Exposure to high temperatures during the reproductive period of crops decreases their productivity. The Intergovernmental Panel on Climate Change's (IPCC) fifth Assessment Report predicts that the frequency of high temperatures will continue to increase in the future, resulting in significant impacts on the world's food supply. This study evaluate climate change-induced heat stress on four major agricultural crops (rice, maize, soybean, and wheat) at a global level, using the coupled atmosphere-ocean model of Hadley Centre Global Environmental Model version 2 (HadGEM2-AO) and FAO/IIASA Global Agro-Ecological Zone (GAEZ) model data. The maximum temperature rise ($1.8-3.5^{\circ}C$) during the thermal-sensitive period (TSP) from the baseline (1961-1990) to the future (2070-2090) is expected to be larger under a Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 climate scenario than under a RCP2.6 climate scenario, with substantial heat stress-related damage to productivity. In particular, heat stress is expected to cause severe damage to crop production regions located between 30 and $50^{\circ}N$ in the Northern Hemisphere. According to the RCP8.5 scenario, approximately 20% of the total cultivation area for all crops will experience unprecedented, extreme heat stress in the future. Adverse effects on the productivity of rice and soybean are expected to be particularly severe in North America. In Korea, grain demands are heavily dependent on imports, with the share of imports from the U.S. at a particularly high level today. Hence, it is necessary to conduct continuous prediction on food security level following the climate change, as well as to develop adaptation strategy and proper agricultural policy.
Genetically modified (GM) crops have been developed worldwide through the recombinant DNA technology and commercialized by global agricultural companies. Until now, GM crops have not been cultivated commercially in Korea. Commercialization of GM crops requires a compulsory assessment of environmental risk associated with the release of GM crops. This study was conducted to evaluate the frequency of pollen mediated gene flow from Bt transgenic rice (Agb0101) to japonica non-GM rice (Nakdongbyeo), indica non-GM rice (IR36), and weedy rice (R55). A total of 729,917, 596,318 and 230,635 seeds were collected from Nakdongbyeo, IR36, and R55, respectively, which were planted around Agb0101. Selection of the hybrids was determined by repeated spraying of herbicide and Cry1Ac1 immunostrip assay. Finally, the hybrids were confirmed by PCR analysis using specific primer. The hybrids were found in all non-GM rice and out-crossing ranged from 0.0005% at IR36 to 0.0027% at Nakdongbyeo. All of hybrids were located within 1.2 m distance from the Agb0101 rice plot. The meteorological elements including rainfall and temperature during rice flowering time were found to be important factors to determine rice out-crossing rate. Consideration should be taken for many factors like the meteorological elements of field and physiological condition of crop to set up the safety management guideline to prevention of GM crops gene flow.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.8
no.4
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pp.229-241
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2006
Global air temperature has risen by $0.6^{\circ}C$ over the last one hundred years due to increased atmospheric greenhouse gases. Moreover, this global warming trend is projected to continue in the future. This study was carried out to evaluate spatial variations in rice production areas by simulating rice-growth and development with projected high resolution climate data in Korea far 2011-2100, which was geospatially interpolated from the 25 km gridded data based on the IPCC SRES A2 emission scenario. Satellite remote sensing data were used to pinpoint the rice-growing areas, and corresponding climate data were aggregated to represent the official 'crop reporting county'. For the simulation experiment, we used a CERES-Rice model modified by introducing two equations to calculate the leaf appearance rate based on the effective temperature and existing leaf number and the final number of leaves based on day-length in the photoperiod sensitive phase of rice. We tested the performance of this model using data-sets obtained from transplanting dates and nitrogen fertilization rates experiments over three years (2002 to 2004). The simulation results showed a good performance of this model in heading date prediction [$R^2$=0.9586 for early (Odaebyeo), $R^2$=0.9681 for medium (Hwasungbyeo), and $R^2$=0.9477 for late (Dongjinbyeo) maturity cultivars]. A modified version of CERES-Rice was used to simulate the growth and development of three Japonica varieties, representing early, medium, and late maturity classes, to project crop status for climatological normal years between 2011 and 2100. In order to compare the temporal changes, three sets of data representing 3 climatological years (2011-2040, 2041-2070, and 2071-2100) were successively used to run the model. Simulated growth and yield data of the three Japonica cultivars under the observed climate for 1971-2000 was set as a reference. Compared with the current normal, heading date was accelerated by 7 days for 2011-2040 and 20 days for 2071-2100. Physiological maturity was accelerated by 15 days for 2011-2040 and 30 days for 2071-2100. Rice yield was in general reduced by 6-25%, 3-26%, and 3-25% per 10a in early, medium, and late maturity classes, respectively. However, mid to late maturing varieties showed an increased yield in northern Gyeonggi Province and in most of Kwangwon Province in 2071-2100.
Lee, Chae Young;Choi, Ye Seul;Lee, Joung Kwan;Kim, Ik Jei;Kang, Shin Gu;Woo, Sun Hee;Kim, Young Ho
KOREAN JOURNAL OF CROP SCIENCE
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v.66
no.3
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pp.210-219
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2021
In recent years, air temperature has been increasing rapidly compared to the 1980s because of global warming. This increase in temperature reduces the yield and quality of rice; therefore, measures are needed to prevent such effects and ensure food security. The early maturing type (EMT) of rice is mainly cultivated in the central northern mid-mountainous area (CNMA). This study was conducted to shift the transplanting date of EMT and to examine the adaptability of the mid-maturing type (MMT) or mid-late maturing type (MLMT) in the Jecheon region of the CNMA to address global warming. The air temperature increased by 0.7-0.9℃ in the 2010s, compared to that in the 1980s, and was similar to other decades during the ripening period. Over the past 35 years, considering rice quality, the heading date of the Odae variety has arrived sooner by approximately 10 days, the ripened grain ratio has increased by more than 10%, and the thousand grain weight; however, the mean temperature at 40 days after heading has increased by more than 2℃. The late marginal heading date in the Jecheon region was determined as August 11 based on the accumulated temperature of 880℃ and August 15 based on 840℃ for 40 days after heading. According to different transplanting dates, milled rice yield per 10 a was the highest at 567 kg with June 10 in EMT, 595 kg with June 10 in MMT, and 572 kg with May 30 in MLMT. Considering the late marginal heading date, rice yield, and quality, the optimum transplanting date was June 15 in EMT, June 5 in MMT, and May 30 in MLMT in the Jecheon region of CNMA. Owing to global warming, MMT and MLMT are expected to be reliably cultivated in the CNMA.
Kim, Han-Yong;Kim, Seon-Hwa;Kim, Hyang-Yeon;Kim, Seul-Ki;Kim, In-Seon
Korean Journal of Environmental Agriculture
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v.28
no.1
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pp.82-85
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2009
This study was performed to investigate if elevated $CO_2$ affects the residue pattern of $^{14}C$ in the soil environment after $^{14}C$-carbaryl treatment $^{14}C$-carbaryl was applied on the rice plant-grown greenhouse soil exposed to atmospheric and elevated $CO_2$ conditions. $^{14}C$-radioactivity was measured in the rhizospheric soil and rice straw samples six months after $^{14}C$-carbaryl application. Significantly high radioactivity was observed in the soil exposed to atmospheric $CO_2$ as compared to that in the soil exposed to elevated C(h. Background level of radioactivity was observed in rice plant samples. These observations suggest the possibility that elevated $CO_2$ may affect residual radioactivity of $^{14}C$-carbaryl in the soil rather than that in the plant.
The influence of elevated CO2 and temperature on growth parameters, biomass production and its partitioning of rice (Oryza sativa L.cv. Chukwangbyeo) were investigated in the three experiments (1991-1993). Rice plants were grown from transplanting to harvest at either ambient(350ppm) or elevated CO2 concentrations (690 or 650ppm) in combination with either four or seven temperature regimes ranging form ambient temperature (AT) to AT plus 3$^{\circ}C$.From transplanting to panicle initiation, crop growth rate (CGR) was enhanced by up to 27% with elevated CO2 , primarily due to an an increase in leaf area index. although net assimilatiion rate was also greater at elevated CO2. The effect of elevated CO2 varied with temperature. During the reproductive phase, CGR declined linearly with increased temperature, and was greater at elevated CO2 . Elevated CO2 increased final crop biomass and panicle weight 30% respectively at AT(27.6$^{\circ}C$ : 1991) . However, there was no significant effect of elevated CO2 on panicle weight at AT plus 3$^{\circ}C$, where severe spikelet sterility occurred. There was no significant effect of elevated CO2 on panicle weight at AT plus 3$^{\circ}C$, where severe spikelet sterility occurred. There was also no effect of CO2 on biomass pratitioning into vegetative and reproductive organs (harvest index)) at AT, although higher temperature could affect that by inducing spikelet sterility. These results suggest that elevated CO2 could enhance rice producivity througth promoted growth and biomass production , but its positive effects may be less at higher temperatures.
Sheath blight disease caused by the necrotrophic, soilborne pathogen Rhizoctonia solani Kuhn, is the global threat to rice production. Lack of reliable stable resistance sources in rice germplasm pool for sheath blight has made resistance breeding a very difficult task. In the current study, 101 rice landraces were screened against R. solani under artificial epiphytotics and identified six moderately resistant landraces, Jigguvaratiga, Honasu, Jeer Sali, Jeeraga-2, BiliKagga, and Medini Sannabatta with relative lesion height (RLH) range of 21-30%. Landrace Jigguvaratiga with consistent and better level of resistance (21% RLH) than resistant check Tetep (RLH 28%) was used to develop mapping population. DNA markers associated with ShB resistance were identified in F2 mapping population developed from Jigguvaratiga × BPT5204 (susceptible variety) using bulk segregant analysis. Among 56 parental polymorphic markers, RM5556, RM6208, and RM7 were polymorphic between the bulks. Single marker analysis indicated the significant association of ShB with RM5556 and RM6208 with phenotypic variance (R2) of 28.29 and 20.06%, respectively. Co-segregation analysis confirmed the strong association of RM5556 and RM6208 located on chromosome 8 for ShB trait. This is the first report on association of RM6208 marker for ShB resistance. In silico analysis revealed that RM6208 loci resides the stearoyl ACP desaturases protein, which is involved in defense mechanism against plant pathogens. RM5556 loci resides a protein, with unknown function. The putative candidate genes or quantitative trait locus harbouring at the marker interval of RM5556 and RM6208 can be further used to develop ShB resistant varieties using molecular breeding approaches.
Shin Jin Chul;Lee Chung Geun;Yoon Young Hwan;Kang Yang Soon
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2000.11a
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pp.12-27
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2000
During the recent decades, he problem of climate variability and change has been in the forefront of scientific problems. The objective of this study was to assess the impact of climate variability on crop growth and yield. The growth duration was the main impact of climate variability on crop yield. Phyllochronterval was shortened in the global worming situations. A simple model to describe developmental traits was provided from heading data of directly seeded rice cultivars and temperature data. Daily mean development rate could be explained by the average temperature during the growth stage. Simple regression equation between daily mean development rate(x) and the average temperature(y) during the growth period as y = ax + b. It can be simply modified as x = 1/a $\ast$ (y-b). The parameters of the model could depict the thermo sensitivity of the cultivars. On the base of this model, the three doubled CO2 GCM scenarios were assessed. The average of these would suggest a decline in rice production of about 11% if we maintained the current cultivars. Future cultivar's developmental traits could be suggested by the two model parameters.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.5-5
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2017
Too little and too much water due to climatic events is a significant cause of global food insecurity. Crops are less productive under water-limited conditions and all major crops, with the exception of rice (Oryza sativa), die within a few days of complete submergence. To complement our studies on genes such as SUB1A, (an ERF-VII transcription factor that provides robust submergence tolerance) and AG1 (a TREHALOSE 6-P PHOSPHATASE that promotes establishment of young seedlings underwater), we have retooled INTACT (${\underline{I}}solation$ of ${\underline{N}}uclei$${\underline{TA}}gged$ in specific ${\underline{C}}ell$${\underline{T}}ypes$) and TRAP (${\underline{T}}ranslating$${\underline{R}}ibosome$${\underline{A}}ffinity$${\underline{P}}urification$) for rice. These technologies enable us to follow dynamics in chromatin, nuclear pre-mRNAs and ribosome-bound mRNAs in meristems and diverse cell types. With these technologies we can better interpret responses to stresses and reestablishment of homeostasis. These include stress acclimation strategies involving changes in metabolism and development, such as dynamics in suberin deposition in sub-epidermal layers of roots that limit water loss under drought and oxygen escape during waterlogging. Our new data uncover dynamic and reversible regulation at multiple levels of gene regulation and provide new insights into processes of stress resilience. Supported by US NSF-PGRP Plasticity (IOS-1238243), Secretome (IOS-1546879) and REU (DBI-146129) grants.
The emergence of rice black-streaked dwarf virus (RBSDV) poses a significant threat to global cereal crop cultivation, necessitating the urgent development of reliable detection and quantification techniques. This study introduces a reliable approach for the precise and sensitive quantification of the RBSDV in cereal crop samples, employing a reverse transcription digital polymerase chain reaction (RT-dPCR) assay. We assessed the specificity and sensitivity of the RT-dPCR assay proposed for precise RBSDV detection and quantification. Our findings demonstrate that RT-dPCR was specific for detection of RBSDV, with no cross-reactivity observed with other viruses infecting cereal crops. The RT-dPCR sensitivity was over 10 times that of RT-quantitative PCR (RT-qPCR). The detection limit of RT-dPCR was 0.096 copies/㎕. In addition, evaluation of RT-dPCR assay with field samples was conducted on 60 different cereal crop samples revealed that RT-dPCR (45/60) exhibited superior accuracy compared with RT-qPCR (23/60). In this study, we present a specific and accurate RT-dPCR assay for the detection and quantification of RBSDV.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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