Biopolymer is a versatile material used in food processing, medicine, construction, and soil reinforcement. 𝛽-glucan is one of the biopolymers that improves the soil water content and ion adsorption in a drought or toxic metal contaminated land for plant survival. We analyzed drought stress damage reduction in sweet potatoes (Ipomoea batatas L. cv. Sodammi) by measuring the growth and major protein expression and activity under 𝛽-glucan soil amendment. The result showed that sweet potato leaf length and width were not affected by drought stress for 14 days, but sweet potatoes grown in 𝛽-glucan-amended soil showed an effect in preventing wilting caused by drought in phenotypic changes. Under drought stress, sweet potato leaves did not show any changes in electrolyte leakage, but the relative water content was higher in sweet potatoes grown in 𝛽-glucan-amended soil than in normal soil. 𝛽-glucan soil amendment increased the expression of plasma membrane (PM) H+-ATPase, but it decreased the aquaporin PIP2 (plasma membrane intrinsic protein 2) in sweet potatoes under drought stress. Moreover, water maintenance affected the PM H+-ATPase activity, which contributed to tolerance under drought stress. These results indicate that 𝛽-glucan soil amendment improves the soil water content during drought and affects the water supply in sweet potatoes. Consequently, 𝛽-glucan is a potential material for maintaining soil water contents, and analysis of the major PM proteins is one of the indicators for evaluating the biopolymer effect on plant survival under drought stress.
The back-filled soil of the New Incheon International Airport construction site was reclaimed with sea sand in near the Young-Jong island. The primary study was carried out from August 1993 to June 1997 to study soil amendment and to select salt resistance turfgrass species. This study dealt with low maintenance area that included most part of open space of airport site. The second experiment, from October 1996 to August 1998, focused on soil amendment and selection of turfgrass species for alongside runway where turf area was maintained. Through two previous studies, propagation methods with zoysiagrass were tested for alongside runway and surrounding areas at 1998. The study of construction methods with zoysiagrass, vegetative propagation showed better results on visual quality and cover rating compare with seeding propagation. However, significant different between vegetative and seeding propagation was not showed on visual quality and drought tolerance after one year of plot establishment. The cover rating by seeding construction methods reached in excess of 70% of limitation suggested by the Incheon International Airport Cooperation. Zoysia net and sprigging net methods were the most suitable where there requires rapid and high rate of ground cover. Seeding propagation should be acceptable to obtain a resonable cover rating where there allows relatively longer period of completion. Therefore, it should be possible to attain a proper rating of ground cover on the site of open space, alongside runway or areas similar to the New Incheon International Airport which is being built on dredged seashore sand. However, the methods of soil amendment, selecting salt tolerance species, and proper construction procedure should be considered at the a time.
Leaf water and osmotic potential, chlorophyll content, photosynthetic rate, and electrolyte leakage were measured to evaluate tolerance to water stress in wild-type (WT) and transgenic tobacco plants (TR) expressing copper/zink superoxide dismutase (CuZnSOD) and ascorbate peroxidase (APX) in chloroplasts. Leaf water potential of both WT and TR plants decreased similarly under water stress condition. However, leaf osmotic potential of TR plants more negatively decreased in the process of dehydration, compared with WT plants, suggesting osmotic adjustment. Stomatal conductance (Gs) in WT plants markedly decreased from the Day 4 after withholding water, while that in TR plants retained relatively high values. Relatively low chlorophyll content and photosynthetic rate under water stress were shown in WT plants since $4^{th}$ day after treatment. In particular, damage indicated by electrolyte leakage during water stress was higher in WT plants than in TR plants. On the other hand, SOD and APX activity was remarkably higher in TR plants. These results indicate that transgenic tobacco plants expressing copper/zink superoxide dismutase (CuZnSOD) and ascorbate peroxidase (APX) in chloroplasts improve tolerance to water stress.
Zhang, Ning;Si, Huai-Jun;Wen, Gang;Du, Hong-Hui;Liu, Bai-Lin;Wang, Di
Plant Biotechnology Reports
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v.5
no.1
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pp.71-77
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2011
Drought and salinity are the most important abiotic stresses that affect the normal growth and development of plants. Glycine betaine is one of the most important osmolytes present in higher plants that enable them to cope with environmental stresses through osmotic adjustment. In this study, a betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) gene from spinach under the control of the stress-induced promoter rd29A from Arabidopsis thaliana was introduced into potato cultivar Gannongshu 2 by the Agrobacterium tumefaciens system. Putative transgenic plants were confirmed by Southern blot analysis. Northern hybridization analysis demonstrated that expression of BADH gene was induced by drought and NaCl stress in the transgenic potato plants. The BADH activity in the transgenic potato plants was between 10.8 and 11.7 U. There was a negative relationship (y = -2.2083x + 43.329, r = 0.9495) between BADH activity and the relative electrical conductivity of the transgenic potato plant leaves. Plant height increased by 0.4-0.9 cm and fresh weight per plant increased by 17-29% for the transgenic potato plants under NaCl and polyethylene glycol stresses compared with the control potato plants. These results indicated that the ability of transgenic plants to tolerate drought and salt was increased when their BADH activity was increased.
Anatomy of Pinus koraiensis needles and Ginkgo biloba leaves was investigated after exposure to simulated acid rain, drought and salt solution. All of the stresses applied to the needle of Pinus koraiensis caused collapse of mesophyll tissues; epidermis was collapsed due to acid rain, severe compress and transformation of epidermis, mesophyll, and endodermis to drought, and collapse of phloem and transfusion tissue to salt solution. Spongy mesophyll tissues, however, collapsed in the leaves of Ginkgo biloba; epidermis and palisade tissues collapsed due to acid rain, compress and transformation of spongy mesophyll tissues to drought, and hypertrophy and collapse of endodermis and transfusion tissues to salt solution.
Deep rooting, which enables plants to extract water from greater soil depths, is a critical strategy for improving plant survival under water-deficient conditions. However, as it is difficult to observe intact root systems belowground, several techniques have been developed to screen deep- and shallow-rooting phenotypes in rice. Here, we introduce a simple and convenient method for deep- and shallow-rooting phenotyping using a unique combination of sand, soil, and plastic mesh netting. Vandana, a drought-tolerant rice variety, and Dongjin, a Korean japonica rice variety, were used to analyze root phenotypes. No significant differences in root length were observed in rice grown under irrigated conditions regardless of net position, whereas roots were significantly longer, and ratio of deep root (RDR) values were significantly higher in Vandana rice grown under semi-drought conditions. In summary, this simple and useful method represents a low-cost means of phenotyping the roots of rice and other crops grown in various-sized pots and at multiple plant growth stages.
We carried out to study the function of ArgE in transgenic rice plants, which were confirmed by PCR analysis and hygromycin selection. Transgenic rice plants were with selectable marker gene(HPT) inserted in genome of the rice. Southern analysis with hpt probe confirmed by two restriction enzymes that copy numbers of the selectable gene was introduced into the plant genome. We displayed that the relationship between drought stress and ArgE gene with the overexpressing rice plants. From this result, we observed that the degree of leaves damage has no difference in control and transgenic lines. The total RNAs were extracted from 6 weeks-seedling in normal condition in order to examine their expression levels with ArgE-overexpressed transgenic rice. In particular, expression patterns of genes encoding enzymes involved in abiotic stress, including drought and salt stresses. OsGF14a and OsSalt were investigated by reverse transcription-PCR(RT-PCR). Expression levels of the OsSalt gene decreased significantly in transgenic rice plants compared to control plant. However, ion leakage measurement did not demonstrate any leaves damage change between control and ArgE transgenic plants exposure to mannitol treatment. These results suggest that expression of the ArgE is not involved in tolerance for drought stress in rice but may playa role of signaling networks for salt-induced genes.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.147-147
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2017
Rice is one of the major staple food in Asia, covering around half of the world population. More than 40% of rice cultivation area are subject to abiotic stresses such as drought, submergence and phosphate deficiency. Pyramiding useful genes into elite variety is a promising strategy to develop tolerance varieties to multiple abiotic stresses. However, some genes are not functionally compatible when they are introgressed into the same elite variety. Here, we tested the functional compatibility of Sub1 and Pup1, major QTLs for tolerance to submergence and phosphate (P)-deficiency conditions, respectively. Phenotypic analysis revealed that IR64-Sub1 Pup1(SP1) plants harboring both Sub1 and Pup1 QTLs showed significant tolerance to submerged conditions, similarly in IR64-Sub1 (Sub1) plant, while SP1 plants failed to tolerate to P-deficiency conditions; only IR64-Pup1 (Pup1) showed strong P-deficiency tolerance phenotype. In submerged conditions, the expression levels of Sub1A and PSTOL1, major genes for Sub1 and Pup1 QTLs, respectively, were not significantly different in between Pup1 and SP1 plants. On the other hand, the expression of both Sup1A and PSTOL1 was significantly downregulated in P-deficiency conditions, suggesting that Sub1 and Pup1 repressed gene expression each other in P-deficiency conditions. These results suggest Pup1 does not compromise the Sub1 function in submerged conditions while Sub1 suppresses the function of Pup1 in (P)-deficient condition, possibly by regulating transcript level of Pup1. In conclusion, Sub1 and Pup1 are functionally compatible in terms of submergence tolerance but not in P-deficiency conditions. Further analysis need to be performed to elucidate how Sup1 suppresses the function of Pup1 in P-deficiency conditions.
Recently, global warming and drastic climate change are the greatest threat to the world. The climate change can affect plant productivity by reducing plant adaptation to diverse environments including frequent high temperature; worsen drought condition and increased pathogen transmission and infection. Plants have to survive in this condition with a variety of biotic (pathogen/pest attack) and abiotic stress (salt, high/low temperature, drought). Plants can interact with beneficial microbes including plant growth-promoting rhizobacteria, which help plant mitigate biotic and abiotic stress. This overview presents that rhizobacteria plays an important role in induced systemic resistance (ISR) to biotic stress or induced systemic tolerance (IST) to abiotic stress condition; bacterial determinants related to ISR and/or IST. In addition, we describe effects of rhizobacteria on defense/tolerance related signal pathway in plants. We also review recent information including plant resistance or tolerance against multiple stresses ($biotic{\times}abiotic$). We desire that this review contribute to expand understanding and knowledge on the microbial application in a constantly varying agroecosystem, and suggest beneficial microbes as one of alternative environment-friendly application to alleviate multiple stresses.
Kim, Dayeon;Lee, Sang-Yeob;Kim, Jung-Jun;Han, Ji-Hee
Korean Journal of Organic Agriculture
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v.24
no.4
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pp.833-847
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2016
Drought stress is a major agricultural limitation to crop productivity worldwide, especially by which leafy vegetables, plant leaves eaten as vegetable, could be more lethal. The study was carried out to know the effect of drought tolerance plant growth promoting bacteria (PGPB) on water stress of kale seedlings. A total of 146 morphologically distinct bacterial colonies were isolated from bulk soil and rhizosphere soil of leafy vegetables and screened for plant growth promoting microbioassay in greenhouse. Out of them the isolate SB19 significantly promoted the growth of kale seedlings in increasement of about 42% of plant height (14.1 cm), 148% of leaf area ($19.0cm^2$) and 138% of shoot fresh weight (1662.5 mg) attained by the bacterially treated plants compared to distilled water treated control (9.9 cm, $7.7cm^2$, 698.8 mg). Shoot water content of SB19 treated kale seedlings (1393.8 mg) was also increased about 152% compared with control (552.5 mg). The SB19 isolated from bulk soil of kale plant in Iksan, Korea, was identified as species of Bacillus based on 16S rRNA gene sequencing analysis. We evaluated the effect of drought tolerance by the Bacillus sp. SB19 on kale seedlings at 7th and 14th days following the onset of the water stress and watering was only at 7th day in the middle of test. In the survey of 7th and 14th day, there were mitigation effect of drought stress in kale seedlings treated with $10^6$ and $10^7cell\;mL^{-1}$ of SB19 compared to distilled water treated control. Especially, there were more effective mitigation of drought damage in kale seedlings treated with $10^7cell\;mL^{-1}$ than $10^6cell\;mL^{-1}$. Further, although drought injury of bacterially treated kale seedlings were not improved at 14th day compared with 7th day, drought injury of $10^7cell\;mL^{-1}$ of SB19 treated kale seedlings were not happen rapidly but developed over a longer period of time than $10^6cell\;mL^{-1}$ of SB19 or control. The diffidence of results might be caused by the concentration of bacterial suspension. This study suggests that beneficial plant-microbe interaction could be a important role of enhancement of water availability and also provide a good method for improving quality of leafy vegetables under water stress conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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