Effects of phosphate on arsenate and arsenite sensitivity in two rice (Oryza sativa L.) cultivars of different sensitivity

Arsenate and arsenite sensitivity and arsenate influx tests were conducted for two rice cultivars of different arsenic sensitivity. Azucena and Bala. These were to establish if the mechanism of reduced arsenic sensitivity is achieved through an altered phosphate uptake system, as shown for Holcus lanatus. High phosphate treatments (>= 50 mu M) provided protection against both arsenate and arsenite. Unlike the H. lanatus tolerance mechanism, in the less sensitive cultivar Bala, arsenate influx did not decrease with phosphate treatment and phosphate transporters appeared to be constitutively upregulated; V(max) for arsenate influx remain similar when Bala was grown in the presence or absence of phosphate (V(max) - 0.90 and 0.63 nmol g(-1) f.wt min(-1) respectively). Although mean K(m) appear different, Bala did not show lower affinity to arsenate than Azucena in the absence of phosphate (K(m) - Azucena, 0.30 mM and Bala, 0.18), while in phosphate treatment, Bala arsenate affinity was half that observed for Azucena (K(m) - Azucena, 0.14 and Bala, 0.36 mM). These were low compared to a 4 and 6 fold decrease seen for similar studies on H. lanatus in the absence and presence of phosphate. Phosphate-induced arsenic protection was observed but the mechanism does not resemble that of H. lanatus. Alternative mechanisms were discussed. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Arsenic uptake and accumulation in rice (Oryza sativa L.) irrigated with contaminated water

Long-term use of arsenic contaminated groundwater to irrigate crops, especially paddy rice (Oryza sativa L.) has resulted in elevated soil arsenic levels in Bangladesh. There is, therefore, concern regarding accumulation of arsenic in rice grown on these soils. A greenhouse pot experiment was conducted to evaluate the impact of arsenic-contaminated irrigation water on the growth and uptake of arsenic into rice grain, husk, straw and root. There were altogether 10 treatments which were a combination of five arsenate irrigation water concentrations (0-8 mg As l^-1) and two soil phosphate amendments. Use of arsenate containing irrigation water reduced plant height, decreased rice yield and affected development of root growth. Arsenic concentrations in all plant parts increased with increasing arsenate concentration in irrigation water. However, arsenic concentration in rice grain did not exceed the maximum permissible limit of 1.0 mg As kg^-1. Arsenic accumulation in rice straw at very high levels indicates that feeding cattle with such contaminated straw could be a direct threat for their health and also, indirectly, to human health via presumably contaminated bovine meat and milk. Phosphate application neither showed any significant difference in plant growth and development, nor in As concentrations in plant parts.

Relative toxicity of arsenite and arsenate on germination and early seedling growth of rice (Oryza sativa L.)

Elevated soil arsenic levels resulting from long-term use of arsenic contaminated ground for irrigation in Bangladesh may inhibit seed germination and seedling establishment of rice, the country's main food crop. A germination study on rice seeds and a short-term toxicity experiment with different concentrations of arsenite and arsenate on rice seedlings were conducted. Percent germination over control decreased significantly with increasing concentrations of arsenite and arsenate. Arsenite was found to be more toxic than arsenate for rice seed germination. There were varietal differences among the test varieties in response to arsenite and arsenate exposure. The performance of the dry season variety Purbachi was the best among the varieties. Germination of Purbachi was not inhibited at all up to 4 mg l^-1 arsenite and 8 mg l^-1 arsenate treatment. Root tolerance index (RTI) and relative shoot height (RSH) for rice seedlings decreased with increasing concentrations of arsenite and arsenate. Reduction of RTI caused by arsenate was higher than that of arsenite. In general, dry season varieties have more tolerance to arsenite or arsenate than the wet season varieties.

Uso de técnicas isotópicas de 15 N aplicadas al estudio de la fijación biológica de nitrógeno en el cultivo de alfalfa (Medicago sativa L.) en La Comarca Lagunera, México

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Microbiología) UANL

Efecto de la inhibición de la trealasa por RNA antisentido sobre la tolerancia a sequía en arroz (Oryza sativa L.)

Tesis (Doctor en Ciencias con Especialidad en Biotecnología) UANL, 2010.

Phytochemical investigations on ‘black glumed’ Njavara (Oryza sativa L.), the medicinal rice, as compared to staple varieties and evaluation of their antioxidant, anti-inflammatory and anticancer effects

The study was planned to investigate the bioactive compounds in Njavara compared to staple varieties and their bioactivity to substantiate the medicinal properties. Results of the study on chemical indices, antioxidant activity and antiinflammatory activity (in vivo) of Njavara black rice bran and rice in comparison with non-medicinal varieties like Sujatha and Palakkadan Matta rice bran and rice are given. The phytochemical investigation and quantification of Njavara extracts in comparison with staple varieties are detailed in this study. The last chapter is divided in three sections (A, B and C). Section A comprises the antioxidant activity by in vitro assays like DPPH, superoxide anion radical and hydrogen peroxide scavenging activity of the compounds. Also, theoretical studies using DFT were carried out based on DPPH radical scavenging activity for understanding the radical stability and mechanism of antioxidant activity. Section B comprises the anti-inflammatory activity of the identified compounds namely tricin and two flavonolignans in both in vivo and in vitro models. Section C describes the cytotoxicity of the rare flavonolignans, tricin 4’-O-(erythro-β-guaiacylglyceryl) ether and tricin 4’-O-(threo-β-guaiacylglyceryl) ether towards multiple cancer cells belonging to colon, ovarian and breast tumours.

High temperature stress and spikelet fertility in rice (Oryza sativa L.)

In future climates, greater heat tolerance at anthesis will be required in rice. The effect of high temperature at anthesis on spikelet fertility was studied on IR64 (lowland indica) and Azucena (upland Japonica) at 29.6 degrees C (control), 33.7 degrees C, and 36.2 degrees C tissue temperatures. The objectives of the study were to: (i) determine the effect of temperature on flowering pattern; (ii) examine the effect of time of day of spikelet anthesis relative to a high temperature episode on spikelet fertility; and (iii) study the interactions between duration of exposure and temperature on spikelet fertility. Plants were grown at 30/24 degrees C day/night temperature in a greenhouse and transferred to growth cabinets for the temperature treatments. Individual spikelets were marked with paint to relate fertility to the time of exposure to different temperatures and durations. In both genotypes the pattern of flowering was similar, and peak anthesis occurred between 10.30 h and 11.30 h at 29.2 degrees C, and about 45 min earlier at 36.2 degrees C. In IR64, high temperature increased the number of spikelets reaching anthesis, whereas in Azucena numbers were reduced. In both genotypes :511 h exposure to >= 33.7 degrees C at anthesis caused sterility. In IR64, there was no interaction between temperature and duration of exposure, and spikelet fertility was reduced by about 7% per degrees C > 29.6 degrees C. In Azucena there was a significant interaction and spikelet fertility was reduced by 2.4% degrees Cd-1 above a threshold of 33 degrees C. Marking individual spikelets is an effective method to phenotype genotypes and lines for heat tolerance that removes any apparent tolerance due to temporal escape.

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.

Isolation of a gene preferentially expressed in mature anthers of rice (Oryza sativa L.)

Using monoclonal antibodies raised against pollen-specific proteins, we have isolated a cDNA clone, designatedOry-Cl from a rice anther cDNA expression library. A transcript corresponding to theOry-Cl gene showed preferential expression in anthers. This transcript was not detected in any vegetative tissues analysed. RNA gel blot analysis of different developmental stages of anthers showed that theOry-Cl gene is expressed at later stages of pollen development. In situ hybridisation showed that theOry-Cl transcript is only present in mature pollen.

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.