Investigation of Root Structures and Comparison Rooting Traits of Capsicum Species

Abstract

Pepper rootstock breeding studies based on strong root improvement are limited. In this study, it is aimed to investigate and compare the root structures of Capsicum annuum, Capsicum chinense and Capsicum baccatum species in interspecific Capsicum spp. rootstock breeding program for pepper. Total of 21 genotypes (4 genotypes C. annum, 9 genotypes C. chinense and 8 genotypes C. baccatum) in three different species were examined. WinRhizo root analysis program was used to examine root architectures of pepper genotypes and to determine rooting levels in detail. The total root length (cm), root surface area (cm2), root volume (cm3), root dry weight (g), average root diameter (mm) that constitute the root system architectures of pepper genotypes were determined. The root characteristics of the C. baccatum and C. chinense species were found to be stronger and superior than the C. annuum species. C. chinense in terms of root length and root surface area and C. baccatum in terms of root volume and dry weight were prominent. According to the properties of root system architecture; CB73 and CB4 genotypes in C. baccatum and CC47, CC61 and CC76 genotypes in C. chinense showed superior performance.

Keywords

• Root system architecture,Capsicum,Rootstock,Selection

Capsicum Türlerinin Kök Yapılarının İncelenmesi ve Kök Özellikleri Yönünden Karşılaştırılması

Abstract

Biber anaç ıslahında güçlü kök sisteminin oluşturulmasına yönelik çeşit ıslah çalışmaları oldukça düşük düzeydedir. Bu çalışmada, aşılı biber anaç ıslahında türler arası melez programında yer alan Capsicum annuum, Capsicum chinense ve Capsicum baccatum türlerine ait biber genotiplerinin kök yapılarının incelenmesi ve köklenme özelliklerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Araştırmada, üç farklı türde toplam 21 genotip (4 genotip C. annuum, 9 genotip C. chinense ve 8 genotip C. baccatum) incelenmiştir. Biber genotiplerinin kök mimarilerinin incelenmesi ve köklenme düzeylerinin ayrıntılı olarak tespit edilmesi amacıyla WinRhizo kök analiz programı kullanılmıştır. Kök analizi sonucunda, biber genotiplerinin kök mimarilerini oluşturan toplam kök uzunluğu (cm), kök yüzey alanı (cm2), kök hacmi (cm3), kök kuru ağırlığı (g), ortalama kök çapı (mm) özellikleri belirlenmiştir. Araştırma sonucunda; C. baccatum ve C. chinense türünün kök özelliklerinin, genel olarak C. annuum türüne göre daha güçlü ve üstün olduğu bulunmuştur. Kök uzunluğu ve kök yüzey alanı yönünden C. chinense, kök hacmi ve kök kuru ağırlığı yönünden ise C. baccatum türü ön plana çıkmıştır. Kök mimarisini oluşturan tüm özellikler birlikte değerlendirildiğinde; C. baccatum türünde CB73 ve CB4 genotipleri ve C. chinense türünde ise CC47, CC61 ve CC76 genotipleri üstün performans göstermişlerdir.

Keywords

• Anaç,Capsicum,Kök mimarisi,Seleksiyon

References

1. Abebe, A.M., Wai, K.P.P., Siddique, M.I., Mo, H.S., Yoo, H.J., Jegal, Y., Byeon, S., Jang, K., Jeon, S., Hwang, J., & Kim, B.S. (2016). Evaluation of Phytophthora root rot-and bacterial wilt-resistant inbred lines and their crosses for use as rootstocks in pepper (Capsicum annuum L.). Horticulture, Environment, and Biotechnology, 57(6), 598-605.
2. Aidoo, M.K., Sherman, T., Ephrath, J.E., Fait, A., Rachmilevitch, S., & Lazarovitch, N. (2018). Grafting as a method to increase the tolerance response of bell pepper to extreme temperatures. Vadose Zone Journal, 17(1), 1-8.
3. Arpacı, B., Ak, A., & Abak, K. (2016). Kök boğazı yanıklığı hastalığına dayanıklı biber (Capsicum annuum L.) melezlerinin anaç performansları. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 26(1), 7-16.
4. Atkinson, D. (2000). Root characteristics: why and what to measure. In A.L. Smit, A.G. Bengough, C. Engels, M. van Noordwijk, S. Pellerin, and S.C. van de Geijin, (eds.), Root Methods: A Handbook (pp.1–32). New York, USA: Springer.
5. Aydın, O. (2006). Biberde farklı aşılama yöntemleri ve anaçların büyüme ve gelişme üzerine etkisi. Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 68 s, Tokat.
6. Aydoğan, A. (2017). Örtüaltı biber (Capsicum annuum L.var. longum cvs “Asi F1” ve “Görkem F1” yetiştiriciliğinde aşılı fide kullanımının bitki gelişimi, verim ve meyve kalitesi üzerine etkileri. Adnan Menderes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 101 s, Aydın.
7. Balkaya, A. (2013). Aşılı karpuz yetiştiriciliğinde meyve kalitesini etkileyen faktörler. TÜRKTOB Türkiye Tohumcular Birliği Dergisi, 2(6), 6-9.
8. Balkaya, A. (2014). Aşılı sebze üretiminde kullanılan anaçlar. TÜRKTOB Türkiye Tohumcular Birliği Dergisi,3(10), 4-7.

9. Bertucci, M.B., Suchoff, D.H., Jennings, K.M., Monks, D.W., Gunter, C.C., Schultheis, J.R., & Louws, F.J. (2018). Comparison of root system morphology of cucurbit rootstocks for use in watermelon grafting. HortTechnology, 28(5), 629-636.
10. Bie, Z., Nawaz, M.A., Huang, Y., Lee, J.M., & Colla, G. (2017). Introduction of vegetable grafting. In: G. Colla, F. Pérez-Alfocea, D. Schwarz (Eds.), Vegetable Grafting: Principles and Practices (pp: 1−21). Wallingford, UK: CABI.
11. Biles, C.I., Martyn, R.D., & Wilson, H.D. (1989). Isozymes and general proteins from various watermelon cultivars and tissue types. HortScience, 24(5), 810-812.
12. Böhm , W. (1979). Methods of Studying Root Systems. New York, USA: Springer-Verlag.
13. Colla, G., Rouphael, Y., Cardarelli, M., Temperini, O., Rea, E., Salerno, A. & Pierandrei, F. (2008). Influence of grafting on yield and fruit quality of pepper (Capsicum annuum L.) grown under greenhouse conditions. Acta Horticulturae, 782, 359–363.
14. Colla, G., Rouphael, Y., Leonardi, C., & Bie, Z. (2010). Role of grafting in vegetable crops grown under saline conditions. Scientia Horticulturae, 127, 147–155.
15. Duan, X., Bi, H.G., Li, T., Wu, G.X., Li, Q.M., & Ai, X.Z. (2017). Root characteristics of grafted peppers and their resistance to Fusarium solani. Biologia Plantarum, 61(3), 579-586.
16. Doñas-Uclés, F., Jiménez-Luna, M., Góngora-Corral, J.A., Pérez-Madrid, D., Verde-Fernández, D., & Camacho-Ferre, F. (2014). Influence of three rootstock on yield and commercial quality of Italian sweet pepper. Ciência e Agrotechnologia, 38 (6), 538-545.
17. Fita, A., Alonso-Valero, I., Andrés, J., Mateu, M.C., & Rodríguez Burruezo, A. (2013). Evaluating Capsicum spp. root architecture under field conditions. Paper presented at the XVth EUCARPIA Capsicum and Eggplant Working Group Meeting, Hungary, pp. 373-376.
18. Gisbert Domenech, M.C., Sánchez-Torres, P., Raigón Jiménez, M., & Nuez Viñals, F. (2010). Phytophthora capsici resistance evaluation in pepper hybrids. Agronomic performance and fruit quality of pepper grafted plants. Journal of Food Agriculture and Environment, 8(1), 116-121.
19. Göçmen, M., Balkaya, A. Kurtar, E.S. Şimşek, İ., & Karaağaç, O. (2014). Kabak (Cucurbita spp.) genetik kaynaklarının hıyar (Cucumis sativus L.) anaç ıslah programında değerlendirilmesi ve yerli hibrit anaçlarının geliştirilmesi. TÜBİTAK-TEYDEB, Proje Sonuç Raporu (311O194), 140s.
20. Greenleaf, W.H. (1956) Inheritance of resistance to tobacco-etch virus in Capsicum frutescens and in Capsicum annuum. Phytopathology, 46, 371-375.
21. Guan, W., & Zhao, X. (2015). Effects of grafting methods and root excision on growth characteristics of grafted muskmelon plants. HortTechnology, 25(6), 706-713.
22. Hennart, J.W. (2017). Capsicum rootstock. U.S. Patent No. 9,683,243. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
23. Jang, Y., Yang, E., Cho, M., Um, Y., Ko, K., & Chun, C. (2012). Effect of grafting on growth and incidence of Phytophthora blight and bacterial wilt of pepper (Capsicum annuum L.). Horticulture, Environment, and Biotechnology, 53(1), 9-19.
24. Jung, J.K.H.M., & McCouch, S.R.M. (2013). Getting to the roots of it: genetic and hormonal control of root architecture. Frontiers in plant science, 186(4), 1-32.
25. Kandemir, D., & Uzun, S. (2019). Farklı ışık ve sıcaklık şartlarının sera biber yetiştiriciliğinde büyüme parametreleri üzerine kantitatif etkilerinin modellenmesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 34(1), 1-11.
26. Karaağaç, O. (2013). Karadeniz bölgesinden toplanan kestane kabağı ve bal kabağı genotiplerinin karpuza anaçlık potansiyellerinin belirlenmesi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, 258 s, Samsun.
27. Karaağaç, O., Balkaya, A. (2013). Interspecific hybridization and hybrid seed yield of winter squash (Cucurbita maxima Duch.) and pumpkin (Cucurbita moschata Duch.) lines for rootstock breeding. Scientia Horticulturae, 149, 9-12.
28. Karaağaç, O. (2020). Hybrid Cucurbita rootstocks improve root architecture, yield, quality, and antioxidant defense systems of cucumber (Cucumis sativus L.) under low temperature stress. International Journal of Agriculture and Biology, 23, 613-622.
29. Kaspar, T.C. & Bland, W.L. (1992). Soil temperature and root growth. Soil Science 154(4), 290-300.
30. Kokalis-Burelle, N., Bausher, M.G., & Rosskopf, E.N. (2009). Greenhouse evaluation of Capsicum rootstocks for management of Meloidogyne incognita on grafted bell pepper. Nematropica 39,121-132.
31. Koevoets, I.T., Venema, J.H., Elzenga, J.T., & Testerink, C. (2016). Roots withstanding their environment: exploiting root system architecture responses to abiotic stress to improve crop tolerance. Frontiers in plant science, 7(1335), 1-19.
32. Kramer, P.J. (1988). Changing concepts regarding plant water relations. Plant Cell Environment. 11, 565-568.
33. Leal-Fernández, C., Godoy-Hernández, H., Núñez-Colín, C.A., Anaya-López, J.L., Villalobos-Reyes, S., & Castellanos, J.Z. (2013). Morphological response and fruit yield of sweet pepper (Capsicum annuum L.) grafted onto different commercial rootstocks. Biological Agriculture & Horticulture, 29(1), 1-11.
34. Lee, J.M., Kubota, C., Tsao, S.J., Bie, Z., Echevarria, P.H., Morra, L., & Oda, M. (2010). Current status of vegetable grafting: diffusion, grafting techniques, automation. Scientia Horticulturae 127, 93-105.
35. López-Marín, J., Gálvez, A., del Amor, F.M., Albacete, A., Fernández, J.A., Egea-Gilabert, C., & Pérez-Alfocea, F. (2017). Selecting vegetative/generative/dwarfing rootstocks for improving fruit yield and quality in water stressed sweet peppers. Scientia Horticulturae, 214, 9-17.
36. Mohd Nor, N.H., Fujinuma, R., Menzies, N.W., Harper, S., & McGrath, D. (2014). Selection for root morphological traits improves the growth of grafted bell pepper. Paper presented at the XXIX. International Horticultural Congress, Australia (pp. 211-216).
37. Morra, L., & Bilotto, M. (2006). Evaluation of new rootstocks for resistance to soil-borne pathogens and productive behaviour of pepper (Capsicum annuum L.). The Journal of Horticultural Science and Biotechnology 81.3, 518-524.
38. Naresh, P., Bhatt, R.M., Venkatachalapathi, V., Gangadhararao, P., & Reddy, K.M. (2017). Inheritance of root traits in an interspecific cross of Capsicum annuum× C. chinense in the presence of low moisture. International Journal of Vegetable Science, 23(6), 575-583.
39. Oka, Y., Offenbach, R., & Pivonia, S. (2004). Pepper rootstock graft compatibility and response to Meloidogyne javanica and M. incognita. Journal of Nematology, 36(2), 137-141.
40. Özkaplan , M., & Balkaya, A. (2019). Işık ve sıcaklığın topraksız tarım koşullarında salkım domatesin meyve kalitesine etkisi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 34(3), 227-238.
41. Öztekin, G.B. (2009). Aşılı domates bitkilerinde tuz stresine karşı anaçların etkisi. Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktor Tezi, 375 s, İzmir.
42. Paez-Garcia A., Motes, C.M., Scheible, W.R., Chen, R., Blancaflor, E.B,, & Monteros, M.J. (2015). Root traits and phenotyping strategies for plant improvement. Plants, 4, 334-355.
43. Palada, M.C., & Wu, D.L. (2009). Grafting sweet peppers for production in the hot-wet season. International Cooperator’s Guide, AVRDC Publication Number: 09-722-e.
44. Peláez-Anderica, E., Rodríguez-Burruezo, A., Prohens, J., & Fita, A. (2011). Root seedling morphology diversity in Capsicum spp. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca. Horticulture, 68(1), 535-536.
45. Penella, C., González Nebauer, S., López Galarza, S.V., San Bautista Primo, A., Gorbe, E., & Calatayud, A. (2013). Evaluation for salt stress tolerance of pepper genotypes to be used as rootstocks. Journal of Food Agriculture and Environment, 11(3), 1101-1107.
46. Penella, C., González Nebauer, S., López Galarza, S.V., San Bautista Primo, A., Rodríguez Burruezo, A., & Calatayud, Á. (2014). Evaluation of some pepper genotypes as rootstocks in water stress conditions. Horticultural Science, 41, 192-200.
47. Penella, C., González Nebauer, S., Quinones, A., San Bautista, A., Lopez-Galarza, S., & Calatayud, A. (2015). Some rootstocks improve pepper tolerance to mild salinity through ionic regulation. Plant science, 230, 12-22.
48. Pereira-Dias, L., Lopez-Serrano, L., Castell-Zeising, V., Lopez-Galarza, S., San Bautista, A., Calatayud, Á., & Fita, A. (2018). Different root morphological responses to phosphorus supplies in grafted pepper. Bulletin UASVM Horticulture, 75(1), 59-61.
49. Sae-Tang, W., Nawata, E. (2019). Effect of water stress on the growth, physiological response and antioxidative gene expression of grafted sweet pepper plants. Agriculture and Natural Resources, 53(6), 581-589.
50. Saporta, R., & Gisbert, C. (2013). Growth and fruit production in pepper grafted on C. annuum, C. baccatum and C. pubescens genotypes. Paper presented at the XV EUCARPIA Meeting on Genetics and Breeding of Capsicum and Eggplant, Italy, 641.
51. Sarıbaş, Ş. (2019). Aşılı patlıcan üretiminde genetik kaynakların anaç ıslah programlarında değerlendirilmesi ve yerli hibrit anaçlarının geliştirilmesi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Samsun.
52. Sarıbaş, Ş., Balkaya, A., Kandemir, D., & Karaağaç, O. (2019). Yerli patlıcan anaçlarının (Solanum melongena x Solanum aethiopicum) köklenme potansiyeli ve fenotipik kök mimarisi. Black Sea Journal of Agriculture 2(3), 138-146.
53. Schiefeibein, J., & Benfey, P. (1991). The development of plant roots: new approaches to underground problems. The Plant Cell, 3, 1147-1154.
54. Schwarz, D., Rouphael, Y., Colla, G., & Venema, J.H. (2010). Grafting as a tool to improve tolerance of vegetables to abiotic stresses: Thermal stress, water stress and organic pollutants. Scientia Horticulturae, 127(2), 162-171.
55. Seçim, A., Balkaya, A., Özgen, T., Üngör, R. (2019). Aşılı domates fidesi için türler arası (Solanum spp.) yerli domates anaç adaylarının geliştirilmesi. TÜBİTAK TEYDEB, 7180745 nolu proje.
56. Soltan, M.M., ElAidy, F.A., Scheerens, J.C., & Kleinhenz, M.D. (2017). Grafting, scion and rootstock effects on survival rate, vegetative growth and fruit yield of high tunnel-grown grafted pepper (Capsicum annuum L.) plants. Advancesin Crop Science and Technology, 312(5), 2.
57. Suchoff, D.H., Gunter, C.C., Schultheis, J.R., Kleinhenz, M.D., & Louws, F.J. (2018). Rootstock effect on grafted tomato transplant shoot and root responses to drying soils. HortScience, 53(11), 1586-1592.
58. Şalk, A., Arın, L., Deveci, M., & Polat, S. (2008). Özel sebzecilik, 448 s., Tekirdağ.
59. Timár, Z., Palotás, G., Szarka, J., Ágoston, B., & Csilléry, G. (2016). New hot interspecific hybrid variety between Capsicum annuum L. and Capsicum chinense Jacq. Paper presented at the XVIth EUCARPIA Capsicum and Eggplant Working Group, 12-14 September 2016, Hungary (pp. 42-45).
60. Tüzel, Y., Gül, A., Öztekin, G.B., Engindeniz, S., Boyacı, F., Duyar, H., Cebeci, E., & Durdu, T. (2020). Türkiye’de örtüaltı yetiştiriciliği ve yeni gelişmeler. Paper presented at the Türkiye Ziraat Mühendisliği IX. Teknik Kongresi, Ankara (pp. 725-750).
61. Yıldız, S., Karaağaç, O., & Balkaya, A. (2013). Aşılı sebze fidesi üretiminde kullanılan anaçların organik tarımda değerlendirilmesi. Paper presented at the Türkiye V. Organik Tarım Sempozyumu, Samsun, 25-27 Eylül 2013, (pp. 55-63).