Considering that the world population is expected to total 9 billion by 2050, it will clearly be necessary to sustain and even accelerate the rate of improvement in crop productivity. In the 21st century, we now face another, perhaps more devastating, environmental threat, namely climate change, which could cause irreversible damage to agricultural ecosystem and loss of production potential. Enhancing intrinsic yield, plant abiotic stress tolerance, and pest and pathogen resistance through agricultural biotechnology will be a critical part of feeding, clothing, and providing energy for the human population, and overcoming climate change. Development and commercialization of genetically engineered crops have significantly contributed to increase of crop yield and farmer's income, decrease of environmental impact associated with herbicide and insecticide, and to reduction of greenhouse gas emissions from this cropping area. Advances in plant genomics, proteomics and system biology have offered an unprecedented opportunities to identify genes, pathways and networks that control agricultural important traits. Because such advances will provide further details and complete understanding of interaction of plant systems and environmental variables, biotechnology is likely to be the most prominent part of the next generation of successful agricultural industry. In this article, we review the prospects for modification of agricultural target traits by genetic engineering, including enhancement of photosynthesis, abiotic stress tolerance, and pest and pathogen resistance associated with such opportunities and challenges under climate change.
The growth and yield of Job's tears (Coix lacryma-jobi L.) under the flooded paddy and upland (dry paddy) field conditions were compared at three sowing dates and two planting densities. Job's tears grown under flooded paddy field was much shorter in plant height, but greater in number of tillers than those grown under upland. Photosynthesis rate of Job's tears grown under flooded paddy field was higher and the weight of dry roots heavier but the damages of pest and leaf blight disease smaller than those grown under upland. For the above mentioned reasons, the grain yield of Job's tears grown under flooded paddy field was higher by up to 85% than that grown under upland. There was no significant difference in grain yield between the planting densities. The earlier sowing brought about the less grain yield in upland field condition, while sowing plot on the 15th of May showed the highest grain yield in the flooded paddy field condition.
In this study, the PHYTO-PAM-fluorometric method was used to evaluate the ETR$_{max}$ in terms of sensitivity to DIN/DIP against 14 microalgae: Prorocentrum micans, Heterocapsa triquetra, Gymnodinium impudicum, Cymnodinium catenatum, Amphidinium caterae, Chlorella vulgaris, Chroococcus minutus, Microcystis aeruginosa, Chlorella ellipsoidea, Nannochloris oculata, Oocystis lacustris, Chroomonas salina, Gloeocystis gigas, and Prymnessium parvum. We found that P. micans, H. triquetra, and A. caterae exposed to the maximum level of DIN/DIP were significantly smaller in the ETR$_{max}$ than that of the minimum and moderate mixture. Unlikely the ETR$_{max}$, the initial slope alpha was not significantly different at the level of 60 DIN/DIP. In G. catenatum, the moderate levels of 15 and 20 in DIN/DIP were found to be significantly different from the ETR$_{max}$ at Chl-Ch4. Gymnodinium impudicum had a higher value than that of the ETR$_{max}$ than that of dinoflagellates used in this study, ranging from 306.1 (Ch4, DIN/DIP: 10) to 520.1 (Ch4, DIN/DIP: 30). The ETR$_{max}$ value obtained from other microalgae was similar to C. impudicum at any of the ratios of DIN/DIP and channels. Consequently, the influence of offshore water current assures us of the suppression of photosynthesis and electron transport rate in dinoflagellates. Gymnodinium impudicum has not been researched in the area of red tides in Korea, but it will be enough to creat the massive algal blooms in the future because of higher potential photochemical availability.
The purpose of this study was to investigate the effects of defoliation treatment on the growth and yield of strawberries. There was a remarkable growth in the above-ground part and root of untreated strawberry plants possibly due to higher amount of photosynthesis, while overall plant growth was suppressed as the level of defoliation treatment increased. In both the "Seolhyang" and "Maehyang" cultivars examined, defoliation treatment resulted in small fruits and a low number of fruits per plant. Notably, 50% defoliation significantly reduced the number of fruits per plant to 8.2, compared to 13.8 in untreated plants. Defoliation treatment also negatively influenced the fruit quality including color, sugar content, and solid-acid rate. However, no significant changes in fruit firmness was observed in either cultivar. Therefore, retaining enough leaves without defoliation treatment can be important to increasing fruit yield, producing high quality fruits and saving labor required for defoliation.
Jeon, Kwon Seok;Song, Ki Seon;Choi, Kyu Seong;Kim, Chang Hwan;Park, Yong Bae;Kim, Jong Jin
Korean Journal of Medicinal Crop Science
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v.23
no.2
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pp.161-167
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2015
This study was carried out to determine the effects of light controls and leaf mold on root growth and physiological responses of Atractylodes japonica growing in forest farming. The experiment was performed by light controls (100%, 62.5%, 40.3% and 19.7% of full sunlight) and application of leaf mold to soil. Height, stem diameter, number of flower buds and root collar diameter were the highest in leaf mold within 62.5% of full sunlight (relative light intensity 62.5%). And these were the higher in leaf mold within each light level. As the shading level increased, light saturation point and maximum photosynthesis rate decreased. As the light level decreased, SPAD value increased in control and leaf mold. As a result of surveying the whole experiment, A. japonica was judged worse root growth under the lower light level. It was concluded that the light level was one of the most important factors to produce A. japonica. Also, producing high-quality of A. japonica with the price competitiveness by using leaf mold like the experiment can be an effective way to increase incomes for farmers.
Background: Ecophysiological characteristics of Rosa rugosa were analyzed under different environmental factors from May to October 2022. Photosynthesis, chlorophyll fluorescence, chlorophyll content, leaf water content (LWC), osmolality, carbohydrate content, and total ion content were measured to compare the physiological characteristics of R. rugosa at two study sites (i.e., in large pots and in the Goraebul coastal sand dune area). Results: When R. rugosa was exposed to high temperatures, photosynthetic parameters including net photosynthetic rate (PN) and stomatal conductance (gs) in both experiment areas declined. In addition, severe photoinhibition occurs when R. rugosa is continuously exposed to high photosynthetically active radiation (PAR), and because of this, relatively low Y(II) (i.e., the quantum yield of photochemical energy conversion in photosystem II [PSII]) and high Y(NO) (i.e., the quantum yield of non-regulated, non-photochemical energy loss in PSII) in the R. rugosa of the pot were observed. As the high Y(NPQ) (i.e., the quantum yield of regulated non-photochemical energy loss in PSII) of R. rugosa in the coastal sand dune, they dissipated the excessed photon energy through the non-photochemical quenching (NPQ) mechanism when they were exposed to relatively low PAR and low temperature. Rosa rugosa in the coastal sand dune has higher chlorophyll a and carotenoid content. The high chlorophyll a + b and low chlorophyll a/b ratios seemed to optimize light absorption in response to low PAR. High carotenoid content played an important role in NPQ. As a part of the osmotic regulation in response to low LWCs, R. rugosa exposed to high temperatures and continuously high PAR used soluble carbohydrates and ions to maintain high osmolality. Conclusions: We found that Fv/Fm was lower in the potted plants than in the coastal sand dune plants, indicating the vulnerability of R. rugosa to high temperatures and PAR levels. We expect that the suitable habitat range for R. rugosa will shrink and move to north under climate change conditions.
This paper describes a dynamic compartment model to predict the time-dependent $^{14}C$ activity in a plant as a result of a direct exposure to an amount of $^{14}CO_2$ for a short period of time, and experimental results for the model validation. In the model, the plant consists of two compartments of the body and ears, and five carbon fluxes between the compartments, which are the function of parameters relating to the growth and photosynthesis of a plant, are considered. Model predictions were made for an investigation into the effects of the exposure time, the elapsed exposure time, and the model parameters on the $^{14}C$ radioactivity of a plant. The present model converged to a region where the specific activity model is applicable when the elapsed time of the exposure was extended up to the harvest time of a plant. The $^{14}C$ activity of a plant was predicted to be the greatest when the exposure had happened in the period between the flowering and ears-maturity on account of the most vigorous photosynthesis rate for the period. Comparison of model predictions with the observed 14C radioactivity of rice plants showed that the present model could predict the $^{14}C$ radioactivity of the rice plants reasonably well.
This study was conducted to evaluate the influence of early defoliation on photosynthesis and carbohydrate reserves when the source leaves of 'Fuji'/M9 apple (Malus domestica Borkh.) trees were removed during the growing period. Bud regrowth rates of 80%, 50% defoliation and non-defoliation treatments were significantly different 82.7%, 45.9% and 2.1% respectively at 30 days after treatment. In all treatments, sucrose and starch concentrations in remaining leaves decreased non-significantly during the 14-day period. No significant changes were observed for total soluble carbohydrates in non-defoliation and 50% defoliation. However, in 80% defoliated treatments, concentrations of sorbitol and total soluble carbohydrates in remaining leaves declined steadily during the 14-day period. It is thought that high sink strength increases the requirements of carbohydrate from remaining leaves more than non-defoliated. The concentrations of starch in the roots tend to decrease non-significantly as percentage of defoliation increased. Photosynthesis of remaining leaves was monitored during the 14-day period after partial defoliation treatments. Net photosynthetic rates (Pn) and stomatal conductance were significantly enhanced in the 80% defoliation. The observed photosynthetic enhancement following partial defoliation may have been due to the enhancement of osmotic potential in leaves. These results were estimated that increasing of photosynthetic rate in the partial defoliation is due to the sink carbohydrate requirements for the current year's secondary growth of buds.
The effect of low dose $\gamma$ radiation on photosynthesis and the reduction of photoinhibition in red pepper plant was investigated. The seedling height leaf width and leaf length of pepper were stimulated in plants grown from seeds irradiated with the low dose of 4 Gy. The $O_2$ evolution in the 4 Gy irradiation group was 1.5 times greater than in the control. To investigate the effect of low dose $\gamma$ radiation on response to high light stress, photoinhibition was induced in leaves of pepper by illumination of high light (900 $\mu mol/m^2/s$). Pmax was decreased with increasing illumination time by 20% in the control, while hardly decreased in the 4 Gy irradiation group. The photochemical yield of PSII, estimated as Fv/Fm, was decreased with increasing illumination time by 50% after 4 hours while Fo did not change. However, Fv/Fm in the 4 Gy irradiation group was decreased by 37% of inhibition, indicating that the photoinhibition was decreased by the low dose $\gamma$ radiation. Changes in the effective quantum yield of PSII, $\Phi_{PSII}$, and 1/Fo-1/Fm, a measure of the rate constant of excitation trapping by the PSII reaction center, showed similar pattern to Fv/Fm. And NPQ was decreased after photoinhibitory treatment showing no difference between the control and the 4 Gy irradiation group. These results showed the positive effect of low dose $\gamma$ radiation on the seedling growth and the reduction of photoinhibition.
To investigate the synergistic effects of low dose gamma irradiation and growth regulators on the growth and photosynthesis in rice (Oryza sativa L.), laboratory and greenhouse experiments were conducted using 4-year-old rice seeds. In the laboratory experiment, the germination rate was increased in 0.001 ppm IBA treatment, showing the synergistic effect of gamma irradiation and growth regulators. The seedling growth was increased by treatment of GA₃ and IBA, the irradiated groups having higher than the non-irradiated ones. Particularly, it was remarkable in 0.001 ppm IBA. In greenhouse experiment, seedling growth was increased in response to a combination of gamma irradiation and 0.001 ppm IBA. Effective quantum yield of PSⅡ(Ф/sub PSⅡ/) and photochemical quenching (qP) were increased, while non-photochemical quenching (qN) was decreased by 0.001 ppm IBA. A synergistic effect of gamma irradiation and IBA was only found in seedling growth. The present results suggest that low dose gamma irradiation and growth regulator could synergistically stimulate seedling growth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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