Effect of root age on the biomechanics of seminal and nodal roots of barley (Hordeum vulgare L.) in contrasting soil environments

Peer reviewed

Effect of root age on the biomechanics of seminal and nodal roots of barley (Hordeum vulgare L.) in contrasting soil environments

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Étude de l'intégrité du génome chloroplastique de l'orge (Hordeum vulgare) en culture de microspores isolées

Un enjeu actuel en biotechnologie est d’obtenir des plantes haploïdes doublées par la technique de la culture de microspores isolées (CMI). Pourtant, la CMI génère parfois une proportion importante de plantes albinos, laquelle peut atteindre 100 % chez certains cultivars. Des travaux antérieurs ont indiqué que des remaniements du génome chloroplastique seraient à l’origine de cet albinisme. Afin de mieux comprendre ce processus menant à l’albinisme, nous avons entrepris d’étudier l’intégrité du génome chloroplastique au sein de microspores d’orge et de plantes albinos via une approche de séquençage à grande échelle. L’ADN total extrait de microspores à un stade précoce de la CMI, d’une feuille de la plante-mère (témoin), et de feuilles albinos, a été séquencé et les séquences chloroplastiques ont été analysées. Ceci nous a permis de documenter pour la première fois une diminution de l’ADN chloroplastique chez les microspores. De plus une étude de variations structurales a démontré un abaissement généralisé de la quantité de génomes chloroplastiques chez les microspores. Enfin, d’importants remaniements du génome chloroplastique ont été observés chez les plantes albinos, révélant une forte abondance de génomes chloroplastiques altérés de forme linéaire.

Analyse transcriptomique de l'interaction tripartite "Pseudozyma flocculosa-Blumeria graminis f.sp. hordei-Hordeum vulgare"

Afin d’améliorer nos pratiques agricoles dans le contexte d’une agriculture durable, plusieurs agents de lutte biologique (ALB) ont été développés, testés et sont maintenant utilisés dans le monde pour combattre les pertes de rendements causées par les maladies. Blumeria graminis f. sp. hordei ( Bgh) est l’agent pathogène responsable du blanc de l’orge et peut réduire les rendements de cette culture jusqu’à 40%. Un champignon épiphyte, Pseudozyma flocculosa, a été découvert et identifié en 1987 en association étroite avec le blanc du trèfle. Les chercheurs ont alors remarqué que ce champignon exhibait une forte activité antagoniste contre le blanc en détruisant les structures de l’agent pathogène. Suite à d’autres travaux, il est apparu que ce comportement antagoniste était dirigé contre tous les membres des Erysiphales et semblait lié à la synthèse d’un glycolipide antifongique soit la flocculosine. Toutefois, on n’est toujours pas parvenus à associer l’efficacité de l’ALB avec la production de ce glycolipide. Ces observations suggèrent que d’autres facteurs seraient impliqués lorsque les deux protagonistes, l’ALB et le blanc, sont en contact. L’objectif principal de ce projet était donc de chercher d’autres mécanismes moléculaires pouvant expliquer l’interaction P. flocculosa-blanc et orge, en faisant une analyse transcriptomique complète des trois protagonistes en même temps. L’interaction tripartite a été échantillonnée à différents temps suivant l’inoculation de P. flocculosa sur des feuilles d’orge présentant déjà une intensité de blanc d’environ 50%. Les échantillons de feuilles prélevés ont ensuite été utilisés pour l’extraction de l’ARN qui ont été ensuite transformés en ADNc pour la préparation des librairies. Cinq répliquats ont été effectués pour chaque temps et le tout a été séquencé à l’aide de séquençage par synthèse Illumina HiSeq. Les séquences obtenues (reads) ont ensuite été analysées à l’aide du logiciel CLC Genomics Workbench. Brièvement, les séquences obtenues ont été cartographiées sur les trois génomes de référence. Suite à la cartographie, les analyses d’expression ont été conduites et les gènes exprimés de façon différentielle ont été recherchés. Cette étape a été conduite en portant une attention particulière aux gènes codant pour un groupe de protéines appelées CSEP pour “candidate secreted effector proteins” qui seraient possiblement impliquées dans l’interaction tripartite. Parmi les protéines exprimées de façon différentielle en présence du blanc ou en absence de ce dernier, nous avons pu constater que certaines CSEP étaient fortement exprimées en présence du blanc. Ces résultats sont prometteurs et nous offrent une piste certaine pour l’élucidation des mécanismes impliqués dans cette interaction tripartite.

Domestication and the storage starch biosynthesis pathway: Signatures of selection from a whole sorghum genome sequencing strategy

Next-generation sequencing of complete genomes has given researchers unprecedented levels of information to study the multifaceted evolutionary changes that have shaped elite plant germplasm. In conjunction with population genetic analytical techniques and detailed online databases, we can more accurately capture the effects of domestication on entire biological pathways of agronomic importance. In this study, we explore the genetic diversity and signatures of selection in all predicted gene models of the storage starch synthesis pathway of Sorghum bicolor, utilizing a diversity panel containing lines categorized as either ‘Landraces’ or ‘Wild and Weedy’ genotypes. Amongst a total of 114 genes involved in starch synthesis, 71 had at least a single signal of purifying selection and 62 a signal of balancing selection and others a mix of both. This included key genes such as STARCH PHOSPHORYLASE 2 (SbPHO2, under balancing selection), PULLULANASE (SbPUL, under balancing selection) and ADP-glucose pyrophosphorylases (SHRUNKEN2, SbSH2 under purifying selection). Effectively, many genes within the primary starch synthesis pathway had a clear reduction in nucleotide diversity between the Landraces and wild and weedy lines indicating that the ancestral effects of domestication are still clearly identifiable. There was evidence of the positional rate variation within the well-characterized primary starch synthesis pathway of sorghum, particularly in the Landraces, whereby low evolutionary rates upstream and high rates downstream in the metabolic pathway were expected. This observation did not extend to the wild and weedy lines or the minor starch synthesis pathways.

Nitrogen use efficiency in summer sorghum grown on clay soils

Nitrogen fertilizer inputs dominate the fertilizer budget of grain sorghum growers in northern Australia, so optimizing use efficiency and minimizing losses are a primary agronomic objective. We report results from three experiments in southern Queensland sown on contrasting soil types and with contrasting rotation histories in the 2012-2013 summer season. Experiments were designed to quantify the response of grain sorghum to rates of N fertilizer applied as urea. Labelled 15N fertilizer was applied in microplots to determine the fate of applied N, while nitrous oxide (N2O) emissions were continuously monitored at Kingaroy (grass or legume ley histories) and Kingsthorpe (continuous grain cropping). Nitrous oxide is a useful indicator of gaseous N losses. Crops at all sites responded strongly to fertilizer N applications, with yields of unfertilized treatments ranging from 17% to 52% of N-unlimited potential. Maximum yields ranged from 4500 (Kupunn) to 5450 (Kingaroy) and 8010 (Kingsthorpe) kg/ha. Agronomic efficiency (kg additional grain produced/kg fertilizer N applied) at the optimum N rate on the Vertosol sites was 23 (80 N, Kupunn) to 25 (160N, Kingsthorpe), but 40-42 on the Ferrosols at Kingaroy (70-100N). Cumulative N2O emissions ranged from 0.44% (Kingaroy legume) to 0.93% (Kingsthorpe) and 1.15% (Kingaroy grass) of the optimum fertilizer N rate at each site, with greatest emissions from the Vertosol at Kingsthorpe. The similarity in N2O emissions factors between Kingaroy and Kingsthorpe contrasted markedly with the recovery of applied fertilizer N in plant and soil. Apparent losses of fertilizer N ranged from 0-5% (Ferrosols at Kingaroy) to 40-48% (Vertosols at Kupunn and Kingsthorpe). The greater losses on the Vertosols were attributed to denitrification losses and illustrate the greater risks of N losses in these soils in wet seasonal conditions.

Stay-green Drought Adaptation Trait Enhances Sorghum Production in Sub-tropical Australia, Central-Western India and Sub-Saharan Africa

Drought during grain filling is a common challenge for sorghum production in north-eastern Australia, central-western India, and sub-Saharan Africa. We show that the stay-green drought adaptation trait enhances sorghum grain yield under post-anthesis drought in these three regions. A positive relationship between stay-green and yield was generally found in breeding trials in north-eastern Australia that sampled 1668 unique hybrid combinations and 23 environments. Physiological studies in Australia also found that introgressing four individual stay-green (Stg1–4) quantitative trait loci (QTLs) into a senescent background reduced water demand before flowering and hence increased water supply during grain filling, resulting in higher grain yield relative to the senescent control. Studies in India found that various Stg QTLs affected both transpiration and transpiration efficiency, although these effects depended on the interaction between genetic background (S35 and R16) and individual QTLs. The yield variation unexplained by harvest index was related to transpiration efficiency in S35 (R2 = 0.29) and R16 (R2 = 0.72), and was related to total water extracted in S35 (R2 = 0.41) but not in R16. Finally, sixty-eight stay-green enriched lines were evaluated in six countries in sub-Saharan Africa during the 2013/14 season. Analysis of the data from Kenya indicates that stay-green and grain size were positively correlated at two sites: Kiboko (high yielding, r2=0.25) and Masongaleni (low yielding, r2=0.37). Together, these studies suggest that stay-green is a beneficial trait for sorghum production in the semi-arid tropics and is a consequence of traits altering the plant water budget.