Within their natural habitat, crops are often subjected to drought and heat stress, which suppress crop growth and decrease crop production. Causing overaccumulation of glycinebetaine (GB) has been used to enhance the crop yield under stress. Here, we investigated the response of wheat (Triticum aestivum L.) photosynthesis to drought, heat stress and their combination with a transgenic wheat line (T6) overaccumulating GB and its wild-type (WT) Shi4185. Drought stress (DS) was imposed by controlling irrigation until the relative water content (RWC) of the flag leaves decreased to between 78 and 82%. Heat stress (HS) was applied by exposing wheat plants to $40^{\circ}C$ for 4 h. A combination of drought and heat stress was applied by subjecting the drought-stressed plants to a heat stress as above. The results indicated that all stresses decreased photosynthesis, but the combination of drought and heat stress exacerbated the negative effects on photosynthesis more than exposure to drought or heat stress alone. Drought stress decreased the transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs) and intercellular $CO_2$ concentration (Ci), while heat stress increased all of these; the deprivation of water was greater under drought stress than heat stress, but heat stress decreased the antioxidant enzyme activity to a greater extent. Overaccumulated GB could alleviate the decrease of photosynthesis caused by all stresses tested. These suggest that GB induces an increase of osmotic adjustments for drought tolerance, while its improvement of the antioxidative defense system including antioxidative enzymes and antioxidants may be more important for heat tolerance.
The UV-B sensitivity was tested for the intertidal species Chondrus ocellatus from Korea, by measuring photosynthesis estimated as effective quantum yield ($\Phi_{PSII}$) of photosystem II (PS II), growth and content and composition of photosynthetic pigments and UV-absorbing pigments (UVAPs). The $$\Phi_{PSII}$ of the alga decreased with increasing time of exposure to UV-B radiation, followed by fast and nearly full recovery indicating dynamic photoinhibiton. Fresh weight-based growth and pigment contents of C. ocellatus were not seriously affected by UV-B radiation. A single broad peak at 327 nm was obtained from methanol extracts of C. ocellatus, and the absorbance peak increased with increasing UV. The single peak was resolved into three peaks (311, 330 and 336 nm) by the fourth -derivative, and quantitative change in response to UV-B radiation occurred only at 330 nm. High performance liquid chromatography (HPLC) analysis of purified extracts indicated that three MAAs (mycosporine-like amino acids) are present, asterina 330, palythine and shinorine. Field observations during three growing months showed that C. ocellatus exhibit the highest amount of UVAPs in May followed by July and little trace in September, coinciding with the species' phenology. In an ecological context, dynamic photoinhibition as well as accumulation of UVAPs may enable the shallow water red alga C. ocellatus to be well adapted to high UV-B environments.
Maeda, Isamu;Sakurai, Hirokazu;Yoshida, Kazuyuki;Siddiki, Mohammad Shohel Rana;Shimizu, Tokuo;Fukami, Motohiro;Ueda, Shunsaku
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.21
no.12
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pp.1306-1311
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2011
Recombinant Rhodopseudomonas palustris, harboring the carotenoid-metabolizing gene crtI (CrtIBS), and whose color changes from greenish yellow to red in response to inorganic As(III), was cultured in transparent microplate wells illuminated with a light emitting diode (LED) array. The cells were seen to grow better under near-infrared light, when compared with cells illuminated with blue or green LEDs. The absorbance ratio of 525 to 425 nm after cultivation for 24 h, which reflects red carotenoid accumulation, increased with an increase in As(III) concentrations. The detection limit of cultures illuminated with near-infrared LED was 5 ${\mu}g$/l, which was equivalent to that of cultures in test tubes illuminated with an incandescent lamp. A near-infrared LED array, in combination with a microplate, enabled the simultaneous handling of multiple cultures, including CrtIBS and a control strain, for normalization by the illumination of those with equal photon flux densities. Thus, the introduction of a near-infrared LED array to the assay is advantageous for the monitoring of arsenic in natural water samples that may contain a number of unknown factors and, therefore, need normalization of the reporter event.
Rapid accumulation of reactive oxygen species (ROS) and their toxic reaction products with lipids and proteins significantly contributes to the damage of crop plants under biotic and abiotic stresses. We have identified several stress activated alfalfa genes, including the gene of the alfalfa ferritin and a novel NADPH-dependent aldose/aldehyde reductase enzyme. Transgenic tobacco plants that synthesize alfalfa ferritin in vegetative tissues-either in its processed form in chloroplast or in the cytoplasmic non-processed form-retained photosynthetic function upon free radical toxicity generated by paraquat treatment and exhibited tolerance to necrotic damage caused by viral and fungal infections. We propose that by sequestering intracellular iron involved in generation of the very reactive hydroxyl radicals through a Fenton reaction, ferritin protects plant cells from oxidative damage. Our preliminary results with the other stress-inducable alfalfa gene (a NADPH-dependent aldo-keto reductase) indicate, that the encoded enzyme may play role in the stress response of the plant cells. These studies reveal new pathways in plants that can contribute to the increased stress resistance with a potential use in crop improvement.
Field studies were conducted with the split plot design of 20 treatment with a combination of 4 levels of 3, 5, 7 and 9 plants per hill and 5 levels of 60, 80, 100, 120 and 140 hills per 3.3$m^2$ on non-, low- and high-salty areas. Rice variety, Kusabue was grown under jthe standard fertilization and cultivating. Investigation was made on the productive structure of plant population, leaf-area index, light intensity curve by stratum of crop population at the panicle differentiation stage. The competition density effect on the photosynthetic capacity was low as the salt concentration became higher. This seemed to suggest the possiblity of an increased yielding capacity by closer planting in the salty areas. The effect of an increased number of hills per unit area was greater than that of an increased unmber of plants per hill due to the total leaf area and space distribution of the actie assimilation parts of rice plants. The number of ppanicle per unit area in the salty areas were increased when the number of hill per 3.3$m^2$ increased over an increased number of plants per hill, and the panicle weight was reduced by close planting in the non-lalty area, while it was not reduced so much in the salty areas. The number of grains per panicle was significantly decreased by close planting in the salty areas as in the non-salty area, and ratio of matured grain was not decreased even by close planting in the salty areas, while it was significantly decreased by close planting in the non-salty area. An increase in the rice yield was possible by close planting and greatly related to leaf area index in the salty areas but not in the non-salty area. Increasing the number of hills per unit area showed greater effect on the increase of the rice yield than an increased number of plants per hill in the salty areas. Relationships between the growth characteristics and the rice population affected by plant spacing mode for maximum production were discussed.
Kim, Sang-Woo;Roy, Swapan Kumar;Kwon, Soo Jeong;Cho, Seong-Woo;Cho, Yong-Gu;Lee, Chul-Won;Woo, Sun-Hee
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.121-121
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2017
The productivity of rice has been influenced by various abiotic factors including temperature which cause to limitations to rice yield and quality. Rice yield and quality are adversely affected by high temperature globally. In the present study, four Korean four cultivars such as Dongan, Ilpum, Samkwang, Chucheong were investigated in order to explore molecular mechanisms of high temperature at seedling stage. Rice seedlings grown at $28/20^{\circ}C$ (day/night) were subjected to 7-day exposure to $38/28^{\circ}C$ for high-temperature stress, followed by 2-D based proteomic analysis on biological triplicates of each treatment. The growth characteristics demonstrated that Dongan is tolerant while Ilpum is sensitive to high-temperature stress. High temperature has an adverse effect in the seedling stage both in high temperature sensitive and tolerant cultivar. Two-dimensional gels stained with silver staining, a total of 722 differential expressed protein spots (${\geq}1.5-fold$) were identified using Progenesis SameSpot software. However, a total of 38 differentially expressed protein spots were analyzed by LTQ-FT-ICR MS. Of these, 9 proteins were significantly increased while 10 decreased under high-temperature treatment. Significant changes were associated with the proteins involved in the carbohydrate metabolism, photosynthesis, and stress responses. Proteome results revealed that high-temperature stress had an inhibitory effect on carbon fixation, ATP production, and photosynthetic machinery pathway. The expression level of mRNA is significantly correlated with the results obtained in the proteome investigation. Taken together, these findings provide a better understanding of the high-temperature resistance by proteomic approaches, providing valuable insight into improving the high-temperature stress tolerance in the global warming epoch.
The cbb3 cytochrome c oxidase has the dual function as a terminal oxidase and oxygen sensor in the photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides. The cbb3 oxidase forms a signal transduction pathway together with the PrrBA two-component system that controls photosynthesis gene expression in response to changes in oxygen tension in the environment. Under aerobic conditions the cbb3 oxidase generates an inhibitory signal, which shifts the equilibrium of PrrB kinase/phosphatase activities towards the phosphatase mode. Photosynthesis genes are thereby turned off under aerobic conditions. The catalytic subunit (CcoN) of the R. sphaeroides cbb3 oxidase contains five histidine residues (H2l4, B233, H303, H320, and H444) that are conserved in all CcoN subunits of the cbb3 oxidase, but not in the catalytic subunits of other members of copper-heme superfamily oxidases. H214A mutation of CcoN affected neither catalytic activity nor sensory (signaling) function of the cbb3 oxidase, whereas H320A mutation led to almost complete loss of both catalytic activity and sensory function of the cbb3 oxidase. H233V and H444A mutations brought about the partial loss of catalytic activity and sensory function of the cbb3 oxidase. Interestingly, the H303A mutant form of the cbb3 oxidase retains the catalytic function as a cytochrome c oxidase as compared to the wild-type oxidase, while it is defective in signaling function as an oxygen sensor. H303 appears to be implicated in either signal sensing or generation of the inhibitory signal to the PrrBA two-component system.
Subsurface drip irrigation (SDI) system is considered one of the most effective methods for water application. A 2-year field study was conducted to investigate the effect of SDI systems with various dripline spacing (0.7 or 1.4 m) and position (under furrow or ridge) on soybean (Glycine max L.) production at a sandy-loam soil in Miryang, South Korea. For 2016-2017, average grain yield in SDI irrigated plots, $3.16Mg\;ha^{-1}$, was statistically greater than rainfed irrigated plot ($2.63Mg\;ha^{-1}$). Soybean grain yield averaged $3.25Mg\;ha^{-1}$ for the 0.7 m dripline spacing and $3.07Mg\;ha^{-1}$ for the 1.4 m spacing for the two-year period compared to a rainfed irrigated average of $2.63Mg\;ha^{-1}$ for the same period. Soybean treated with SDI system had significantly greater values of normalized difference vegetation index and stomatal conductance, indicating that soybean plants in SDI plots had greater photosynthetic and stomatal activity due to the higher water availability in soil. Irrigation water use efficiency (IWUE) was greatest in the plot of 0.7 m spacing installed under ridge position than any other plot across growing season. Average soil water content in plots with 0.7 m dripline spacing was $0.21m^3\;m^{-3}$ at 5 cm depth layer, which was 45% greater compared to the plots with 1.4 m spacing, even though the gross irrigation amounts were greater in 1.4 m spacing plots. It is concluded that wide dripline spacing (1.4 m) is probably the more economical installation design for SDI system compared to 0.7 m spacing in this study soil because the initial cost for dripline may be reduced with wide spacing design, even though the IWUE is greater in the plot of 0.7 m dripline spacing.
The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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v.18
no.4
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pp.266-276
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2013
The ocean is the largest reservoir of carbon in the climate system. Atmospheric $CO_2$ is efficiently transferred to the deep ocean by a process called the biological carbon pump: photosynthetic fixation of $CO_2$ at the sea surface and remineralization of sinking organic carbon at depths are main causes for the vertical contrast of carbon in the ocean. The sequestered carbon to the deep ocean returns to the sea surface by ocean circulation. Part of the upwelled $CO_2$ leaks into the atmosphere through air-sea gas exchange. It has been suggested that the air-sea partitioning of carbon has varied in concert with the glacial-interglacial climate variations, due partly to changes in ocean circulation. In this review paper, we briefly summarize key concepts of the oceanic carbon pump. We also discuss the response of the air-sea carbon partitioning to change in ocean circulation in the context of the glacial-interglacial climate change.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.22
no.4
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pp.340-345
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2020
In this study, we developed the quality control and assurance method of measurement data of SPAR (Soil-Plant-Atmosphere-Research) system, a climate change research facility, for the first time. It was found that the precise processing of CO2 flux data among many observations were sig nificantly important to increase the accuracy of canopy photosynthesis measurements in the SPAR system. The collected raw CO2 flux data should first be removed error and missing data and then replaced with estimated data according to photosynthetic lig ht response curve model. Comparing the correlation between cumulative net assimilation and soybean biomass, the quality control and assurance of the raw CO2 flux data showed an improved effect on canopy photosynthesis evaluation by increasing the coefficient of determination (R2) and lowering the root mean square error (RMSE). These data processing methods are expected to be usefully applied to the development of crop growth model using SPAR system.
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