Caracterización del ideotipo y estudio de la respuesta a temperaturas subóptimas de arroces de distinto contenido proteico

En el mundo en vías de desarrollo el arroz proporciona el 27% de la energía alimentaria y el 20% de las proteínas, siendo un alimento central en la dieta de casi la mitad de la población mundial. Por lo tanto, el mejoramiento por rendimiento ha sido una prioridad para este cereal, aunque en los últimos años se ha empezado a prestar atención al contenido proteico del grano (CPG) debido a su calidad aminoacídica y alta digestibilidad. La investigación en el CPG ha estado limitada por la conocida relación negativa que existe entre el rendimiento y el contenido de proteína en los cereales. En este aspecto, se han realizado importantes avances en el estudio de la genómica del arroz y el CPG a nivel molecular. Sin embargo, estos avances no han sido acompañados de estudios de los mecanismos fisiológicos y de respuesta de adaptación a diferentes ambientes de las variedades con mayor CPG. Por otro lado, en nuestro país el cultivo de arroz se encuentra sometido a bajas temperaturas, principalmente, durante la etapa vegetativa y en el periodo de llenado del grano. Los efectos de las bajas temperaturas en estos periodos, así como el impacto en el CPG y sus fracciones en arroces de alta proteína no han sido estudiados en profundidad. Entonces, con el objetivo de profundizar el estudio en la caracterización de los arroces de alta proteína desde un punto de vista morfofisiológico y estudiar la respuesta a temperaturas subóptima, se condujeron ensayos en el Instituto Tecnológico Chascomús (INTECH), Buenos Aires, Argentina (35° 37'50.47” S - 57° 59'40.41” O) Primero se realizó la caracterización morfofisiológica del Cultivar Nutriar FCAyF, desarrollado y liberado por el programa arroz de la FCAyF de la UNLP comparándolo frente al cultivar Camba INTA, de CPG convencional y de gran adopción en la zona arrocera argentina. Se evaluaron: densidad estomática, contenido de clorofila, Conductancia estomática (gs) y Fotosíntesis Neta (Pn), temperatura del canopeo (TC), Fluorescencia de la Clorofila, contenido de proteína en grano (CPG), fracciones de proteína y número de panojas por m2 (NPm-2), número de espiguillas por panojas (NEP), peso de 1000 granos (PMG) y rendimiento expresado en gramos por metro cuadrado (gr.m- 2). Los resultados arrojaron diferencias significativas entre cultivares para TC, Pn y gs. Las diferencias en TC fueron de 0,5 a 1,1ºC más altos para Nutriar respecto de Camba, mientras que gs y Pn mostraron una tendencia a arrojar valores más bajos en Nutriar. Se observaroncorrelaciones negativas entre CPG y los parámetros de fluorescencia de la clorofila, RC/CS y γRC. Además, los porcentajes de proteína mostraron valores significativamente mayores en Nutriar. Esta primera caracterización sugirió que el cultivar de alto contenido de proteína priorizaría incorporar N a la panícula que provendría del desmontaje del aparato fotosintético, lo que puede ser analizado por la fisiología de la hoja bandera. En base a estos resultados se realizó el análisis de la absorción y traslocación de nitrógeno en la planta en estadios vegetativos y reproductivos en las variedades de arroz de CPG contrastante. Para el estudio de absorción en estadios vegetativos se trabajó en laboratorio en condiciones controladas, con macetas en cultivo hidropónico con diferentes concentraciones de N diferenciales (40ppm -Solución Yoshida original-, 20ppm, 10ppm, 5ppm y 0ppm). Los ensayos en estadios reproductivos se realizaron a campo. En antesis y madurez las plantas fueron separadas en 4 y 5 fracciones respectivamente (panícula, P; hoja bandera, HB; segunda hoja, HB-1; tallos y otras hojas, TH, granos, G), mientras que en macollaje se utilizó toda la planta por encima del suelo. En estadios vegetativos, no se observaron diferencias en la absorción de N para las diferentes concentraciones ensayadas. La prueba de fluorescencia de la clorofila no mostró diferencias significativas entre cultivares para las diferentes concentraciones. Los resultados observados permitieron describir a la fluorescencia de la clorofila como un método rápido y no destructivo para el monitoreo de deficiencias de nitrógeno. Además, en el ensayo en condiciones ambientales se observó un comportamiento diferencial entre estadios, mientras que en la etapa de macollaje no se observaron diferencias entre ambos cultivares con 2,27% y 2,40% de N en Camba y Nutriar, respectivamente, el contenido de N en antesis fue significativamente mayor en Camba que en Nutriar. La disminución del contenido de N entre antesis y la etapa de madurez muestra una intensa removilización hacia los granos, con valores de caída de 81% en TH, HB-1 y HB en Nutriar, comparado con los valores obtenidos para Camba de 79, 69 y 78%, respectivamente. Las fracciones de la planta, en particular la fracción HB, sufrieron una amplia traslocación desde los órganos vegetativos hacia los granos durante la etapa de llenado, principalmente en el cultivar de alto CPG. Con el objetivo de evaluar el comportamiento de las bajas temperaturas en variedades de CPG contrastante se realizaron estudios en condiciones controladas en los estadios vegetativo y reproductivo. Para el estadio vegetativo se realizó el cultivo en condiciones de hidroponía utilizando un rango de 24/28ºC día/noche hasta emergencia de la hoja 3 (T0), y se evaluó el crecimiento de esta hoja y los parámetros de fluorescencia de la clorofila con temperaturas de 21/13 ºC día/noche. Se utilizaron cultivares contrastantes en su comportamiento a las bajas temperaturas como controles. El crecimiento de la hoja 3 fue mayor en la, variedad Nutriar en comparación a Camba, siendo la primera similar al de variedades tolerantes. Los resultados obtenidos sugerirían que el Nutriar posee una mayor tolerancia a situaciones de estrés por frio, manteniendo, además, la integridad del FSII durante los primeros estadios vegetativos, sin modificaciones significativas de los flujos específicos ni de los parámetros estructurales del FSII. Por otro lado, el comportamiento del cultivar de alto CPG en estadios reproductivos se vio afectado por el tratamiento de temperaturas subóptimas, mostrando valores de los parámetros de fluorescencia de la clorofila coincidentes con cultivares sensibles al estrés por frío. Mientras que el contenido de proteína total y sus fracciones se vio alterado respecto del control y del cultivar con contenido de proteína contrastante, sugiriendo que las bajas temperaturas afectarían de manera negativa el metabolismo de las proteínas en el cultivar Nutriar. En base a los resultados de esta tesis se puede concluir que el cultivar de alto CPG priorizaría incorporar N a la panícula producto del desmontaje del aparato fotosintético de la hoja bandera, mostrando una mayor eficiencia de translocación del N en el periodo de llenado de grano. Sin embargo, mostro una mala performance en temperaturas subóptimas en estadio reproductivo, sugiriendo que los procesos metabólicos del contenido del CPG se vieron afectados por el estrés por frio.

In the developing world, rice provides 27% of dietary energy and 20% of protein, being a central food in the diet of almost half of the world's population. Therefore, yield improvement has been a priority for this cereal. In recent years grain protein content (GPC) has become a vital study objective due to its amino acid quality and high digestibility. Research in GPC has been limited by the known negative relationship between yield and protein content in cereals. In this regard, significant advances have been made in the study of rice genomics and GPC at the molecular level. However, these advances have not been accompanied by studies of the physiological mechanisms and adaptation response to different environments of the varieties with higher GPC. The UNLP Rice Program developed and released the Nutriar FA variety in Argentina, the first material with a high national GPC. Several field trials have been carried out in the rice region. On the other hand, rice cultivation is subjected to low temperatures in our country, mainly during the vegetative stage and grain-filling period. The effects of low temperatures in these periods and their impact on GPC and fractions in high-protein rice have not been studied. So, to deepen the study in the characterisation of high protein rice from a morpho-physiological point of view, analyse the heritability of GPC and study the response to suboptimal temperatures, trials were conducted at the Chascomus Technological Institute (INTECH), Buenos Aires, Argentina (35 ° 37'50.47" S - 57 ° 59'40.41" W. First, the morpho-physiological characterisation of the Cultivar Nutriar FA was carried out in reproductive stages, in contrast to the conventional GPC cultivar Camba INTA. The following were evaluated: Stomatal Density, Chlorophyll Content, Stomatal Conductance (gs) and Net Photosynthesis (Pn), Canopy Temperature (TC), Chlorophyll Fluorescence, Grain Protein Content, Protein Fractions, and the number of panicles per m2 (NPm-2) number of spikelets per panicle (NEP), the weight of 1000 grains (PMG) and yield expressed in grams per square meter (gr.m-2). The results showed significant differences between cultivars for CT, Pn, and gs. The differences in TC were 0.5 to 1.1ºC higher for Nutriar than Camba, gs, and Pn showed a tendency to show lower values in Nutriar. There were negative correlations between CPG and the chlorophyll fluorescence parameters RC/CS and γRC. In addition, the protein percentages showed significantly higher values in Nutriar; also, this cultivar showed the highest percentage of glutelins for both campaigns, averaging 80%. This first characterization suggested that the cultivar with a high protein content would prioritizes incorporating N into the panicle that would come from the photosynthetic apparatus's disassembly, which the flag leaf's physiology can analyze. Based on these results, the analysis of the absorption and translocation of nitrogen in the plant in vegetative and reproductive stages in the contrasting CPG rice varieties was carried out. To study absorption in vegetative stages, we worked in the laboratory under controlled conditions, with pots in hydroponic culture with different differential N concentrations (40ppm -Original Yoshida Solution-, 20ppm, 10ppm, 5ppm, and 0ppm). The tests in other stages were carried out in the field. At anthesis and maturity, the plants were separated into 4 and 5 fractions, respectively (panicle, P; flag leaf, HB; second leaf, HB-1; stems and other leaves, TH, grains, G), while in tillering all the plant above ground. In vegetative stages, no differences in N concentration were observed, so the cultivars have the same absorption capacity for this element. In contrast, no differential behavior was observed between cultivars for the different concentrations in the chlorophyll fluorescence test. It allowed the description of chlorophyll fluorescence as a fast and non-destructive method for monitoring nitrogen deficiencies. In addition, a differential behavior between stages was observed in the trial under environmental conditions. In contrast, no difference was observed between both cultivars in the tillering stage, with 2.27% and 2.4% of N in Camba and Nutriar, respectively, and the N content at anthesis was significantly higher in Camba than in Nutriar. The decrease in N content between the anthesis and the maturity stage shows intense remobilization of the grains, with drop values of 81% in TH, HB-1, and HB in Nutriar, compared to the values obtained for Camba, 79, 69, and 78%, respectively. The fractions, particularly the HB fraction, underwent extensive translocation from vegetative organs to grains during the filling stage, mainly in the high GPC cultivar. Studies to evaluate the behavior in varieties of contrasting GPC to low temperatures were carried out under controlled conditions in the vegetative and reproductive stages. For the vegetative stage, the culture was carried out under hydroponic conditions using a range of 24/28 ºC day/night until leaf three emergence (T0), and the growth of this leaf and the chlorophyll fluorescence parameters were evaluated with temperatures of 21/13 ºC day/night. Cultivars contrasting in their behavior at low temperatures were used as controls. The growth of leaf 3 was greater in the Nutriar variety than Camba, the first being similar to that of tolerant varieties. The results obtained would suggest that the high CPG cultivar has a greater tolerance to cold stress situations, maintaining the integrity of the FSII during the first vegetative stages without significant modifications of the specific flows or the structural parameters of the FSII. On the other hand, the behavior of the high GPC cultivar in reproductive stages was affected by the treatment of suboptimal temperatures, showing values of the chlorophyll fluorescence parameters that coincide with cultivars sensitive to cold stress. While the content of total protein and its fractions was altered concerning the control and the cultivar with contrasting protein content, suggesting that low temperatures would negatively affect protein metabolism in the Nutriar cultivar. Based on the results of this thesis, it can be concluded that the high GPC cultivar would prioritize incorporating N into the panicle as a result of the disassembly of the photosynthetic apparatus of the flag leaf, showing greater N translocation efficiency in the grain-filling period. However,it showed poor performance at suboptimal temperatures in the reproductive stage, suggesting that the metabolic processes of CPG content were affected by cold stress.

Doctor de la Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales

Universidad Nacional de La Plata

Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales