Respostas fisiológicas e moleculares à alta temperatura na antese em arroz irrigado

Abstract

Em um cenário futuro de mudanças climáticas, espera-se que os episódios de alta temperatura ocorram mais frequentemente. Isso pode coincidir com fases de desenvolvimento em que as estruturas vegetais estejam mais susceptíveis, como o período reprodutivo do arroz, causando redução no rendimento de grãos. O principal objetivo desse trabalho foi comparar características fisiológicas e moleculares de cultivares de arroz irrigado submetidas à alta temperatura (AT) na fase de antese e discutir os possíveis processos fisiológicos e/ou moleculares envolvidos. Três cultivares de arroz (IRGA 409, IRGA 428 e DULAR) foram submetidas à AT na antese (38oC) e à condição controle (29oC) durante sete horas, em períodos consecutivos de três, cinco ou sete dias. Foram avaliados a fertilidade de espiguetas e parâmetros relacionados à fotossíntese na folha bandeira. Na panícula de duas cultivares (IRGA 409 e IRGA 428) foi realizada análise de sequenciamento de mRNA (RNA-seq), com coleta de espiguetas nas condições de três dias de estresse e no controle. A AT reduziu a fertilidade de espiguetas com o aumento da duração do estresse em todas as cultivares comparado à condição controle, com redução significativa no número de grãos formados no estresse com sete dias de duração. No entanto, com três dias de duração do estresse IRGA 409 foi a mais tolerante à AT, uma vez que apresentou maior percentagem de espiguetas fertilizadas. A análise de RNA-seq mostrou que genes comumente expressos em resposta à AT, como os OsHsf, OsHSP e OsFKBP62b, apresentaram expressão similar nas panículas de ambas as cultivares, apesar dessas plantas não serem especificamente selecionadas para tolerância a esse estresse. A expressão de genes envolvidos na fotossíntese na panícula em resposta à AT foi uma grande diferença entre as duas cultivares. Este estudo indicou que a manutenção da expressão de genes relacionados à fotossíntese da panícula e à capacidade de manter a fotossíntese ativa na folha bandeira durante o período de ocorrência da AT estiveram associados à maior fertilidade de espiguetas nessa condição. Esses resultados evidenciaram potenciais marcadores a serem usados na identificação de genótipos tolerantes à alta temperatura. No entanto, os processos moleculares envolvidos no efeito desse estresse no transporte de elétrons através da atividade dos fotossistemas I e II e a conexão entre atividade fotossintética das folhas e panícula de arroz necessitam ser elucidados.

High temperature episodes are expected to occur more frequently in future climates, which may coincide with vulnerable reproductive processes leading to significant reduction in rice yield. The present study aims to compare the physiological and molecular characteristics of flooded rice cultivars at anthesis stage under high temperature and to discuss the possible process involved in heat tolerance. Three rice cultivars (IRGA 409, IRGA 428 and DULAR) were submitted to daytime high temperature treatment (38 oC) and to control condition (29 oC) for seven hours during a period of three, five or seven days at anthesis stage. This study investigated the spikelet fertility and physiological parameters in the flag leaf during anthesis. At three days of stress duration, an RNA-sequencing (RNA-seq) approach of heat and control treated spikelets was carried out using the cultivars IRGA 409 and IRGA 428. Compared with the control, heat treatment with seven days duration significantly reduced spikelet fertility with the increase of the stress duration in all cultivars, leading to a significant reduction in the number of grain filled. However, at three days of stress duration, cultivar IRGA 409 was more tolerant to heat treatment, maintaining the highest spikelet fertility among the cultivars. Comparative transcriptome analysis between the two cultivars shows that in response to heat stress, more genes are differentially expressed in the more tolerant cultivar (IRGA 409) than in the more sensitive (IRGA 428). In panicle tissue, most canonical heat responsive genes, such as transcription factor family (Hsf), heat shock proteins family (sHSP) and gene OsFKBP62b, showed a similar expression response in both Brazilian cultivars, despite the fact that these cultivars have not been specifically selected for heat tolerance. Photosynthetic genes expression in response to heat stress was a major difference between the two cultivars. This study indicated that the basal expression of photosynthetic genes in the panicle and the ability to maintain photosynthetic capacity in the flag leaf during heat stress provided improved spikelet fertility during this stress. This may provide potential markers that can be used to identify heat tolerant genotypes among the Brazilian cultivars. However, the detailed molecular processes involved on heat effects on electron transport through photosystems I and II and the connection between photosynthesis activity in the leaves and in the rice panicle remain to be further elucidated.