干ばつ下での綿花の遺伝子型特異的な順応のモデル化のための水利形質の使用

Use of hydraulic traits for modeling genotype-specific acclimation in cotton under drought.

• Diane R Wang
• Martin D Venturas
• D Scott Mackay
• Douglas J Hunsaker
• Kelly R Thorp
• Michael A Gore
• Duke Pauli

抄録

圃場条件下での生物学的ストレス耐性の遺伝的・生理学的基盤を理解することは、気候変動に対応した品種改良の鍵となる。ここでは、水ストレスに対する動的な生理的反応をin silicoで調べ、再生可能な繊維生産のために経済的に重要な種である綿花（Gossypium hirsutum）の水利形質の遺伝子型の変化との関係を調べた。生態生理学的プロセスに基づいたモデルを用いて、異種データ（植物の水利特性、空間的に分散した土壌の質感、土壌水分量、キャノピー温度）を用いて綿花の水利特性を調べ、干ばつ時の植物全体のパフォーマンスに及ぼす影響を評価し、遺伝子型と環境の潜在的な影響を探った。綿花は、開花時に開始される干ばつストレス下で一貫したR字型の水理脆弱性曲線（VC）を持つことがわかった。茎の水理脆弱性曲線は、導電率の低下率で表されるが、根の水理脆弱性曲線には違いは見られなかった。シミュレーションの結果、植物の生理的ストレスが土壌特性と灌漑管理の相互作用に依存していることが明らかになった。本研究では、プロセスベースのモデル化フレームワークを用いて、水利特性の遺伝子型の変異と干ばつ下での適応行動の違いを結びつけることができることを示した。

Understanding the genetic and physiological basis of abiotic stress tolerance under field conditions is key to varietal crop improvement in the face of climate variability. Here, we investigate dynamic physiological responses to water stress in silico and their relationships to genotypic variation in hydraulic traits of cotton (Gossypium hirsutum), an economically important species for renewable textile fiber production. In conjunction with an ecophysiological process-based model, heterogeneous data (plant hydraulic traits, spatially-distributed soil texture, soil water content and canopy temperature) were used to examine hydraulic characteristics of cotton, evaluate their consequences on whole plant performance under drought, and explore potential genotype × environment effects. Cotton was found to have R-shaped hydraulic vulnerability curves (VCs), which were consistent under drought stress initiated at flowering. Stem VCs, expressed as percent loss of conductivity, differed across genotypes, whereas root VCs did not. Simulation results demonstrated how plant physiological stress can depend on the interaction between soil properties and irrigation management, which in turn affect genotypic rankings of transpiration in a time-dependent manner. Our study shows how a process-based modeling framework can be used to link genotypic variation in hydraulic traits to differential acclimating behaviors under drought.

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