Beltsville, Maaryland, USA
May 23, 2012
New research at the U.S. Department of Agriculture (USDA) confirms that rising levels of atmospheric carbon dioxide facilitate the flow of genes from wild or weedy rice plants to domesticated rice varieties. As a result, domesticated plants could take on undesirable weedy characteristics that may interfere with future rice production.
This is the first study to demonstrate that the effects of increasing atmospheric carbon dioxide concentrations include not only an influence on gene flow between closely related domesticated and wild plant genotypes, but that this gene flow is not the same in both directions. The investigation was conducted by researchers at the Agricultural Research Service (ARS), which is USDA's chief intramural scientific research agency.
"We know that global climate change will require some farmers to revise production strategies in response to shifting weather patterns and crop demands," said ARS Administrator Edward B. Knipling. "These new findings will help plant breeders design and interpret studies on how changes in climate may affect crop response."
ARS plant physiologist Lew Ziska led the investigation. Collaborators included David Gealy, Martha Tomecek, Aaron Jackson, and Howard Black. Ziska and Tomecek work at the ARS Crop Systems and Global Change Laboratory in Beltsville, Md., and the other scientists work at the ARS Dale Bumpers National Rice Research Center in Stuttgart, Ark.
Weedy wild rice, often called red rice, is the same species as domesticated rice and is very difficult to control in production settings. The team conducted a two-year combination growth chamber and field study to document how atmospheric carbon dioxide concentrations affect growth in weedy and domesticated rice and to observe the exchange of genetic material between the two plant types.
Twenty-four-hour carbon dioxide concentrations in the chambers were set at 300, 400 and 600 parts per million (ppm). These concentrations approximated the atmospheric carbon dioxide values present during the end of the 19th century, the current value, and values projected for the end of the 21st century, respectively.
When grown in carbon dioxide concentrations of 400 ppm and 600 ppm, both types of rice put out more tillers and flowers and grew taller, compared to plants grown at carbon dioxide concentrations of 300 ppm. However, these changes in height, which scientists believe are an important factor in pollen sharing and therefore impact gene flow, were more pronounced in the wild rice.
The number of flowers produced by the wild rice grown in 600 ppm carbon dioxide was doubled compared to rice grown at 300 ppm, a significantly larger increase than the flowering increase in the domesticated rice. At the greatest concentration of carbon dioxide, wild rice also produced flowers an average of eight days earlier, a shift that apparently enhanced the likelihood of pollen transfer between the two rice types.
The researchers then conducted a genetic analysis of the hybrid seed offspring of the two rice varieties. The results of these tests indicated domesticated rice transferred only a small amount of genetic material to its weedy relative, even at the greatest concentration of carbon dioxide. But the weedy plants transferred a relatively greater amount of genetic material to their domesticated relatives, which differed from 0.22 percent at carbon dioxide concentrations of 300 ppm to 0.71 percent at carbon dioxide concentrations of 600 ppm.
The transfer of wild genetic material to the domesticated rice line resulted in the production of seed with significant weedy characteristics that would be undesirable in domesticated rice production.
Results from this study were published today in PloS One.
As USDA's chief scientific research agency, ARS is leading America towards a better future through agricultural research and information. ARS conducts research to develop and transfer solutions to help answer agricultural questions that impact Americans every day. ARS work helps to:
- ensure high-quality, safe food and other agricultural products;
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- assess the nutritional needs of Americans;
- sustain a competitive agricultural economy;
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- enhance the natural resource base and the environment, and
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- provide economic opportunities for rural citizens, communities and society as a whole.
Photo: Lemont rice, the first high-yielding semidwarf rice variety, was released by ARS and the Texas Experiment Station (Texas A&M University) in 1983. Photo by David Nance.
Estudios por ARS demuestran el flujo de genes entre el arroz silvestre y el arroz domesticado como resultado de niveles aumentados del dióxido de carbono
Nuevos estudios por científicos del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) han confirmado que niveles crecientes del dióxido de carbono atmosférico facilitan el flujo de genes del arroz silvestre, el cual es una maleza, a las variedades domesticadas del arroz. Como resultado de este flujo, las variedades domesticadas podrían adquirir las características no deseables de las malezas, de este modo impidiendo la producción del arroz en el futuro.
ARS es la agencia principal de investigaciones científicas del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA por sus siglas en inglés).
Éste es el primer estudio que demuestra que los efectos de aumentos en las concentraciones del dióxido de carbono atmosférico incluyen no sólo una influencia en el flujo de genes entre los genotipos estrechamente relacionados de plantas silvestres y plantas domesticadas, sino también que este flujo de genes no es el mismo en ambas direcciones.
"Sabemos que el cambio climático global requerirá revisiones por los agricultores en sus estrategias para responder a los patrones cambiantes del tiempo y las demandas de las plantas", dijo Edward B. Knipling, quien es administrador del ARS. "Estos nuevos hallazgos ayudarán a los criadores de nuevas variedades de plantas a diseñar e interpretar cómo los cambios climáticos podrían afectar la respuesta de las plantas".
Fisiólogo de plantas Lew Ziska con el ARS fue líder de la investigación. Los colaboradores incluyeron David Gealy, Martha Tomecek, Aaron Jackson, y Howard Black. Zicka y Tomacek trabajan en el Laboratorio de Sistemas de Cultivos y el Cambio Global mantenido por el ARS en Beltsville, Maryland. Los otros trabajan en el Centro Nacional Dale Bumpers de Investigación del Arroz mantenido por el ARS en Stuttgart, Arkansas.
El arroz silvestre, también conocido como el arroz rojo, es la misma especie como el arroz domesticado y es muy difícil de controlar en los campos de producción. El grupo realizó un estudio de dos años en los campos y en cámaras de crecimiento para documentar el impacto de cambios en las concentraciones del dióxido de carbono en el arroz rojo y en el arroz domesticado y para observar el intercambio de material genético entre los dos tipos de plantas.
Las concentraciones del dióxido de carbono en las cámaras fueron 300, 400 o 600 partes por millón (ppm por sus siglas en inglés). Estas concentraciones son muy similares a aquellas presentes a fines del siglo 19, el nivel actual, y el nivel proyectado a fines del siglo 21, respectivamente.
Cuando cultivados en concentraciones de 400 ppm y 600 ppm, ambos tipos del arroz produjeron más vástagos y flores y crecieron más altas, comparados com plantas cultivadas en concentraciones de 300 ppm del dióxido de carbono. Sin embargo, estos cambios en la altura, los cuales son considerados por los científicos como factores importantes en el intercambio del polen y de este modo tienen un impacto en el flujo de genes, fueron más notables en el arroz rojo.
El número de flores producidas por el arroz rojo cultivado en 600 ppm del dióxido de carbono fue doblado en comparación con el arroz cultivado en 300 ppm, el cual es un aumento significativamente más grande que el aumento en flores en el arroz domesticado. En el nivel más alto del dióxido de carbono, el arroz rojo también produjo flores ocho días más temprano, por término medio, y éste aparentemente aumentó la probabilidad de transferencia del polen entre los dos tipos de arroz.
Los investigadores luego realizaron un análisis genético de la progenie híbrida de las dos variedades de arroz. Los resultados indican que el arroz domesticado transfirió solamente una pequeña cantidad de material genético a su pariente silvestre, aún en la presencia del nivel más alto del dióxido de carbono. Pero las plantas silvestres transfirieron una cantidad relativamente más grande de material genético a sus parientes domesticados, en una gama del 0,22 por ciento en la presencia de concentraciones de 300 ppm del dióxido de carbono, al 0,71 por ciento en la presencia de concentraciones de 600 ppm del dióxido de carbono.
La transferencia del material genético de las plantas silvestres a las plantas domesticadas produjeron semillas que tuvieron características de las malezas, las cuales no sean deseables en la producción del arroz domesticado.
Los resultados de este estudio fueron publicados hoy en la revista científica PLoS One.
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