CƠ CHẾ CHỐNG CHỊU MẶN Ở THỰC VẬT

Posted date: 08:43 / comment : 0 Abiotic stress, Mặn, Tin mới, Tin tức

Ulrich Deinlein at el. 3/2014 (Trends in plant science)

Cây trồng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi đất nhiễm mặn ở nồng độ muối cao. Để tạo ra giống cây trồng chống chịu mặn thì việc tìm hiểu các tính trạng chủ chốt tạo ra tính chống chịu mặn là hết sức quan trọng. Các thông tin được cung cấp tổng hợp từ các nghiên cứu được cập nhật gần đây về cơ chế chống chịu mặn ở thực vật. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng cơ chế cảm ứng stress và các thành phần truyền tín hiệu stress có thể giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa các đáp ứng của thực vật đối với stress mặn (nồng độ muối cao trong đất).

Các cơ chế về sự vận chuyển Na+ và các cơ chế khử độc Na+ cũng được thảo luận thêm, các kết quả nghiên cứu về sự biến đổi chromatin ở thực vật dưới điều kiện cây bị stress mặn cũng được thảo luận. Các cố gắng gần đây của các nhà khoa học trong việc chọn tạo các giống cây trồng kháng mặn cũng được đề cập, đặc biệt là ứng dụng chỉ thị phân tử (MAS) và kỹ thuật chồng gene kháng. Các câu hỏi vẫn còn để ngỏ và cần được trả lời để làm phong phú thêm kiến thức về cơ chế chống chịu mặn ở cây trồng.

Đất bị nhiễm mặn và các tác động lên cây trồng

Đất bị nhiễm mặn là một trong những vẫn đề hiện tại thách thức nghiêm trọng nền nông nghiệp các quốc gia trên thế giới. Sự tích tụ muối trong đất canh tác do quá trình tưới tiêu, dẫn nước từ các nguồn chứa muối gốc NaCl và từ sự xâm nhập của nước biển. Gia tăng nồng độ muối trong đất làm giảm khả năng hấp thu nước ở thực vật. Một khi rễ hấp thu một lượng lớn các ion Na+ và Cl- thì các ion này ảnh hưởng xấu đến sự tăng trưởng của cây, các ion Na+ và Cl- làm giảm các quá trình biến dưỡng và hiệu quả của quá trình quang hợp thấp.

Do đó, stress mặn ở thực vật có thể phân ra các giai đoạn như stress cân bằng thẩm thấu ở giai đoạn sớm, stress do tích tụ ion Na+ và Cl-. Hơn thế nữa, thực vật giảm thiểu tác hại của ion Na+ thông qua việc loại bỏ Na+ qua mô lá và sự phân ngăn nhằm quy tụ Na+ trong không bào. Các cây trồng không có khả năng chống chịu mặn sẽ làm giảm năng suất, từ đó dẫn đến thu hẹp diện tích đất canh tác. Sự mất dần diện tích đất có thể canh tác được xem như một thách thức nặng nề đối với ngành nông nghiệp do phải đáp ứng đủ lương thực thực phẩm cho nhân loại đang gia tăng số lượng phi mã (dự đoán dân số thế giới đạt khoảng 9.6 tỉ người vào năm 2050).

Với tầm quan trọng đó, việc tạo ra các giống cây trồng có khả năng chống chịu mặn là chiến lược vô cùng quan trọng để đối phó với thực trạng đất bị nhiễm mặn. Bài tổng hợp này sẽ phân tích các cơ chế chính trong quá trình chống chịu mặn ở thực vật và đưa ra các thông tin cập nhật gần đây về cơ chế cảm ứng stress mặn và sự truyền tín hiệu, cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở thực vật. Hơn nữa, việc hiểu rõ mạng lưới vận chuyển ion Na+ trong thực vật và các phương pháp phân tích Na+ cũng giúp ích trong quá trình cải tiến giống cây trồng chống chịu mặn.

Cơ chế cảm ứng stress mặn

Để có cơ chế đáp ứng hiệu quả đối với stress mặn, thực vật tự phát triển khả năng cảm ứng các thành phần siêu thẩm thấu và ion Na+ của quá trình stress mặn. Hai phương thức cảm ứng trên đã chứng minh rằng cơ chế đáp ứng đối với muối NaCl mang nhiều sự khác biệt so với cơ chế đáp ứng với stress thẩm thấu thuần túy. Nồng độ muối cao trong dung dịch đất sẽ tạo ra stress thẩm thấu ở vùng rễ. Cho đến hiện tại thì các cơ chế phân tử về hoạt động của các sensor thẩm thấu ở thực vật và sensor Na+ vẫn cần được được tìm hiểu thêm.

Protein HK1 (Histidine kinase receptor) cho thấy có thể giúp thay thế chức năng sensor Sln1 ở nấm men, các cây Arabiodopsis được biến đổi gene có biểu hiện vượt mức hay làm mất đi chức năng của HK1 mang các kiểu hình liên quan đến tính trạng hạn hán hoặc bị stress thẩm thấu.

Thực vật biểu hiện rất nhiều các đáp ứng sinh lý học khi gặp stress thẩm thấu, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng trong số các đáp ứng sinh lý học đó thì một số biểu hiện sẽ bị thay đổi ở các cây mang đột biến gene hk1 trong khi các biểu hiện khác không bị ảnh hưởng.

Điều này chứng tỏ rằng vẫn còn có các protein khác đảm nhận vai trò nhận biết tín hiệu stress thẩm thấu trên các cây Arabidopsis bị đột biến gene hk1. Các sensor về thẩm thấu ở thực vật dường như có liên hệ chặt chẽ về hoạt động đối với các kênh Ca++, điều này thể hiện ở việc thực vật biểu hiện sự gia tăng nồng độ ion Ca++ trong tế bào chất chỉ trong vòng vài giây sau khi bị xử lý với NaCl hoặc mannitol.

Các đáp ứng Ca++ có nguồn gốc hoạt động ở rễ và xuất hiện ở rất nhiều dạng tế bào. Kết quả này dẫn đến suy đoán rằng stress thẩm thấu có thể được cảm ứng bởi hoạt động của các kênh Ca++ giai đoạn đầu của chuổi đáp ứng stress. Các kết quả khác cũng chứng minh phương thức hoạt động cảm ứng mang tính cơ học-thẩm thấu. Các đột biến làm ảnh hưởng lên sự phát triển của lớp cutin cũng làm ảnh hưởng đến các quá trình đáp ứng thẩm thấu bao gồm cả hoạt động tổng hợp hormone ABA ở giai đoạn sau của chuổi phản ứng. Lớp cutin tạo ra sự nâng đỡ và bảo vệ vách tế bào cũng như màng sinh chất, bên cạnh đó lớp cutin cũng làm thay đổi khả năng khuếch tán của nước vào bên trong tế bào.

Do đó, thay đổi đặt tính của lớp cutin tế bào cũng làm thay đổi đặc tính cơ học của quá trình stress liên quan đến nước ở tế bào thực vật. Các phân tử hoạt động như thông tin tín hiệu thứ cấp cũng có liên hệ với con đường truyền tín hiệu Ca++, ví dụ như các gốc oxygen hoạt hóa ROS (reactive oxygen species) và các annexin ở Arabidopsis cũng được ghi nhận hỗ trợ các đáp ứng Ca++ liên quan đến cảm ứng NaCl và ROS. Downstream của dòng tín hiệu Ca++ là các kênh kinase sẽ được kích hoạt, các kinase này bao gồm cả CDPK (calcium dependent protein kinase) và CBL (calcineurin B-like protein) liên quan đến các kênh tương tác CIPK (CBL-interacting protein kinase).

Các hoạt động của các kinase này có thể giúp chuyển các tín hiệu thẩm thấu đến các hoạt động tiếp theo của các protein liên quan và sự biểu hiện gene thông qua quá trình phiên mã. Các yếu tố phiên mã (transcription factor = TF) có thể được kích hoạt trực tiếp bởi kênh Ca++/calmodulin và bao gồm cả các yếu tố kích hoạt phiên mã gắn kết với calmodulin CAMTA (calmodulin-biding transcription activator), GTL (GT element-biding like protein) và MYB.

Mặc dù sự gia tăng nhanh chóng nồng độ Ca++ được xem như là đáp ứng chỉ thị đối với stress thẩm thấu nhưng cũng có thể tồn tại các cơ chế cảm ứng thẩm thấu độc lập với con đường tín hiệu Ca++. Phân tích di truyền về các sensor cảm ứng thẩm thấu cũng như cảm ứng Na+ là tiền đề để hiểu rõ các cơ chế cảm ứng này ở giai đoạn sớm khi thực vật gặp các điều kiện stress.

Sự điều hòa biểu hiện gene ở rễ thực vật khi đáp ứng với stress mặn

Các yếu tố phiên mã (transcription factor) có mối liên hệ chặt chẽ với các cơ chế cảm ứng mặn đóng góp vào các hoạt động mang tính đề kháng đối với stress mặn. Các họ gene quy định các yếu tố phiên mã chính trong các đáp ứng với stress mặn như bZIP(basic leucine zipper), WRKY, AP2/ERF (APETALA2/ETHYLENE RESPONSE FACTOR), MYB, bHLH và NAC.

Các yếu tố phiên mã trên chịu trách nhiệm điều hòa sự biểu hiện của các gene ảnh hưởng đến các mức độ chống chịu stress mặn ở thực vật. Để chống lại việc giảm thế nước được gây ra bởi các thành phần mang tính thẩm thấu khi bị stress mặn, các gene liên quan đến các đáp ứng này được kích hoạt biểu hiện ở mức cao như các gene liên quan đến việc hấp thu các ion vô cơ, sự tổng hợp các osmolyte (các phân tử điều hòa tính thẩm thấu của tế bào). Ở một mức độ nào đó, sự điều hòa biểu hiện gene mức phiên mã (transcriptional regulation) liên quan đến các đáp ứng stress mặn ở thực vật được thúc đẩy bởi các thay đổi liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các hormone thực vật (phytohormone)

Hình 1: Các cơ chế vận chuyển Na+ và các thành phần quan trọng trong quá trình đáp ứng với stress mặn ở tế bào rễ thực vật

Sau quá trình cảm ứng stress, có một chu kỳ hạn chế các hoạt động tăng trưởng được khởi sự và sau đó là giai đoạn phục hồi. Cả hai giai đoạn này đều liên hệ mật thiết với sự thay đổi lượng hormone ABA (abscisic acid), jasmonate (JA), GA và BR (brassinosteroid). Khai thác nguồn dữ liệu từ AtGenExpress đã khám phá ra hệ thống tín hiệu thứ cấp kiểm soát sự tăng trưởng của thực vật sau quá trình stress mặn.

Trong quá trình đáp ứng với stress độ mặn cao, hầu hết các thay đổi liên quan đến quá trình phiên mã biểu hiện gene xuất hiện chỉ sau khoảng 3h khi cây bị stress mặn. Sự biểu hiện của 5590 gene đã được ghi nhận liên quan đến stress mặn ở bộ phận rễ của cây Arabidopsis thaliana. Sử dụng phương pháp phân biệt các hoạt động riêng biệt của các loại tế bào FACS (fluorescence-activated cell sorting) cho thấy các tế bào vùng lõi của rễ hoạt động phiên mã mạnh nhất.

Các phân tích ở mức phân tử cho thấy vùng nội bì của rễ là lớp tế bào mang chức năng quan trọng đối với sự phát triển của hệ thống rễ phụ dưới điều kiện stress mặn. Hormone ABA ngăn cản sự kéo dài của hệ thống rễ phụ trong môi trường có nồng độ muối cao.

Các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng thực vật tránh né môi trường có độ muối cao bằng cách thay đổi hướng tăng trưởng của rễ. Hiện tượng này được giải thích như sự hướng động liên quan đến hiện tượng mặn = halotropism (halo=mặn, tropism=hoạt động liên quan đến yếu tố nào đó). Hiện tượng này không phải do stress thẩm thấu gây ra mà là do các hoạt động đáp ứng với hornmone auxin được gây ra bởi stress mặn. Các cơ chế phân tử về hiện tượng halotropism cần được nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn các cơ chế chống chịu mặn ở thực vật mặc dù có nhiều khám phá quan trọng gần đây về cơ chế chống chịu mặn.

Ngoài các hormone đã được đề cập bên trên, hormone ethylene cũng cho thấy vai trò quan trọng trong sự chống chịu mặn ở cây Arabidopsis thông qua sự thay đổi tỉ lệ Na+/K+ ở chồi. Knock-out (bất hoạt) gene ETO1 (ETHYLENE OVERPRODUCER1) gây ra các thay đổi hàm lượng ethylene và qua đó kích thích quá trình sản xuất ROS ở vùng tủy của rễ bởi yếu tố RBOHF (respiratory burst oxidase homolog F). Sự gia tăng ROS ở vùng tủy dẫn đến giảm dòng ion Na+ vào rễ, giảm thu nhận Na+ ở mạch gỗ (xylem) và duy trì ion K+ ở rễ giúp tăng cường khả năng chống chịu mặn.

Mạng lưới vận chuyển Na+ và K+

Rất nhiều kênh vận chuyển trên màng tế bào thực vật giữ vai trò chính trong các cơ chế chống chịu lại với biotic và abiotic stress (các stress do các nhân tố sinh học và phi sinh học gây ra), đặc biệt là các kênh Na+ và K+ liên quan đến tính trạng chống chịu mặn. Có nhiều con đường vận chuyển Na+ đi vào rễ thực vật. Na+ có thể đi xuyên màng plasma theo các kênh và thể vận chuyển chất dinh dưỡng.

Các thể đột biến liên quan đến các kênh vận chuyển làm giảm sự tích lũy Na+ trong tế bào nhưng chỉ một vài kênh khi bị đột biến mới cho thấy hiệu ứng trực tiếp trong việc hạn chế sự vận chuyển ion Na+ vào tế bào rễ. Các kênh Ca++ không chuyên biệt (calcium permeable nonselective cation channels=NSCCs) bao gồm CNGC (CYCLIC NUCLEOTIDE-GATED CHANNEL) và GLR (GLUTAMATE-LIKE RECEPTOR) cho phép Na+ đi qua và xâm nhập vào tế bào (Hình 1).

Hơn nữa, kênh vận chuyển Na+ OsHKT2;1 trên cây lúa cho thấy hỗ trợ dòng ion Na+ đi vào rễ khi rễ bị thiếu ion K+. Trên cây Arabidopsis, thể đối chuyển (antiporter) AtCHX21-cation/H+ biểu hiện trong vùng nội bì rễ có vai trò trong việc vận chuyển Na+ từ các tế bào nội bì vào vùng tủy của rễ. Na+ xâm nhập vào xylem thông qua dòng thoát ra từ các tế bào tủy và sau đó được vận chuyển đến các mô trên không chủ yếu ở lá, cành. Các ứng viên tiềm năng cho quá trình điều khiển dòng Na+ dẫn nhập vào xylem là các kênh K+ hướng ngoại KORC và NORC. Ở Arabidopsis, AtSKOR-một thể tương đồng của KORC có mối liên hệ với hiện tượng nhập K+ vào xylem. Hơn nữa, nhóm I của các thể vận chuyển HKT giữ chức năng quan trọng trong việc loại bỏ Na+ khỏi xylem.

Sự cân bằng ion của tế bào trong suốt quá trình stress mặn đòi hỏi quá trình duy trì và phân bổ nồng độ K+ ổn định giúp cho việc tích lũy K+ trong tế bào thực vật cân bằng với Na+ (sự tích lũy nhiều Na+ sẽ gây độc cho tế bào). Biểu hiện vượt mức thể vận chuyển chuyên biệt cho K+ (không chuyên chở Na+ dù cả hai ion khá tương đồng về mặt điện tích) từ cây lúa OsHAK5 trên các tế bào BY2 cây thuốc lá giúp gia tăng tính chống chịu mặn. Kênh K+ hướng nội và hướng ngoại bào đã được xác định có liên quan đến cơ chế kiểm soát dòng vận chuyển đường dài hướng vào và ra khỏi tế bào, các kênh này giúp làm giảm tính độc ion Na+.

Vai trò của NHX và SOS trong việc duy trì hàm lượng ion Na+ thấp trong tế bào chất

Hai yếu tố chính duy trì lượng Na+ thấp trong tế bào chất ở tế bào thực vật là các kênh trao đổi (exchanger) Na+/H+ hiện diện trên màng không bào (tonoplast ) NHX1 và kênh đối chuyển (antiporter) Na+/H+ có tên SOS1 trên màng sinh chất (plasma membrane). Hầu hết các kênh NHXs cần thiết cho quá trình khử độc Na+ thông qua sự cô lập Na+ trong không bào thực vật, trong khi con đường tín hiệu SOS được ghi nhận là xuất Na+ ra khỏi tế bào.

Biểu hiện vượt mức gene AtNHX1 trên Arabidopsis và các gene tương đồng trên cà chua hoặc lúa giúp làm gia tăng tính chống chịu mặn. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các protein cấu trúc giống với NHX cũng đóng vai trò quang trọng trong việc phân ngăn ion K+ vào trong không bào. Các protein này cũng tham gia vào quá trình cân bằng pH của tế bào.

Biểu hiện vượt mức AtNHX1 trên cây cà chua giúp làm gia tăng ion K+ trong không bào cũng như sự vận chuyển K+ từ rễ lên chồi, quá trình này mang lại nhiều lợi ích cho tế bào vì nó giúp gia tăng tỉ lệ K+/Na+ nội bào (nghĩa là K+ tăng, Na+ giảm) đồng thời làm giảm hiệu ứng của stress mặn do Na+ gây ra.

Hơn nữa, các bản đồ về gene LeNHX3 trên cà chua giúp xác định tính trạng QTL liên quan đến sự tích tụ Na+ ở mô lá. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng các kênh đối chuyển (antiporter) trên màng không bào giữ nhiều vai trò trong quá trình cân bằng thẩm thấu của tế bào, sự tăng trưởng tế bào cũng như sự phát triển của toàn bộ cơ thể thực vật. Trong khi đó, các kênh đổi chuyển NHX trên endosome có vai trò thiết yếu trong quá trình tăng trưởng của tế bào và có thể có tham gia vào các hoạt động vận chuyển nội bào, chế biến protein và phân phối sản phẩm biến dưỡng của tế bào.

Các nghiên cứu cũng đánh giá vai trò của các protein vận chuyển thuộc endosome bao gồm các protein NHX tham gia vào tính chống chịu mặn ở thực vật bằng cách kiểm soát pH và sự cân bằng ion của bào quan endosome. NHX5 và NHX5 cùng hiện diện trên bộ máy Golgi và mạng lưới trans-Golgi, các cây bị bất hoạt đồng thời các gene này (knockout) nhx5 và nhx6 làm cây mẫn cảm hơn với stress mặn và giảm tính chống chịu.

Sự mất chức năng của H⁺-ATPase (V-ATPase) trên không bào không làm thay đổi tính chống chịu mặn trên cây Arabidopsis. Ngược lại, giảm sự hoạt động của V-ATPase trên mạng lưới trans-Golgi hoặc endosome (TGN/EE) làm gia tăng sự mẫn cảm đối với stress mặn. Sự biểu hiện vượt mức H⁺-PPase AVP1 loại I trên không bào giúp cải thiện tính chống chịu mặn ở thực vật thông qua quá trình cô lập Na+ trong không bào. Tiềm năng ứng dụng việc biến đổi hoạt động của H⁺-PPase AVP1 trên cây trồng được thể hiện qua sự biểu hiện vượt mức gene AtAVP1 trên lúa mạch (Hordeum vulgare) giúp gia tăng tính chống chịu mặn dưới điều kiện nhà lưới, bên cạnh đó cũng giúp cây tăng sinh khối và năng suất khi thử nghiểm trên các cánh đồng bị nhiễm mặn.

HKT: nhân tố chính trong sự chống chịu mặn ở thực vật và quá trình phân ngăn Na+ từ rễ lên chồi

Sự xác định gene HKT1 ở lúa mì giúp hỗ trợ quá trình vận chuyển ion Na+/K+ đã giúp khám phá ra nhiều gene HKT tương đồng ở những loài thực vật khác. Các phân tích về trình tự cũng như khả năng vận chuyển đã cho thấy ít nhất hai phân nhóm của các thể vận chuyển HKT, nhóm I và II. Trong hầu hết các trường hợp hỗ trợ quá trình vận chuyển có chọn lọc ion Na+ và sự đồng vận chuyển Na+_K+ thì cả hai nhóm này đều tham gia vào, nhóm I ứng với sự vận chuyển Na+ có chọn lọc còn nhóm II đồng vận chuyển Na+_K+. Các đột biến gián đoạn một gene HKT trên Arabidopsis (AtHKT1;1) mã hóa cho một thể vận chuyển nhóm I đã làm gia tăng sự mẫn cảm và tích tụ nhiều Na+ trên mô lá sau khi cây bị stress mặn, quá trình này cũng đi đôi với hiện tượng giảm nồng độ Na+ ở rễ.

Các phân tích xa hơn đã chứng minh một vai trò chính của gene AtHKT1;1 và gene tương đồng của nó trên lúa OsHKT1;5 trong quá trình loại bỏ Na+ khỏi dịch mộc (dòng dung dich duy chuyển trong mạch mộc từ rễ lên lá) và chuyển các Na+ vào các tế bào nhu mô mộc xung quanh, thông qua quá trình này sẽ bảo vệ mô lá khỏi độc tính của Na+. Biểu hiện vượt mức gene AtHKT1;1 trong mô tủy giúp tăng cường tính chống chịu mặn.

Các phân tích sinh lý học in vivo trên các tế bào rễ đã cho thấy gene AtHKT1;1 hỗ trợ vận chuyển Na+ thông qua các thể vận chuyển giống các kênh vận chuyển chuyên biệt theo hình thức thụ động. Sự loại bỏ Na+ khỏi mạch mộc được hỗ trợ bởi gene AtHKT1;1 cũng giúp kích thích quá trình nhập ion K+ vào mạch mộc một cách gián tiếp thông qua các kênh K+, điều này làm gia tăng tỉ lệ K+/Na+ trên lá giúp cây chống lại stress do Na+ gây ra.

Phân tích các QTL quy định tính trạng kháng lại độc tính của Na+ đã cho thấy các cơ chế tháo Na+ khỏi mạch mộc (xylem) thiết yếu cho quá trình chống chịu mặn trên lúa và lúa mì. Trong cả hai trường hợp trên, các vùng QTL chống chịu mặn đã được xác định bao gồm gene tương đồng của HKT1;5. Gene này mã hóa một thể vận chuyển HKT thuộc nhóm I có tính chọn lọc cao đối với Na+. Phân tích QTL chống chịu Na+ trên lúa mì đã dẫn đến việc phát hiện một QTL khác giúp cây chống chịu mạnh đối với stress mặn, QTL được đặt tên Nax1. QTL Nax1 đã được xác định tại vùng mã hóa của gene TaHKT1;4 mà gene này tạo ra thể vận chuyển HKT thuộc nhóm I giúp loại bỏ Na+ khỏi mạch mộc ở mô lá.

Các phân tích so sánh giữa các giống lúa indica chống chịu mặn và các giống nhiễm japonica đã đưa ra giả thuyết rằng gene OsHKT1;4 giúp giảm sự vận chuyển Na+ từ bẹ lá lên phiến lá lúa khi cây gặp stress mặn. Gần đây người ta đã sử dụng chỉ thị phân tử để đưa gene HKT1;5 từ lúa mì có họ hàng cổ đại vào lúa mì trồng thương mại giúp làm tăng năng suất lúa mì trên các đồng lúa thử nghiệm bị nhiễm mặn ở Australia. Các phát hiện trên đã giúp chứng minh rằng các thể vận chuyển HKT nhóm I hiện diện ở tế bào nhu mô của mạch mộc đóng vai trò chủ chốt trong cơ chế chống chịu mặn và bảo vệ các cơ quan đảm trách chức năng quang hợp khỏi sự tích tụ quá nhiều Na+ trong suốt quá trình stress mặn.

Sự duy trì K+ và loại bỏ Na+ ở mô lá cho thấy có mối tương quan rất mạnh đến sự chống chịu mặn ở thực vật. Điều này cũng phù hợp với các nghiên cứu về HKT nhóm I như là các yếu tố chính trong việc xác định tỉ lệ K+/Na+ ở thực vật. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu trên các mô chồi và kỹ thuật “genome-wide association” với hơn 300 accessions đã chỉ ra các accession có sự tích tụ Na+ ở nồng độ cao ở lá sẽ có khả năng phát triển trên các vùng đất nhiễm mặn như các vùng đất ven biển. Nồng độ Na+ cao ở lá có liên quan đến một allele yếu của gene AtHKT1;1. Allele này làm giảm sự biểu hiện của AtHKT1;1 ở rễ.

Các nhà khoa học đề nghị rằng allele yếu AtHKT1;1 kiểm soát lượng Na+ có mức độ và làm giảm độc tính của Na+. Cơ chế này quan trọng trong việc điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào trong quá trình cây bị stress mặn. Allele yếu AtHKT1;1 có thể chỉ đạt lợi ích khi hiện diện trong một số cây có nền tảng di truyền mang tính chống chịu tốt. Các cây này có thể mang các cơ chế chống chịu mặn khác cần được khám phá.

Để tạo ra cây trồng chống chịu mặn thì nhiều kiến thức cần được nắm vững về các hoạt động tương hỗ và kết hợp của các tính trạng chống chịu (tương tác của các gene chống chịu). Một yêu cầu hiểu biết giống như vậy về việc gia tăng tích tụ Na+ ở chồi có mối tương quan với tính chống chịu mặn ở thực vật cũng đã được ghi nhận trong một nghiên cứu về HKT nhóm II ở lúa mạch. Gia tăng hấp thu Na+ ở rễ và nồng độ Na+ cao ở dịch mạch mộc (xylem sap) làm giảm sự biểu hiện của HvHKT2;1. Khác biệt với lúa và lúa mì, ở lúa mạch tỉ lệ chuyển vị Na+ cao hơn đến chồi và bao gồm cả nồng độ muối cao có thể mang một ý nghĩa quan trọng trong chiến lược kháng lại stress mặn.

Các cơ chế điều hòa biểu hiện của gene AtHKT1;1 gần đây đã được xác định. Hormone cytokinin điều hòa âm tính đối với sự biểu hiện của gene AtHKT1;1 ở rễ cây Arabidopsis theo các yếu tố điều hòa đáp ứng dạng B là ARR1 và ARR12. Do đó, trong các đáp ứng với stress mặn thì khi lượng cytokinin giảm sẽ làm tăng sự biểu hiện của gene AtHKT1;1. Có một cơ chế điều hòa âm tính gene AtHKT1;1 ở rễ Arabidopsis cũng đã được ghi nhận trong một nghiên cứu gần đây, đó là sự điều hòa âm tính của yếu tố phiên mã ABI4 (ABA-INSENSITIVE 4). Đột biến mất chức năng của gene ABI4 làm cây gia tăng tính chống chịu mặn với sự biểu hiện lượng Na+ thấp ở chồi tương ứng với gia tăng sự biểu hiện gene AtHKT1;1. Ngược lại, khi biểu hiện vượt mức gene ABI4 ở các cây biểu hiện kém gene AtHKT1;1 làm cây mẫn cảm hơn với stress mặn.

Nhiều yếu tố điều hòa cis tại khu vực promoter của gene AtHKT1;1 đã được xác định khi sàn lọc các yếu tố kìm hãm ở cây đột biến gene sos3. Một đoạn DNA chèn vào vùng trình tự lặp lại theo kiểu “tandem” với kích thước khoảng hơn 3.9kb vùng upstream mã khởi đầu (start codon) của gene AtHKT1;1 đã dẫn đến sự giảm biểu hiện gene AtHKT1;1 rõ rệt trên rễ cây đột biến gene sos3. Trình tự lặp lại kiểu “tandem” đã được đề nghị như là yếu tố tăng cường (enhancer element) trong quá trình điều hòa sự biểu hiện của gene AtHKT1;1 trong khi đó thì người ta vẫn chưa xác định được yếu tố phiên mã nào tham gia vào việc tăng cường sự biểu hiện của gene này.

Sàn lọc di truyền đột biến gene sss (soil salinity sensitive) đã giúp xác định được gene sss1-1 đột biến cho thấy kiểu hình rất nhạy cảm với ion Na+ trên chồi. Gene SSS1 mã hóa cho protein mang tên AtrbohF, đây là một enzyme NADPH oxidase tham gia xúc tác tạo các phần tử ROS (reactive oxygen species). Sự thiếu vắng protein AtrbohF ở vùng chu luân của rễ (pericycle) và nhu mô mạch đã làm giảm sự tích tụ ROS do stress mặn gây ra và cũng làm gia tăng quá mức Na+ trên chồi cũng như trong dịch mộc.

Sự sản xuất ROS được hỗ trợ bởi protein AtrbohF có thể tăng cường tháo Na+ khỏi dịch mộc mà quá trình này do gene AtHKT1;1 tham gia kiểm soát. Hiện tượng này giúp bảo bệ mô lá khỏi stress mặn, tuy nhiên nhiều nghiên cứu khác cần được thực hiện để kiểm tra mô hình giả thuyết này hoặc các cơ chế khác có thể tham gia vào quá trình kiểm soát tính chống chịu mặn. Với các kết quả đạt được vừa kể trên có thể cung cấp các chứng cứ để ủng hôn giả thuyết rằng sự biểu hiện của gene AtHKT1;1 được kiểm soát bởi một mạng lưới thông tin tín hiệu phức tạp qua nhiều bước với nhiều yếu tố điều hòa cis-trans khi cây bị stress mặn.

Sự biến đổi của chromatin và di truyền biểu sinh trong sự chống chịu mặn ở thực vật

Sự biến đổi chromatin được biết như sự biến đổi mang tính di truyền biểu sinh giúp thực vật thích nghi với các điều kiện môi trường stress khác nhau. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự biến đổi chromatin xuất hiện trong quá trình thực vật đáp ứng với stress mặn trong cùng một thế hệ. Xét theo khía cạnh này, khi cây được xử lý trong môi trường stress mặn ở nồng độ thấp thì khi chuyển sang môi trường bình thường để cây tăng trưởng, sau đó khi gặp stress mặn nồng độ cao thì cây sẽ thích nghi tốt hơn (chống chịu tốt hơn).

Với thí nghiệm trên, sau khi cây chuyển từ môi trường stress mặn với nồng độ muối thấp và chuyển sang môi trường phát triển bình thường thì người ta không thấy sự khác biệt về kiểu hình của cây xử lý stress mặn thấp so với cay không xử lý. Sau đó các cây được chuyển tiếp sang môi trường có nồng độ muối cao hơn thì các cây đã được xử lý stress mặn nhẹ sẽ tích tụ ít ion Na+ hơn so với cây không xử lý và do đo sẽ chống chịu mặn tốt hơn.

Hiện tượng trên có thể quy cho quá trình biến đổi histone trên chromatin mang tính di truyền biểu sinh mà quá trình này ảnh hưởng đến sự biểu hiện của các yếu tố phiên mã (transcription factor). Người ta cũng thấy rằng gene AtHKT1;1 biểu hiện mạnh hơn ở các cây được xử lý stress mặn nhẹ so với cây không xử lý, điều này có thể giả thích cho việc thay đổi quá trình tích tụ Na+. Các nghiên cứu khác cho thấy sự methyl hóa amino acid cytosine không được thực hiện trên vị trí đích giả định của RNA kích thước nhỏ thuộc vùng promoter của gene AtHKT1;1 đã dẫn tới việc làm giảm sự biểu hiện của gene này và gây ra sự mẫn cảm đối với stress mặn.

Các nghiên cứu xa hơn trên cây đậu nành cho thấy stress mặn ảnh hưởng đến sự methyl hóa DNA tại nhiều vùng promoter và các vùng mã hóa của 4 yếu tố phiên mã. Điều này chỉ ra rằng sự biến đổi của chromatin nằm trong vùng hiện diện của các gene này có thể tăng cường tính chống chịu mặn cho cây.

Sự methyl hóa cũng như sự biểu hiện của các gene có chức năng làm biến đổi chromatin khác nhau giữa các giống lúa cũng như các mô hay cơ quan của cây dưới điều kiện stress mặn. Cho đến hiện tại, các nghiên cứu về stress mặn đã không cho thấy một cách rõ ràng về di truyền biểu sinh của sự chống chịu mặn từ thế hệ này sang thế hệ khác. Một yếu tố khác cũng quan trọng khi nghiên cứu về stress mặn cũng cần được lưu ý là trạng thái đa bội thể ở thực vật. Sự tự đa bội hóa ở thực vật gần đây cho thấy rằng có thể tham gia vào sự chống chịu mặn ở nồng độ muối cao và hiện tượng này cũng có mối liên quan đến quá trình tích lũy ion K+ hiệu quả trên cây Arabidopsis.

Vai trò và tầm quan trọng của các phân tử điều hòa thẩm thấu (osmolyte)

Sự tích tụ các osmolyte hữu cơ như proline, glycine betaine, sugar alcohol, polyamine và các protein họ LEA (late embryogenesis abundant) giữ vai trò quan trọng trong quá trình duy trì thế thẩm thấu thấp trong tế bào thực vật cũng như tham gia vào việc ngăn chặn các ảnh hưởng bất lợi của stress mặn. Các nghiên cứu ở mức phân tử cho thấy stress mặn kích hoạt sự tổng hợp proline và sự phân hủy phân tử này được tăng cường trong suốt giai đoạn hồi phục của cây. Trong suốt giai đoạn hồi phục này của cây, proline đóng vai trò như một phân tử tín hiệu và được xem có vai trò điều hòa sự phân bào, sự chết tế bào cũng như điều hòa biểu hiện các gene tham gia vào giai đoạn hồi phục sau stress.

Trên cây Arabidopsis, khi bất hoạt gene P5CS1 mã hóa cho enzyme tổng hợp ∆-1-pyrroline-5-carboxylate đã làm giảm sự tổng hợp proline làm cây siêu mẫn cảm đối với stress mặn. Trong nhiều năm người ta cho rằng proline đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều hòa thẩm thấu của tế bào, tuy nhiên nhiều ý kiến khác lại cho rằng nó hoạt động như là yếu tố chống lại các phân tử mang gốc oxy hóa mạnh (như các ROS, AOS), chất đệm trong phản ứng oxy hóa khử của tế bào, hoặt có vai trò như là một chaperone, tham gia ổn định cấu trúc protein và cấu trúc màng tế bào dưới các điều kiện stress.

Tương tự như proline, glycine betain là một osmolyte hữu cơ được tổng hợp trên rất nhiều loài thực vật để tạo ra sự cân bằng thế thẩm thấu của tế bào dưới điều hiện stress mặn. Có chứng cứ cho thấy rằng glycine betaine là một chất tan tham gia vào quá trình bảo vệ các enzyme chủ chốt và cấu trúc màng tế bào. Mặc dù glycine betaine được ghi nhận đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động của của enzyme dọn dẹp các ROS nhưng vẫn chưa thấy chứng cứ chứng minh liệu rằng glycine betaine hoặc các phân tử khác tham gia trực tiếp vào các hoạt động khử các yếu tố ROS.

Tạo ra cây trồng chống chịu mặn

Một ví dụ về biến đổi di truyền cho cây chống chịu mặn được thực hiện trên yếu tố phiên mã được cảm ứng bởi stress mặn bZIP24. Yếu tố phiên mã này cảm ứng sự biểu hiện của rất nhiều gene liên quan đến đáp ứng stress mặn ở cây Arabidopsis. Bất hoạt gene bZIP24 bằng kỹ thuật RNAi (RNA interference) cho thấy gia tăng sự chống chịu mặn của cây. Điều này có thể giải thích là do gene AtHKT1;1 là một trong những gene mục tiêu bị bZIP24 ức chế sự biểu hiện thông qua cách trực tiếp hoặc gián tiếp.

Ban đầu bZIP24 được khám phá trong một nghiên cứu so sánh về sự điều hòa phiên mã trên cây Arabidopsis và loài chống chịu mặn cải gió ngọt (sweet alyssum). Đây là ví dụ điển hình về sử dụng loài cây chịu mặn và nghiên cứu so sánh genomics trong việc khám phá ra các có chế chống chịu mặn.

Sự biểu hiện của gene AtHKT1;1 giữ vai trò quan trọng trong việc xác định các mức Na+ trên lá thể hiện tính chống chịu mặn. Cơ chế phân tử điều hòa biểu hiện gene AtHKT1;1 và hoạt động của nó có thể là yếu tố quan trọng phục vụ cho việc nghiên cứu tạo ra cây trồng kháng mặn. Tuy nhiên bên cạnh các yếu tố điều hòa âm tính đã được đề cập bên trên thì các yếu tố điều hòa dương tính vẫn chưa được khám phá nhiều thông tin hữu ích.

Ngoài các nghiên cứu trên cây mô hình Arabidopsis, các nghiên cứu trên các cây trồng khác cũng đã phát hiện thêm những thông tin giá trị về cơ chế chống chịu mặn ở thực vật. Yếu tố phiên mã mang tên SERF1 (SALT-RESPONSIVE ERF1) đã được xác định như là một yếu tố tăng cường hoạt động của chuỗi phản ứng enzyme MAP KINASE được kích hoạt bởi ROS trong suốt quá trình stress mặn. Sự biểu hiện của SERF1 được cảm ứng trên rễ do nồng độ muối cao, các cây lúa bị mất chức năng của yếu tố SERF1 cho thấy khống có sự biểu hiện của các gene tham gia giúp cây chống chịu lại stress mặn.

Các cây lúa đột biến gene serf1 đạt 3-4 tuần tuổi được trồng trên hệ thống thủy canh cho thấy không chịu được stress mặn. Trong khi đó, các cây lúa biểu hiện vượt mức gene SERF1 cho thấy sự gia tăng tính chống chịu mặn. Các phân tích cho thấy ở cây lúa đột biến serf1 tỉ lệ Na+/K+ ở lá gia tăng một cách có ý nghĩa so với cây bình thường.

MAS như là công cụ lý tưởng trong nghiên cứu chọn giống

Cải tiến năng suất cây trồng là mục tiêu không ngừng nghĩ của các chương trình nghiên cứu chọn tạo giống. Chọn giống chống chịu mặn theo phương pháp truyền thống thường mất thời gian rất lâu và các phương pháp mới luôn được tìm tòi để hỗ trợ hoặc thay thế cho các phương pháp cũ. Thông thường, các giống cây trồng được lai tạo từ các nguồn vật liệu mang tính đa dạng di truyền, sau đó được chọn lọc dựa trên kiểu hình biểu hiện ra bên ngoài trong suốt quá trình tăng trưởng và phát triển. Quá trình chọn lọc này có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm hay ngoài đồng.

Quá trình cải tiến và hỗ trợ phương pháp chọn giống truyền thống hiện tại sử dụng các phân tích QTL và chọn lọc dựa vào marker (MAS). MAS là một phương pháp quan trọng và hiệu quả yêu cầu sự liên kết giữa một tính trạn mục tiêu và marker di truyền mà các marker này mang tính đa dạng di truyền giữa các dòng bố mẹ sử dụng làm vật liệu lai. Do đó, để áp dụng MAS thành công trong công tác nghiên cứu chọn giống thì phải có kiến thức chuyên sâu về di truyền các tính trạng mục tiêu và sự biến dị trên các loài cây trồng mục tiêu.

Một ví dụ tiêu biểu trong chọn giống cây trồng chống chịu mặn là trường hợp QTL Saltol, một QTL được xác định trên lúa giúp cây chống chịu điều kiện stress mặn. Các vùng genome khác cũng cho thấy vai trò quan trọng trong cơ chế chống chịu mặn bên cạnh QTL Saltol. Các marker phân tử và các kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới sẽ đóng góp vai trò quan trọng trong chiến lược chọn giống trong tương lai.

MAS rõ ràng là một công cụ mạnh mẽ và hiệu quả trong việc nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng kháng mặn. Một điểm quan trọng là việc chọn lựa các marker thích hợp cho chương trình chọn giống chống chịu mặn. Có nhiều nghiên cứu đã cố gắng cải thiện khả năng chống chịu mặn của thực vật thông qua việc biến đổi di truyền bằng cách thay đổi một số gene nhất định. Tuy nhiên, các gene này không cho thấy hiệu quả để cải thiện khả năng sống sót một cách có ý nghĩa của cây trồng khi gặp môi trường có nồng độ muối cao.

Người ta đề xuất rằng để gia tăng tính chống chịu mặn trên cây trồng chỉ cẩn thay đổi một hoặc vài thành phần chính hệ thống gene điều hòa trong cơ chế chống chịu mặn thay vì thay đổi rất nhiều cơ chế phân tử liên quan đến tính chống chịu mặn. Bên cạnh phương pháp chọn giống truyền thống thì phương pháp chồng gene dựa vào marker phân tử cũng hứa hẹn là một phương pháp hữu ích trong việc cải thiện tính chống chịu mặn ở cây trồng. Tuy nhiên, phương pháp chồng gene gặp trở ngại là do sự phân li độc lập của các tính trạng mục tiêu với nhau, điều này làm cho công việc chọng giống thêm khó khan và phức tạp.

Một phương pháp mới nổi lên gần đây trong chiến lược chọn tạo giống cây trồng kháng mặn để tránh vấn đề vừa nêu là sử dụng kỹ thuật biến đổi genome trực tiếp thông qua các kỹ thuật sử dụng các enzyme nuclease như các kỹ thuật ZFN, TALEN và CRISPR-Cas9.

Xem tại link

Mitigation of stress by crop management

Posted date: 05:55 / comment : 0 Abiotic stress, Heat

2.1 Mitigation of stress by crop management

2.1.1. Management methods at sowing.

In subtropical zones, cool-season annuals such as lettuce may be sown in the late summer to produce a crop during the fall. The soil can be so hot during the late summer that it reduces the maximum germination that is achieved. Germination of lettuce seed can be inhibited by temperatures of 25⁰ to 33⁰C occurring during a short period of 7 to 12 hours after the seed has begun to imbibe water. The incomplete emergence problem can be overcome by sowing the lettuce seed into dry beds during the day and then sprinkle irrigating the beds during the late afternoon. Sprinkling cools the soil in the seed zone by evaporation, and the seeds imbibe water during the cool conditions of the evening and night enabling most of them to germinate. Another potential solution to this problem is “seed priming” which involves placing the seed in an osmotic solution for several days at moderate temperatures and then drying them. During the priming the seed goes through the initial temperature-sensitive stages of germination with the osmoticum reducing water uptake and preventing radical emergence. Primed seed also has some disadvantages in that it often has a shorter shelf life and is more expensive than normal seed.

In tropical zones, inadequate plant emergence and establishment can limit the productivity of several warm-season annual crops. The soil surface can become very hot. For crops with small seed that are sown shallow, such as sorghum and pearl millet, seed zone temperatures can exceed 45⁰C in some cases and substantially reduce emergence independently of drought effects. Hot soils retard hypocotyl elongation of cowpea and this can have a detrimental effect on emergence, which is aggravated by deep sowing of seeds. Consequently, when soils are hot, seed of cowpea must be sown at a depth that is neither too deep and thus constrain hypocotyl emergence nor too shallow and be too close to the very hot surface.

2.1.2. Choice of sowing date.

In temperate or subtropical climatic zones, which have seasonal variations in temperature, sowing date can be varied to increase the probability that annual crop species will escape stressfully high temperatures during subsequent sensitive stages of development. For example, sowing dates can be chosen so that reproductive stages that are particularly sensitive to heat do not occur during periods when stressfully hot weather is most likely to occur. In some subtropical zones the weather can be chilling in early spring and become progressively warmer reaching very hot conditions in the middle of the summer. In these zones warm-season annuals, such as cotton, cowpea and maize that are sown earlier in the spring tend to flower earlier and have a higher probability of escaping hot summer weather during heat-sensitive stages of reproductive development. The earliest dates that sowing should be done depends on the extent of chilling tolerance during germination and emergence of the species and cultivar. Genotypic differences in chilling tolerance during emergence have been detected in cowpea. The chilling tolerance was associated with a dominant effect due to the presence of a specific dehydrin protein in the seed and an independent and additive effective associated with slow electrolyte leakage from seed under chilling conditions (Ismail et al. 1997, 1999). Our subsequent research demonstrated that it is possible to combine chilling tolerance during emergence with heat tolerance during reproductive development in cowpea using conventional hybridization.

2.1.3. Cultivars, irrigation and other management methods.

Perennial crop species and cultivars should be chosen that are adapted to the high temperatures likely to occur in the specific location. For both perennial and annual crop species, a degree of escape of high leaf temperatures can be achieved by insuring that maximum transpiration rates are maintained since evaporative cooling can result in leaf temperatures being up to about 8⁰C cooler for rapidly transpiring plants compared with slowly transpiring plants. Plants transpire at maximum rates if their root zones have high levels of soil water and adequate aeration.

High temperature and intense direct solar radiation can cause damage to fruit (e.g. citrus or tomato) and reduce their marketing quality. This can be avoided if fruit is shaded by foliage. Extent of fruit shading by leaves can be manipulated by the choice of cultivars, irrigation methods and fertilizer management methods, and plant training and pruning procedures. Damage to tree trunk cambium by high temperatures can be avoided by spraying the bark of exposed trunks and branches with a reflective white coating.

2.2. The Mitigation of Heat Stress by Plant Resistance

2.2.1. The Nature of Resistance to Heat.

Genetic resistance to heat is defined as where a genotype is more productive than another genotype in environments where heat stress occurs. This should be distinguished from heat tolerance, which is defined as the relative performance of a plant or plant process under heat compared with performance under optimal temperature. Resistance to heat is more relevant to the needs of farmers than heat tolerance, whereas heat tolerance often is of interest to scientists studying mechanisms of adaptation.

Fischer and Maurer (1978) partitioned stress effects on yield (Y) into parameters measuring sensitivity to stress (S) and the extent of the stress (D) and yield potential (Y_p ).

Y = Y_p (1 - S x D)

Where D = (1 - X/X_p) and X and X_p are the mean yields of all cultivars under stressed and optimal conditions, respectively. Algebraic manipulation shows that:

S = (1 - Y/Y_p)/D = (Y_p - Y)/(Y_p x D)

Since D is constant for a particular trial, S is a measure of the yield decrease due to the stress relative to the potential yield with a low value of S being desirable. Thus S is the inverse of heat tolerance.

The problem with using S as a measure of adaptation to the stress is that there are cases where S has been positively correlated with Y_p in that cultivars whose yield was affected little by the stress also had very low yield potential. This means that the cultivars with low S also may have had low stress resistance (Y) and would not be useful for farmers. The correlation between S and Y_p also indicates that it may not be possible or easy to combine the desirable features associated with a low S and high yield potential. However, there may be cases where the desirable features associated with low S can be combined with high yield potential. I will provide two examples to show where low S in a genotype may or may not be useful for breeding.

Many landraces of cereals and grain legumes are competitive and have substantial leaf area and photosynthetic source capability but produce relatively few seed in all environments. An example of this is the guineense sorghums that may be found in West Africa. These landraces have low yield potential but when subjected to a late stress due to heat (or drought) that reduces leaf photosynthesis and accelerates leaf senescence they still fill the few grains that had been set. Thus they exhibit little reduction in yield and a low value of S. Breeding to increase the ratio of their reproductive sink to their photosynthetic source could increase the yield potential of the landraces (Y_p). But their sensitivity to stress (S) also probably would increase such that little gain may be achieved in their heat resistance (Y).

In contrast, consider cases where heat stress mainly damages reproductive development and particular genotypes tolerate this stress. The stress-tolerant genotypes would have a low S value that may be independent of traits conferring yield potential, such that combining both sets of traits can increase heat resistance. This has been the case with breeding heat-resistant cowpea cultivars using reproductive-stage heat tolerance that is described in the next section. Consequently, the heat sensitivity index S and various heat-tolerance traits must be used with caution, especially for cases where genotypic values for S are positively correlated with yield potential and S depends on traits that influence yield potential.

Greater heat tolerance is defined as being where a specific plant process is damaged less by high tissue temperature and can involve constitutive effects or require acclimation. Tolerance to high soil temperatures during seed germination would appear to require constitutive genetic effects; although the mother-plant environment during seed development and maturation also can influence the heat tolerance of seed during germination. Tolerance to high tissue temperatures during plant emergence and early seedling growth involves both constitutive and acclimation effects. Seedlings subjected to moderately high temperatures synthesize a novel set of proteins that have been called heat-shock proteins, and the plants become more tolerant, in terms of plant survival, to more extreme temperatures (Vierling 1991). These proteins are thought to enable cells to survive the harmful effects of heat by two general types of mechanisms: as molecular chaperones, and by targeting proteins for degradation. As an example of chaperone activity, it has been shown that a specific small heat-shock protein cooperates with other heat-shock proteins to reactivate a heat-denatured protein (Lee and Vierling 2000). Heat-shock proteins do not appear to be the only mechanism whereby plants differ in heat tolerance. For example, genotypes of cowpea have been bred that have substantial differences in heat tolerance during reproductive development but they produced the same set of heat-shock proteins in their leaves when subjected to moderately high temperatures.

For crops that produce fruit and/or seed, including cereals and grain legumes, it is useful to examine whether high temperatures damage the photosynthetic source more than the reproductive sink. In essence we are asking which of these processes is more limiting under hot conditions because enhancing the heat tolerance of this process could increase resistance to heat. Recall that a heat-resistant cultivar is defined as one that has higher productivity than other cultivars when grown in environments where heat stress occurs.

Photosynthetic sources and reproductive sinks, however, may not always be independent factors in adaptation. For spring wheat growing in hot irrigated environments, cultivar differences in grain yield have been positively associated with photosynthetic carbon dioxide fixation rate (Reynolds et al. 1994). Even stronger positive associations were observed between grain yield and stomatal conductance suggesting that more open stomata may be responsible for the higher photosynthetic rates through facilitating the diffusion of carbon dioxide into leaves and reducing leaf temperature bringing it closer to the optimum for photosynthesis. Also, cultivar differences in grain yield of spring wheat growing in a hot irrigated environment have been positively correlated with kernel number per spike (Shpiler and Blum 1991). Processes that determine kernel number per spike may be linked to photosynthesis. Fischer (1985) established that wheat cultivar variation in kernels per m² was positively correlated with spike dry weight at anthesis and the ratio of solar radiation to temperature for the 30-day period prior to anthesis. Consequently, heat stress effects on photosynthesis can reduce both the photosynthetic source and the magnitude of the reproductive sink making it difficult to determine overall effects on the ratio of the photosynthetic source to the reproductive sink.

Also, photosynthetic capacity and stomatal behavior may be influenced by the extent of the reproductive sink for photosynthate through complex long-term feedback effects. For example, Pima cotton cultivars with greater boll yields under hot irrigated conditions also have higher stomatal conductance and greater carbon dioxide assimilation rates (Cornish et al. 1991, Lu et al. 1994, 1998). Plants that have higher photosynthetic capacity often have higher maximal stomatal conductance and the mechanism for this long-term regulation is unknown (Hall 2001). Explanations for the mechanisms whereby the Pima cottons are heat resistant are complex. The heat-resistant cotton cultivars were bred by selecting for ability to set more bolls on lower nodes under hot, irrigated conditions and not for stomatal or photosynthetic properties (reviewed by Hall 1992). Possible causes for the higher photosynthetic rates of the heat-resistant cotton cultivars include the following. More open stomata enhance the diffusion of carbon dioxide into the leaves. Cooler leaves operate closer to the optimum for photosynthesis. Slower senescence of leaves could enhance photosynthesis. Positive feedback effects on stomata or components of leaf photosynthesis may occur due to the stronger sink strength that results from the increased fruiting.

Fig.3. Plant production of heat susceptible lines of cowpea in different fields with contrasting thermal regimes (data from Ismail and Hall, 1998).

The sensitivity of photosynthesis and photosystem II to heat may be due to detrimental effects of high temperature on chloroplast membranes. Murukami et al. (2000) developed transgenic tobacco plants with altered chloroplast membranes by silencing the gene encoding chloroplast omega-3 fatty acid desaturase. The transgenic plants had less trienoic fatty acids and more dienoic fatty acids in their chloroplasts than the wild type. The transgenic plants also had greater photosynthesis and grew better than wild-type plants in hot but highly artificial environments. The studies are preliminary in that rigorous tests would include evaluating responses of the transgenic and wild type plants in more natural hot environments and determining the whole-plant mechanisms of any effects on photosynthesis and growth. Highly artificial environments can result in artifacts that do not occur in nature.

Clones of Irish potato have been bred with differences in resistance to heat, in terms of tuber yield (reviewed by Hall 1992). Under hot conditions several processes are inhibited that influence tuber production: the rate of photosynthesis, induction to tuberize and tuberization. Controlled-environment studies demonstrated that these processes are influenced differently by root and shoot temperatures (Reynolds and Ewing 1989). High soil temperature inhibited tuber development and growth under either hot or more optimal shoot temperatures. In contrast, high shoot temperatures caused leaf rolling and accelerated leaf senescence and reduced the induction to tuberize under either hot or more optimal root-zone temperatures. This example, illustrates the importance of considering both root-zone and shoot-zone temperatures when developing techniques for screening for heat tolerance and developing management methods for hot environments.

When plants growing in pots are subjected to high air temperatures both the shoot and the roots are subjected to hot conditions. In contrast, when plants growing in the field are subjected to high air temperatures, the shoot is subjected to more extreme temperatures than the root system. In field conditions, temperature of the soil below about 10 cm is buffered, and does not heat up as much or cool down as much as the air. Consequently, using plants in pots when studying effects of heat stress, can subject roots to unnaturally high temperatures and generate artifacts.

Management practices can influence soil temperatures. For example, compare the effects of frequent sprinkler irrigation and frequent drip irrigation on Irish potato grown on beds in hot environments. Overhead sprinkling will cool the beds more than will drip irrigation, and cooler beds may enhance tuber development and growth while effects on plant water status may be similar for the two systems of management.

For cowpea, high temperatures have greater detrimental effects on reproductive development and grain yield than they do on biomass production (Fig.3) and presumably photosynthesis. Consequently, breeding to enhance heat tolerance during reproductive development could enhance heat resistance. Cowpea genotypes have been discovered that differ in heat tolerance during reproductive development (Ehlers and Hall 1996) and genetic studies have elucidated the inheritance of this complex trait. Heat-tolerance during early floral bud development and ability to produce flowers was shown to be consistent with the effect of a single recessive gene and have very high heritability (Hall 1993). In contrast, heat-tolerance during pod set in cowpea was shown to be consistent with the effect of a single dominant gene but with strong environmental effects and low narrow-sense and realized heritabilities of 0.26 (Marfo and Hall 1992). For some other species, such as tomato, high temperatures may influence several aspects of reproduction involving both the anther and the stigma and the inheritance of heat tolerance for fruit set probably is more complex than it is for cowpea (reviewed by Hall 1992).

Embryo abortion also is a complex character that is influenced by many stresses, and plant pod-load and age. The discovery that two cowpea genotypes do not exhibit reductions in number of seeds per pod under high night temperatures, even with a substantial pod load (Ehlers and Hall 1998), indicates there may be an opportunity for genetic and breeding studies of heat tolerance during embryo development. Genetic studies demonstrated that heat-induced seed coat browning is consistent with the effect of a single dominant gene that is not linked to the gene conferring heat tolerance during floral bud development (Patel and Hall 1988).

Heat tolerance during reproductive development of cowpea is consistent with the presence of a set of genes that operate in the following developmental sequence. They determine the number of floral buds that develop and produce flowers, the number of these flowers that produce pods, the number of embryos that develop and produce seed, and the quality of the seed that are produced.

Several reproductive processes are particularly sensitive to high night temperatures but some may be sensitive to or aggravated by high day temperatures. In addition, for cowpea, there were greater effects of heat stress on both flower production and pod set under long days compared with short days. This indicates that heat stress may be more damaging to cowpea in subtropical than tropical zones and this has been confirmed in both glasshouse studies (Ehlers and Hall 1998) and field studies.

In some cases, plant breeding can be used to counteract the detrimental heat-induced acceleration of reproductive development. For indeterminate crops, such as most grain legume cultivars, cotton and tomato, the length of the reproductive period can be changed by modifying plant habit and the progression of production of vegetative nodes, branches and reproductive nodes. For example, once reproductive buds have been initiated, a few cowpea genotypes have the ability to produce more vegetative nodes on the main stem alternating with reproductive nodes (Ehlers and Hall 1996). This trait slows down overall reproductive development and may be advantageous in tropical environments with high night temperature.

For determinate crops, such as rice, sorghum and wheat, the progression of vegetative and reproductive structures is not very plastic and the rapid reproductive development caused by high night temperatures substantially reduces their grain yield potential. Where the overall reproductive stage is short, the opportunity for the fixation of photosynthate and its translocation to developing grain also is short. Enhanced translocation to grain of stored photosynthate fixed prior to anthesis may provide a heat-tolerance mechanism for determinate crops that are subjected to heat stress during grain filling. Wheat often experiences heat and drought stress during grain filling when grown in hotter wheat production zones such as may be found in India and the United States. These stresses can substantially reduce the photosynthetic source during grain filling by both accelerating leaf senescence and causing damage to photosynthesis. Enhanced mobilization of stem reserves may be an effective mechanism of tolerance to late season stresses such as heat and drought, especially for determinate crops.

2.2.2. Methods of Breeding for Resistance to Heat.

The traditional method for breeding for heat resistance is to grow advanced lines in a hot target production environment and select those lines that have greater yields than current cultivars (this provides a direct measure of heat resistance). This approach is more effective with crop species that can be efficiently yield-tested in small plots, such as wheat, than crops such as cowpea that require larger plots and are more difficult to harvest. This direct approach also is more effective in environments where heat is the only major stress. The presence of other stresses makes the evaluation of heat resistance very difficult. For example, insect pests such as lygus bugs and flower thrips can cause damage to developing flower buds of cowpea that appears similar to the damage caused by high night temperatures. Some slow progress may have been made in enhancing the heat resistance of cowpea in West Africa, however, by breeding programs that selected based upon grain yield in hot target production environments (Ehlers and Hall 1998).

A more efficient approach has been developed for breeding for heat resistance that involves early generation selection for specific traits that confer heat tolerance during reproductive development. The first step in this approach is to discover accessions that have heat-tolerance traits. When searching for useful accessions, a wide range of materials should be evaluated including those that evolved or were developed in cool as well as hot environments. Two cowpea accessions were discovered to have heat tolerance during reproductive development that came from a hot tropical zone in Africa (Warrag and Hall 1983). However, a cowpea breeding line developed for the very cool conditions of Minnesota (MN 13), which was not exposed to heat during its selection, also has heat tolerance during reproductive development. This unexpected finding may be due to associations that are present between reproductive-stage heat tolerance and extreme earliness (Ehlers and Hall 1996). We have speculated that this association may be due to heat susceptibility being caused by the presence of certain phytochromes that suppress or slow down floral development in hot conditions (Ahmed et al. 1993b). The association between extreme earliness and heat tolerance during reproductive development has been observed in other species. Some early tomato cultivars developed for cool environments in Canada and Russia have heat tolerance during fruit set, and some chilling-tolerant snap beans also have heat tolerance (reviewed by Hall 1992).


Photograph 1. A heat tolerant cowpea 518-2 (right) that is producing many flowers in a hot field environment where heat sensitive CB65 (left) is producing fewer flowers.	Photograph 2. A heat tolerant cowpea line H36 (right) that is abundantly producing pods in a hot field environment where a heat sensitive line CB5 (left) is producing few pods.	Photograph 3. Cowpea lines with similar genetic background in a hot field environment that either have (right) or do not have (left) a set of heat tolerant genes.

For some crop species, methods have been developed based on selection for heat-tolerance traits in extremely hot environments that are more effective than selection solely based on yield in hot target production environments. An example of breeding for resistance to heat in cowpea is described that has been shown to be very effective. Emphasis was placed on incorporating heat tolerance during reproductive development. Very hot field and glasshouse environments were used for screening for reproductive-stage heat tolerance. The hot field nursery was achieved by sowing a set of cowpea genotypes that have similar earliness (they initiate floral buds at the same time) in the Coachella Valley of California during the hot season. Often sowing was done about the 20^th of June and resulted in an environment where the plants experienced minimum and maximum 24-hour air temperatures of 23⁰ to 27⁰C and 42⁰ to 50⁰C, respectively, for the three-week period beginning one week prior to the start of flowering. In this environment, heat-tolerant day-neutral genotypes begin flowering about 32 days after sowing. The plants also experience long days (14.5 hours) and sunny skies, and are subjected to optimal irrigation, fertilizer application and pest management practices. Plants are selected that produce many early flowers, and have high pod set producing about four pods per peduncle on the first five reproductive nodes on the main stem, well-filled pods and adequate grain quality. In most years many plants can be effectively screened using this field nursery.

Most parts of the world do not have field nurseries with the consistently high night temperatures but otherwise optimal conditions experienced in CoachellaValley in the early summer. Consequently, we also have developed a glasshouse environment for screening cowpea for reproductive-stage heat tolerance. The plants are subjected to minimum and maximum 24-hour air temperatures of 27⁰ and 36⁰C, respectively, and sunny long-day conditions. This glasshouse environment is extremely effective for screening for reproductive-stage heat tolerance but only a few hundred plants can be grown in it compared with the thousands of plants that can be screened in our large field nurseries. The key to the success of the glasshouse nursery is the use of high night temperature rather than high day temperature. One advantage of using a hot glasshouse compared with most hot field conditions is that air temperatures are relatively stable from day to day and over weeks. Consequently, genotypes that begin flowering at different times can be screened reliably. In contrast the summer Coachella Valley environment only is effective for screening genotypes that begin flowering at about the same time because temperatures vary substantially from day to day and exhibit seasonal changes.

Diverse sets of several hundred early flowering day-neutral cowpea accessions have been screened and three were detected with ability to produce flowers and set pods under hot conditions in the field. The heat-tolerant accessions have many undesirable agronomic traits so it was necessary to cross them with commercial cultivars. We have shown that heat tolerance during early flower development can be incorporated and virtually fixed by a single selection for ability to produce flowers in the F₂ or a subsequent generation, consistent with it being conferred by a single recessive gene with high heritability. During the F₂ generation, we select plants that produce many flowers and have high pod set and adequate numbers of seeds per pod and seed size and no heat-induced seed coat browning (Photograph 1).

We only can directly screen for heat tolerance under long days in the summer so we have used the fall and winter seasons to advance generations once or twice in an optimal-temperature glasshouse using single-seed or single-plant decent. During the summer we then screen the F₄ or F₅ lines for heat tolerance. Most of the lines that were selected during the F₂ generation have heat tolerance during early flower development in subsequent generations and produce many flowers. In the advanced generations, we emphasize selecting lines and then single plants with uniformly high pod set, adequate numbers of seeds per pod and seed size, and no seed coat browning (Photograph 2).

At least two cycles of family selection are needed to incorporate heat tolerance during pod set, which is consistent with it having dominant gene inheritance and a low heritability.

Six pairs of lines were developed (for example Photographs 2 and 3) that either have or do not have a set of heat-tolerance genes in similar genetic backgrounds. These pairs of lines were evaluated in eight field environments with average night temperatures ranging from cool to very hot but otherwise similar near optimal conditions (Ismail and Hall 1998). The heat-susceptible lines, which included a commercial cultivar, exhibited a 13.5 % decrease in grain yield per ⁰C increase in average minimum night temperature above 16.5⁰C for the three week period starting one week prior to first flowering (Fig.3). The heat-tolerant lines had similar grain yields under cooler night temperatures but 50 % greater grain yield and numbers of pods per peduncle than the heat-susceptible lines with average minimum night temperatures of 21⁰C (Fig.4).

Minimum night temperatures greater than 21⁰C occur in several commercial production zones (Nielsen and Hall 1985a). Advanced lines are then evaluated in multi-location trials conducted in commercial fields and experiment stations in the target production environment. Lines are selected that have consistently high yield, adequate grain quality and other agronomic traits such as resistance to lodging. One of the heat-tolerant lines from the study of Ismail and Hall (1998) that performed well in the multi-location trials now has been released as the cowpea cultivar “California Blackeye 27" (Ehlers et al. 2000). It should be noted that heat tolerance by itself will not justify release of a new cultivar, the cultivar must have greater grain yield than current cultivars when grown in the target production environment (i.e. greater heat resistance is needed). Farmers often only will accept a new cultivar that has been shown to substantially enhance yields or profits. “California Blackeye 27" has greater grain yields when conditions are hot at flowering and it also has greater grain yields in some fields due to it having greater resistance to specific pests and diseases than the older cultivars (Ehlers et al. 2000).

When breeding to incorporate heat tolerance or any other trait it is important to evaluate potential negative effects of the trait. In hot and also more moderate temperature environments, the reproductive-stage heat-tolerance genes cause cowpea to be more compact and dwarfed due to their internodes being shorter. At a minimum night temperature of 18⁰C, the heat-susceptible cowpea lines had 50 % longer main stems, and at 22⁰C they had 50 % more vegetative biomass than the heat-tolerant lines ( Fig.5 and Photographs 1, 2 and 3).


Fig.4. Relative plant production of heat-susceptible and heat tolerant pairs of cowpea lines grown in different fields with contrasting thermal regimes (data from Ismail and Hall, 1998).	Fig.5. Relative plant height and vegetative biomass of heat-tolerant and heat-susceptible pairs of cowpea lines grown in different fields with contrasting hermal regimes.

Heat-tolerant semidwarf cowpea lines were compared with standard-height cowpea cultivars under different row spacing (Ismail and Hall 2000). Heat-tolerant semidwarf cowpea lines were less effective than standard-height cultivars at the wide row spacing of 102 cm used by some farmers, more effective with the widely used 76 cm row spacing, and even more effective with a narrow row spacing of 51 cm than standard-height cultivars. Natural selection likely would not favor this type of heat tolerance in that plants with the compact plant habit are not very competitive. In tomato, cultivars with heat-tolerance during reproductive development may tend to be more compact and exhibit less coverage of fruit by leaves, which can enhance damage to the fruit surface and internal tissues caused by excessive solar radiation and temperature. The compactness of the heat-resistant cowpea and tomato cultivars may be due to their greater and earlier partitioning of carbohydrate to fruits, which thereby restricts their vegetative growth compared with heat-susceptible cultivars. The heat-tolerance gene that enhances pod set in cowpea appears to have major effects on plant development.

Screening for the extent of flowering and fruit set in hot conditions can be effective with several crop species, including several grain legumes, tomato and cotton, but some breeders do not have suitable very hot field environments, and hot glasshouse screening can be expensive. Consequently, scientists have tried to develop more efficient indirect screening procedures.

Considerable research effort has been devoted to using slow electrolyte leakage from leaf disks that have been subject to high temperatures as an indication of cell membrane thermostability (MT, or CMS) and heat tolerance (reviewed by Blum 1988 and Hall 1992).

The yield-forming processes that are linked with MT have not been clearly identified. However, for spring and winter wheat, MT was associated with heat tolerance during grain filling (Shanahan et al. 1990, Saadala et al. 1990a, Reynolds et al. 1994) and it may -be possible to obtain useful data from seedling screens (Saadala et al. 1990b). Seedling screens can be very effective because many plants can be screened and selected plants can be crossed.

Positive associations between MT and grain yield under heat stress have been reported for two spring wheat populations (Blum et al. 2001). One population consisted of 98 F₈ random recombinant inbred lines (RILs) between a heat-resistant cultivar, Danbata, and a heat-sensitive cultivar, Nacozari. Grain yield was measured for plants growing in the summer at Bet Dagan in Israel. This environment imposed a substantial heat stress and grain yield was only 53 % of that of the same plants growing in the winter at Bet Dagan. The MT was measured on leaves from the same RILs growing in a growth chamber at optimal temperatures and then heat hardened for one day prior to measuring electrolyte leakage from leaf segments. The grain yield of Nacozari was about 100 g m^-2 whereas that of Danbata was much higher at 250 g m^-2. Grain yields of the RILs varied from about 50 to 300 g m^-2. The MT of Nacozari was 31 % whereas that of Danbata was 72 % and the values for the RILs ranged from 22 to 76 %. There was a fairly high and significant positive correlation across the RILs between biomass (r=0.60 p<0.01) or grain yield (r=0.53 p<0.01) measured in the summer and MT. No such correlation was seen for winter production of biomass or grain. The other population consisted of 49 spring wheat F₇ breeding lines from 10 different crosses randomly selected from the wheat breeding program at Bet Dagan. Similar methods were used to evaluate these lines as was used with the RILs. Grain yield of the 49 breeding lines ranged from 267 to 370 g m^-2 in the hot summer environment. The MT measured with growth chamber plants ranged from 66 to 99 %. There was a significant positive correlation (r=0.56 p<0.01) across lines between MT and grain yield under heat stress. The authors pointed out that the associations were strong but not perfect and that MT should not be used as the exclusive selection criterion. They suggested MT might be a valuable supplemental criterion in final breeding stages or as a rough selection tool in early stages of breeding programs to reduce a large population into the most likely heat-resistant core.

There has been some work on MT for enhancing heat tolerance of other crops (Blum 1988, Hall 1992). For cowpea, electrolyte leakage of leaf disks was negatively associated with reproductive-stage heat tolerance (Ismail and Hall 1999). Subsequent genetic selection experiments by Thiaw and Hall (2004) confirmed that leaf electrolyte leakage under heat stress was negatively correlated with heat tolerance for pod set in cowpea. The leaf-electrolyte-leakage (LEL) protocol that he used consisted of subjecting leaf discs to 46^oC for 6 hours in aerated water and then measuring electrical conductivity of the solution followed by boiling the leaf discs and then measuring the electrical conductivity of the solution again. The percentage leakage during heat stress was calculated from the two measurements. Blum (1988) and others have proposed that plants should be heat-hardened prior to sampling tissue, and four measurements of electrolyte leakage are used in calculating MT. Heat-hardening does not appear to be necessary for cowpea in that Thiaw and Hall (2004) and Ismail and Hall (1999) observed useful genotypic differences in LEL with plants grown in a range of different environments. An advantage of the LEL method used by Thiaw (2003) over the MT method used by Blum et al. (2001) is that samples for the LEL method can be taken from plants growing in any field nursery or glasshouse, without the need for acclimating plants. Also, only two measurements of electrolyte leakage are needed with the LEL method so that more plants can be evaluated than with the MT method, which requires four measurements.

Thiaw and hall (2004) selected four populations from the same cross between heat-resistant and heat-susceptible parents that have similar genetic background: those with slow LEL and those with fast LEL, and those with high pod set in hot conditions and those with low pod set in hot conditions. The association between pod set and LEL was strong in that lines selected for slow LEL had high pod set, and lines selected for high pod set had slow LEL. The realized heritability when using slow LEL to indirectly select for heat tolerance during pod set was significantly greater than zero but small, similar to the realized heritability for direct selection for pod set of 0.26 observed by Marfo and Hall (1992). The LEL protocol we used has an advantage over direct selection in that it can be conducted in the off season with plants grown in moderate temperatures. We now propose an improved method for breeding heat-resistant cowpeas. This method consists of direct selection for abundant flowering and pod set in very hot summer field nurseries or glasshouses, followed by indirect selection using slow LEL in the fall and winter with plants grown under moderate temperatures in greenhouses.

Heat tolerance in spring wheat and Pima cotton has been associated with greater stomatal conductance, which can be rapidly detected in plots by a low canopy temperature compared with air temperature using an infrared thermometer (Reynolds et al 1994, Lu et al. 1994 and 1998). However, key tests have not yet been reported for any species that demonstrate whether selecting in segregating populations based on canopy temperature differences confers some heat resistance. Since measurement of canopy temperature differences requires plots of similar genotypes it could only be practiced in relatively advanced generations. This is unfortunate because much progress can be made if selection can be effectively initiated in the first segregating generation using single plants. Also the genotypic differences in canopy temperature that have been reported are relatively small in relation to the errors encountered in these data. This approach probably may not be effective with grain legumes that exhibit diurnal leaf movements because this can increase errors due to the sensor detecting the far infrared radiation emitted from the soil surface. In addition there are theoretical limits to the extent that stomatal conductance can be increased by selection and enhance crop performance.

For crops where the limiting effect of heat stress involves damage to photosynthesis there is some merit in trying measurements of chlorophyll fluorescenceas an indicator of damage to photosystem II. Equipment is available that permits rapid field measurement of the F_v/F_m parameter which provides an estimate of the damage to photosystem II. For this approach, also, key tests have not yet been reported for any species that demonstrate whether selection based on chlorophyll fluorescence is effective in enhancing heat resistance. It should be noted that when determining whether a selection method is effective it also is necessary to determine the efficiency of the method: the costs of the selection procedure in relation to the gains that are made compared with other selection procedures.

In extreme conditions, heat-resistance may depend upon the ability of plants to survive hot environments. The maximum emergence of sorghum and pearl millet seedlings can be substantially reduced by hot soil conditions in tropical Africa and India. Studying heat tolerance during emergence is difficult under field conditions due to the extreme variability in microclimates that is encountered at the soil surface and interactions with variations in soil water status. A laboratory technique has been developed for screening seedling emergence at different controlled soil temperatures which uses infra-red lamps to simulate the heating effects of sunlight and can subject emerging plumules of sorghum and pearl millet to high soil temperatures but without water stress (Soman and Peacock 1985).

In plant breeding it is necessary to take a long term view and consider the environmental and socio-economic conditions likely to be present in future years (Hall and Ziska 2000). Climatic conditions are changing, such as the progressive increases in atmospheric carbon dioxide concentration that are occurring everywhere and will tend to make photosynthesis of C₃ plants more effective. Plant photosynthetic systems may require modifications through plant breeding so that they can take full advantage of the elevated atmospheric [CO₂]. Also, maintaining a balance between carbohydrate sources and sinks could require selecting plants with greater reproductive sinks (Hall and Ziska 2000). Breeding to maintain a balance will be particularly important for environments and species where stresses, such as high temperatures, cause greater damage to the reproductive sink than the photosynthetic source. The genes for reproductive-stage heat tolerance in cowpea enhance sink strength and harvest index (Ismail and Hall 1998, 2000). Studies in controlled environments indicate these heat-tolerance genes may also enhance responsiveness to elevated atmospheric [CO₂] under moderate as well as high night temperatures (Ahmed et al. 1993a).

Advances in biotechnology may make possible some new approaches for breeding for heat resistance. Apomixis could provide resistance to stresses, such as heat, that damage reproductive development, since the seed are produced from maternal tissues and do not require meiosis or fertilization. A type of apomixis would be needed that does not require fertilization of polar nuclei for endosperm development. Through genetic engineering it may be possible to insert the cassette of genes needed to confer facultative apomixis (Jefferson 1993). Facultative apomixis also would provide many other benefits to plant breeding and farmers. These benefits include making hybrid cultivars with seeds that breed true to type. This would make possible the use of hybrid cultivars in many species where currently it is not economically feasible due to the current high cost of producing hybrid seed in relation to the amount of seed that is needed per unit area sown. An additional benefit to farmers would be that they could use their own hybrid seed for several years, which would reduce their seed costs and be of particular benefit for poor farmers.

The literature contains relatively little information on breeding for heat resistance. Some commercial companies have been active in this area but have not published their results. This is unfortunate since their experience with breeding for heat resistance could guide future breeders. Many advanced institutions are located in temperate zones where resistance to cold is more important than resistance to heat. Also, the limited research on heat tolerance conducted in these advanced institutions often has emphasized heat-shock proteins but has not yet led to any methods for breeding for resistance to heat that is based on this information. Breeding for resistance to heat deserves a higher priority than it has been given in the past.

References

Ahmed, F. E. and A. E. Hall. 1993. Heat injury during early floral bud development in cowpea. Crop Sci. 33: 764-767.

Ahmed, F. E., A. E. Hall and D. A. DeMason. 1992. Heat injury during floral development in cowpea (VIGNA UNGUICULATA, FABACEAE). Amer. J. Bot. 79:784-791.

Ahmed, F. E., A. E. Hall and M. A. Madore. 1993a. Interactive effects of high temperature and elevated carbon dioxide concentration on cowpea (Vigna unguiculata(L.) Walp.). Plant, Cell Environ. 16: 835-842.

Ahmed F. E., R. G. Mutters and A. E. Hall. 1993b. Interactive effects of high temperature and light quality on floral bud development in cowpea. Austral. J. Plant Physiol. 20: 661-667.

Al-Khatib, K. and G. M. Paulsen. 1999. High-temperature effects on photosynthetic processes in temperate and tropical cereals. Crop Sci. 39: 119-125.

Blum, A. 1988. Plant Breeding for Stress Environments. CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, pp 223.

Blum, A., N. Klueva and H. T. Nguyen. 2001. Wheat cellular thermotolerance is related to yield under heat stress. Euphytica 117: 117-123.

Cornish, K., J. W. Radin, E. L. Turcotte, Z. Lu and E. Zeiger. 1991. Enhanced photosynthesis and stomatal conductance of pima cotton (Gossypium barbadense L.) bred for increased yield. Plant Physiol. 97: 484-489.

Ehlers, J. D. and A. E. Hall. 1996. Genotypic classification of cowpea based on responses to heat and photoperiod. Crop Sci. 36: 673-679.

Ehlers, J. D. and A. E. Hall. 1998. Heat tolerance of contrasting cowpea lines in short and long days. Field Crops Res. 55: 11-21.

Ehlers, J. D., A. E. Hall, P. N. Patel, P. A. Roberts and W.C. Matthews. 2000. Registration of ‘California Blackeye 27' cowpea. Crop Sci. 40: 854-855.

Fischer, R. A. 1985. Number of kernels in wheat crops and the influence of solar radiation and temperature. J. Agric. Sci. Camb. 105: 447-461.

Fischer, R. A. and R. Maurer. 1978. Drought resistance in spring wheat cultivars. I. Grain yield responses. Austr. J. Agric. Res. 29: 897-912.

Hall, A. E. 1992. Breeding for heat tolerance. Plant Breed. Rev. 10: 129-168.

Hall, A. E. 1993. Physiology and breeding for heat tolerance in cowpea, and comparison with other crops. Pp. 271-284, in C. G. Kuo (ed.) Adaptation of Food Crops to Temperature and Water Stress, Publ. No. 93-410, Asian Vegetable Research and Development Center, Shanhua, Taiwan.

Hall, A. E. 2001. Crop Responses to Environment. CRC Press LLC, Boca Raton, Florida.

Hall, A. E. and L. H. Ziska. 2000. Crop breeding strategies for the 21^st century. Pp. 407-423 in K. R. Reddy and H. F. Hodges (eds.) Climate Change and Global Crop Productivity, CABI Publishing, New York, USA.

Hall, A. E., B. B. Singh and J. D. Ehlers. 1997. Cowpea breeding. Plant Breed. Rev. 15: 215-274.

Ismail, A. M. and A. E. Hall. 1998. Positive and negative effects of heat-tolerance genes in cowpea. Crop Sci. 38: 381-390.

Ismail, A. M. and A. E. Hall. 1999. Reproductive-stage heat tolerance, leaf membrane thermostability and plant morphology in cowpea. Crop Sci. 39: 1762-1768.

Ismail, A. M. and A. E. Hall. 2000. Semidwarf and standard-height cowpea responses to row spacing in different environments. Crop Sci. 40: 1618-1623.

Ismail, A. M., A. E. Hall and T. J. Close. 1997. Chilling tolerance during emergence of cowpea associated with a dehydrin and slow electrolyte leakage. Crop Sci. 37: 1270-1277.

Ismail, A. M., A. E. Hall and T. J. Close. 1999. Allelic variation of a dehydrin gene cosegregates with chilling tolerance during seedling emergence. PNAS 96: 13566-13570.

Jefferson, R. A. 1993. Beyond model systems - new strategies, methods and mechanisms for agricultural research. Ann. New York Acad. Sci. 700: 53-73.

Lee, G. J. and E. Vierling. 2000. A small heat shock protein cooperates with heat shock protein 70 systems to reactivate a heat-denatured protein. Plant Physiol.122: 189-197.

Lu, Z., R. G. Pearcy, C. O. Qualset and E. Zeiger. 1998. Stomatal conductance predicts yields in irrigated Pima cotton and bread wheat grown at high temperatures.J. Exp. Bot. 49: 453-460.

Lu, Z., J. W. Radin, E. L. Turcotte, R. Percy and E. Zeiger. 1994. High yields in advanced lines of Pima cotton are associated with higher stomatal conductance, reduced leaf area and lower leaf temperature. Physiol. Plant. 92: 266-272.

Marfo, K. O. and A. E. Hall. 1992. Inheritance of heat tolerance during pod set in cowpea. Crop Sci. 32: 912-918.

Murakami, Y., Tsuyama, M., Kobayashi, Y., Kodama, H. and K. Iba. 2000. Trienoic fatty acids and plant tolerance of high temperature. Science 287: 476-479.

Mutters, R. G. and A. E. Hall. 1992. Reproductive responses of cowpea to high temperature during different night periods. Crop Sci. 32: 202-206.

Mutters, R. G., L. G. R. Ferreira and A. E. Hall. 1989a. Proline content of the anthers and pollen of heat-tolerant and heat-sensitive cowpea subjected to different temperatures. Crop Sci. 29: 1497-1500.

Mutters, R. G., A. E. Hall and P. N. Patel. 1989b. Photoperiod and light quality effects on cowpea floral development at high temperatures. Crop Sci. 29: 1501-1505.

Nielsen, C. L. and A. E. Hall. 1985a. Responses of cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) in the field to high night temperature during flowering. I. Thermal regimes of production regions and field experimental system. Field Crops Res. 10: 167-179.

Nielsen, C. L. and A. E. Hall. 1985b. Responses of cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) in the field to high night temperatures during flowering. II. Plant responses.Field Crop Res.10: 181-196.

Patel, P. N. and A. E. Hall. 1988. Inheritance of heat-induced brown discoloration in seed coats of cowpea. Crop Sci. 28: 929-932.

Reynolds, M. P. and E. E. Ewing. 1989. Effects of high air and soil temperature stress on growth and tuberization in Solanum tuberosum. Annals Bot. 64: 241-247.

Reynolds, M. P., M. Balota, M. I. B. Delgado, I. Amani and R. A. Fischer. 1994. Physiological and morphological traits associated with spring wheat yield under hot, irrigated conditions. Austral. J. Plant Physiol. 21: 717-730.

Saadala, M. M., J. S. Quick and J. F. Shanahan. 1990a. Heat tolerance in winter wheat. II. Membrane thermostability and field performance. Crop Sci. 30: 1248-1252.

Saadala, M. M., J. F. Shanahan and J. S. Quick. 1990b. Heat tolerance in winter wheat. I. Hardening and genetic effects on membrane thermostability. Crop Sci. 30: 1243-1247.

Shanahan, J. F., I. B. Edwards, J. S. Quick and J. R. Fenwick. 1990. Membrane thermostability and heat tolerance of spring wheat. Crop Sci. 30: 247-251.

Shpiler, L. and A. Blum. 1991. Heat tolerance for yield and its components in different wheat cultivars. Euphytica 51: 257-263.

Soman, P. and J. M. Peacock. 1985. A laboratory technique to screen seedling emergence of sorghum and pearl millet at high soil temperature. Expl. Agric. 21: 335-341.

Thiaw, S. 2003. Association between slow leaf-electrolyte-leakage under heat stress and heat tolerance during reproductive development in cowpea. Ph.D. Dissertation, University of California, Riverside.

Thiaw, Samba and Anthony E. Hall. 2004. Comparison of selection for either leaf-electrolyte-leakage or pod set in enhancing heat tolerance and grain yield of cowpea. Field Crops Res.86: 239-253.

Vierling, E. 1991. The roles of heat shock proteins in plants. Ann. Rev. Plant Physiology Plant Mol. Biol. 42: 579-620.

Warrag, M. O. A. and A. E. Hall. 1983. Reproductive responses of cowpea to heat stress: genotypic differences in tolerance to heat at flowering. Crop Sci. 23: 1088-1092.

Warrag, M. O. A. and A. E. Hall. 1984a. Reproductive responses of cowpea [Vigna unguiculata (L.) Walp.] to heat stress. I. Responses to soil and day air temperatures. Field Crops Res. 8: 3-16.

Warrag, M. O. A. and A. E. Hall. 1984b. Reproductive responses of cowpea [Vigna unguiculata (L.) Walp.] to heat stress. II. Responses to night air temperatures.Field Crops Res. 8: 17-33.

Bài đăng mới

Sponsor

Tài nguyên đăng tải

Mục lục

Featured author

admin

Slider[Style1]

Style2

Style3[OneLeft]

Style3[OneRight]

Style4

Style5[ImagesOnly]

Style6

CƠ CHẾ CHỐNG CHỊU MẶN Ở THỰC VẬT

Mitigation of stress by crop management

References

Lúa chống chịu ngập

Video Of Day

Annual review of plant biology

Trend in plant science

Plant physiology

Plant cell

Lịch Việt Nam

Find Us on Facebook

Flicker Images

Số lượt xem

Bài đăng mới

Sponsor

Tài nguyên đăng tải

Mục lục

Featured author

admin

Slider[Style1]

Style2

Style3[OneLeft]

Style3[OneRight]

Style4

Style5[ImagesOnly]

Style6

CƠ CHẾ CHỐNG CHỊU MẶN Ở THỰC VẬT

Mitigation of stress by crop management

References

Lúa chống chịu ngập

Bài đã đăng

Video Of Day

Labels

Annual review of plant biology

Trend in plant science

Plant physiology

Plant cell

Lịch Việt Nam

Find Us on Facebook

Flicker Images

Số lượt xem