12.3Breeding Approaches to Improve RSA and Abiotic Stress Tolerance12.的简体中文翻译

12.3Breeding Approaches to Improve

12.3Breeding Approaches to Improve RSA and Abiotic Stress Tolerance12.3.1Conventional Breeding ApproachUsing conventional breeding approaches, RSA traits of crop plants can beimproved, which would lead to the better utilization of nutrient resources andwater sequestration, leading to better production and yield [18]. Some of theimportant criteria used for studying RSA traits are the length, thickness, anatomy,branch number, distribution in soil, and penetrating ability [19]. During thedomestication process, people selected plants mainly based on their aerial characterand yield, ignoring the root system. Recently, plant breeders have realized theimportance of RSA in crop productivity and turned their attention to breed varietiesconsidering their RSA traits [7,8]. Improved RSA traits in wheat, using conven?tional breeding, have provided tolerance to abiotic stresses [20]. Several stresstolerance and RSA-related traits of interest from selected wheat cultivars are beingintrogressed into high-yielding cultivars to develop cultivars with tolerance toabiotic stresses [7,8]. Through improvement of stem, leaf patterning, and rootarchitecture, an increase in yield of 68% has been achieved in foxtail millet [1]. Ithas been shown in barley (Hordeum vulgare) that the root system is significantlyimproved using a breeding approach [21]. Similar to other crops, huge geneticdiversity in RSA traits exists among different rice cultivars that also vary in terms ofyield and stress tolerance [22]. Drought-resistant rice cultivars with better RSAtraits have been developed using conventional breeding [23]. The RSA traits (suchas deeper and thicker roots with more xylem vessels, increased root length anddensity, etc.) have been shown to play very important roles in providing droughttolerance in rice [24,25]. IET1444 and GZ5121-5-2 rice cultivars with improved RSAtraits have been shown to produce high yields under stress condition [24].Although conventional breeding based on RSA traits has made some progress,its efficiency is limited by the lack of huge breeding fields, trained breeders, and theextremely laborious process of studying less-accessible roots systems of a largenumber of plants. Moreover, it is time-consuming and the phenotypic observationsare often not reproducible due the variation of RSA traits caused by the complexinteraction between RSA and environmental factors as well as the soil condition [21,25]. In an effort to overcome these limitations, the conventional breedingapproach has gradually been replaced by the modern QTL-based approach, whichincludes identification of genetic loci (QTLs) related to RSA traits and the use ofMAS-based breeding [25].12.3.2Identification of QTLs Associated with Specific RSA Traits and Stress ToleranceA QTL is a region or portion of the genome responsible for a particular trait orphenotype. Several studies have identified QTLs associated with the root traits thatenable the plants to sustain abiotic stresses like drought, nutrient deficiency,extreme heat/cold, flooding, and so on [26]. QTLs have been identified for severaltraits like deep-root systems, root lodging, stele, and xylem structure in rice, maize,and wheat [27–29].It has been reported in rice that the genotypes classified as drought resistantshowed consistently higher cell membrane stability, more stable hydraulicconductivity, more responsiveness of root anatomy to drought, and higher levels oftemporal expression of aquaporin genes [30]. This range of traits allows efficientcontrol of the plant water status under drought [30]. Water uptake by roots isinfluenced by the size and number of xylem vessels; roots with thicker xylemvessels have a higher potential to uptake water than thinner ones [31,32]. Uga et al.have identified QTLs for rice root thickness, root stele transversal area and numberof late meta xylem vessels using a recombinant inbred line population derived fromthe cross between a lowland cultivar IR64 (with shallow RSA) and upland cultivarKinandang Patong (with deep RSA) [28]. Using the same population they furtheridentified a QTL Dro1 (deeper rooting 1) that is linked with deep RSA traits andinvolved in drought avoidance under natural conditions with limited water supply[27]. Recently, Dro1 has been shown to improve RSA and yield under droughtcondition, when introduced in a shallow-rooting rice [33]. Steele et al. have reporteda QTL for root length (between RN242 and RM201), which significantly increasedthe root length under stressed (and non-stressed) conditions and improved thepenetration ability of a rice cultivar [25,34]. By introgressing this QTL to Kalinga IIIlandrace, they developed a drought-tolerant rice cultivar that was released as “BirsaVikas Dhan 111” [25,35]. Using the double haploid population derived from a crossbetween IR64 and Azucena (upland rice cultivar), 15 QTLs for RSA and other traitshave been identified [36]. The chromosomal s
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12.2 <br>RSA和基本决定因素<br>不同于动物,胚后发育过程中,高等植物<br>持续成长,并通过居住在地上,根干细胞群的活动会产生器官,并形成层分生组织[11]。这有助于固着植物<br>的有利改变其形态和适应不断变化的环境<br>器官的发育模式[3]。活性分生组织根保持在根<br>由根干细胞小生境,其包括静止中心的和的活性末端<br>周围的层“干细胞”。的许多转录的组合活动<br>因素(例如,SCARECROW(SCR),短期ROOT(SHR,PLETHORA1(PLT1)<br>PLT2和WUSCHEL相关HOMEOBOX5(WOX5)和植物激素(例如,<br>生长素动态平衡)维持根“干细胞小生” [11,12]。的形状和<br>根系统,它包括主根和根枝条,的结构<br>构成的RSA [3]。的根系统的复杂性以及各不相同<br>物种[3]之内。根据发育的个体发育,三个主要的根类型- <br>初级,结节,和侧根-已归类[3]。在RSA之间变化<br>的单子叶和双子叶植物物种。主根及其分支构成所述双子叶植物<br>RSA,而在单子叶植物,RSA由初生根(即在被耗尽的<br>稍后阶段),结节根,并从他们[3,13,14]由来的分支。与此相反<br>双子叶植物,单子叶植物的根通常不经历二次生长[3]。植物<br>通过从产生根枝条或侧根优化其RSA <br>根分化远侧区域(主/节点),并通过调节生长<br>不同类型的根[3]的。侧根发育和RSA由控制<br>一个物种的内在的遗传化妆,并受环境因素,例如调制<br>作为土壤组合物,营养物和水的可用性,等等[3,15]。<br>因为根是第一个植物器官的一个遇上的影响<br>环境的因素,它的成长和发展是非常受他们的影响<br>[15]。研究的模式植物拟南芥的根系上拟南芥有<br>丰富了我们对根系发育的知识,而我们的知识<br>仍然在主要作物如大米,小麦和玉米的情况下,初级阶段<br>[1,3,8]。现在,有必要更加重视使用不同的模型农作物<br>(如水稻,小麦,玉米等),以揭示其根的分子基础<br>使用已经获得的知识体系结构和应激反应<br>拟南芥[1]。另外,由于间的基本差异<br>的单子叶和双子叶植物的根系统,调节的分子机制<br>的根构造以及其对非生物胁迫反应可能常变化[1]。<br>作为一个例子,没有明显的表型的根已报道的突变<br>双子叶植物拟南芥(缺少节点的AtWOX11转录因子<br>根); 然而,在单子叶植物水稻OsWOX11突变大大<br>受损节点冠根形成[16,17]。不同类型的根(冠根,<br>种子根,侧根;如上规定)的单子叶玉米已经示出<br>由不同的基因[13]进行基因调控,表明在变化和<br>不同物种间的根构造的复杂调节。<br>被困在不同品种的根系统的巨大的遗传多样性<br>物种的提供巨大的潜力通过改善作物的产量和胁迫耐受性<br>提高通过摸索其分子和生理基础[4,7]的RSA。<br>几种策略已经采取植物科学家量身定做最佳的RSA <br>植物生长,产量和抗逆性。常规和分子<br>即利用数量性状基因座(QTL)和标记辅助选择(MAS)的育种方法正在用于掺入更好RSA性状引入高产<br>品种和改善的胁迫耐受性。利用得到的信息<br>基因组学研究,以提高胁迫耐受性和RSA性状的转基因植物<br>被选定的候选基因的发展。此外,信息来源于<br>研究多胺,渗透调节物质,激素和小RNA是有帮助的。<br>在RSA性状和抗逆性的研究越来越多地使用的组学可能<br>弥合基因组学和表型之间的差距。在这里,我们讨论上述<br>通过生产更好的RSA性状改良抗逆性的方法。
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12.2<br>RSA 及其基本决定因素<br>与动物相比,在胚胎发育期间,高等植物<br>通过生长在芽、根和球菌中的干细胞群的活动,持续生长和产生器官[11]。这有助于植物生长<br>适应不断变化的环境,有利地改变其形态和<br>器官发育模式[3]。活动根梅里斯特姆在根上保持<br>提示由根干细胞利基的活动,包括一个静止的中心和<br>周围层的"干细胞"。许多转录的组合活性<br>因子(例如,SCR),短线(SHR,PLETHORA1 (PLT1),<br>PLT2 和 WUSchel 相关 HOMEOBOX5 (WOX5) 和植物激素 (例如,<br>辅助性平衡)保持根"干细胞利基"[11,12]。形状和<br>根系统的结构,包括主根和根分支,<br>构成 RSA [3]。根系统的复杂性因<br>在物种[3]内。根据发育上,三种主要根类型 |<br>主根、节点和侧侧根 = 已分类 [3]。RSA 因<br>单科和二角植物物种。主根及其分支构成二分<br>RSA,而在单子组,RSA由主根(在<br>后期),节点根,和分支派生自他们 [3,13,14]。与<br>双子根,单子根通常不经历二次生长[3]。植物<br>通过从<br>根的区分远端区域(主要/节点)和通过调节生长<br>不同的根类型 [3]。横向根开发和 RSA 由<br>一个物种的内在遗传组成,并由环境因素调节,如<br>土壤成分、养分和水的可得性等[3,15]。<br>由于根是首批遇到的植物器官之一<br>环境因素及其生长发育受到其高度影响<br>[15]. 模型植物的根系研究有<br>丰富了我们对根系统开发的知识,而我们的知识是<br>水稻、小麦和玉米等主要作物仍处于初级阶段<br>[1,3,8]现在,有必要更加强调使用各种示范作物<br>(如大米、小麦、玉米等)揭示其根的分子基础<br>架构和压力反应使用已经获得的知识<br>阿拉伯尼多普斯 [1]。此外,由于<br>单茎和二角植物的根系,调节的分子机制<br>根架构及其对非生物胁迫的反应可能经常变化[1]。<br>例如,没有报告明显的根表型突变在<br>AtWOX11 转录因子的二角状阿拉伯狄龙(缺乏节点)<br>根);然而,单角性水稻OsWOX11的突变<br>受损的节点冠根形成[16,17]。不同的根类型(冠根,<br>精根,横向根;如上所述)的单科玉米已显示<br>由不同的基因[13]进行基因调控,表明在和<br>不同物种对根系结构的复杂调节。<br>被困在不同品种的根系中的巨大遗传多样性<br>一个物种提供了巨大的潜力,以提高作物产量和应力耐受性<br>通过探索RSA的分子和生理基础[4,7]来改进RSA。<br>植物科学家采取了几种策略来定制 RSA 以实现最佳<br>植物生长、生产率和耐应力。常规和分子<br>利用定量特征位点(QTL)和标记辅助选择(MAS)的育种方法正被用来将更好的RSA特性纳入高产<br>品种,提高应力耐受性。使用从<br>基因组学研究,具有改善应力耐受性和RSA特性的转基因植物<br>为选定的候选基因开发。此外,从<br>多胺、溶糖、激素和小RNA的研究是有帮助的。<br>在RSA特征和耐压性研究中越来越多地使用经济学,这有可能<br>弥合基因组学和表型之间的差距。在这里,我们讨论上述<br>通过产生更好的 RSA 特征来改善压力承受能力的方法。
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12.2款<br>RSA及其基本行列式<br>与动物相比,在胚胎后发育期间,高等植物<br>通过居住在茎、根和形成层分生组织中的干细胞群体的活动,不断地生长和产生器官[11]。这有助于无梗植物<br>通过有利地改变它们的形态和<br>器官发育模式[3]。活跃的根分生组织维持在根上<br>由一个静止的中心和<br>“干细胞”的周围层。许多转录的组合活性<br>因素(例如稻草人(SCR)、短根(SHR)、过胸1(PLT1),<br>PLT2和WUSCHEL相关同源框5(WOX5)和植物激素(例如。,<br>生长素稳态)维持根“干细胞龛”[11,12]。形状和<br>根系的结构,包括主根和根枝,<br>构成RSA[3]。根系的复杂性也随着不同而变化。<br>在物种内[3]。根据发育个体发育,三种主要的根类型-<br>初生根、节根和侧根已被分类[3]。RSA在<br>单子叶和双子叶植物种类。主根和主枝构成双子叶<br>RSA,而在单子叶植物中,RSA由主根组成(主根在<br>后期),节结根,以及由此衍生的分枝[3,13,14]。与…对比<br>双子叶,单子叶根通常不经历二次生长[3]。植物<br>通过从<br>分化根的远端区域(初级/节段)并通过调节生长<br>不同根型的[3]。侧根发育和RSA受<br>一个物种的内在遗传组成,并受环境因素如<br>如土壤成分、养分和水分的有效性等[3,15]。<br>因为根是最早受到影响的植物器官之一<br>环境因素对其生长发育影响很大<br>[15] 是的。拟南芥模式植物根系的研究<br>丰富了我们关于根系发育的知识,而我们的知识是<br>在主要作物如水稻、小麦和玉米的情况下仍处于初级阶段<br>[1,3,8]。现在,有必要更加重视使用多种模式作物<br>(如水稻、小麦、玉米等)揭示其根系的分子基础<br>利用已获得的知识进行架构和压力响应<br>拟南芥[1]。另外,由于<br>单子叶和双子叶植物根系调控的分子机制<br>根的结构及其对非生物胁迫的反应可能经常不同[1]。<br>作为一个例子,没有明显的根表型在<br>双子叶拟南芥AtWOX11转录因子<br>单子叶水稻OsWOX11的突变<br>节段冠根形成受损[16,17]。不同的根类型(冠根,<br>单子叶玉米的种子根、侧根;如上所述<br>由不同的基因进行基因调控[13],表明<br>不同物种根系结构的复杂调控。<br>不同品种根系的巨大遗传多样性<br>为提高作物产量和抗逆性提供了巨大的潜力<br>通过探索RSA的分子和生理基础改进RSA[4,7]。<br>植物科学家们已经采取了几种策略来优化RSA<br>植物生长、生产力和耐胁迫性。传统的和分子的<br>利用数量性状基因座(qtl)和标记辅助选择(MAS)的育种方法正被用于将更好的RSA性状融入高产中<br>品种和提高耐逆性。使用从<br>基因组学研究表明,转基因植物具有更好的耐逆性和RSA特性<br>正在为选定的候选基因开发。此外,信息来源于<br>对多胺、渗透压、激素和小核糖核酸的研究很有帮助。<br>在RSA性状和耐逆性的研究中,越来越多地使用物候组学<br>在基因组学和表型之间架起桥梁。在这里,我们讨论上述问题<br>通过产生更好的RSA性状提高耐逆性的途径。<br>
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