Optimising the analysis of transcript data using high density oligonucleotide arrays and genomic DNA-based probe selection

Background: Affymetrix GeneChip arrays are widely used for transcriptomic studies in a diverse range of species. Each gene is represented on a GeneChip array by a probe- set, consisting of up to 16 probe-pairs. Signal intensities across probe- pairs within a probe-set vary in part due to different physical hybridisation characteristics of individual probes with their target labelled transcripts. We have previously developed a technique to study the transcriptomes of heterologous species based on hybridising genomic DNA (gDNA) to a GeneChip array designed for a different species, and subsequently using only those probes with good homology. Results: Here we have investigated the effects of hybridising homologous species gDNA to study the transcriptomes of species for which the arrays have been designed. Genomic DNA from Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa) were hybridised to the Affymetrix Arabidopsis ATH1 and Rice Genome GeneChip arrays respectively. Probe selection based on gDNA hybridisation intensity increased the number of genes identified as significantly differentially expressed in two published studies of Arabidopsis development, and optimised the analysis of technical replicates obtained from pooled samples of RNA from rice. Conclusion: This mixed physical and bioinformatics approach can be used to optimise estimates of gene expression when using GeneChip arrays.

Response to zinc deficiency of two rice lines with contrasting tolerance is determined by root growth maintenance and organic acid exudation rates, and not by zinc-transporter activity

Zinc (Zn)-deficient soils constrain rice (Oryza sativa) production and cause Zn malnutrition. The identification of Zn-deficiency-tolerant rice lines indicates that breeding might overcome these constraints. Here, we seek to identify processes underlying Zn-deficiency tolerance in rice at the physiological and transcriptional levels. A Zn-deficiency-tolerant line RIL46 acquires Zn more efficiently and produces more biomass than its nontolerant maternal line (IR74) at low Zn(ext) under field conditions. We tested if this was the result of increased expression of Zn(2+) transporters; increased root exudation of deoxymugineic acid (DMA) or low-molecular-weight organic acids (LMWOAs); and/or increased root production. Experiments were performed in field and controlled environment conditions. There was little genotypic variation in transcript abundance of Zn-responsive root Zn(2+)-transporters between the RIL46 and IR74. However, root exudation of DMA and LMWOA was greater in RIL46, coinciding with increased root expression of putative ligand-efflux genes. Adventitious root production was maintained in RIL46 at low Zn(ext), correlating with altered expression of root-specific auxin-responsive genes. Zinc-deficiency tolerance in RIL46 is most likely the result of maintenance of root growth, increased efflux of Zn ligands, and increased uptake of Zn-ligand complexes at low Zn(ext); these traits are potential breeding targets.

Temporal sensitivity of rice seed development from spikelet fertility to viable mature seed to extreme-temperature

Extreme temperature during reproductive development affects rice (Oryza sativa L.) yield and seed quality. A controlled-environment reciprocal-transfer experiment was designed where plants from two japonica cultivars were grown at 28/24 ⁰C and moved to 18/14 ⁰C and vice versa, or from 28/24 to 38/34 ⁰C and vice versa, for 7-d periods to determine the respective temporal pattern of sensitivity of spikelet fertility, yield, and seed viability to each temperature extreme. Spikelet fertility and seed yield per panicle were severely reduced by extreme temperature in the 14 d period prior to anthesis; and both cultivars were affected at 38/34 ⁰C while only cv. Gleva was affected at 18/14 ºC. The damage was greater the earlier the panicles were stressed within this period. Later-exserted panicles compensated only partly for yield loss. Seed viability was significantly reduced by 7-d exposure to 38/34 ⁰C or 18/14 ⁰C at 1 to 7 and 1 to 14 d after anthesis, respectively, in cv. Gleva. Cultivar Taipei 309 was not affected by 7 d exposure at 18/14 ⁰C; and no consistent temporal pattern of sensitivity was evident at 38/34 ⁰C. Hence, brief exposure to low or high temperature was most damaging to spikelet fertility and yield 14 to 7 d before anthesis, coinciding with microsporogenesis; and it was almost as damaging around anthesis. Seed viability was most vulnerable to low or high temperature in the 7 or 14 d after anthesis, when histodifferentiation occurs.

The effect of simulated flooding post-anthesis on pre-harvest sprouting and subsequent seed longevity in contrasting rice cultivars

Unpredictable flooding is a major constraint to rice production. It can occur at any growth stage. The effect of simulated flooding post-anthesis on yield and subsequent seed quality of pot-grown rice (Oryza sativa L.) plants was investigated in glasshouses and controlled-environment growth cabinets. Submergence post-anthesis (9-40 DAA) for 3 or 5 days reduced seed weight of japonica rice cv. Gleva, with considerable pre-harvest sprouting (up to 53%). The latter was greater the later in seed development and maturation that flooding occurred. Sprouted seed had poor ability to survive desiccation or germinate normally upon rehydration, whereas the effects of flooding on the subsequent air-dry seed storage longevity (p50) of the non-sprouted seed fraction was negligible. The indica rice cvs IR64 and IR64Sub1 (introgression of submergence tolerance gene Submergence1A-1) were both far more tolerant to flooding post-anthesis than cv. Gleva: four days’ submergence of these two near-isogenic cultivars at 10-40 DAA resulted less than 1% sprouted seeds. The presence of the Sub1A-1 allele in cv. IR64Sub1 was verified by gel electrophoresis and DNA sequencing. It had no harmful effect on loss in seed viability during storage compared with IR64 in both control and flooded environments. Moreover, the germinability and changes in dormancy during seed development and maturation were very similar to IR64. The efficiency of using chemical spray to increase seed dormancy was investigated in the pre-harvest sprouting susceptible rice cv. Gleva. Foliar application of molybdenum at 100 mg L-1 reduced sprouted seeds by 15-21% following 4 days’ submergence at 20-30 DAA. Analyses confirmed that the treatment did result in molybdenum uptake by the plants, and also tended to increase seed abscisic acid concentration. The latter was reduced by submergence and declined exponentially during grain ripening. The selection of submergence-tolerant varieties was more successful than application of molybdenum in reducing pre-harvest sprouting.

Characterisation, immunolocalisation and antifungal activity of a lipid transfer protein from chili pepper (Capsicum annuum) seeds with novel alpha-amylase inhibitory properties

Lipid transfer proteins (LTPs) were thus named because they facilitate the transfer of lipids between membranes in vitro. This study was triggered by the characterization of a 9-kDa LTP from Capsicum annuum seeds that we call Ca-LTP(1). Ca-LTP(1) was repurified, and in the last chromatographic purification step, propanol was used as the solvent in place of acetonitrile to maintain the protein`s biological activity. Bidimensional electrophoresis of the 9-kDa band, which corresponds to the purified Ca-LTP(1), showed the presence of three isoforms with isoelectric points (pIs) of 6.0, 8.5 and 9.5. Circular dichroism (CD) analysis suggested a predominance of alpha-helices, as expected for the structure of an LTP family member. LTPs immunorelated to Ca-LTP(1) from C. annuum were also detected by western blotting in exudates released from C. annuum seeds and also in other Capsicum species. The tissue and subcellular localization of Ca-LTP(1) indicated that it was mainly localized within dense vesicles. In addition, isolated Ca-LTP(1) exhibited antifungal activity against Colletotrichum lindemunthianum, and especially against Candida tropicalis, causing several morphological changes to the cells including the formation of pseudohyphae. Ca-LTP(1) also caused the yeast plasma membrane to be permeable to the dye SYTOX green, as verified by fluorescence microscopy. We also found that Ca-LTP(1) is able to inhibit mammalian alpha-amylase activity in vitro.

GRASSIUS: A Platform for Comparative Regulatory Genomics across the Grasses

Transcription factors (TFs) are major players in gene regulatory networks and interactions between TFs and their target genes furnish spatiotemporal patterns of gene expression. Establishing the architecture of regulatory networks requires gathering information on TFs, their targets in the genome, and the corresponding binding sites. We have developed GRASSIUS (Grass Regulatory Information Services) as a knowledge-based Web resource that integrates information on TFs and gene promoters across the grasses. In its initial implementation, GRASSIUS consists of two separate, yet linked, databases. GrassTFDB holds information on TFs from maize (Zea mays), sorghum (Sorghum bicolor), sugarcane (Saccharum spp.), and rice (Oryza sativa). TFs are classified into families and phylogenetic relationships begin to uncover orthologous relationships among the participating species. This database also provides a centralized clearinghouse for TF synonyms in the grasses. GrassTFDB is linked to the grass TFome collection, which provides clones in recombination-based vectors corresponding to full-length open reading frames for a growing number of grass TFs. GrassPROMDB contains promoter and cis-regulatory element information for those grass species and genes for which enough data are available. The integration of GrassTFDB and GrassPROMDB will be accomplished through GrassRegNet as a first step in representing the architecture of grass regulatory networks. GRASSIUS can be accessed from www.grassius.org.

Avaliação da irrigação por sulcos em solos com camada de impedimento

O objetivo deste trabalho foi o de analisar o movimento da água no perfil de solos hidromórficos, do tipo glei, com camada de impedimento, quando irrigados por sulcos. Esses solos têm vocação para o cultivo do arroz irrigado por inundação, sendo considerados marginais para outros cultivos. A monocultura, decorrente dessas características, traz consigo o surgimento de limitações ao cultivo, destacando-se entre elas o surgimento de invasoras como arroz vermelho e preto, (Oryza sativa L.) que, por serem da mesma espécie da planta cultivada, não podem ser erradicadas por meio de controle químico com aplicação de herbicidas. A introdução de cultivos alternativos ao de arroz é limitada, entre outros fatores, pela pequena capacidade de armazenamento de água desses solos, o que torna a irrigação prática imprescindível nesses casos. A pequena profundidade da camada impermeável, entretanto, constitui um impedimento à penetração tanto do sistema radicular como da água. Considerando que, neste método a profundidade de umedecimento não é a mesma, em conseqüência de o tempo de permanência da lâmina sobre a superfície também não ser o mesmo, para que a profundidade mínima de irrigação seja igual à profundidade do sistema radicular, haverá sempre um excesso que irá percolar além dessa profundidade. Como a profundidade destes solos está em torno de 0,40m, o excesso de água ao ter sua percolação impedida, tende a saturar o perfil de maneira ascendente, a partir da camada de impedimento. Buscando uma contribuição para a solução da problemática, procurou-se acompanhar o movimento da água de irrigação no perfil desse tipo de solo, quando irrigado pelo método de sulcos. Para tal, foi implantado um cultivo de sorgo granífero (Sorghun bicolor L.), irrigado por sulcos retilíneos com 200m de comprimento e espaçamento de 0,95m. O movimento da água no interior do solo foi monitorado por meio das variações de umidade, com a utilização da prática da reflectometria no domínio do tempo (TDR). As variações do conteúdo de água do solo, durante e após 24 horas cessada a irrigação, indicaram que a distribuição da água no perfil do solo foi bastante boa, não restando pontos com deficiência de umidade e não alcançando, a saturação, uma altura muito significativa, que pudesse comprometer o desenvolvimento de cultivos mesofíticos. A eficiência de aplicação calculada foi de 84%, considerada muito alta para esse método de irrigação. Foi aplicado, utilizando-se os dados do experimento, um modelo de simulação de irrigação superficial, desenvolvido pelo U. S. Water Conervation Laboratory, do U. S. Department of Agriculture, Simulation Irrigation Model SRFR. A simulação realizada pelo modelo não representou o movimento da água no solo, da mesma forma como este foi observado no campo.

Desenvolvimento de uma estratégia de fusão gênica visando à localização de proteínas em plantas

Uma significativa quantidade de proteínas vegetais apresenta-se compartimentalizada nas diversas estruturas celulares. A sua localização pode conduzir à elucidação do funcionamento dos processos biossintéticos e catabólicos e auxiliar na identificação de genes importantes. A fim de localizar produtos gênicos relacionados à resistência, foi utilizada a fusão de cDNAs de arroz (Oryza sativa L.) ao gene da proteína verde fluorescente (GFP). Os cDNAs foram obtidos a partir de uma biblioteca supressiva subtrativa de genes de arroz durante uma interação incompatível com o fungo Magnaporthe grisea. Estes cDNAs foram fusionados a uma versão intensificada de gfp e usados para transformar 500 plantas de Arabidopsis thaliana. Outras 50 plantas foram transformadas com o mesmo vetor, porém sem a fusão (vetor vazio). Foram obtidas aproximadamente 25.500 sementes oriundas das plantas transformadas com as fusões EGFP::cDNAs e 35.000 sementes das transformadas com o vetor vazio, produzindo, respectivamente, 750 e 800 plantas tolerantes ao herbicida glufosinato de amônio. Após a seleção, segmentos foliares das plantas foram analisados por microscopia de fluorescência, visando o estabelecimento do padrão de localização de EGFP. Foram observadas 18 plantas transformadas com a fusão EGFP::cDNAs e 16 plantas transformadas com o vetor vazio apresentando expressão detectável de GFP. Uma planta transformada com uma fusão EGFP::cDNA apresentou localização diferenciada da fluorescência, notadamente nas células guarda dos estômatos e nos tricomas. Após seqüenciamento do cDNA fusionado, foi verificado que esta planta apresentava uma inserção similar a uma seqüência codificante de uma quinase, uma classe de enzimas envolvidas na transdução de sinais em resposta à infecção por patógenos.

Cadmium availability and accumulation by lettuce and rice

Among the toxic elements, Cd has received considerable attention in view of its association with a number of human health problems. The objectives of this study were to evaluate the Cd availability and accumulation in soil, transfer rate and toxicity in lettuce and rice plants grown in a Cd-contaminated Typic Hapludox. Two simultaneous greenhouse experiments with lettuce and rice test plants were conducted in a randomized complete block design with four replications. The treatments consisted of four Cd rates (CdCl2), 0.0; 1.3; 3.0 and 6.0 mg kg(-1), based on the guidelines recommended by the Environmental Agency of the State of São Paulo, Brazil (Cetesb). Higher Cd rates increased extractable Cd (using Mehlich-3, Mehlich-1 and DTPA chemical extractants) and decreased lettuce and rice dry matter yields. However, no visual toxicity symptoms were observed in plants. Mehlich-1, Mehlich-3 and DTPA extractants were effective in predicting soil Cd availability as well as the Cd concentration and accumulation in plant parts. Cadmium concentration in rice remained below the threshold for human consumption established by Brazilian legislation. on the other hand, lettuce Cd concentration in edible parts exceeded the acceptable limit.

Períodos de interferência das plantas daninhas na cultura do arroz de terras altas. II - cultivar Caiapó

Os experimentos foram desenvolvidos nos anos agrícolas 2003/2004 e 2004/2005, em área experimental da Universidade Estadual Paulista, Campus de Jaboticabal (SP), com o objetivo de se determinarem os períodos de interferência das plantas daninhas na cultura do arroz de terras altas, cultivar Caiapó. O delineamento experimental foi em blocos ao acaso com quatro repetições e 16 tratamentos. Os tratamentos foram constituídos por períodos crescentes de controle ou de convivência das plantas daninhas após a emergência da cultura: 0-10, 0-20, 0-30, 0-40, 0-50, 0-60, 0-70 dias e 0-colheita. Nos dois anos, as famílias predominantes eram Poaceae, Asteraceae, Amaranthaceae e Malvaceae e as principais plantas daninhas presentes foram: Cyperus rotundus L., Cenchrus echinatus L., Digitaria spp Heist., Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv., Brachiaria decumbens Stapf., Eleusine indica Gaertn e Alternanthera tenella Colla. A cultivar de arroz de terras altas Caiapó deve ser mantida sem plantas daninhas nos 30 dias após a emergência.

Períodos de interferência das plantas daninhas na cultura do arroz de terras altas: I - Cultivar IAC 202

O trabalho foi conduzido com o objetivo de determinar os períodos de interferência e de controle das plantas daninhas na cultura do arroz de terras altas. Os experimentos foram instalados nos anos agrícolas de 2003/04 e 2004/05 em área experimental da Universidade Estadual Paulista, campus de Jaboticabal/SP, situado a 21º 15' 22 de latitude sul e 48º 18' 58 de longitude oeste. O cultivar utilizado foi o IAC 202, semeado, respectivamente, em 18 de novembro de 2003 e 24 de novembro de 2004. O delineamento experimental foi em blocos ao acaso, com os tratamentos constituídos por períodos crescentes de controle ou de convivência das plantas daninhas com a cultura. Os períodos iniciais de controle ou de convivência após a emergência da cultura foram: 0-10, 0-20, 0-30, 0-40, 0-50, 0-60, 0-70 dias e 0-colheita. As principais plantas daninhas em 2003/04 foram Cyperus rotundus, Cenchrus echinatus, Digitaria spp. Echinochloa crus-galli e Brachiaria decumbens. No ano agrícola de 2004/05, destacaram-se Digitaria spp., C. echinatus, Raphanus raphanistrum e Alternanthera tenella. Considerando 5% de tolerância na redução da produtividade do arroz nos anos agrícolas de 2003/04 e 2004/05, concluiu-se que os períodos anteriores à interferência (PAI) foram de 12 e 26 DAE, respectivamente; os períodos totais de prevenção à interferência (PTPI), de 40 e 42 DAE; e os períodos críticos de prevenção à interferência (PCPI), de 12 a 40 DAE e de 26 a 42 DAE, respectivamente.

Adubação nitrogenada em cultivares de arroz de terras altas

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência de diferentes doses de N em cobertura (0, 30, 60, 90 e 120 kg ha-1) sobre as características agronômicas de diferentes cultivares de arroz de terras altas (Caiapó, Primavera, Confiança, IAC 202 e Carisma) sob irrigação por aspersão durante os anos agrícolas 2003/04 e 2004/05, em área experimental da FCAV - UNESP - Jaboticabal (SP). Os cultivares Caiapó, IAC 202 e Carisma são os de maior produtividade, com o Primavera não respondendo ao incremento da adubação nitrogenada; o IAC 202 e Carisma são possuidores de índice de colheita mais elevado e responsivos ao nitrogênio aplicado em cobertura, sugerindo-se indicá-los para sistemas produtivos mais evoluídos; o cultivar Caiapó demonstra ser mais eficiente em absorver e utilizar o N contido no solo, sugerindo sua indicação para sistemas produtivos de menor aporte de tecnologia.

Características agronômicas de arroz de terras altas sob plantio direto e adubação nitrogenada e potássica

O objetivo do presente trabalho foi avaliar o efeito da adubação nitrogenada e potássica em cobertura na cultura de arroz de terras altas, utilizando um delineamento estatístico inteiramente casualizado, com 15 tratamentos, em esquema fatorial 5 x 3, representados por cinco doses de nitrogênio (0, 25, 50, 75, 100 kg ha-1) e três doses de potássio (0, 25, 50 kg ha-1), com três repetições. Os resultados mostraram que diversas características produtivas foram influenciadas positivamente pela adubação nitroggenada e potássica. A melhor combinação de doses estaria em torno de 65 kg ha-1 de N e 20 kg ha-1 de K2O, resultando em maiores valores de produtividade e proteína bruta por hectare.

Características físico-químicas do grão de cultivares de arroz em função da adubação nitrogenada

Rice (Oryza sativa L.) stands out as a staple food of the world population due to important nutritional properties. However, rice physico-chemical parameters vary according to genotype and management, for example, the use of nitrogen fertilizer. The aim of this work was to evaluate physico-chemical parameters of grains from thirteen cultivars of upland rice under supplemental sprinkler irrigation and fertilized with different nitrogen rates by topdressing (0, 40, 80, 120 and 160 kg ha(-1)). Parameters such as milling efficiency, commercial grade, gelatinization temperature, as well as total nitrogen and crude protein contents of grains were evaluated. Nitrogen fertilization positively influences the whole grain yield, especially IAC 25 and BRS Colosso. BRS Aroma, IAC 202, IAC 500, BEST 2000, Curinga and Baldo have a high percentage of broken grains. The cultivars Baldo and Carnaroli (appropriate for Italian cuisine), IAC 25 and Caiapo are classified as long grain and the others, as long-thin. The cultivars, except CIRAD 141, displayed grain gelatinization temperature between intermediate and low, providing quick cooking. The grain content protein varies among cultivars, and it can be increased with nitrogen fertilization.