. Modification of evapotranspiration model based on effective resistance to estimate evapotranspiration of maize for seed production in an arid region of northwest China. Journal of Hydrology, 2016, 538: 194–207

[58] Agboma P, Sinclair T, Jokinen K, Peltonen-Sainio P, Pehu E. An evaluation of the effect of exogenous glycinebetaine on the growth and yield of soybean: timing of application, watering regimes and cultivars. Field Crops Research, 1997, 54(1): 51–64

[59] Weyers J, Johansen L. Accurate estimation of stomatal aperture from silicone rubber impressions. New Phytologist, 1985, 101(1): 109–115

[60] Li H. Experimental guidance for plant physiology. Beijing: Higher Education Press, 2000 (in Chinese)

[61] Mao H. Research of soybean water requirement and schedule with drip irrigation. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(5): 112–117 (in Chinese)

[62] Evans J. Photosynthesis and nitrogen relationships in leaves of C₃ plants. Oecologia, 1989, 78(1): 9–19

[63] Bowler C, Montagu M, Inze D. Superoxide dismutase and stress tolerance. Annual Review of Plant Biology, 1992, 43(1): 83–116

Acknowledgements

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51621061, 91425302) and the 111 Program of The Discipline Innovative Engineering Plan (B14002).

Compliance with ethics guidelines

Shasha Ji, Ling Tong, Fusheng Li, Hongna Lu, Sien Li, Taisheng Du, and Youjie Wu declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)