Abstract

Obiective

Acest studiu a fost realizat pentru a stabili o metodă de screening timpuriu, rapid și ieftin al toleranței la fier în exces în orez (Orez sativa L.) soiuri.

Rezultate

Pe baza experimentelor, excesul de fier duce la reducerea lungimii lăstarilor (SL) și aceasta poate fi o caracteristică utilă pentru screeningul adecvat al genotipurilor tolerante. Genotipurile sensibile Nipponbare și BR-IRGA 409 au indicat o acumulare mai mare de fier în țesuturile lor, în timp ce BRS-Agrisul și Epagri 108 au acumulat și fier, dar la concentrații mai mici. BR-IRGA 410 a prezentat un fenotip intermediar privind acumularea de fier. Nu se pot observa modificări ale conținutului de Cu de lăstari la compararea tratamentelor. Pe de altă parte, sa observat o creștere pentru Zn și Mn atunci când lăstarii sunt supuși unui exces de Fe 2+. Stresul Fe la o concentrație mai mică de 7 mM a crescut Zn, dar a scăzut conținutul de Mn în lăstari de BR-IRGA 409. S-au găsit corelații puternice pozitive aici pentru Fe × Zn (0,93); Fe × Mn (0,97) și Zn × Mn (0,92), probabil datorită activării induse de Fe a transportatorilor de cationi bivalenți. Rezultatele arată că genotipurile marcate ca sensibile prezintă o concentrație mai mare de Fe în lăstari și aceasta este o metodă eficientă de caracterizare a soiurilor de orez în ceea ce privește răspunsul fierului.

Introducere

Orez (Orez sativa L.) este o cereală importantă utilizată pentru hrănirea a peste două treimi din populația lumii, fiind sursa a mai mult de 20% din caloriile consumate de omenire [1]. În acest scenariu, Brazilia, unde cultivarea orezului reprezintă o activitate economică importantă, este cel mai mare producător de orez din emisfera occidentală [2].

Unul dintre stresurile abiotice majore care afectează producția și expansiunea orezului irigat este toxicitatea fierului. Fierul (Fe) este un nutrient esențial pentru procesele metabolice ale plantelor, cum ar fi respirația și fotosinteza. Cu toate acestea, atunci când este în exces, devine un element foarte toxic [3,4,5]. Chiar dacă cea mai mare parte a producției mondiale de orez provine din ferme irigate prin inundații, solurile inundate constituie o stare hipoxică care favorizează reducerea fierului, crescând concentrația de Fe 2+ în soluție [5, 6]. Excesul de fier poate provoca pete de frunze ruginite, margini de frunze pătate, reducerea creșterii plantelor, lipire și fertilitatea spiculelor. De asemenea, se observă reduceri ale dezvoltării sistemului radicular, care pot prezenta o culoare maro închis și o creștere scăzută, cu puține rădăcini groase. În cazurile severe, aceste simptome se asociază cu pierderi de randament de până la 100% [7, 8].

Genotipurile orezului variază foarte mult în ceea ce privește răspunsul lor la toxicitatea fierului, iar utilizarea soiurilor tolerante este una dintre strategiile eficiente pentru prevenirea pierderii randamentului, în special pentru fermierii cu venituri mici [8, 9].

Având în vedere un astfel de context, în acest raport ne propunem să evaluăm eficiența unei metode timpurii, rapide și ușoare pentru detectarea toleranței excesive a fierului folosind diferite soiuri de orez.

Textul principal

Patru orez brazilian de câmpie (Orez sativa L.) genotipurile au fost utilizate în acest studiu. Aceste soiuri sunt recomandate de către Southern Brazilian Society of Irrigated Rice și sunt cunoscute ca fiind tolerante la toxicitatea fierului prin rezultatele experimentelor de teren [10]: BRS-Agrisul (tolerant), Epagri 108 (tolerant), BR-IRGA 410 (sensibil) și BR-IRGA 409 (sensibil). Nipponbare, soiul japonez utilizat pentru primul proiect de secvențiere a genomului orezului, este raportat ca fiind sensibil la toxicitatea fierului. Aici Nipponbare a fost utilizat datorită datelor sale moleculare disponibile și ca referință pentru comparații între diferite studii [11, 12].

Semințele au fost dezinfectate cu 20% hipoclorit de sodiu timp de 10 minute, clătite de trei ori în apă ultrapură și plasate în hârtie germinativă timp de 72 h (25 ° C; 16 h de fotoperioadă; umiditate relativă de 100%).

Stresul de fier a fost realizat prin modificarea rapoartelor timpurii [6]. Răsadurile care prezintă o lungime uniformă a rădăcinii au fost plasate în plase de nailon fixate deasupra vaselor de plastic (2 L), conținând nutrienți modificați [13]: 40 mg L -1 din (NH4) 2.SO4; 10 mg L -1 de KH2PO4; 40 mg L -1 de KNO3; 40 mg L -1 CaNO3; 40 mg L -1 de MgSO4 · 7H2O; 0,5 mg L -1 de MnSO4 · H2O; 0,05 mg L -1 de Na2MoO4 · 2H2O; 0,58 mg L -1 de NaCI; 0,2 mg L -1 de H3BO3; 0,01 mg L -1 de ZnSO4 · 7H2O, 0,01 mg L -1 de CuSO4 · 5H2O și 2 mg L -1 de FeSO4 · 7H2O. Răsadurile au fost menținute la 25 ° C, 16 h de fotoperioadă timp de 28 de zile, cu schimbarea soluției la fiecare 7 zile.

După această perioadă, răsadurile au fost supuse la diferite tratamente: martor (T1) cu soluție standard de nutrienți (2 mg L -1 de FeSO4 · 7H2O cu pH 4,0 ± 0,1); exces de fier (T2) cu soluție nutritivă modificată (2000 mg L -1 de FeSO4.7H2O cu pH 4,0 ± 0,1). Răsadurile au fost ținute în aceste condiții timp de 3 zile. Evaluările vizuale au fost efectuate în urma sistemului de evaluare standard pentru orez.

Simptomele vizuale s-au bazat pe moartea frunzelor și intensitatea simptomelor, comparativ cu controlul (Fig. 1a). Gradele au variat de la 0 la 9. Plantele tolerante (T) au primit gradele 0-3, moderat tolerante (MT) 4-5 și cele sensibile (S) 6-9 [14]. După tratament, s-au măsurat lungimile rădăcinii (RL) și ale tragerii (SL) (Fig. 1b). De asemenea, au fost evaluate conținutul de cupru (Cu), zinc (Zn), mangan (Mn) și fier (Fe) acumulate în lăstari [15].

este

Informații despre procedurile de evaluare privind A simptome vizuale pentru notare și b măsurători de tragere și lungime rădăcină

Un design complet randomizat într-o schemă dublă factorială 2 × 5 (tratament × genotip) cu trei replicări, unde unitatea de observare a constat pe 20 de plante pe genotip. Datele au fost supuse analizei varianței (ANOVA) și apoi testului Tukey HSD și corelației Pearson, ambele cu p ≤ 0,05. Analiza căii a fost efectuată așa cum este descris [16, 17]. Datele din analiza căii nu sunt complet afișate aici, dar sunt descrise cele mai importante rezultate.

Simptomele vizuale observate la plantele supuse excesului de toxicitate a fierului au fost îngălbenirea, pete maronii de-a lungul frunzelor și necroză de tip frunze. Scorurile bazate pe performanța genotipului în exces de fier sunt prezentate în Tabelul 1.

Epagri 108 (tolerant în condiții de câmp) abia a prezentat simptome de toxicitate Fe 2+, în timp ce genotipul BR-IRGA 409 (sensibil în condiții de câmp) a prezentat simptome ușor de identificat de toxicitate Fe 2+ în condiții de exces de fier (T2). Aceste rezultate sunt de acord cu testele de teren [10]. Nipponbare a prezentat scoruri mai mari, fiind clasificat ca fiind sensibil la stresul de fier, clasificare în acord cu rapoartele anterioare obținute în sistemele hidroponice [12]. Utilizarea scorurilor de bronzare, măsurate pe teren sau în sistemele hidroponice, s-a dovedit a fi eficientă în ceea ce privește discriminarea genotipurilor tolerante, fiind asociată cu randamentul de cereale [8, 9, 18]. Cu toate acestea, întrucât, în stadiile incipiente de dezvoltare, modificările SL, RL și acumularea de nutrienți în țesuturi au fost raportate ca constituind o formă obiectivă de evaluare care poate fi utilizată împreună cu scorurile de bronzare, acestea au fost, de asemenea, evaluate în timpul acestui studiu [19,20,21 ].

Se arată aici că excesul de fier poate duce la reducerea SL (Fig. 2a) și, așa cum sugerează alte studii anterioare, aceasta poate fi o caracteristică utilă pentru a ajuta la screeningul genotipurilor tolerante [19, 21].

A Lungimea lăstării (SL) a fiecărui genotip, a celor cinci genotipuri de orez de câmpie supuse condițiilor standard (control) și excesului de fier; b conținutul de micronutrienți în lăstari de cinci genotipuri de orez de câmpie supuse condițiilor standard (control) și excesului de fier. Un grafic care arată performanța relativă a acestor soiuri și comparațiile perechi ale lui Tukey este disponibil în fișierul suplimentar 1

Genotipurile sensibile Nipponbare și BR-IRGA 409 au indicat o acumulare mai mare de fier în țesuturile lor (Fig. 2b), în timp ce BRS-Agrisul și Epagri 108 (ambele caracterizate anterior ca tolerante) au acumulat, de asemenea, fier, dar la concentrații mai mici (de exemplu, cca. Cu 50% mai puțin). Se arată că BR-IRGA 410 prezintă un fenotip intermediar în ceea ce privește acumularea de fier.

De asemenea, se arată că BRS-Agrisul (un genotip cu ciclu mediu; 121–130 zile) a acumulat cantități mai mici de fier decât alte genotipuri cu ciclu mediu, cum ar fi BR-IRGA 410 și BR-IRGA 409, arătând că timpul de la germinare la producția de cereale nu este cauza diferențelor în cantitatea de fier acumulată în țesuturi.

Nu se pot observa modificări ale conținutului de Cu de lăstari la compararea tratamentelor (Fig. 2b). Pe de altă parte, sa observat o creștere pentru Zn și Mn (Fig. 2b) atunci când lăstarii sunt supuși unui exces de Fe 2+ (T2). Stresul Fe la o concentrație mai mică de 7 mM a crescut Zn, dar a scăzut conținutul de Mn în lăstari de BR-IRGA 409 [22].

Corelații pozitive puternice au fost găsite aici pentru Fe × Zn (0,93); Fe × Mn (0,97) și Zn × Mn (0,92) (Tabelul 2), probabil datorită activării induse de Fe a transportorilor de cationi bivalenți [23].

Conținutul de fier este corelat negativ cu SL (- 0,37) și RL (- 0,42), evidențiind impactul pe care îl are acumularea excesivă a acestui metal asupra creșterii și dezvoltării orezului (Tabelul 2). Deși rezultate similare sunt observate pentru corelațiile dintre Mn și Zn cu SL și RL, acestea sunt semnificative doar pentru RL (Tabelul 2) și, conform analizei parcursului (datele nu sunt prezentate), pare a fi un efect indirect al acumulării de fier.

Această modificare rapidă și ușoară a protocolului descris de [6] s-a dovedit a fi o metodă eficientă de selectare a genotipurilor brazilian tolerante de orez de câmpie pentru toleranță la excesul de fier. Plantele care prezintă o acumulare mai mare de Fe 2+ în lăstari (BR-IRGA 409 și Nipponbare) au fost identice ca fiind sensibile la Fe 2+ prin scorul de bronzare. În plus, genotipul BR-IRGA 409, caracterizat ca sensibil, este cel care prezintă cea mai mare reducere a SL datorită toxicității fierului. BR-IRGA 410, un fenotip intermediar pentru acumularea de lăstari Fe 2+, este caracterizat ca moderat tolerant în evaluarea scorului simptomelor. BRS-Agrisul și Epagri 108, care sunt genotipurile care prezintă cele mai scăzute niveluri de acumulare de Fe 2+ în lăstari, sunt caracterizate ca tolerante în evaluarea simptomelor vizuale.

În Brazilia, căutarea genotipurilor tolerante la fier a fost efectuată de mulți ani. Metodele utilizate implică teste pe teren în timpul diferiților ani/sezoane de creștere [24]. Chiar și astăzi, aceasta este cea mai acceptabilă metodă, fiind necesar să ai credibilitate la înregistrarea unui soi. Cu toate acestea, pentru o selecție inițială rapidă și ieftină în programele de reproducere, nu au fost încă realizate protocoale eficiente pentru a prezice performanța genotipului [25]. Au fost testate diferite metode, acestea includ proceduri de screening bazate pe oală sau rezervor care au fost prezentate în timp până foarte recent [26,27,28].

Este obișnuit ca metodele testate să găsească o corelație adecvată cu experimentele de teren folosind soluri ale sitului de interes [29]. Metoda prezentată aici este utilă pentru o selecție inițială a genotipurilor, fără a lua în considerare solul, deoarece eliminarea acestuia din locul său de origine nu garantează reproductibilitatea perfectă a rezultatelor, fie prin modificarea structurii, fie prin lipsa de elemente climatice. Astfel, o evaluare prealabilă independentă de sol poate fi utilă pentru a reduce numărul de genotipuri care urmează să fie testate și costul, luând doar pe cele mai promițătoare pe teren.

Limitări

Limitările acestei lucrări sunt utilizarea a doar cinci genotipuri. Deși sunt contrastante pentru răspunsul de fier și ar trebui să fie suficiente pentru a explica răspunsurile, acesta ar putea fi considerat o limitare.

Disponibilitatea datelor și a materialelor

Seturile de date utilizate și/sau analizate în timpul studiului curent sunt disponibile de la autorul relevant la o cerere rezonabilă.