Селекция на устойчивость к тепловому стрессу
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( декабрь 2011 г. ) |
Селекция растений – это процесс выведения новых сортов . Селекция растений предполагает создание сортов для различных условий окружающей среды, некоторые из них неблагоприятны. Среди них тепловой стресс является одним из таких факторов, которые значительно снижают производительность и качество. Таким образом, разведение против жары является очень важным критерием разведения для нынешних и будущих условий, вызванных глобальным изменением климата (например, глобальным потеплением ).
Селекция устойчивости растений к тепловому стрессу
[ редактировать ]Тепловой стресс , вызванный повышением температуры, является очень важной проблемой во всем мире. [ нужна ссылка ] Периодические или продолжительные высокие температуры вызывают в растениях различные морфоанатомические, физиологические и биохимические изменения. В конечном итоге это влияет на рост и развитие растений, а также снижает урожайность и качество. Селекцию на устойчивость к тепловому стрессу можно смягчить путем селекции сортов растений с улучшенным уровнем термоустойчивости с использованием различных традиционных или передовых генетических инструментов . Методы отбора с помощью маркеров для разведения очень полезны. Недавно был идентифицирован 41 полиморфный SSR-маркер между жароустойчивым сортом риса «N22» и чувствительным к жаре высокоурожайным сортом «Ума» для разработки новых «высокоурожайных и жароустойчивых» сортов риса. [1]
Что такое устойчивость к тепловому стрессу
[ редактировать ]Тепловой стресс определяется как повышение уровня температуры, достаточное для того, чтобы нанести необратимый ущерб росту и развитию растений. Обычно повышение температуры, обычно превышающее температуру окружающей среды на 10–15 °C, можно рассматривать как тепловой шок или тепловой стресс. Жаростойкость в широком смысле определяется как способность растения переносить жару – это означает, что оно растет и дает экономический урожай при высоких температурах.
Значение: настоящее и будущее – глобальное потепление.
[ редактировать ]Тепловой стресс представляет собой серьезную угрозу для растениеводства во всем мире (Hall, 2001, 1992). [2] [3] Глобальное потепление является, в частности, следствием увеличения уровня парниковых газов, таких как CO 2 , метан, хлорфторуглероды и оксиды азота. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) предсказала повышение температуры на 0,3 °C за десятилетие (Джонс и др., 1999). [4] достигнет примерно 1 и 3 ° C выше нынешнего значения к 2025 и 2100 годам нашей эры соответственно.
Физиологические последствия теплового стресса
[ редактировать ]При очень высоких температурах происходит серьезное повреждение клеток, и в течение короткого времени может произойти гибель клеток , что приводит к катастрофическому коллапсу клеточной организации (Schoffl et al., 1999). [5] Однако при умеренно высоких температурах травма может возникнуть только после длительного воздействия такой температуры, однако эффективность установки может серьезно пострадать. Высокая температура напрямую влияет на такие повреждения, как денатурация и агрегация белков , а также повышение текучести мембранных липидов . Другие непрямые или более медленные тепловые повреждения включают инактивацию ферментов в хлоропластах и митохондриях , деградацию белка, ингибирование синтеза белка и потерю целостности мембран. Травмы, связанные с тепловым стрессом, в конечном итоге приводят к голоданию, торможению роста, уменьшению потока ионов, выработке токсичных соединений и образованию активных форм кислорода (АФК). Сразу после воздействия высокой температуры белки, связанные со стрессом, экспрессируются как стратегия защиты клетки от стресса. Предполагается, что экспрессия белков теплового шока (HSP), белков массой от 10 до 200 кДа, участвует в передаче сигнала во время теплового стресса. У многих видов было продемонстрировано, что HSP приводят к улучшению физиологических явлений, таких как фотосинтез, распределение ассимилятов, эффективность использования воды и питательных веществ, а также стабильность мембран.
Исследования выявили огромные различия внутри и между видами, что поможет развить устойчивость к жаре для будущей окружающей среды. Некоторые попытки создания жароустойчивых генотипов оказались успешными. (Элерс и Холл, 1998; [6] Камехо и др., 2005 г. [7] )
Характеристики, связанные с устойчивостью к тепловому стрессу
[ редактировать ]Различные физиологические механизмы могут способствовать толерантности к жаре в полевых условиях, например, жароустойчивый метаболизм, о чем свидетельствуют более высокиескорость фотосинтеза, сохранение зеленого цвета и термостабильность мембраны или избегание жары, на что указывает снижение температуры кроны. Несколько физиологических и морфологических признаков были оценены на предмет жароустойчивости: температура кроны, хлорофилл листа, зеленость листьев, проводимость листьев, количество колосков, биомасса и дата цветения. [8]
(a) Температурная депрессия купола (CTD)
CTD показал четкую связь с урожайностью в теплых условиях и с устойчивостью к тепловому стрессу. CTD демонстрирует высокую генетическую корреляцию с урожайностью и высокие значения доли прямого ответа на отбор (Reynolds et al., 1998). [9] что указывает на то, что этот признак передается по наследству и, следовательно, поддается отбору в раннем поколении. Поскольку интегрированное значение CTD можно измерить практически мгновенно на множестве растений на небольшой селекционной площадке (таким образом уменьшая ошибку, обычно связанную с признаками, измеренными на отдельных растениях), была проведена работа по оценке его потенциала в качестве критерия косвенного отбора для генетического улучшения в урожай. На CTD влияют многие физиологические факторы, что делает его мощным.
(б) Устьичная проводимость
Понижение температуры кроны очень удобно для отбора физиологически превосходных линий в теплых условиях с низкой относительной влажностью, где высокая потребность в испарении приводит к охлаждению листьев на 10 °C ниже температуры окружающей среды. Это позволяет относительно легко обнаруживать различия между генотипами с помощью инфракрасной термометрии. Однако такие различия не могут быть обнаружены в условиях высокой относительной влажности, поскольку эффект испарительного охлаждения листьев незначителен. Тем не менее, листья сохраняют устьица открытыми, чтобы обеспечить поглощение CO 2 , а различия в скорости фиксации CO 2 могут привести к различиям в проводимости листьев, которые можно измерить с помощью порометра. Порометрию можно использовать для скрининга отдельных растений. Наследственность устьичной проводимости достаточно высока, ее значения обычно находятся в диапазоне от 0,5 до 0,8. Проводимость листьев можно оценить с помощью порометра вязкого потока, который доступен на рынке (Thermoline и CSIRO, Австралия). Этот прибор может дать относительную оценку устьичной проводимости за несколько секунд, что позволяет идентифицировать физиологически превосходные генотипы внутри больших объемов.
(C) Термостабильность мембраны
Хотя устойчивость к высоким температурам включает в себя несколько сложных механизмов толерантности и избегания, считается, что мембрана является местомпервичное физиологическое повреждение от нагревания и измерение утечки растворенных веществ из тканей можно использовать для оценки повреждения мембран. Поскольку термостабильность мембраны в достаточной степени передается по наследству (Fokar et al., 1998) [10] и показывает высокую генетическую корреляцию с урожайностью.
(D) Флуоресценция хлорофилла
Флуоресценция хлорофилла, показывающая судьбу энергии возбуждения в фотосинтетическом аппарате, использовалась как индикатор устойчивости к тепловому стрессу. [11]
(E) Содержание хлорофилла и сохранение зеленого цвета
Было обнаружено, что содержание хлорофилла и свойства оставаться зелеными связаны с устойчивостью к тепловому стрессу. [12] [13] Сюй и др. (2000) [14] идентифицировали три QTL по содержанию хлорофилла (Chl1, Chl2 и Chl3) (совпадающие с тремя оставшимися зелеными областями QTL (Stg1, Stg2 и Stg3)) были идентифицированы у сорго. Области Stg1 и Stg2 также содержат гены ключевых фотосинтетических ферментов, белков теплового шока и ген, чувствительный к абсцизовой кислоте (АБК).
(F) Фотосинтез
Снижение фотосинтеза предлагается рассматривать как меру чувствительности растений к тепловому стрессу. [15]
(G) Ремобилизация стволового резерва
Комбинированное разведение и физиологическое разведение.
[ редактировать ]Подход к селекции, основанный на физиологических признаках, имеет преимущество перед селекцией на урожайность как таковую, поскольку он увеличивает вероятность скрещивания, приводящего к аддитивному действию генов. [16] [17] [18] Концепция комбинированной феноменики исходит из идеи, что два или более стрессов имеют общий физиологический эффект или общие черты, что является показателем общего здоровья растений. [19] [20] [21] Аналогичная аналогия в медицинских терминах человека: высокое кровяное давление или высокая температура тела или высокий уровень лейкоцитов в организме являются индикатором проблем со здоровьем, и поэтому мы [ ВОЗ? ] С помощью такой меры можно отобрать здоровых людей от нездоровых. Как абиотик и абиотик [ нужны разъяснения ] стрессы могут привести к аналогичным физиологическим последствиям, толерантные растения можно отделить от чувствительных растений. Некоторые методы визуализации или инфракрасного измерения могут помочь ускорить процесс размножения. Например, интенсивность пятен и снижение температуры покрова можно отслеживать с помощью снижения температуры покрова. [22]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вагмаре С.Г., Синдхумоле П., Шиладжа М.Р., Мэтью Д., Фрэнсис Р.М., Абида П.С. и Саджини С. (2018). Анализ полиморфизма простых повторов последовательностей (SSR) между сортами риса N22 и Ума для отбора с помощью маркеров. Электронный журнал селекции растений, 9 (2), 511-517.
- ^ Холл, А.Е., 1992. Селекция на жароустойчивость. Порода растений. Откр. 10, 129–168.
- ^ Холл, А.Е., 2001. Реакция сельскохозяйственных культур на окружающую среду. CRC Press LLC, Бока-Ратон, Флорида
- ^ Джонс, П.Д., Нью, М., Паркер, Д.Э., Мортин, С., Ригор, И.Г., 1999. Температура поверхности и ее изменение за последние 150 лет. Преподобный Геофиз. 37, 173–199
- ^ Шоффл Ф., Прандл Р., Рейндл А., 1999. Молекулярные реакции на тепловой стресс. В: Шинозаки К., Ямагути-Синозаки К. (ред.), Молекулярные реакции на холод, засуху, жару и солевой стресс у высших растений . RG Landes Co., Остин, Техас, стр. 81–98.
- ^ Элерс, Дж. Д., Холл, А. Е., 1998. Жаровая устойчивость контрастных линий вигны в короткие и длинные дни. Полевые культуры Рес. 55, 11–21.
- ^ Камехо, Д., Хименес, А., Аларкон, Дж. Дж., Торрес, В., Гомес, Дж. М., Севилья, Ф., 2006. Изменения параметров фотосинтеза и антиоксидантной активности после обработки томатов тепловым шоком. растения. Функц. Растительная биол. 33 177–18
- ^ Саркар, С.; Ислам, АКМАминул; Барма, НИЗ; Ахмед, Джу (май 2021 г.). «Механизмы толерантности селекции пшеницы против теплового стресса: обзор» . Южноафриканский журнал ботаники . 138 : 262-277. дои : 10.1016/j.sajb.2021.01.003 .
- ^ Рейнольдс, член парламента, Р.П. Сингх, А. Ибрагим, ОАА Агиб, А. Ларке-Сааведра и Дж.С. Квик.1998. Оценка физиологических характеристик в дополнение к эмпирическому отбору пшеницы в теплых условиях. Эвфитика 100:84-95.,
- ^ Фокар, М., HT Нгуен и А. Блюм. 1998. Жаростойкость яровой пшеницы. I. Генетическая изменчивость и наследственность клеточной термотолерантности. Евфитика 104:1-8.
- ^ Росьяра, UR, С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Фотохимическая эффективность и значение SPAD как косвенные критерии отбора для комбинированного отбора пятнистости и терминального теплового стресса у пшеницы. Журнал фитопатологии, том 158, выпуск 11–12, страницы 813–821, декабрь 2010 г.
- ^ Росьяра, У. Р., С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Влияние пятнистости и теплового стресса на изменение температуры покрова, флуоресценции хлорофилла и содержания хлорофилла в гексаплоидных генотипах пшеницы. Euphytica Том 174, номер 3, 377-390
- ^ Росьяра, UR, С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Фотохимическая эффективность и значение SPAD как косвенные критерии отбора для комбинированного отбора пятнистости и терминального теплового стресса у пшеницы. Журнал фитопатологии, том 158, выпуск 11–12, страницы 813–821, декабрь 2010 г.
- ^ Сюй В., Субудхи ПК, Краста О.Р., Розенов Д.Т., Маллет Дж.Э., Нгуен Х.Т. Молекулярное картирование QTL, придающих зеленый цвет зерновому сорго (Sorghum bicolor L. Moench). Геном. Июнь 2000 г.; 43(3): 461-9.
- ^ Берри Дж. и О. Бьоркман. 1980. Фотосинтетическая реакция и адаптация к температуре у высших растений. Анну. Преподобный Физиол растений. 31:491–543.
- ^ Физиологические подходы к селекции пшеницы, http://www.fao.org/docrep/006/y4011e/y4011e0a.htm.
- ^ UR Rosyara, NK Gupta, S. Gupta, RC Sharma (2011) Геномика и феномика свойств, связанных с хлорофиллом, в размножении толерантности к абиотическому стрессу: Хуа Ле и Элиза Сальседо, Хлорофилл: структура, производство и медицинское использование, Нью-Йорк: Nova Science Publishers
- ^ Росьяра УР, Гупта Н.К., Гупта С., Р.К. Шарма (2012) Селекция на устойчивость к тепловому стрессу у растений посредством молекулярных и физиологических манипуляций В: Станислас Йосипович и Элиас Людвиг, Тепловой стресс: причины, лечение и профилактика, Нью-Йорк: Nova Science Publishers
- ^ Росьяра, У.Р., Вромман, Д., Дювейлер, Э. 2008. Снижение температуры полога как показатель коррелятивной меры устойчивости к пятнистой пятнистости и устойчивости к тепловому стрессу у яровой пшеницы. Дж. Тропа растений. 90: 103–107.
- ^ Росьяра, У. Р., С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Влияние пятнистости и теплового стресса на изменение температуры покрова, флуоресценции хлорофилла и содержания хлорофилла в гексаплоидных генотипах пшеницы. Euphytica Том 174, номер 3, 377-390
- ^ Росьяра, UR, С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Фотохимическая эффективность и значение SPAD как косвенные критерии отбора для комбинированного отбора пятнистости и терминального теплового стресса у пшеницы. Журнал фитопатологии, том 158, выпуск 11–12, страницы 813–821.
- ^ Росьяра, У.Р., Вромман, Д., Дювейлер, Э. 2008. Снижение температуры полога как показатель коррелятивной меры устойчивости к пятнистой пятнистости и устойчивости к тепловому стрессу у яровой пшеницы. Дж. Тропа растений. 90: 103–107.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ВМЕШАТЕЛЬСТВА В СЕЛЕКЦИИ ДЛЯ АДАПТАЦИИ К АБИОТИЧЕСКОМУ СТРЕССУ
- Физиологические подходы к селекции пшеницы.
- Применение физиологии в селекции пшеницы, глава книги CIMMYT