Reispflanzen entwickeln sich, um sich an Überschwemmungen anzupassen

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Anonim

Obwohl Wasser für das Pflanzenwachstum essentiell ist, können übermäßige Mengen eine Pflanze vernässen und töten. In Süd- und Südostasien, wo während der Regenzeit periodische Überschwemmungen auftreten, kann die Wassertiefe viele Monate lang mehrere Meter erreichen.

Reissorten, die als "Tiefseereis" bekannt sind, haben eine einzigartige Strategie entwickelt, um ihr eigenes Überleben zu sichern. Deepwater-Reis wächst normalerweise in seichtem Wasser, aber in schweren Überschwemmungen erhöht seine Höhe in Einklang mit steigenden Wasserspiegel, um die Pflanzen zu ermöglichen, lange Überschwemmungen zu reiten.

Ein Forschungsteam aus Takeshi Kuroha von der Tohoku University, Motoyuki Ashikari von der Universität Nagoya, Susan R. McCouch von der Cornell University und Kollegen aus Japan und den USA hat ein Reisgen entdeckt, das für das Überleben unter Hochwasser entscheidend ist. Sie haben auch ihre molekulare Funktion und Entwicklungsgeschichte beleuchtet.

Die Forschungsgruppe identifizierte das SD1 (SEMIDWARF1) als ein Schlüsselgen, das für die Reaktion des Tiefsee-Reises verantwortlich ist. Das SD1 codiert ein Biosyntheseenzym von Gibberellin - einem Pflanzenhormon. Das Gen orchestriert die Reaktion des Tiefsee-Reises über ein einzigartiges Funktionszuwachs-Allel. Unter Wasser sammelt Reis Ethylen an, ein gasförmiges Pflanzenhormon. Deepwater-Reis verstärkt ein Signalrelais, in dem das SD1-Gen durch einen auf Ethylen ansprechenden Transkriptionsfaktor, OsEIL1a, transkriptional aktiviert wird.

Das resultierende SD1-Protein steuert eine erhöhte Synthese von Gibberellinen, hauptsächlich eine der Gibberellin-Arten, GA4, die das vertikale Wachstum in der Pflanze fördern. Weitere Analysen zeigten, dass diese bedingt funktionelle Variation zuerst in einem wilden Vorfahren entstand und dann ein Ziel der Selektion während der Domestizierung von kultiviertem Reis war, der an Tiefseeumgebungen in Bangladesch angepasst wurde.

Das SD1-Gen ist als das Grüne-Revolution-Gen in Reis bekannt, wo ein Funktionsverlust-Allel von SD1 eine kurze Pflanzenhöhe verleiht, eine Lagerbeständigkeit bietet und den Ernteindex erhöht, was unter landwirtschaftlichen Systemen mit hohem Input größere Getreideerträge erzeugt (Fig 3 übrig).

Ein transkriptionelles Funktionsgewinnallel des gleichen Gens ermöglicht, dass sich Tiefseereis über die entgegengesetzte phänotypische Reaktion - eine Zunahme der Pflanzenhöhe - an das Hochwasser anpasst. Die Fähigkeit von SD1, in so unterschiedlichen Rollen in kultiviertem Reis zu funktionieren, unterstreicht die inhärente Plastizität der Reaktion der Pflanze auf ihre Umwelt.

"Extreme Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels könnten die Nahrungsmittelproduktion weltweit beeinflussen", sagte Kuroha. "Landwirte müssen ihre Methoden diversifizieren und die kryptischen genetischen Variationen, die in Wildreis-Genen gefunden werden, könnten adaptive Lösungen für den Anbau widerstandsfähiger Kulturpflanzen bieten."

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