Kim, Woo-Jae;Bui, Liem T.;Chun, Jae-Buhm;McClung, Anna M.;Barnaby, Jinyoung Y.
Plant Breeding and Biotechnology
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v.6
no.4
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pp.381-390
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2018
Percentage of aerenchyma area has been closely linked with amounts of methane emitted by rice. A diversity panel of 39 global rice varieties were examined to determine genetic variation for root transverse section (RTS), aerenchyma area, and % aerenchyma. RTS and aerenchyma area showed a strong positive correlation while there existed no significant correlation between RTS area and % aerenchyma. Five varieties previously shown to differ in methane emissions under field conditions were found to encompass the variation found in the diversity panel for RTS and aerenchyma area. These five varieties were evaluated in a greenhouse study to determine the relationship of RTS, aerenchyma area, and % aerenchyma with methane emissions. Methane emissions at physiological maturity were the highest for 'Rondo', followed by 'Jupiter', while 'Sabine', 'Francis' and 'CLXL745' emitted the least. The same varietal rank, 'Rondo' being the largest and 'CLXL745' the smallest, was observed with RTS and aerenchyma areas. RTS and aerenchyma area were significantly correlated with methane emissions, r = 0.61 and r = 0.57, respectively (P < 0.001); however, there was no relationship with % aerenchyma. Our results demonstrated that varieties with a larger root area also developed a larger aerenchyma area, which serves as a gas conduit, and as a result, methane emissions were increased. This study suggests that root transverse section area could be used as a means of selecting germplasm with reduced $CH_4$ emissions.
Aerenchyma development in rice (Oryza sativa L.) roots is quite important for adaptation to waterlogged or reduced soil conditions. Anatomical observations were carried out to clarify the development of schizogenous and lysigenous aerenchyma in elongating crown roots of rice. The crown roots of 3rd and 4th phytomer were taken from rice plants of the 8th leaf stage grown by hydroponic culture. The schizogenous intercellular spaces in the cortex of crown root tip were observed using a light microscope with semi ultra-thin sections and the lysigenous aerenchyma in mature tissue of crown root were observed using a cryo scanning electron microscope (cryo-SEM) with freezing fracture method. The schizogenous intercellular spaces in the root tip exist obviously in the middle portion of cortical cell layers close to the root-root cap junction, but not in root cap, stele and outer cell layers of cortex. The air spaces were formed at the junction of four neighbouring cells of inner cortex in the transverse sections, and between longitudinal cell layer connected along the root axis. Although many of those spaces were filled with liquid, some spaces seem to exist as air spaces. The lysigenous aerenchyma in the cortex, which hardly filled with liquid, emerged at 3-4 cm segment from the root tip and increased toward the basal region of root axis. The developing process of lysigenous aerenchyma was primarily separation of a radial row of cells caused by the shrinking and collapsing of cortical cells and then formation of septa along the radial cell rows by the fusion of cell wall with each other. These results suggest that the schizogenous and lysigenous aerenchyma playa role as a passage for the movement of oxygen into the root tip region where oxygen is required for respiration.
We have investigated the effects of the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC), indole-3-acetic acid (IAA) and methyl jasmonate (MeJA) on the development of aerenchyma in the primary root of maize (Zea mays). Because plant hormones affected the longitudinal organization of the primary root, we need an indicator to direct the positions for comparison between control and hormone-treated roots. Therefore, the zones of the maize primary root were categorized as PR25, PR50 and PR75, where each value indicates the relative position between the root tip (PR0) and the base (PR100). Aerenchyma was not observed at PR25 and PR50 and rarely found at PR75 in the cortex of control roots. The aerenchymal area at PR75 increased in the presence of the ethylene precursor ACC or a natural auxin IAA. On the other hand, MeJA differentially acted on non-submerged and submerged roots. Exogenously applied MeJA suppressed the aerenchyma formation in non-submerged roots. When the primary root was submerged, aerenchymal area expanded prominently. The submergence-induced aerenchyma formation was amplified with MeJA. Lateral root primordia have been known to inhibit aerenchymal death of surrounding cells. All the three hormones stimulating aerenchyma formation as described above did not restore the inhibition caused by lateral root primordia, suggesting that the inhibitory step regulated by lateral root primordia can be located after hormonal signaling steps.
This study was carried out to investigate ontogeny of stomata and aerenchyma tissue in Trapa natans L. var. bispinosa Makino, an aquatic plant. Ontogeny of stomata in this plant was an aperigenous type surrounding with 5 to 8 epidermal cells without subsidiary cells. Stomata were distributed abundantly on the upper surface of leaf, however, no stoma was found on the lower surface of leaf, and on the epidermis of reproductive organ, petiole and stem. Ontogency of aerenchyma tissue was progressed with five steps; 1) formation of angular cells by division of cortex cells, 2) development of small and large globular cells in accompany with schizogenous intercellular space, 3) enlargement of globular cells and more expansion of intercellular space, 4) cell induction of long elliptic and triarmed shape, 5) completion of the largest intercellular space from endodermis toepidermis. During the growth period two types of leaf were appeared at each node of stems; one type was a submerged and early-fallen leaf, the other was a floating leaf on water surface.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.328-328
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2017
Drought is a major limiting factor that reduces rice production and occurs often especially under recent climate change. Plants have the ability to alter their developmental morphology in response to changing environment, which is known as phenotypic plasticity. In our previous studies, we found that one chromosome segment substitution line (CSSL50 derived from Nipponbare and Kasalath crosses) showed no differences in shoot and root growth as compared with the recurrent genotype, Nipponbare under non-stress condition but showed greater growth responses compared with Nipponbare under mild drought stress condition. We hypothesized that reducing root respiration as metabolic cost, which may be largely a consequence of aerenchyma formation would be one of the key mechanisms for root plasticity expression. This study aimed to evaluate the root respiration and aerenchyma formation under various soil moisture conditions among genotypes with different root plasticity. CSSL50 together with Nipponbare and Kasalath were grown under waterlogged conditions (Control) and mild drought stress conditions (20% of soil moisture content) in a plastic pot ($11cm{\times}14cm$, ${\varphi}{\times}H$) and PVC tube ($3cm{\times}30cm$, ${\varphi}{\times}H$). Root respiration rate was measured with infrared gas analyzer (IRGA, GMP343, Vaisala, Finland) with a closed static chamber system. There was no significant difference between genotypes in control for shoot and root growth as well as root respiration rate. In contrast, all the genotypes increased their root respiration rates in response to mild drought stress. However, CSSL50 showed lower root respiration rate than Nipponbare, which was associated by higher root aerenchyma formation that was estimated based on internal gas space (porosity) under mild drought stress conditions. Furthermore, there were significant negative correlations between root length and root respiration rate. These results imply that reducing the metabolic cost (= root respiration rate) is a key mechanism for root plasticity expression, which CSSL50 showed under mild drought.
Effects of different water potential on the growth and aerenchyma development of Adlay(Coix lacryma-jobi L. var. mayuen) were studied under every 3 days intermittent irrigation as a control at different growth stages, flooded pot condition and drought. Adlay could not germinate in the anaerobic soil conditions with excessive moisture while it wasn't inflicted with moisture damage after sprouting. Sprouted adlay can grow under flooded soil moisture condition because it's root has orthostichy cell, ventilating structure and cortex. Proping or ventilating roots were generated from adlay grown under flooded pots. Drought damage inflicted at the heading stage was the most severe.
Hydrophytes such as Spirodela polyrhiza form dormant turions to withstand cold winters. The turion is an anatomically distinct structure from which a vegetative frond arises later during germination. The turions sink to the bottom of the pond when temperatures drop and remain there throughout the winter. In the spring, they float to the surface and germinate into a new frond from the turion primordium. Unlike fronds, turions are known to possess small aerenchyma, starch grains, and relatively dense cytoplasm. These features allow the turions to survive the cold winter season at the bottom of the pond. Spirodela polyrhiza has been investigated previously to a great extent, especially in its physiological, biochemical and ecological attributes. However, a little is known about the structural features of the frond and turion during turion development. Thus, the aim of the present study was to reveal the structural characteristics of the frond and turion with regard to tissue differentiation, aerenchyma development, starch distribution, and ultrastructure, with the use of electron microscopy. A moderate degree of mesophyll tissue differentiation was found in the frond, whereas the turion did not exhibit such differentiation. Within the frond tissue, approximately $37{\sim}45%$ of the cellular volume was occupied by a large aerenchyma, but only $9{\sim}15%$ was taken up by the aerenchyma in the turion. The turion cells, especially those of the turion primordium, were derived from frond cells, and contained cytoplasm. Their cytoplasm was densely packed with plastids, mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi bodies, and microtubules. Plasmodesmata were also well developed within these cells. The most striking feature observed was the distribution of starch grains within the plastids of turion cells. Before the turion sank to the bottom of the pond, a considerable amount of starch accumulated in the plastid stroma. The starch grains dissolved when temperatures rose in the spring, and this promptly provided the nutrients which the primordium needed for turion germination. The turion therefore, was an appropriate dormant structure for free-floating, reduced hydrophytes like Spirodela polyhriza due to its small aerenchyma and large starch grains that aided in the purpose of sinking below the surface of the water to survive cold winters. The new fronds that arose from such turions grew rapidly in the spring, beginning the new life cycle.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.281-281
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2017
Recently, global warming by greenhouse gas effect is getting danger and danger for human life and agriculture at present. In Indonesia, according to heavy rain in the agriculture land is often covered by excess water in result crop growth would be affected negative. This water stress triggers roots failure in anaerobic condition for upland crop because of limiting roots respiration. Chili pepper grows in upland sometimes in touch with waterlogging due to rainfall and /or over flow water from river in Indonesia. In this case, roots growing is inhibited by effect of shortage of oxygen at root cap. Therefore, the objective of this study is to observe the plant behavior in waterlogging using mahor local genotypes (Ferosa, Laris, Romario) in Sumatra. The experiment was kept by at 1cm depth water above the soil surface as a waterlogged treatment for ---days. As a result, waterlogging affected plant growth of chili negatively, especially for roots growth. Almost roots were getting bad and changed color for brown during waterlogging. A significant negative effect for nutrient absorption by roots was found in dry weight of all varieties during waterlogging. Dry weight of roots was decreased by 81.4% and 67.6%, and those of aerial part decreased by 74% and 67.2% compared with control in Ferosa and Romario at 1week after treatment. On the other hand, dry weight of roots was decreased only 35% in Laris. Therefore, Laris has a tolerance for waterlogging compared to with other varieties. Also, Laris in SPAD value was kept initial level during waterlogging however those of Ferosa and Romario decreased. Finally, due to impact of waterlogging, it may be the roots become failure because of less aerenchyma formation under anaerobic condition. We need confirm aerenchyma formation morphologically in the future.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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