Genetics and physiology of cereal roots in response to water and nutrient shortages

• Autorzy: Gorny A.G.

Warianty tytułu

PL

Genetyka i fizjologia korzeni zbóż w reakcji na niedobory wody i składników pokarmowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Although understanding of the morphology, anatomy and physiological functions of roots seems to be central to various fields of cereals biology, the roots still appear to be the hidden plant part. Our knowledge of the genetics of roots is extremely limited. Though the hitherto identified inheritance mode of various root characteristics is complex and slightly detrimental for breeding practice, there remain considerable opportunities in cereals to improve their root systems through selection. However, numerous genetic and physiological aspects of cereal rooting are still controversial and/or need to be answered. Selected morpho-physiological aspects of cereal roots are discussed here, especially in the context of an improved efficiency of water and nutrient use under environmental limitations. Available data suggest that considerable part of the genetic background of cereal roots is regulated by water and/or mineral shortages. Because the common genotype-nutrition and genotype-soil moisture interactions, a laborious handling with roots of plants grown under diverse water and nutrient regimes is necessary for precise evaluation of the rooting capacity. The data evidenced that cereals may exhibit a remarkable genotypie variation in the plasticity of root growth, specifically adjusted to the water and nutrient status of the soil. The genotypie specificity of root responses to environmental limitations have an adaptive value and is of special interest. Possible genotypie differences in effects of water and nutrient shortages on the development, functions and role of the seminal and nodal (adventitious) roots as well as compensative abilities must be considered here. Seminal roots appear to be more suitable for selection. The fascinating studies on the molecular level evidenced that uptake of water and ions and their transportation through root cell membranes are determined genetically. Noteworthy, expression of the mechanisms may be regulated by exogenous factors and is crucial for plant adaptation. Undoubtedly, formation of root hairs is of primary importance here, but how those root structures are controlled is largely unknown in cereals.

PL

Mimo, że znajomość morfologii, anatomii i funkcji fizjologicznych korzeni powinna być podstawową wiedzą dla wielu dziedzin biologii zbóż, ich korzenie ciągle pozostają zbyt tajemniczą częścią roślin. Nasza wiedza o genetyce korzeni jest mocno ograniczona. Chociaż dotychczas opublikowane dane wskazują na niezbyt wygodny dla praktyki hodowlanej i skomplikowany sposób dziedziczenia się cech korzeni, to potencjalne możliwości polepszenia sposobu ukorzeniania się zbóż na drodze selekcji są duże. Jednak wiele genetycznych i fizjologicznych aspektów ukorzeniania się zbóż nadal budzi kontrowersje i/lub wymaga wyjaśnienia. W pracy dyskutowane są przede wszystkim te morfologiczno-fizjologiczne zagadnienia ukorzeniania się zbóż, które wiążą się z możliwością polepszenia efektywności wykorzystania wody i składników pokarmowych w warunkach ich niedoboru. Dostępne dane sugerują, że istotna część podłoża genetycznego korzeni zbóż jest regulowana niedoborem wody i soli mineralnych. Powszechnie obserwowane efekty interakcji genotyp-nawożenie i genotyp-wilgotność gleby wskazują, że pracochłonne badania korzeni roślin rosnących w różnorodnych warunkach nawożenia i nawodnienia są niezbędne dla precyzyjnej oceny sposobu ukorzeniania się genotypów. Dane te dowodzą, że u zbóż istnieją wyraźne różnice genotypowe w plastycznej reakcji korzeni na zmienną zawartość wody i składników pokarmowych w glebie. Ta genotypowa specyficzność w reakcji korzeni na stresy środowiskowe ma wartość adaptacyjną i jest szczególnie istotna. Należy zwrócić uwagę na możliwe tutaj różnice genotypowe we wpływie niedoboru wody i soli mineralnych na rozwój, funkcjonowanie i rolę korzeni pierwotnych i korzeni węzłowych (przybyszowych) oraz na zdolności kompensacyjne roślin. Korzenie pierwotne są przydatniejsze dla selekcji. Wyniki fascynujących badań na poziomie molekularnym dowodzą, że zarówno pobieranie wody i jonów, jak i ich transport przez błony plazmatyczne korzeni są kontrolowane genetycznie. Podkreślić należy, że ekspresja tych mechanizmów może być regulowana przez niektóre czynniki egzogenne, co ma znaczenie adaptacyjne. Wykształcane włośniki korzeniowe odgrywają tutaj pierwszorzędną rolę, ale stosunkowo niewiele wiadomo, jak te istotne struktury korzeniowe są kontrolowane u zbóż.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
• Rocznik: 2004
• Tom: 496
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.35-59,fig.,ref.

Twórcy

autor

Gorny A.G.

• Institute of Plant Genetics, Polish Academy of Sciences, Strzeszynska 34, 60-479 Poznan, Poland

Bibliografia

• Anioł A. 1996. Odporność roślin uprawnych na stres mineralny. Mat. II Kraj. Symp. „Odporność roślin na choroby, szkodniki i niesprzyjające czynniki środowiska". IHAR, Radzików, 11-14 IX 1995: 53-60.
• Baligar V.C., Barber SA. 1979. Genotypie differences of corn for ion uptake. Agronomy J. 71/5: 870-873.
• Baligar V.C., Duncan R.R. 1990. Crops as enhancers of nutrient use. Academic Press Inc., San Diego, CA: 540 pp.
• Caradus J.R. 1979. Selection for root hairs length in white clover. Euphytica 28: 489-494.
• Chloupek O., Rod J. 1992. The root system as a selection criterion. Plant Breeding Abstr. 62(12): 1337-1341.
• Cho H-T., Cosgrove DJ. 2002. Regulation of root hair initiation and expansin gene expression in Arabidopsis. Plant Cell 14: 3237-3253.
• Chrispeels M J., Crawford N.M., Schroeder J.I. 1999. Proteins for transport of water and minerals across membranes of plant cells. The Plant Cell 11: 661-675.
• Ciepły J., Oracka Т., Kozdój J. 1999. The possibility of breeding cereals with improved efficiency of mineral nutrients utilization. Biul. IHAR 211: 13-22.
• Czembor HJ. 1989. Stan i perspektywy hodowli roślin w Polsce. Biuletyn IHAR 171/172: 5-14.
• Czempiński K., Gaedeke N., Zimmermann S., Mueller-Roeber B. 1999. Molecular mechanisms and regulation of plant ion channels. J. Exp. Bot. 50: 955-966.
• Dambroth М., El Bassam N. 1983. Low input varieties: definition, ecological requirements and selection. Plant and Soil 72: 365-377.
• Donald C.M. 1968. The breeding of crop ideotypes. Euphytica 17: 385-403.
• Drew M.C. 1975. Comparison of the effects of a localised supply of phosphate, nitrate, ammonium and potassium on the growth of seminal root system and the shoot in barley. New Phytol. 75: 479-490.
• Forde B.G., Clarkson D.T. 1999. Nitrate and ammonium nutrition in plants: physiological and molecular perspectives. Adv. Plant Pathology 30: 1-90.
• Fotyma E. 1996. Zastosowanie metody N min do oceny środowiskowych skutków nawożenia azotem. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 440: 89-100.
• Fotyma E. 2000. Wykorzystanie glebowych i roślinnych testów do określania potrzeb nawożenia azotem w warunkach zrównoważonego rolnictwa. Pam. Puławski 120/1: 81-89.
• Fox T.C., Guerinot M.L. 1998. Molecular biology of cation transport in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49: 669-696.
• Frank A.B., Bauer A., Black A.L. 1987. Effects of air temperature and water stress on apex development in spring wheat. Crop Sci. 27; 113-116.
• Gahoonia T.S., Care D., Nielsen N.E. 1997. Root hairs and acquisition of phosphorus by wheat and barley cultivars. Plant and Soil 178: 223-230.
• Gahoonia T.S. Nielsen N.E. 1997. Variation in root hairs of barley cultivars doubled soil phosphorus uptake. Euphytica 98: 177-182.
• Gamzikova O.I., Kalashnik N.A. 1988. Genetics of wheat characters in dependence upon nutrition levels (in Rus.), Novosibirsk, Izdatelstvo Nauka: 129 pp.
• Gilroy S., Jones D.L. 2000. Through form to function: root hair development and nutrient uptake. Trends in Plant Science 5: 56-60.
• Gliemeroth G. 1957. Untersuchungen ueber Ausbildung und Leistung, der Keim-und Kronenwurzeln bei Sommergetreide. Z. Acker- und Pflanzenbau 103: 1-21.
• Górny A.G. 1992. Genetic variation of the root system in spring barley and oat. Series: Treatises and Monographs 1, IGR PAN (ed.): 90 pp.
• Górny A.G. 1995a. Direct effects of cyclic selection for longer seminal roots in spring barley (Hordeum vulgare L.). J. Applied Genetics 36(1): 17-26.
• Górny A.G. 1995b. Cechy korzeni w hodowli roślin o obniżonych wymaganiach pokarmowych. Post. Nauk RoL. 1: 67-91.
• Górny A.G. 1996. Evaluation of response to limited water, nitrogen and phosphorus supply in spring barley genotypes selected for vigorous seminal roots. J. Applied Genetics 37(1): 11-27.
• Górny A.G. 2000. The influence of nutrient shortage on the expression of combining ability effects for root characters in spring barley (Hordeum vulgare L.). J. Applied Genetics 41(2): 63-73.
• Górny A.G. 2003. Genetics of cereal nutrition (in Polish). Annu. Res. Reports of the Institute of Plant Genetics PAS, Poznań, Dec.: 1-6.
• Górny A.G., Patyna Н. 1992. System korzeniowy pszenicy w badaniach genetyczno- hodowlanych. Hodowla Zbóż. I. Hodowla Pszenicy, Z. Probl. IHAR, Radzików: 41-53.
• Górny A.G., Patyna H. 1993. Differences in root and shoot response to limited N- supply in oat and spring barley. J. Agronomy and Crop Sci. 171: 161-167.
• Górny A.G., Szołkowska A. 1996. Effects of selection for more vigorous seminal roots in two cross populations of oat (Avena sativa L.). J. Appl. Genet. 37: 331-344.
• Grierson C.S., Parker J.S., Kemp A.C. 2001. Arabidopsis genes with roles in root hair development. J. Plant Nutr. Soil Sci. 164: 131-140.
• Grzesiak S. 2001. Genotypie variation between maize (Zea mays L.) single cross hybrids in response to drought stress. Acta Physiol. Plantarum 23(4): 437-451.
• Grzesiak S. 2002. Effect of drought stress on growth of seedlings roots of four crop species. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 481: 165-174.
• Grzesiak S., Hura Т., Grzesiak M.T., Pieńkowski S. 1999. The impact of limited soil moisture and waterlogging stress conditions on morphological and anatomical root traits in maize (Zea mays L.) hybrids of different drought tolerance. Acta Physiol. Plantarum 21(3): 305-315.
• Hackett C. 1968. A study of the root system in barley. I. Effects of nutrition on two varieties. New Phytol. 67: 287-299.
• Hamblin A., Tennant D. 1987. Root length density and crop water uptake. Austr. J. Agric. Res. 38: 513-527.
• Heen A. 1980. Root development and water use in some Norwegian barley, wheat and oat varieties. Meld. Norges Landbr. 59(17): 1-11.
• Hurd E.A. 1964. Root study of three wheat varieties and their resistance to drought and damage by soil cracking. Can. J. Plant Sci. 44: 240-248.
• Hurd E.A. 1974. Phenotype and drought tolerance in wheat. Agric. Meteorol. 14: 39-55.
• Jungk A. 2001. Root hairs and acquisition of plant nutrients from soil. J. Plant Nutr. Soil Sci. 164: 121-129.
• Jungk A., Asher С J., Edwards D.G., Meyer D. 1990. Influence of phosphate status on phosphate uptake kinetics of maize and soybean. Plant and Soil 124: 175-182.
• Krzymuski J., Laudański Z. 1997. Postęp biologiczny i technologiczny a plony zbóż. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 439: 11-18.
• Larsson S., Górny A.G. 1988. Grain yield and drought resistance indices of oat cultivates in field rain shelter and laboratory experiments. J. Agronomy and Crop Sci. 161: 277-286.
• Lejay L., Gansel X., Cerezo M., Tillard P., Mueller C., Krapp A., Von Wiren N., Daniel-Vedele F., Gojon A. 2003. Regulation of root ion transporters by photosynthesis: functional importance and relation with hexokinase. The Plant Cell 15: 2218-2232.
• Ma Z., Bielenberg G., Brown K.M., Lynch J.P. 2001. Regulation of root hair density by phosphorus availability in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell and Environment 24: 459-467.
• Mac Key J. 1966. The wheat plant as a model in adaptation to high productivity in different environments. Proc. 5th Yugosl. Symp. „Research on wheat", 6 VII 1966, Novi Sad, Contemp. Agric. 14: 37-48.
• Mac Key J. 1973. The wheat root. Proc. 4th Int. Wheat Genet. Symp., Missouri Agric. Exp. Sta., Columbia: 827-842.
• Mac Key J. 1979. Wheat domestication as a shoot.root interrelation process. Proc. 5th Int. Wheat Genet. Symp. New Delhi, 12-14 I 1978, Indian Soc. Genet. Plant Breed. 2: 875-890.
• Mac Key J. 1982. Shoot, root and shoot.root interrelations in cereals and the ideotype concept. Proc. Int. Symp. „New genetical approaches to crop improvement". Karachi, Pakistan, 6-10 II 1982: 1-21.
• Malepszy S. 1992. Kierunki w genetyce i hodowli roślin, których realizacja powinna sprzyjać rozwojowi nowoczesnej produkcji rolnej. Post. Nauk Rol. 3: 15-19.
• Manske G.G.B., Vlek P.L.G. 2002. Root architecture - wheat as a model plant, in: Plant roots: the hidden part. Waisel Y. et al. (eds.), Marcel Dekker Inc., 3rd edition: 249-259.
• Mass E.V., Grieve С.М. 1990. Spike and leaf development in salt-stressed wheat. Crop Sci. 30: 1309-1313.
• Nielsen N.E., Schjorring J.K. 1983. Efficiency and kinetics of phosphorus uptake from soil by various barley genotypes. Plant and Soil 72: 225-230.
• Okruszko H. 1992. Rozwój rolnictwa a uwarunkowania ekologiczne. Post. Nauk Rol. 5/6: 9-16.
• O'Toole J.C., Bland W.L. 1987. Genetic variation in crop plant root systems. Adv. Agron. 41: 91-145.
• Pavlychenko T. 1937. Quantitative study of the entire root systems of weed and crop plants under field conditions. Ecology 18: 62-79.
• Raghothama K.G. 1999. Phosphate acquisition. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 50: 665-693.
• Ringli C., Baumberger N., Diet A., Frey В., Keller В. 2002. ACTIN2 is essential for bulge site selection and tip growth during root air development of Arabidopsis. Plant Physiology 129: 1464-1472.
• Robinson D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New Phytol. 127: 635-674.
• Sattelmacher В., Gerendas J., Thoms K., Bruck H., Bagdady N.H. 1993. Interaction between root growth and mineral nutrition. Environ. Exp. Botany 33: 63-73.
• Schachtman D.P. 2000. Molecular insights into the structure and function of plant K+ transport mechanisms. Bioehimiea et Biophysica Acta 1465: 127-139.
• Schiefelbein J.W. 2000. Constructing a plant cell. The genetic control of root hair development. Plant Physiology 124: 1525-1531.
• Schmidhalter U., Evequoz M., Camp K-H., Studer C. 1998. Sequence of drought response in maize seedlings in drying soil. Physiologia Plantarum 104: 159-168.
• Smith F.W. 2002. The phosphate uptake mechanism. Plant and Soil 245: 105-114.
• Sprich E. 1987. Genetische Variabilität der Nährstoffeffizienz bei Getreiden. Diss. Uni-Hohenhaim, Stuttgart: 110 pp.
• Szarejko I., Kwaśniewski М., Janiak A., Nawrot M., Karcz J., Chmielewska В., Małuszyński M. 2003. Mutational analysis of root hair development in Hordeum vulgare L. Proc. Int. Symp. „In the wake of double Helix. From the green revolution to the gen revolution". Bologna, 15 V 2003, Abst.: 109.
• Szymańska L. 1979. Formirovanije kolosa i kornevyh sistem u razlichnyh po produktivnosti sortov ozimoj psenicy. Proc. Int. Conf. „Physiological and biochemical bases of breeding for productivity". Radzików, 11 IV 1979: 76-79.
• Szymańska L. 1980. Wczesna ocena intensywności pszenicy na podstawie reakcji korzeni zarodkowych na azot. Hodowla Rośl. Aklim. Nas. 24/3: 203-210.
• Tester M., Leigh RA. 2001. Partitioning of nutrient transport processes in roots. I. Exp. Bot. 52: 445-457.
• Von Wiren N., Gazzarini S., Frommer W.B. 1997. Regulation of mineral uptake in plants. Plant and Soil 196: 191-199.
• Waisel Y., Eshel A., Kafkafi U. 1991. Plant roots: The hidden half. Marcel Dekker Inc., N. York, 1st edition: 948 pp.
• Wen T-J., Schnable P.S. 1994. Analyses of mutants of three genes that influence root hair development in Zea mays suggest that root hairs are dispensable. American J. Botany 81(7): 833-842.
• Zhang Н., Jennings A., Barlow P.W., Forde B.G. 1999. Dual pathways for regulation of root branching by nitrate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 6529-6534.