Molecular and physiological approaches to enhance the performance and productivity of rice

Abstract

Estressos abiòtics com la sequera i la salinitat són els factors ambientals més importants que limiten la productivitat dels cultius. Estratègies per millorar el creixement dels cultius sota condicions d'estrès abiòtic inclouen la millora convencional, la selecció assistida per marcadors, l'enginyeria genètica i l'aplicació de bioreguladors naturals o sintètics. Els bioreguladors naturals són hormones vegetals com l'àcid abscísic (ABA), citoquinines, giberelines i l’àcid jasmònic, mentre que els bioreguladors sintètics són productes químics que milloren el creixement de les plantes en condicions de camp. Els fitoprotectors són bioreguladors sintètics que selectivament protegeixen les plantes del cultiu, però no les males herbes dels herbicides induint de forma coordinada les vies de detoxificació d'herbicides. A més del seu paper directe en la detoxificació, alguns fitoprotectors també poden millorar el creixement de plantes en particular sota condicions d'estrès abiòtic. He avaluat un nombre de potencials bioreguladors sintètics sols o en combinació amb ABA per seleccionar les combinacions que milloren el creixement i la productivitat de l'arròs en condicions de sequera (o estrès hídric) moderada, però a llarg termini i d’estrès per salinitat, optimitzat en una cambra de creixement. L’agent fitoprotector ciprosulfamida sol o en combinació amb ABA s'ha trobat que promou el creixement de l'arròs sota condicions d’estrès salí, donant lloc a una floració avançada i a l'aparició de tiges noves. Aquestes respostes van estar absents o van ser molt més limitades en les plantes no tractades sotmeses a estrès. Experiments per desentranyar les bases moleculars de l'efecte de la ciprosulfamida han resultat en la identificació de gens que són potencialment responsables de la millora del rendiment de les plantes d'arròs sota estrès per salinitat. L'anàlisi proteòmic de les plantes d'arròs sense tractar i de les tractades amb ciprosulfamida i / o ABA en presència o absència d'estrès per salinitat ens ha permès identificar gens de resposta a l'estrès amb funcions relacionades amb la defensa, la destoxificació, l'energia, el metabolisme, la fotosíntesi, el plegament i el transport de proteïnes, entre d'altres. Curiosament, moltes proteïnes que eren modulades per l'exposició a estrès per salinitat també van ser modulades per ciprosulfamida o ciprosulfamida més ABA. Proposem que l’agent fitoprotector ciprosulfamida indueix gens de resposta a l'estrès abiòtic i preadapta les plantes per suportar les condicions d’estrès abiòtic. Tres gens que codifiquen per late embryogenesis abundant group 3 protein (OsLEA3), putative fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) i mitochondrial import inner membrane translocase (TIM) estan induïdes fortament per l'estrès salí, així com per ciprosulfamida o ciprosulfamida més ABA en l'absència d'estrès. Es va trobar una correlació positiva entre els perfils d'expressió génica determinada per la reacció en cadena de la polimerasa quantitativa o en temps real amb la transcriptasa inversa (qRT-PCR) i les dades de proteòmica.

Estreses abióticos como la sequía y la salinidad son los factores ambientales más importantes que limitan la productividad de los cultivos. Estrategias para mejorar el crecimiento de los cultivos bajo condiciones de estrés abiótico incluyen la mejora convencional, la selección asistida por marcadores, la ingeniería genética y la aplicación de biorreguladores naturales o sintéticos. Los biorreguladores naturales son hormonas vegetales como el ácido abscísico (ABA), citoquininas, giberelinas y ácido jasmónico, mientras que los biorreguladores sintéticos son productos químicos que mejoran el crecimiento de plantas en condiciones de campo. Safeners son biorreguladores sintéticos que selectivamente protegen a las plantas del cultivo pero no a las malas hierbas de los herbicidas, induciendo de forma coordinada todas las vías de detoxificación de herbicidas. Además de su papel directo en la detoxificación, algunos safeners también pueden mejorar el crecimiento de plantas en particular bajo condiciones de estrés abiótico. He evaluado diversos biorreguladores sintéticos candidatos, solos o en combinación con ABA para seleccionar las combinaciones que mejoren el crecimiento y la productividad del arroz en condiciones de sequía o salinidad moderada, pero a largo plazo, optimizado en una cámara de crecimiento. Cyprosulfamide solo o en combinación con ABA se ha encontrado que promueve el crecimiento del arroz bajo estrés por salinidad, dando lugar a una floración temprana y a la aparición de tallos nuevos. Estas respuestas eran ausentes o mucho más limitadas en las plantas no tratadas sometidas a estrés. Experimentos para desentrañar las bases moleculares de la actividad de cyprosulfamide resultaron en la identificación de genes que son potencialmente responsables de la mejora del rendimiento de las plantas de arroz bajo estrés por salinidad. El análisis proteómico de las plantas de arroz sin tratar y las tratadas con cyprosulfamide y / o ABA en presencia o ausencia de estrés por salinidad nos ha permitido identificar genes de respuesta a estrés con funciones relacionadas con la defensa, la detoxificación, la energía, el metabolismo, la fotosíntesis, el plegamiento de proteínas y el transporte de proteínas, entre otros. Curiosamente, muchas proteínas que eran moduladas por la exposición a estrés por salinidad también eran moduladas por cyprosulfamide o cyprosulfamide más ABA. Nosotros proponemos que el safener cyprosulfamide induce genes responsables de estrés abiótico y adapta a las plantas para soportar las condiciones de estrés abiótico. Tres genes que codifican late embryogenesis abundant group 3 protein (OsLEA3), putative fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) y mitochondrial import inner membrane translocase (TIM) fueron inducidas fuertemente por el estrés de salinidad, así como por cyprosulfamide o cyprosulfamide más ABA en la ausencia de estrés. También se vió una correlación positiva entre los perfiles de expresión genética determinada por la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real o cuantitativa con transcriptasa inversa (qRT-PCR) y los datos de proteómica.

Abiotic stresses such as drought and salinity are important environmental factors that limit crop productivity. Strategies to improve the growth of crops under abiotic stress conditions include conventional breeding, marker-assisted breeding, genetic engineering and the application of natural and synthetic bioregulators. Natural bioregulators include plant hormones such as abscisic acid (ABA), cytokinins, gibberellins and jasmonic acid, whereas synthetic bioregulators are chemical products that improve plant growth under field conditions. Safeners are synthetic bioregulators that selectively protect crop plants but not weeds from herbicides by coordinately inducing entire herbicide detoxification pathways. In addition to their direct role in detoxification, some safeners can also improve plant growth particularly under abiotic stress conditions. I evaluated a number of potential synthetic bioregulators alone or in combination with ABA to select the combinations that improved rice growth and productivity under mild but long-term drought and salinity stress conditions optimized in a growth chamber. Cyprosulfamide alone or in combination with ABA was found to promote rice growth under salinity stress, resulting in earlier flowering and the appearance of new tillers. These responses were either absent or much more limited in untreated plants under stress. Experiments to unravel the molecular basis of cyprosulfamide activity resulted in the identification of genes that were potentially responsible for the improved performance of rice plants under salinity stress. Proteomic analysis of untreated rice plants and those treated with cyprosulfamide and/or ABA in the presence or absence of salinity stress allowed us to identify stress-response genes with roles in defense, detoxification, energy, metabolism, photosynthesis, protein folding and protein transport among others. Interestingly, many proteins that were modulated by exposure to salinity stress were also modulated by cyprosulfamide or cyprosulfamide plus ABA. We propose that cyprosulfamide induces abiotic stress-response genes and pre-adapts the plants to withstand abiotic conditions. Three genes encoding a late embryogenesis abundant group 3 protein (OsLEA3), a putative fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) and a mitochondrial import inner membrane translocase (TIM) were strongly upregulated by salinity stress as well as by cyprosulfamide or cyprosulfamide plus ABA in the absence of stress. There was good agreement between gene expression profiles determined by quantitative real-time reverse transcriptase polymerase chain reaction and the proteomic data.