Date of Award

6-2026

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Horticulture

Department

Integrative Agriculture

First Advisor

Prof. Mohammed Abdul Muhsen Salem Alyafei

Second Advisor

Dr. Abdul Jaleel Cheruth

Abstract

Climate change is driving simultaneous increases in atmospheric CO₂, surface UV-B radiation, and temperature, yet most crop research has examined these stressors in isolation, leaving their combined effect on nutritional quality poorly understood. Quinoa (Chenopodium Quinoa Wild.), a stress-tolerant C3 pseudocereal, has been promoted as a climate-resilient forage and food crop for arid regions, but its performance under realistic multi-stress conditions remains uncertain. This study therefore asked whether quinoa can maintain biomass, yield, and mineral quality when exposed to elevated CO₂, enhanced UV-B, and rising temperature individually and in combination, and whether their interaction is additive or non-additive.

To address this, an Open Top Chamber experiment was conducted at Al-Foah Experimental Farm, UAEU, with plants grown in soil-filled tubes under standard irrigation and fertilisation. Treatments comprised elevated CO₂ (700 ppm), elevated temperature (29 °C), and enhanced UV-B radiation (9.5 kJ d⁻¹ m⁻² at 280–320 nm), applied singly and combined, with five replicates each. Morphological traits, photosynthetic pigments, proline, phenolics, and certified macro- and micronutrient profiles were measured.

Elevated CO₂ produced the highest shoot biomass, total chlorophyll, and grain yield, and increased phosphorus and potassium, but reduced iron (≈28 %) and copper (≈34 %), consistent with nutrient dilution in C3 crops. UV-B caused the greatest reductions in biomass, chlorophyll, and grain yield, and together with high temperature lowered magnesium and manganese, elements central to chlorophyll and photosystem II. Stress treatments raised proline and phenolics, indicating active osmotic and antioxidant defence, while combined-stress responses were non-additive, reflecting genuine interaction among the three drivers. Seed protein declined under all stress treatments and was lowest under combined stress, whereas trace and heavy-element concentrations remained below safety thresholds throughout.

Overall, quinoa retained strong resilience and productivity under the three drivers, supporting its potential as a climate-smart forage crop, though the concurrent decline in Fe, Cu, and protein indicates a nutritional trade-off requiring targeted micronutrient management. These conclusions are constrained by the controlled OTC environment and single-season timeframe, which may not fully capture long-term acclimation or fieldscale variability, warranting multi-season field validation.

Arabic Abstract

تأثير ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون، والإشعاع فوق البنفسجي-ب، وارتفاع درجة الحرارة على الكينوا

يدفع التغيّر المناخي إلى ارتفاع متزامن في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وفي شدة الأشعة فوق البنفسجية-ب الواصلة إلى سطح الأرض، وفي درجات الحرارة، إلا أن معظم الأبحاث الزراعية تناولت هذه الإجهادات بمعزل بعضها عن بعض، مما أبقى تأثيرها المجتمِع على الجودة الغذائية غير مفهوم بشكل كافٍ. وقد جرى الترويج لنبات الكينوا (Chenopodium Quinoa Wild.)، وهو نبات ثلاثي الكربون (C3) عالي التحمل للإجهاد، باعتباره محصولاً علفياً وغذائياً مرناً مناخياً مناسباً للمناطق الجافة، غير أن أداءه في ظل ظروف الإجهاد المتعدد الواقعية لا يزال غير مؤكد. ولذلك سعت هذه الدراسة إلى تحديد ما إذا كان بإمكان الكينوا الحفاظ على الكتلة الحيوية والإنتاجية والجودة المعدنية عند تعريضها لارتفاع ثاني أكسيد الكربون، وزيادة الأشعة فوق البنفسجية-ب، وارتفاع درجة الحرارة، منفردة ومجتمعة، وما إذا كان تفاعلها تجميعياً (إضافياً) أم غير تجميعي.

ولمعالجة ذلك، أُجريت تجربة باستخدام غرف النمو المفتوحة من الأعلى (OTC) في مزرعة الفوعة التجريبية بجامعة الإمارات العربية المتحدة، حيث زُرعت النباتات في أنابيب مملوءة بوسط ترابي مع تطبيق معدلات الري والتسميد الاعتيادية. وشملت المعاملات ارتفاع ثاني أكسيد الكربون (700 جزء في المليون)، وارتفاع درجة الحرارة (29°C)، وزيادة الأشعة فوق البنفسجية-ب (9.5 كيلوجول/م²/يوم عند طول موجي 280–320 نانومتر)، مطبقة منفردة ومجتمعة، بواقع خمسة مكررات لكل منها. وجرى قياس السمات المورفولوجية، والأصباغ الضوئية، ومحتوى البرولين، والمركبات الفينولية، إضافة إلى التحاليل المعتمدة للعناصر الكبرى والصغرى.

أنتجت معاملة ارتفاع ثاني أكسيد الكربون أعلى كتلة حيوية للمجموع الخضري، وأعلى محتوى من الكلوروفيل الكلي، وأعلى إنتاج من الحبوب، كما رفعت تركيز الفوسفور والبوتاسيوم، إلا أنها خفضت الحديد (بنحو 28%) والنحاس (بنحو 34%)، بما يتسق مع ظاهرة تخفيف المغذيات في محاصيل C3. وتسببت الأشعة فوق البنفسجية-ب في أكبر انخفاض في الكتلة الحيوية والكلوروفيل وإنتاج الحبوب، وأدت مع ارتفاع الحرارة إلى خفض المغنيسيوم والمنغنيز، وهما عنصران أساسيان في بنية الكلوروفيل ووظيفة النظام الضوئي الثاني. ورفعت معاملات الإجهاد محتوى البرولين والفينولات، مما يدل على نشاط آليات الدفاع الأسموزي والمضاد للأكسدة، في حين كانت استجابات الإجهاد المجتمِع غير تجميعية، بما يعكس تفاعلاً حقيقياً بين العوامل الثلاثة. وانخفض محتوى البروتين في البذور تحت جميع معاملات الإجهاد، وبلغ أدنى قيمة له تحت الإجهاد المجتمِع، بينما ظلّت تركيزات العناصر النادرة والثقيلة دون الحدود الآمنة في جميع المعاملات.

Download
COinS