Published May 25, 2022 | Version v1
Publication Open

Induced Genetic Variations in Stomatal Density and Size of Rice Strongly Affects Water Use Efficiency and Responses to Drought Stresses

Creators

  • 1. Kasetsart University
  • 2. University of Sheffield
  • 3. National Science and Technology Development Agency
  • 4. National Center for Genetic Engineering and Biotechnology

Description

Rice (Oryza sativa L.) is an important food crop relied upon by billions of people worldwide. However, with increasing pressure from climate change and rapid population growth, cultivation is very water-intensive. Therefore, it is critical to produce rice that is high-yielding and genetically more water-use efficient. Here, using the stabilized fast-neutron mutagenized population of Jao Hom Nin (JHN) - a popular purple rice cultivar - we microscopically examined hundreds of flag leaves to identify four stomatal model mutants with either high density (HD) or low density (LD) stomata, and small-sized (SS) or large-sized (LS) stomata. With similar genetic background and uniformity, the stomatal model mutants were used to understand the role of stomatal variants on physiological responses to abiotic stress. Our results show that SS and HD respond better to increasing CO2 concentration and HD has higher stomatal conductance (gs) compared to the other stomatal model mutants, although the effects on gas exchange or overall plant performance were small under greenhouse conditions. In addition, the results of our drought experiments suggest that LD and SS can better adapt to restricted water conditions, and LD showed higher water use efficiency (WUE) and biomass/plant than other stomatal model mutants under long-term restricted water treatment. Finally, our study suggests that reducing stomata density and size may play a promising role for further work on developing a climate-ready rice variety to adapt to drought and heat stress. We propose that low stomata density and small size have high potential as genetic donors for improving WUE in climate-ready rice.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الأرز (Oryza sativa L.) هو محصول غذائي مهم يعتمد عليه مليارات الناس في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك، مع تزايد الضغط الناجم عن تغير المناخ والنمو السكاني السريع، فإن الزراعة كثيفة الاستخدام للمياه. لذلك، من الأهمية بمكان إنتاج أرز عالي الغلة وأكثر كفاءة في استخدام المياه وراثيًا. هنا، باستخدام المجموعة المستقرة المطفرة سريعة النيوترون من Jao Hom Nin (JHN) - صنف أرز أرجواني شهير - قمنا بفحص مئات من أوراق العلم مجهريًا لتحديد أربعة متحولات نموذجية فموية ذات فوهات عالية الكثافة (HD) أو منخفضة الكثافة (LD)، وفوهات صغيرة الحجم (SS) أو كبيرة الحجم (LS). مع خلفية وراثية مماثلة وتوحيد، تم استخدام طفرات النموذج الفموي لفهم دور المتغيرات الفموية في الاستجابات الفسيولوجية للإجهاد اللاأحيائي. تظهر نتائجنا أن SS و HD يستجيبان بشكل أفضل لزيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون وأن HD لديه توصيل فموي أعلى (gs) مقارنةً بطفرات نموذج الفموي الأخرى، على الرغم من أن التأثيرات على تبادل الغاز أو الأداء العام للمصنع كانت صغيرة في ظل ظروف الاحتباس الحراري. بالإضافة إلى ذلك، تشير نتائج تجارب الجفاف التي أجريناها إلى أن LD و SS يمكن أن تتكيف بشكل أفضل مع ظروف المياه المقيدة، وأظهرت LD كفاءة أعلى في استخدام المياه (WUE) والكتلة الحيوية/النبات من الطفرات الفموية الأخرى في إطار معالجة المياه المقيدة على المدى الطويل. أخيرًا، تشير دراستنا إلى أن تقليل كثافة وحجم الفوهات قد يلعب دورًا واعدًا لمزيد من العمل على تطوير مجموعة متنوعة من الأرز الجاهز للمناخ للتكيف مع الجفاف والإجهاد الحراري. نقترح أن كثافة الثغور المنخفضة والحجم الصغير لهما إمكانات عالية كمانحين وراثيين لتحسين WUE في الأرز الجاهز للمناخ.

Translated Description (French)

Le riz (Oryza sativa L.) est une culture alimentaire importante dont dépendent des milliards de personnes dans le monde. Cependant, avec la pression croissante du changement climatique et la croissance rapide de la population, la culture est très gourmande en eau. Par conséquent, il est essentiel de produire du riz à haut rendement et génétiquement plus efficace dans l'utilisation de l'eau. Ici, en utilisant la population mutagénisée à neutrons rapides stabilisée de Jao Hom Nin (JHN) - un cultivar de riz violet populaire - nous avons examiné au microscope des centaines de feuilles de drapeau pour identifier quatre mutants de modèle stomatique avec des stomates de haute densité (HD) ou de faible densité (LD) et des stomates de petite taille (SS) ou de grande taille (LS). Avec un contexte génétique et une uniformité similaires, les mutants du modèle stomatique ont été utilisés pour comprendre le rôle des variantes stomatiques sur les réponses physiologiques au stress abiotique. Nos résultats montrent que la SS et la HD répondent mieux à l'augmentation de la concentration de CO2 et que la HD a une conductance stomatique (gs) plus élevée par rapport aux autres mutants du modèle stomatique, bien que les effets sur l'échange de gaz ou la performance globale de la plante soient faibles dans des conditions de serre. En outre, les résultats de nos expériences sur la sécheresse suggèrent que LD et SS peuvent mieux s'adapter aux conditions d'eau restreintes, et LD a montré une efficacité d'utilisation de l'eau (WUE) et une biomasse/plante plus élevées que les autres mutants du modèle stomatique dans le cadre d'un traitement de l'eau restreint à long terme. Enfin, notre étude suggère que la réduction de la densité et de la taille des stomates pourrait jouer un rôle prometteur pour la poursuite des travaux sur le développement d'une variété de riz adaptée au climat pour s'adapter à la sécheresse et au stress thermique. Nous proposons que la faible densité de stomates et la petite taille aient un potentiel élevé en tant que donneurs génétiques pour améliorer le WUE dans le riz prêt pour le climat.

Translated Description (Spanish)

El arroz (Oryza sativa L.) es un cultivo alimentario importante en el que confían miles de millones de personas en todo el mundo. Sin embargo, con la creciente presión del cambio climático y el rápido crecimiento de la población, el cultivo es muy intensivo en agua. Por lo tanto, es fundamental producir arroz de alto rendimiento y genéticamente más eficiente en el uso del agua. Aquí, utilizando la población mutagenizada de neutrones rápidos estabilizada de Jao Hom Nin (JHN), un popular cultivar de arroz morado, examinamos microscópicamente cientos de hojas de flag para identificar cuatro mutantes de modelo estomático con estomas de alta densidad (HD) o baja densidad (LD), y estomas de tamaño pequeño (SS) o grande (LS). Con antecedentes genéticos y uniformidad similares, los mutantes del modelo de estoma se utilizaron para comprender el papel de las variantes de estoma en las respuestas fisiológicas al estrés abiótico. Nuestros resultados muestran que SS y HD responden mejor al aumento de la concentración de CO2 y HD tiene una mayor conductancia estomática (gs) en comparación con los otros mutantes del modelo estomático, aunque los efectos sobre el intercambio de gases o el rendimiento general de la planta fueron pequeños en condiciones de invernadero. Además, los resultados de nuestros experimentos de sequía sugieren que LD y SS pueden adaptarse mejor a las condiciones restringidas del agua, y LD mostró una mayor eficiencia en el uso del agua (WUE) y biomasa/planta que otros mutantes del modelo estomático bajo tratamiento de agua restringido a largo plazo. Finalmente, nuestro estudio sugiere que la reducción de la densidad y el tamaño de los estomas puede desempeñar un papel prometedor para seguir trabajando en el desarrollo de una variedad de arroz lista para el clima para adaptarse a la sequía y al estrés por calor. Proponemos que la baja densidad de estomas y el pequeño tamaño tienen un alto potencial como donantes genéticos para mejorar la UEU en el arroz listo para el clima.

Files

pdf.pdf

Files (2.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f31633a3ae6b132ffd55e994ec3f760f
2.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تؤثر الاختلافات الجينية المستحثة في الكثافة الفموية وحجم الأرز بشدة على كفاءة استخدام المياه والاستجابات لضغوط الجفاف
Translated title (French)
Les variations génétiques induites dans la densité stomatique et la taille du riz affectent fortement l'efficacité de l'utilisation de l'eau et les réponses aux stress dus à la sécheresse
Translated title (Spanish)
Las variaciones genéticas inducidas en la densidad estomática y el tamaño del arroz afectan fuertemente la eficiencia del uso del agua y las respuestas al estrés por sequía

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4281481256
DOI
10.3389/fpls.2022.801706

Is supplement to
https://openalex.org/W4388002053 (Other)
https://openalex.org/W3013642371 (Other)
https://openalex.org/W2769565039 (Other)
https://openalex.org/W2352340891 (Other)
https://openalex.org/W2233431944 (Other)
https://openalex.org/W2171683709 (Other)
https://openalex.org/W2096736728 (Other)
https://openalex.org/W2027778839 (Other)
https://openalex.org/W2016081930 (Other)
https://openalex.org/W1903847298 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1504722246
  • https://openalex.org/W1963893746
  • https://openalex.org/W1966056817
  • https://openalex.org/W1999277905
  • https://openalex.org/W2018124095
  • https://openalex.org/W2034903695
  • https://openalex.org/W2035853823
  • https://openalex.org/W2047123786
  • https://openalex.org/W2058026541
  • https://openalex.org/W2072463387
  • https://openalex.org/W2098210906
  • https://openalex.org/W2098965014
  • https://openalex.org/W2100476477
  • https://openalex.org/W2109054196
  • https://openalex.org/W2114474537
  • https://openalex.org/W2117663298
  • https://openalex.org/W2135850022
  • https://openalex.org/W2141043581
  • https://openalex.org/W2144637957
  • https://openalex.org/W2145274077
  • https://openalex.org/W2150954888
  • https://openalex.org/W2163657147
  • https://openalex.org/W2164960325
  • https://openalex.org/W2166521630
  • https://openalex.org/W2166941621
  • https://openalex.org/W2408191152
  • https://openalex.org/W2532269402
  • https://openalex.org/W2539936525
  • https://openalex.org/W2569632175
  • https://openalex.org/W2584844605
  • https://openalex.org/W2595122029
  • https://openalex.org/W2599238632
  • https://openalex.org/W2611031887
  • https://openalex.org/W2746717376
  • https://openalex.org/W2767311161
  • https://openalex.org/W2828817210
  • https://openalex.org/W2883678104
  • https://openalex.org/W2887800849
  • https://openalex.org/W2921422770
  • https://openalex.org/W2935719291
  • https://openalex.org/W3003401127
  • https://openalex.org/W3013014999
  • https://openalex.org/W3122221524
  • https://openalex.org/W4210630455