Physiological and proteomic approaches to address heat tolerance during anthesis in rice (Oryza sativa L.)

Episodes of high temperature at anthesis, which in rice is the most sensitive stage to temperature, are expected to occur more frequently in future climates. The morphology of the reproductive organs and pollen number, and changes in anther protein expression, were studied in response to high temperature at anthesis in three rice (Oryza sativa L.) genotypes. Plants were exposed to 6 h of high (38 °C) and control (29 °C) temperature at anthesis and spikelets collected for morphological and proteomic analysis. Moroberekan was the most heat-sensitive genotype (18% spikelet fertility at 38 °C), while IR64 (48%) and N22 (71%) were moderately and highly heat tolerant, respectively. There were significant differences among the genotypes in anther length and width, apical and basal pore lengths, apical pore area, and stigma and pistil length. Temperature also affected some of these traits, increasing anther pore size and reducing stigma length. Nonetheless, variation in the number of pollen on the stigma could not be related to measured morphological traits. Variation in spikelet fertility was highly correlated (r=0.97, n=6) with the proportion of spikelets with ≥20 germinated pollen grains on the stigma. A 2D-gel electrophoresis showed 46 protein spots changing in abundance, of which 13 differentially expressed protein spots were analysed by MS/MALDI-TOF. A cold and a heat shock protein were found significantly up-regulated in N22, and this may have contributed to the greater heat tolerance of N22. The role of differentially expressed proteins and morphology during anther dehiscence and pollination in shaping heat tolerance and susceptibility is discussed.

A baseline study of vicine–convicine levels in faba bean (Vicia faba L.) germplasm

Vicine and convicine are anti-nutritional compounds that accumulate in the cotyledons of faba beans. When humans consume beans with high levels of these compounds, it can cause a condition called favism in individuals harbouring a deficiency in the activity of their glucose-6-phosphate dehydrogenase. When faba beans are used in animal feeds, there can be effects on performance. These concerns have resulted in increasing interest within plant breeding in developing low vicine and convicine faba bean germplasm. In order to facilitate this objective, we developed a rapid and robust screening method for vicine and convicine, capable of distinguishing between faba beans that are either high (wild type) or low in vicine and convicine. In the absence of reliable commercial reference materials, we report an adaptation of a previously published method where a biochemical assay and spectral data were used to confirm the identity of our analytes, vicine and convicine. This method could be readily adopted in other facilities and open the way to the efficient exploitation of diverse germplasm in regions where faba beans play a significant role in human nutrition. We screened a collection of germplasm of interest to a collaborative plant breeding programme developing between the National Institute for Agricultural Botany in the UK and L'Institut Nationale d'Agronomie de Tunisie in Tunisia. We report the results obtained and discuss the prospects for developing molecular markers for the low vicine and convicine trait.

Use of synteny to identify candidate genes underlying QTL controlling stomatal traits in faba bean (Vicia faba L.)

Key message We have identified QTLs for stomatal characteristics on chromosome II of faba bean by applying SNPs derived from M. truncatula , and have identified candidate genes within these QTLs using synteny between the two species. Abstract Faba bean (Vicia faba L.) is a valuable food and feed crop worldwide, but drought often limits its production, and its genome is large and poorly mapped. No information is available on the effects of genomic regions and genes on drought adaptation characters such as stomatal characteristics in this species, but the synteny between the sequenced model legume, Medicago truncatula, and faba bean can be used to identify candidate genes. A mapping population of 211 F5 recombinant inbred lines (Mélodie/2 × ILB 938/2) were phenotyped to identify quantitative trait loci (QTL) affecting stomatal morphology and function, along with seed weight, under well-watered conditions in a climate-controlled glasshouse in 2013 and 2014. Canopy temperature (CT) was evaluated in 2013 under water-deficit (CTd). In total, 188 polymorphic single nucleotide polymorphisms (SNPs), developed from M. truncatula genome data, were assigned to nine linkage groups that covered ~928 cM of the faba bean genome with an average inter-marker distance of 5.8 cM. 15 putative QTLs were detected, of which eight (affecting stomatal density, length and conductance and CT) co-located on chromosome II, in the vicinity of a possible candidate gene—a receptor-like protein kinase found in the syntenic interval of M. truncatula chromosome IV. A ribose-phosphate pyrophosphokinase from M. truncatula chromosome V, postulated as a possible candidate gene for the QTL for CTd, was found some distance away in the same chromosome. These results demonstrate that genomic information from M. truncatula can successfully be translated to the faba bean genome.

A SNP-based consensus genetic map for synteny-based trait targeting in faba bean (Vicia faba L.)

Faba bean (Vicia faba L.) is a globally important nitrogen-fixing legume, which is widely grown in a diverse range of environments. In this work, we mine and validate a set of 845 SNPs from the aligned transcriptomes of two contrasting inbred lines. Each V. faba SNP is assigned by BLAST analysis to a single Medicago orthologue. This set of syntenically anchored polymorphisms were then validated as individual KASP assays, classified according to their informativeness and performance on a panel of 37 inbred lines, and the best performing 757 markers used to genotype six mapping populations. The six resulting linkage maps were merged into a single consensus map on which 687 SNPs were placed on six linkage groups, each presumed to correspond to one of the six V. faba chromosomes. This sequence-based consensus map was used to explore synteny with the most closely-related crop species, lentil, and the most closely related fully sequenced genome, Medicago. Large tracts of uninterrupted colinearity were found between faba bean and Medicago, making it relatively straightforward to predict gene content and order in mapped genetic interval. As a demonstration of this, we mapped a flower colour gene to a 2 cM interval of Vf chromosome 2 which was highly collinear with Mt3. The obvious candidate gene from 77 gene models in the collinear Medicago chromosome segment was the previously characterized MtWD40-1 gene (Mt3g092830, Mt3g092840) controlling anthocyanin production in Medicago and re-sequencing of the Vf orthologue showed a putative causative deletion of the entire 5’ end of the gene.

Flanking SNP markers for vicine–convicine concentration in faba bean (Vicia faba L).

The pyrimidine glycosides, vicine and convicine, limit the use of faba bean (Vicia faba L.) as food and feed. A single recessive gene, vc-, is responsible for a lowered vicine–convicine concentration. The biosynthetic pathway of these closely related compounds is not known, and the nearest available markers are several cM away from vc-. Improved markers would assist breeding and help to identify candidate genes. A segregating population of 210 F5 recombinant inbred lines was developed from the cross of Mélodie/2 (low vicine–convicine) × ILB 938/2 (normal vicine–convicine), and vicine–convicine concentrations were determined twice on each line. The population was genotyped with a set of 188 SNPs. A strong, single QTL for vicine–convicine concentration was identified on chromosome I, flanked by markers 1.0 cM away on one side and 2.6 cM on the other. The interval defined by these markers in the model species Medicago truncatula includes about 340 genes, but no candidate genes were identified. Further fine mapping should lead to the identification of tightly linked markers as well as narrowing down the search for candidate regulatory or biosynthetic genes which could underlie the vc- locus.

Insect pollination reduces yield loss following heat stress in faba bean (Vicia faba L.)

Global food security, particularly crop fertilization and yield production, is threatened by heat waves that are projected to increase in frequency and magnitude with climate change. Effects of heat stress on the fertilization of insect-pollinated plants are not well understood, but experiments conducted primarily in self-pollinated crops, such as wheat, show that transfer of fertile pollen may recover yield following stress. We hypothesized that in the partially pollinator-dependent crop, faba bean (Vicia faba L.), insect pollination would elicit similar yield recovery following heat stress. We exposed potted faba bean plants to heat stress for 5 days during floral development and anthesis. Temperature treatments were representative of heat waves projected in the UK for the period 2021-2050 and onwards. Following temperature treatments, plants were distributed in flight cages and either pollinated by domesticated Bombus terrestris colonies or received no insect pollination. Yield loss due to heat stress at 30°C was greater in plants excluded from pollinators (15%) compared to those with bumblebee pollination (2.5%). Thus, the pollinator dependency of faba bean yield was 16% at control temperatures (18 to 26°C) and extreme stress (34°C), but was 53% following intermediate heat stress at 30°C. These findings provide the first evidence that the pollinator dependency of crops can be modified by heat stress, and suggest that insect pollination may become more important in crop production as the probability of heat waves increases.

Susceptibility of faba bean (Vicia faba L.) to heat stress during floral development and anthesis

Experiments were conducted over two years to quantify the response of faba bean (Vicia faba L.) to heat stress. Potted winter faba bean plants (cv. Wizard) were exposed to temperature treatments (18/10; 22/14; 26/18; 30/22; 34/26°C day/night) for five days during floral development and anthesis. Developmental stages of all flowers were scored prior to stress, plants were grown in exclusion from insect pollinators to prevent pollen movement between flowers, and yield was harvested at an individual pod scale, enabling effects of heat stress to be investigated at a high resolution. Susceptibility to stress differed between floral stages, flowers were most affected during initial green-bud stages. Yield and pollen germination of flowers present before stress showed threshold relationships to stress, with lethal temperatures (t50) ~28°C and ~32°C, while whole plant yield showed a linear negative relationship to stress with high plasticity in yield allocation, such that yield lost at lower nodes was partially compensated at higher nodal positions. Faba bean has many beneficial attributes for sustainable modern cropping systems but these results suggest that yield will be limited by projected climate change, necessitating the development of heat tolerant cultivars, or improved resilience by other mechanisms such as earlier flowering times.

Genética e mapeamento molecular da resistência parcial à ferrugem da folha da aveia (Avena sativa L.)

A ferrugem da folha é a moléstia de maior importância econômica para a cultura da aveia e a resistência qualitativa, geralmente utilizada para o seu controle, apresenta pouca durabilidade. A utilização de resistência parcial, caracterizada pelo progresso lento da moléstia, tem sido reconhecida como alternativa para obtenção de genótipos com resistência mais durável. Os objetivos deste trabalho foram determinar o progresso da ferrugem, o controle genético da resistência, e identificar marcadores moleculares associados a essa resistência, em várias gerações e anos. Populações F2, F3, F4, F5 e F6 do cruzamento UFRGS7/UFRGS910906 (sucetível/parcialmente resistente) (1998, 1999 e 2000) e F2 do cruzamento UFRGS7/UFRGS922003 (1998), foram avaliadas a campo quanto à porcentagem de área foliar infectada, para determinar a área sob a curva do progresso da doença (ASCPD). Mapeamento molecular, com marcadores AFLP (amplified fragment length polymorphism), foi realizado em F2 e F6, do primeiro cruzamento, identificando marcadores associados à resistência quantitativa (“quantitative resistance loci” ou QRLs). Resultados de três anos evidenciaram alta influência do ambiente na expressão da resistência, apresentando, entretanto, variabilidade genética para resistência parcial nas populações segregantes. A distribuição de freqüências do caráter ASCPD nas linhas recombinantes F5 e F6 foi contínua, indicando a presença de vários genes de pequeno efeito em seu controle. Estimativas de herdabilidade variaram de moderada a alta. O mapa molecular F2 foi construído com 250 marcadores, em 37 grupos de ligação, e o mapa F6 com 86 marcadores em 17 grupos de ligação. Cinco QRLs foram identificados na F2 e três na F6. O QRL identificado na F6, pelo marcador PaaMtt340 apresentou consistência em dois ambientes.

Herança genética e mapeamento molecular da tolerância à toxidade do alumínio em aveia (Avena sativa L.)

A toxicidade do alumínio é um fator limitante para a obtenção de maior produtividade na cultura da aveia (Avena sativa L.). O desenvolvimento de genótipos tolerantes a altos níveis de toxidez ao alumínio é uma alternativa mais barata e viável para o cultivo em solos com subsolo ácidos. Os objetivos deste estudo foram avaliar genótipos de aveia quanto à reação ao alumínio tóxico em três soluções nutritivas, bem como, determinar a ação gênica, o número de genes, a herdabilidade do caráter e identificar marcadores moleculares associados a tolerância ao alumínio tóxico em genótipos de aveia. Oito genótipos foram avaliados em soluções nutritivas quanto à tolerância ao alumínio tóxico. A utilização de solução nutritiva foi eficiente para a discriminação dos genótipos de aveia quanto à tolerância ao alumínio. Os genótipos apresentaram variabilidade, sendo classificados como tolerantes, intermediários e sensíveis. A ação gênica aditiva foi a de maior importância, tanto na análise de média de gerações de oito cruzamentos, quanto na análise de um dialélico parcial envolvendo quatro genótipos. Em oito cruzamentos para determinação do número de genes envolvidos no caráter, através da análise do recrescimento da raiz principal de plantas em solução nutritiva, a segregação foi de apenas um gene com alelos múltiplos, sendo dois para tolerância (A1 e A2) e um para sensibilidade (a). A herdabilidade da característica foi alta, evidenciando que este caráter pode ser selecionado em programas de melhoramento, nas gerações iniciais. Na análise por microssatélites e AFLP, considerando as condições avaliadas, não foram identificados marcadores moleculares associados ao caráter.

Seleção recorrente para rendimento de grãos em aveia (Avena sativa L.) : identificação do tipo de unidade experimental para a avaliação, da geração de seleção e da variabilidade dos genitores

Seleção recorrente é um método indicado para o melhoramento de características quantitativas, como rendimento de grãos em aveia. Consiste em selecionar e recombinar de forma cíclica genótipos superiores de uma população geneticamente variável. Sua implantação depende do estabelecimento de uma estratégia que permita a condução das atividades inerentes ao método de forma compatível com a estrutura física e de mão-de-obra do programa. Este trabalho teve como objetivos investigar a possibilidade do uso de uma unidade experimental de tamanho reduzido para a condução das avaliações e seleção, indicar a geração de autofecundação a ser submetida à seleção e caracterizar a variabilidade dos genitores de uma população sintetizada pelo cruzamento dialélico de dez genótipos de aveia . Dados de três anos de ensaios mostram que unidades experimentais constituídas de uma única linha de três metros de comprimento reproduzem as classificações dos genótipos obtidas em parcelas de tamanho padrão para ciclo, estatura e rendimento de grãos. No entanto, o uso posterior de linhas como unidade experimental em ensaios que ocuparam uma área muito extensa, demonstrou que a variação de ambiente reduziu muito a eficiência da seleção. A avaliação da base genética para rendimento de grãos de aveia indica uma forte determinação de efeitos não aditivos. Nesta situação, a seleção em gerações mais avançadas de homozigose são mais adequadas. Porém, a seleção em geração F4 não apresentou vantagens sobre a realizada em F2 devido a grande variação de ambiente relacionada ao tamanho da área necessária para a condução dos ensaios. A estrutura da variabilidade fenotípica dos genitores confirma o caráter complementar dos genótipos em relação às características agronômicas e de adaptação pretendidas na população..

Estabelecimento de pyrenophora avenae Ito & Kurib, em grãos de aveia (Avena sativa L.) em formação sob condições de campo

O aumento da área de cultivo da aveia branca no Brasil, principalmente em plantio direto, tem ocasionado o aumento na intensidade da mancha foliar e do grão causada por Pyrenophora avenae. Por ser um patógeno necrotrófico, é extremamente dependente dos restos culturais da aveia para sobreviver entre uma estação de cultivo e outra. Assim, a suscetibilidade do hospedeiro, a presença de inóculo do patógeno e condições ambientais favoráveis tem sido as principais causas da ocorrência freqüente de epidemias no sul do Brasil. O objetivo deste trabalho foi identificar a fase do desenvolvimento das sementes que é mais suscetível para o estabelecimento do fungo e correlacioná-la com a quantidade de inóculo produzida nas folhas basais mortas. Sob condições de campo, panículas de aveia foram expostas ao inóculo por determinados períodos de tempo desde a sua emergência, em diferentes condições de temperatura e precipitação pluviométrica. As sementes em formação, expostas ao inóculo durante o estágio de grão leitoso e massa mole, apresentaram as maiores incidências do patógeno. A temperatura e a quantidade de chuva do período de observação não influenciaram a porcentagem de sementes infectadas pelo patógeno. No entanto, condições ambientais como temperaturas altas, acumulo de chuvas e ocorrência de outras moléstias, anteciparam a senescência das folhas basais das plantas de aveia, favorecendo uma maior produção de conídios pelo patógeno. O uso de cultivares que ofereçam resistência ou escape das sementes à infecção, a rotação de culturas e a aplicação de fungicidas no momento correto, são algumas medidas que podem ser adotadas para minimizar os prejuízos provocados por esse patógeno.

Caracterização biológica e molecular da interação de Drechslera avenae (Eidam) Sharif com cultivares e linhagens de aveia (Avena sativa L.)

A helmintosporiose, incitada por Drechslera avenae (teleomorfo, Pyrenophora avenae), constitui fator limitante à produção e à qualidade do grão de aveia (Avena sativa L). A caracterização biológica e molecular da interação aveia - D. avenae pode contribuir para o manejo e a determinação de estratégias de controle da doença. Para a caracterização biológica, foram avaliadas trinta cultivares de aveia quanto à percentagem de área foliar com sintomas da doença e o tipo de lesão, inicialmente sob condições de inoculação artificial com três isolados do fungo e, após, no campo, sob condições naturais de infecção. Os resultados demonstraram haver interações significativas entre os genótipos da planta e isolados do patógeno. Classificaram-se como mais resistentes ao fungo OR 4, UFRGS 7, UFRGS 14, UFRGS 18 e UPF 19. Para a caracterização molecular da interação, cinco genótipos (CTC 5, ORLA 975, preta-comum, UFRGS 18 e UPF 17), não inoculados e inoculados com dois isolados do fungo, foram investigados para a análise de expressão diferencial de genes após 12, 24 e 72 horas após a inoculação. A partir do RNA total extraído das plantas submetidas aos tratamentos, realizaram-se a síntese de cDNA (RT-PCR), o isolamento de cDNAs expressados diferencialmente e a produção de sondas para a verificação de mRNAs induzidos, os quais foram hibridizados por meio de “Southern blot” e “Reverse Northern”. Foram observadas diferenças na expressão de genes, em nível de mRNA, entre plantas sadias e infectadas, tendo-se obtido sete fragmentos de cDNAs relacionados à interação com D. avenae, os quais foram comparados quanto a sua similaridade com seqüências depositadas no banco de dados do Genbank. Pela análise de “Reverse Northern”, pôde-se identificar um cDNA denominado E3-IFCO, relacionado com a resposta de defesa da planta.

Melhoramento genético de leguminosas de clima temperado - alfafa (Medicago sativa L) e cornichão (Lotus corniculatus L) para aptidão ao pastejo

O presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar e selecionar genótipos de alfafa crioula e de cornichão cultivar São Gabriel para aptidão ao pastejo. Neste trabalho, foi proposto o termo aptidão ao pastejo em substituição à resistência ao pastejo. O procedimento padrão utilizado no processo de seleção e de caracterização dos genótipos constou de experimentos nos quais as plantas eram submetidas a uma pressão de pastejo elevada e contínua (3-5 cm de altura do resíduo). Houve diferença (P<0,05) na sobrevivência das diferentes populações de alfafa crioula, evidenciando variabilidade para a aptidão ao pastejo, o que não se evidenciou de forma consistente para o cornichão, que, no entanto, apresentou uma maior porcentagem de sobrevivência em comparação com a alfafa. A avaliação das características morfofisiológicas em alfafa não evidenciou diferenças (P>0,05) na contração das coroas, área da coroa e da raiz, área foliar residual e específica, número de hastes por planta, tipo de haste predominante (basilar ou axilar) e reservas orgânicas. Foram evidenciadas diferenças (P<0,05) no comprimento do entrenó e no índice de gemas específicas, proposto neste trabalho como descritor funcional da aptidão ao pastejo. Ensaios em casa-de-vegetação identificaram um marcador morfológico (altura do primeiro nó) nas plântulas de alfafa e de cornichão, capaz de separar precocemente os genótipos contrastantes quanto à aptidão ao pastejo. Foi comparada a efetividade das estirpes de rizóbio recomendadas para o cornichão com a de novas estirpes isoladas, demonstrando a possibilidade de obtenção de estirpes mais eficientes.

Análise das questões ergonomicas, qualidade de vida no trabalho, e diagnóstico sócio econômico que importam aos trabalhadores de uma empresa rural na formação de lavouras de arroz irrigado (Oryza Sativa L.) : um estudo de caso

Resumo não disponível.