To investigate the effect of mycorrhiza on drought resistance and plant growth, Ardisia pusilla were colonized with arbuscular mycorrhiza (AM), Glomus spp. Host plants were cultured in a growth chamber for 30 days after colonization with AM. Water stress treatment was carried out by repeating five days off-watering and re-watering for 60 days. The growth of A. pusilla was enhanced by AM colonization compared to that of control, while the proline contents was significantly reduced in AM colonized plants compared to that of non-mycorrhizal plants. The inorganic nutrient contents i.e. Fe, Mn, Zn, and Cu in arbuscular mycorrhizal plants were higher than those of control.
Iijima, Morio;Awala, Simon K;Hirooka, Yoshihiro;Yamane, Koji
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.44-44
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2017
Recently, the occurrences of extreme flooding and drought, often in the same areas, have increased due to climate change. We tested the hypothesis that wetland species could help upland species under flood conditions; that is, the roots of wetland crops may supply $O_2$ to the roots of upland crops by a series of experiments conducted in both humid Japan and semi-arid Namibia (See Iijima et al, 2016 and Awala et al, 2016). Firstly, flooding tolerance of upland-adapted staple crops-pearl millet (Pennisetum glaucum) and sorghum (Sorghum bicolor) mix-cropped with rice (Oryza spp.) was investigated in glasshouse and laboratory experiments in Japan. We found a phenomenon that strengthens the flood tolerance of upland crops when two species-one wetland and one drought tolerant-were grown using the mixed cropping technique that results in close tangling of their root systems, hereinafter referred to "close mixed-planting". This technique improved the photosynthetic and transpiration rates of the upland crops subjected to flood stress ($O_2$-deficient nutrient culture). Oxygen transfer was suggested between the two plants mix-cultured in water, implying its contribution to the phenomenon that improved the physiological status of upland crops under the simulated flood stress. Secondly, we further tested whether this phenomenon would be expressed under field flood conditions. The effects of close mixed-planting of pearl millet and sorghum with rice on their survival, growth and grain yields were evaluated under controlled field flooding in semi-arid Namibia during 2014/2015-2015/2016. Single-stand and mixed plant treatments were subjected to 11-22 day flood stress at the vegetative growth stage. Close Mixed-planting increased seedling survival rates in both pearl millet and sorghum. Grain yields of pearl millet and sorghum were reduced by flooding, in both the single-stand and mixed plant treatments, relative to the non-flooded upland yields, but the reduction was lower in the mixed plant treatments. In contrast, flooding increased rice yields. Both pearl millet-rice and sorghum-rice mixtures demonstrated higher land equivalent ratios, indicating a mixed planting advantage under flood conditions. These results indicate that mix-planting pearl millet or sorghum with rice could alleviate flood stress on dryland cereals. The results also suggest that with this cropping technique, rice could compensate for the dryland cereal yield losses due to field flooding. Mixed cropping of wet and dryland crops is a new concept to overcome flood stress under variable environmental conditions.
Proline accumulation has been shown to correlate with tolerance to drought and salt stresses in plants. We attempt to introduce the wild-type, mutant, and fusion proBA genes derived from Bacillus subtilis into Arabidopsis thaliana under the control of a strong promoter cauliflower mosaic virus 35S (CaMV35S). The transgenic plants produced higher level of free proline than control and the overproduction of proline resulted in the increased tolerance to osmotic stress in transgenic plants. Besides, the mutation in proBA genes, which were proved to lead $\alpha$-glutamyl kinase ($\alpha$-GK) reduces sensitivity to the end-product inhibition and the fusion of proB and proA also result in increasing proline production and confer osmotolerance in transgenic lines.
Nari Kim;Rahmatullah Jan;Jae-Ryoung Park;Saleem Asif;Kyung-Min Kim
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.283-283
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2022
Abiotic stresses such as high/low temperature, drought, salinity, and submergence directly or indirectly influence the physiological status and molecular mechanisms of rice which badly affect yield. Especially, the low temperature causes harmful influences in the overall process of rice growth such as uneven germination and the establishment of seedlings, which has become one of the main limiting factors affecting rice production in the world. It is of great significance to find the candidate genes controlling low-temperature tolerance during seed germination and study their functions for breeding new rice cultivars with immense low-temperature tolerance during seed germination. In this study, 120 lines of Cheongcheong/Nagdong double haploid population were used for quantitative trait locus analysis of low-temperature germinability. The results showed significant difference in germination under low different temperature conditions. In total, 4 QTLs were detected on chromosome 3, 6, and 8. A total of 41 genes were identified from all the 4 QTLs, among them, 25 genes were selected by gene function annotation and further screened through quantitative real time polymerase chain reaction. Based on gene function annotation and level of expression under low-temperature, our study suggested OsGPq3 gene as a candidate gene controlling viviparous germination, ABA and GA signaling under low-temperature. This study will provide a theoretical basis for marker-assisted breeding.
This study was undertaken to collect basic knowledge of Jatropha which is one of bio-energy crops, based on the understanding of physiological and molecular aspects under salt and drought conditions. The treatments were followed as: 100, 200 and 300 mM NaCl for salt stress and 5, 10, 20 and 30% PEG for drought stress for 8 days, respectively. Leaf growth, stomatal conductance, chlorophyll fluorescence and gene expression of aquaporin (JcPIP2) of Jatropha were investigated. From 2 days after treatments, plants treated with higher than 100 mM NaCl and 10% PEG respectively were significantly suppressed in leaf length, width, and stomatal conductance, but 5% PEG treatment showed that plant growth was improved more than control plant. Semi-quantitative RT-PCR analyses revealed that the JcPIP2 gene was expressed in root, stem, cotyledon and leaves. It was not detected in leaves at 200 and 300 mM NaCl treatments. However, transcripts of JcPIP2 were induced in roots and stems under salt and drought conditions compared to those of healthy plants. Therefore, it was concluded that JcPIP2 plays an important role in improving drought tolerance.
Non-photochemical quenching (NPQ) values for utilizing them to detect osmotic tolerance in plants were examined with two different soybean cultivars, an osmotic tolerant soybean (Shinpaldalkong 2) and a control soybean (Taekwangkong). Two different stresses were applied to the cultivars as the restricted irrigations of 200 and 50 ml water $pot^{-1}\;d^{-1}$ for 5 days for a control and a drought stress, respectively, and a sodium chloride solution of 200 mmol for 6 days for a salt stress. The intact leaves of the two cultivars after treatment were used to measure chlorophyll fluorescence parameters, maximum efficiencies of photosystem II photochemistry (Fv/Fm), efficiencies of photosystem II photochemistry (${\Phi}_{PSII}$), $CO_2$ assimilation rate ($P_N$), and NPQ. Leaf water potentials of the two cultivars decreased from - 0.2 to - 0.8MPa by a drought treatment and from - 0.7 to - 1.7MPa by a salt treatment. Leaf water content of Shinpaldalkong 2 after a salt treatment was less decreased than that of Taekwangkong. $F_v/F_m$ values of both cultivars were not changed, while ${\Phi}_{PSII}$ and $P_N$ were decreased proportionally to leaf water potential decrease. The response of NPQ was occurred in Shinpaldalkong 2 under the drought and salt stresses. With Taekwangkong cultivar, only drought stress referred NPQ response. The cultivar differences on chlorophyll fluorescence parameters were found in the relationships between ${\Phi}_{PSII}$ and $P_N$, and between NPQ and ${\Phi}_{PSII}$. Although the positive relationships between ${\Phi}_{PSII}$ and $P_N$ were established on all treatments of both cultivars, the decreasing rate of ${\Phi}_{PSII}$ to $P_N$ was smaller in Shinpaldalkong 2 than Taekwangkong. The NPQ was increased according to the decrease of ${\Phi}_{PSII}$ by osmotic treatments in Shinpaldalkong 2. The complementary relationships between NPQ and ${\Phi}_{PSII}$ were well maintained at all treatments in Shinpaldalkong 2, while these relationships were lost at a salt treatment in Taekwangkong. Taken together, the results suggest that analysis of complementary relationships between ${\Phi}_{PSII}$ and NPQ could be more valuable and applicable for determining osmotic tolerance than single analysis of each parameter such as $F_v/F_m$, ${\Phi}_{PSII}$ and NPQ.
Injury caused by reactive oxygen species (ROS), known as oxidative stress, is one of the major damaging factors in plants exposed to environmental stress. Chloroplasts are specially sensitive to damage by ROS because electrons that escape from the photosynthetic electron transfer system are able to react with relatively high concentration of $O_2$ in chloroplasts. To cope with oxidative stress, plants have evolved an efficient ROS-scavenging enzymes such as superoxide dismutase (SOD) and ascorbate peroxidase (APX), and low molecular weight antioxidants including ascorbate, glutathione and phenolic compounds. To maintain the productivity of plants under the stress condition, it is possible to fortify the antioxidative mechanisms in the chloroplasts by manipulating the antioxidation genes. A powerful gene expression system with an appropriate promoter is key requisite for excellent stress-tolerant plants. We developed a strong oxidative stress-inducible peroxidase (SWPA2) promoter from cultured cells of sweetpotato (Ipomoea batatas) as an industrial platform technology to develop transgenic plants with enhanced tolerance to environmental stress. Recently, in order to develop transgenic sweetpotato (tv. Yulmi) and potato (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic and Superior) plants with enhanced tolerance to multiple stress, the genes of both CuZnSOD and APX were expressed in chloroplasts under the control of an SWPA2 promoter (referred to SSA plants). As expected, SSA sweetpotato and potato plants showed enhanced tolerance to methyl viologen-mediated oxidative stress. In addition, SSA plants showed enhanced tolerance to multiple stresses such as temperature stress, drought and sulphur dioxide. Our results strongly suggested that the rational manipulation of antioxidative mechanism in chloroplasts will be applicable to the development of all plant species with enhanced tolerance to multiple environmental stresses to contribute in solving the global food and environmental problems in the 21st century.
Rice (Oryza sativa) cultivars show an impairment of growth and development in response to abiotic stresses such as drought, salinity, heat and cold at the early seedling stage. The tolerance to heat stress in plants has been genetically modulated by the overexpression of heat shock transcription factor genes or proteins. In addition to a high temperature-tolerance that has also been altered by elevating levels of osmolytes, increasing levels of cell detoxification enzymes and through altering membrane fluidity. To examine the heat tolerance in transgenic rice plants, three OsOPT10 overexpressing lines were characterized through a physiological analysis, which examined factors such as the electrolyte leakage (EL), soluble sugar and proline contents. We further functionally characterized the OsOPT10 gene and found that heat induced the expression of OsOPT10 and P5CS gene related proline biosynthesis. It has been suggested that the expression of OsOPT10 led to elevated heat tolerance in transgenic lines.
Abiotic stress conditions such as cold, drought, and salinity trigger physiological and morphological changes and yield loss in plants. Hence, plants adapt to adverse environments by developing tolerance through complex regulation of genes related to various metabolic processes. This study was conducted to construct a coexpression network for multidirectional analysis of salt-stress response genes in Brassica rapa (Chinese cabbage). To construct the coexpression network, we collected KBGP-24K microarray data from the B. rapa EST and microarray database (BrEMD) and performed time-based expression analyses of B. rapa plants. The constructed coexpression network model showed 1,853 nodes, 5,740 edges, and 142 connected components (correlation coefficient > 0.85). On the basis of the significantly expressed genes in the network, we concluded that the development of salt tolerance is closely related to the activation of $Na^+$ transport by reactive oxygen species signaling and the accumulation of proline in Chinese cabbage.
This study aim to investigate fundamentally the growth and physiological responses of tomato plants in responses to two different levels of water deficit, a weak drought stress (-25 kPa) and a severe drought stress (-100 kPa) in soil. The two levels of water deficit were maintained using a micro-irrigation system consisted of soil sensors for the real-time monitoring of soil water content and irrigation modules in a greenhouse experiment. Soil water contents were fluctuated throughout the 30 days treatment period but differed between the two treatments with the average -47 kPa in -25 kPa set treatment and the -119 kPa in -100 kPa set treatment. There were significant differences in plant height between the two different soil water statuses in plant height without differences of the number of nodes. The plants grown in the severe water-deficit treatment had greater accumulation of biomass than the plants in the weak water-deficit treatment. The severe water-deficit treatment (-119 kPa) also induced greater leaf area and leaf dry weight of the plants than the weak water-deficit treatment did, even though there was no difference in leaf area per unit dry weight. These results of growth parameters tested in this study indicate that the severe drought could cause an adaptation of tomato plants to the drought stress with the enhancement of biomass and leaf expansion without changes of leaf thickness. Greater relative water content of leaves and lower osmotic potential of sap expressed from turgid leaves were recorded in the severe water deficit treatment than in the weak water deficit treatment. This finding also postulated physiological adaptation to be better water status under drought stress. The drought imposition affected significantly on photosynthesis, water use efficiency and stomatal conductance of tomato plants. The severe water-deficit treatment increased PSII activities and water use efficiency, but decreased stomatal conductance than the weak water-deficit treatment. However, there were no differences between the two treatments in total photosynthetic capacity. Finally, there were no differences in the number and biomass of fruits. These results suggested that tomato plants have an ability to make adaptation to water deficit conditions through changes in leaf morphology, osmotic potentials, and water use efficiency as well as PSII activity. These adaptation responses should be considered in the screening of drought tolerance of tomato plants.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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