Genetic and physiological factors of ozone tolerance in rice (<i>Oryza sativa</i> L.)

Abstract

Intensive human activities have contributed to the increase of tropospheric ozone. Ozone is toxic to plants and causes serious damage to crop production and global food supply. Therefore it is necessary to adapt crops to high ozone concentration to cope with increasing ozone concentrations and a growing demand for food. To investigate the tolerance mechanisms and genetic factors conferring ozone stress tolerance, reverse-genetic and forward-genetic studies have been conducted in rice (<i>Oryza sativa</i> L.), which serves as the staple crop for more than half of the global population. <br /> In the reverse-genetics approach, a previously suggested candidate gene, an <i>OZONE-RESPONSIVE APOPLASTIC PROTEIN1</i> (<i>OsORAP1</i>), was characterized regarding its involvement in ozone stress tolerance. Knock-out of <i>OsORAP1</i> led to the mitigation of leaf visible symptoms and lipid peroxidation formation under ozone stress. Gene expression levels of jasmonic acid (JA) marker genes were higher in the knock-out line. These results showed that OsORAP1 is involved in the formation of leaf visible symptoms partly together with JA, which negatively regulates the cell death. Apoplastic localization of the protein was confirmed by transient expression of an OsORAP1/GFP fusion construct in <i>Nicotiana benthamiana</i> leaf epidermal cells. Sequence analysis revealed substantial polymorphisms in promoter sequences between susceptible Nipponbare and tolerant Kasalath cultivars. It reinforced the possibility that different promoter sequences were responsible for differential regulation of OsORAP1 expression, which eventually led to contrasting ozone stress tolerance.<br /> A genome-wide association study was conducted to explore novel genetic factors related to ozone stress tolerance. A mapping population comprising 328 rice accessions was subjected to season-long ozone fumigation, and nine traits were evaluated. A broad range of responses was observed among the population, as well as significant ozone effect. The subsequent mapping with more than 30,000 genetic markers yielded 16 significant markers applying the threshold of<i> P</i> < 0.0001. Detailed sequence analysis for the candidate genes for leaf visible symptom formation revealed significant linkage between amino acid polymorphisms in a conserved motif in<i> RING</i> gene and detected genetic markers.<br /> In conclusion, a novel mechanism and candidate genetic loci for ozone tolerance in rice were identified. It will open the way for ozone-tolerant crop breeding.

Intensive menschliche Aktivität hat zu erhöhter troposphärischer Ozonkonzentration geführt. Ozon verursacht verminderte Ernteerträge und bedroht folglich die Nahrungsmittelversorgung. Daher ist es dringend nötig Nutzpflanzen zu züchten, die tolerant gegen hohe Ozonkonzentrationen sind, um die stetig steigenden Ozonkonzentrationen und den wachsenden Bedarf an Nahrungsmitteln zu bewältigen. Um Toleranzmechanismen und genetische Faktoren zu erforschen, wurden reverse-genetische und forward-genetische Untersuchungen in Reispflanzen (<i>Oryza sativa</i> L.) durchgeführt, die das Hauptnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung darstellen.<br /> In der reverse-genetischen Methode wurde ein auf Ozon reagierendes apoplastisches Protein1 (OsORAP1) im Rahmen von Ozontoleranz charakterisiert, das zuvor als ein Kandidat für Ozontoleranz vorgeschlagen wurde. Die Knockout-Linie zeigte weniger Blattschäden und eine niedrigere Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und damit höhere Ozontoleranz als der Wildtyp. Jasmonsäure (JA)-verwandte Gene wurden in der Knockout-Linie hochreguliert. Diese Ergebnisse implizierten, dass OsORAP1 an der Bildung von Blattschäden (d. h. Zelltod) beteiligt sein könnte, teilweise mit JA, die unter Ozon den Zelltod unterdrückt hat. Eine transiente Expression eines GFP Fusionproteins in <i>Nicotiana benthamiana</i> lokalisierte OsORAP1 im Apoplast. Eine Sequenzanalyse offenbarte, dass Promotorsequenzen von <i>OsORAP1</i> zwischen Nippponbare und Kasalath Kultursorten eventuell der Grund für die unterschiedlichen Ozontoleranzen sein könnten. <br /> Eine genomweite Assoziationskartierung (GWAS) wurde durchgeführt um nach neuen genetischen Faktoren für die Ozonstresstoleranz zu suchen. Insgesamt wurden 328 Reissorten aus 77 Ländern einer erhöhten Ozonkonzentration ausgesetzt. Ein breites Spektrum von Phenotypen und signifikanten Ozoneffekten wurde beobachtet. Die folgende Kartierung mit mehr als 30.000 genetischen Markern identifizierte 16 signifikante Marker. Eine Sequenzanalyse von Kandidatengenen deckte einen signifikanten Zusammenhang zwischen detektierten Markern und Aminosäure-Polymorphismen im konservierten Motiv des<i> RING</i> Gens auf.<br /> Zusammenfassend lässt sich sagen, dass neue Mechanismen sowie Kandidatenloci für die Ozontoleranz aufgedeckt wurden. Diese Ergebnisse werden sehr hilfreich für die Züchtung ozontoleranter Nutzpflanzen sein.