Rice Chalky Ring Formation Caused by Temporal Reduction in Starch Biosynthesis during Osmotic Adjustment under Foehn-Induced Dry Wind

• DOI: 10.1371/journal.pone.0110374
• Publication Date: 2014-10-20T22:09:10Z
• Authors: Hiroshi Wada; Chisato Masumoto-...; Yousef Gholipour; Hiroshi Nonami; Fukuyo Tanaka; Rosa Erra-Balsells; Koichi Tsutsumi; Kenzo Hiraoka; Satoshi Morita
• Keywords: 0301 basic medicine; Osmosis; Hot Temperature; Time Factors; Science; Geometry; Organic chemistry; Rice Water Management and Productivity Enhancement; Wind; Plant Science; Nursing; FOS: Health sciences; Horticulture; Agricultural and Biological Sciences; Food science; 03 medical and health sciences; Dietary Fiber and Human Health; Gene Expression Regulation, Plant; Health Sciences; FOS: Mathematics; Photosynthesis; Biology; 2. Zero hunger; Nutrition and Dietetics; Q; R; Botany; Water; Life Sciences; Resistant Starch; Oryza; Starch; Organ Size; Ring (chemistry); Endosperm; Agronomy; Chemistry; Plant Responses to Flooding Stress; Medicine; Reduction (mathematics); Rice; Aerobic Rice Systems; Mathematics; Research Article

Des conditions de vent extrêmement chaudes et sèches de type Foehn (34 °C, >2,5 kPa de déficit de pression de vapeur et 7 ms(-1)) affectent fortement la qualité des grains du riz (Oryza sativa L.). Il s'agit d'une préoccupation actuelle en raison de la fréquence et de l'intensité croissantes du stress combiné lié au déficit de chaleur et d'eau dans le contexte du changement climatique. Les conditions de vent sec induites par Foehn pendant la phase de remplissage des grains augmentent la calcarité en forme d'anneau en raison de la réduction spatio-temporelle de l'accumulation d'amidon dans l'endosperme, mais la croissance des grains est parfois maintenue par ajustement osmotique. Ici, nous évaluons les effets du vent sec sur la formation d'anneaux crayeux dans des chambres de croissance contrôlées par l'environnement. Nos résultats ont montré que les conditions de vent chaud et sec qui ont duré >24 h ont considérablement augmenté la formation d'anneaux crayeux. Les conditions de vent chaud et sec ont temporairement réduit le potentiel d'eau de panicule à -0,65 MPa ; cependant, la croissance des grains a été maintenue par ajustement osmotique à des niveaux de contrôle avec un transport accru des assimilats vers les grains en croissance. L'analyse dynamique des traceurs avec un spectromètre de masse Orbitrap à nano-électrospray-ionisation et une analyse quantitative de la réaction en chaîne de la polymérase ont révélé que la dégradation de l'amidon était négligeable dans le traitement à court terme. On a constaté que l'expression globale des gènes liés à la synthèse de l'amidon était régulée à la baisse à un potentiel hydrique modérément faible. Parce que les événements observés à faible potentiel hydrique ont précédé le tassement des granules d'amidon dans les cellules, nous avons conclu que des taux réduits de biosynthèse de l'amidon jouent un rôle central dans les événements du métabolisme cellulaire qui sont altérés lors de l'ajustement osmotique, ce qui conduit à la formation d'anneaux crayeux dans des conditions de vent chaud et sec à court terme.<br/>تؤثر ظروف الرياح الحارة والجافة الشديدة (34 درجة مئوية، >2.5 كيلو باسكال عجز ضغط البخار، و 7 م ث(-1)) بشدة على جودة الحبوب في الأرز (Oryza sativa L.). هذا مصدر قلق حالي بسبب زيادة تواتر وشدة الإجهاد الناتج عن الحرارة ونقص المياه في ظل تغير المناخ. تزيد ظروف الرياح الجافة التي يسببها Foehn أثناء مرحلة ملء الحبوب من الطباشير على شكل حلقة نتيجة للانخفاض الزماني المكاني في تراكم النشا في السويداء، ولكن يتم الحفاظ على نمو النواة في بعض الأحيان عن طريق التعديل التناضحي. هنا، نقوم بتقييم آثار الرياح الجافة على تكوين الحلقات الطباشيرية في غرف النمو التي يتم التحكم فيها بيئيًا. أظهرت نتائجنا أن ظروف الرياح الحارة والجافة التي استمرت لأكثر من 24 ساعة زادت بشكل كبير من تكوين الحلقة الطباشيرية. قللت ظروف الرياح الحارة والجافة مؤقتًا من إمكانات مياه الذعر إلى -0.65 ميجا باسكال ؛ ومع ذلك، تم الحفاظ على نمو النواة عن طريق التعديل التناضحي عند مستويات التحكم مع زيادة نقل الاستيعاب إلى النوى المتنامية. كشف تحليل التتبع الديناميكي باستخدام مطياف الكتلة Orbitrap ذو الرذاذ الكهربائي النانوي وتحليل تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي أن تحلل النشا كان ضئيلًا في العلاج قصير المدى. وجد أن التعبير العام عن الجينات المرتبطة بتخليق النشا يتم تنظيمه بشكل منخفض عند إمكانات مائية منخفضة إلى حد ما. نظرًا لأن الأحداث التي لوحظت عند انخفاض إمكانات الماء سبقت تعبئة حبيبات النشا في الخلايا، فقد خلصنا إلى أن انخفاض معدلات التخليق الحيوي للنشا يلعب دورًا مركزيًا في أحداث الأيض الخلوي التي يتم تغييرها عند التكيف التناضحي، مما يؤدي إلى تكوين حلقة طباشيرية في ظل ظروف الرياح الحارة والجافة قصيرة الأجل.<br/>Foehn-like extreme hot and dry wind conditions (34°C, >2.5 kPa vapor pressure deficit, and 7 m s(-1)) strongly affect grain quality in rice (Oryza sativa L.). This is a current concern because of the increasing frequency and intensity of combined heat and water-deficit stress under climate change. Foehn-induced dry wind conditions during the grain-filling stage increase ring-shaped chalkiness as a result of spatiotemporal reduction in starch accumulation in the endosperm, but kernel growth is sometimes maintained by osmotic adjustment. Here, we assess the effects of dry wind on chalky ring formation in environmentally controlled growth chambers. Our results showed that hot and dry wind conditions that lasted for >24 h dramatically increased chalky ring formation. Hot and dry wind conditions temporarily reduced panicle water potential to -0.65 MPa; however, kernel growth was maintained by osmotic adjustment at control levels with increased transport of assimilate to the growing kernels. Dynamic tracer analysis with a nano-electrospray-ionization Orbitrap mass spectrometer and quantitative polymerase chain reaction analysis revealed that starch degradation was negligible in the short-term treatment. Overall expression of starch synthesis-related genes was found to be down-regulated at moderately low water potential. Because the events observed at low water potential preceded the packing of starch granules in cells, we concluded that reduced rates of starch biosynthesis play a central role in the events of cellular metabolism that are altered at osmotic adjustment, which leads to chalky ring formation under short-term hot and dry wind conditions.<br/>Las condiciones extremas de viento seco y caliente similares a las de Foehn (34 ° C, déficit de presión de vapor >2,5 kPa y 7 m s(-1)) afectan fuertemente la calidad del grano en el arroz (Oryza sativa L.). Esta es una preocupación actual debido a la creciente frecuencia e intensidad del estrés combinado por el calor y el déficit de agua bajo el cambio climático. Las condiciones de viento seco inducidas por Foehn durante la etapa de llenado de grano aumentan la tiza en forma de anillo como resultado de la reducción espaciotemporal en la acumulación de almidón en el endospermo, pero el crecimiento del grano a veces se mantiene mediante el ajuste osmótico. Aquí, evaluamos los efectos del viento seco en la formación de anillos calcáreos en cámaras de crecimiento ambientalmente controladas. Nuestros resultados mostraron que las condiciones de viento caliente y seco que duraron >24 h aumentaron drásticamente la formación de anillos calcáreos. Las condiciones de viento caliente y seco redujeron temporalmente el potencial de agua de la panícula a -0.65 MPa; sin embargo, el crecimiento del grano se mantuvo mediante el ajuste osmótico a niveles de control con un mayor transporte de asimilado a los granos en crecimiento. El análisis dinámico del trazador con un espectrómetro de masas Orbitrap de ionización por nanoelectropulverización y el análisis cuantitativo de la reacción en cadena de la polimerasa revelaron que la degradación del almidón era insignificante en el tratamiento a corto plazo. Se encontró que la expresión general de los genes relacionados con la síntesis de almidón estaba regulada a la baja a un potencial de agua moderadamente bajo. Debido a que los eventos observados a bajo potencial de agua precedieron al empaquetamiento de los gránulos de almidón en las células, concluimos que las tasas reducidas de biosíntesis de almidón desempeñan un papel central en los eventos del metabolismo celular que se alteran en el ajuste osmótico, lo que conduce a la formación de anillos calcáreos en condiciones de viento caliente y seco a corto plazo.<br/>