scholarly journals Transcriptional Regulation of Genes Involved in Zinc Uptake, Sequestration and Redistribution Following Foliar Zinc Application to Medicago sativa

Plants ◽  
2021 ◽  
Vol 10 (3) ◽  
pp. 476
Author(s):  
Alessio Cardini ◽  
Elisa Pellegrino ◽  
Philip J. White ◽  
Barbara Mazzolai ◽  
Marco C. Mascherpa ◽  
...  

Zinc (Zn) is an essential micronutrient for plants and animals, and Zn deficiency is a widespread problem for agricultural production. Although many studies have been performed on biofortification of staple crops with Zn, few studies have focused on forages. Here, the molecular mechanisms of Zn transport in alfalfa (Medicago sativa L.) were investigated following foliar Zn applications. Zinc uptake and redistribution between shoot and root were determined following application of six Zn doses to leaves. Twelve putative genes encoding proteins involved in Zn transport (MsZIP1-7, MsZIF1, MsMTP1, MsYSL1, MsHMA4, and MsNAS1) were identified and changes in their expression following Zn application were quantified using newly designed RT-qPCR assays. These assays are the first designed specifically for alfalfa and resulted in being more efficient than the ones already available for Medicago truncatula (i.e., MtZIP1-7 and MtMTP1). Shoot and root Zn concentration was increased following foliar Zn applications ≥ 0.1 mg plant−1. Increased expression of MsZIP2, MsHMA4, and MsNAS1 in shoots, and of MsZIP2 and MsHMA4 in roots was observed with the largest Zn dose (10 mg Zn plant−1). By contrast, MsZIP3 was downregulated in shoots at Zn doses ≥ 0.1 mg plant−1. Three functional gene modules, involved in Zn uptake by cells, vacuolar Zn sequestration, and Zn redistribution within the plant, were identified. These results will inform genetic engineering strategies aimed at increasing the efficiency of crop Zn biofortification.

2020 ◽  
Author(s):  
Alessio Cardini ◽  
Elisa Pellegrino ◽  
Philip J. White ◽  
Barbara Mazzolai ◽  
Marco C. Mascherpa ◽  
...  

ABSTRACTZinc (Zn) is an essential micronutrient for both plants and animals, and Zn deficiency is one of the most widespread problems for agricultural production. Although many studies have been performed on the biofortification of staple crops with Zn, few studies have focused on forage crops. In this study the molecular mechanisms of Zn transport-related in Medicago sativa L. were investigated following foliar Zn applications aimed at increasing the accumulation of Zn in edible tissues. Zinc uptake and redistribution between shoot and root were determined following the application of six Zn doses to leaves (0, 0.01, 0.1, 0.5, 1, 10 mg Zn plant-1). Twelve putative genes encoding proteins involved in Zn transport (MsZIP1-7, MsZIF1, MsMTP1, MsYSL1, MsHMA4 and MsNAS1) were identified and the changes in their expression following foliar Zn application were quantified using newly designed RT-qPCR assays. Shoot and root Zn concentration was increased following foliar Zn applications ≥ 0.1 mg plant-1. Increased expression of MsZIP2, MsHMA4 and MsNAS1 in shoots, and of MsZIP2 and MsHMA4 in roots, was observed with the largest Zn dose. By contrast, MsZIP3 was downregulated in shoots at Zn doses ≥ 0.1 mg plant-1. Three functional modules were identified in the M. sativa response to foliar Zn application: genes involved in Zn uptake by cells, genes involved in vacuolar Zn sequestration and genes involved in Zn redistribution within the plant. These results will inform genetic engineering strategies aimed at increasing the efficiency of crop Zn biofortification.One-sentence summaryUpregulation of ZIP2, NASI and HMA4 and downregulation of ZIP3 are associated with Zn sequestration and shoot-to-root translocation in Medicago sativa following foliar Zn biofortification


Plants ◽  
2021 ◽  
Vol 10 (10) ◽  
pp. 2107
Author(s):  
Stacy D. Singer ◽  
Udaya Subedi ◽  
Madeline Lehmann ◽  
Kimberley Burton Burton Hughes ◽  
Biruk A. Feyissa ◽  
...  

Alfalfa (Medicago sativa L.) is an extensively grown perennial forage legume, and although it is relatively drought tolerant, it consumes high amounts of water and depends upon irrigation in many regions. Given the progressive decline in water available for irrigation, as well as an escalation in climate change-related droughts, there is a critical need to develop alfalfa cultivars with improved drought resilience. M. sativa subsp. falcata is a close relative of the predominantly cultivated M. sativa subsp. sativa, and certain accessions have been demonstrated to exhibit superior performance under drought. As such, we endeavoured to carry out comparative physiological, biochemical, and transcriptomic evaluations of an as of yet unstudied drought-tolerant M. sativa subsp. falcata accession (PI 641381) and a relatively drought-susceptible M. sativa subsp. sativa cultivar (Beaver) to increase our understanding of the molecular mechanisms behind the enhanced ability of falcata to withstand water deficiency. Our findings indicate that unlike the small number of falcata genotypes assessed previously, falcata PI 641381 may exploit smaller, thicker leaves, as well as an increase in the baseline transcriptional levels of genes encoding particular transcription factors, protective proteins, and enzymes involved in the biosynthesis of stress-related compounds. These findings imply that different falcata accessions/genotypes may employ distinct drought response mechanisms, and the study provides a suite of candidate genes to facilitate the breeding of alfalfa with enhanced drought resilience in the future.


2020 ◽  
Vol 66 (No. 3) ◽  
pp. 113-118
Author(s):  
Angelica Rivera-Martin ◽  
Martin R Broadley ◽  
Maria J Poblaciones

Agronomic zinc (Zn) biofortification of crops could help to alleviate dietary Zn deficiency, which is likely to affect more than one billion people worldwide. To evaluate the efficiency of agronomic Zn biofortification of broccoli, four application treatments were tested: no Zn application (control); soil application of 5 mg/kg ZnSO<sub>4</sub>·7 H<sub>2</sub>O (soil); two sprays (15 mL/pot each) of 0.25% (w/v) ZnSO<sub>4</sub>·7 H<sub>2</sub>O (foliar); and soil + foliar combination. Soil Zn application increased Zn-DTPA (diethylenetriamine pentaacetic acid) concentration by 3.7-times but did not affect plant growth or plant Zn concentration. Foliar Zn application increased stem + leaves and floret Zn concentration by 78 and 23 mg Zn/kg, respectively, with good bioavailability based on phytic acid concentration. Boiling decreased mineral concentration by 19%, but increased bioavailability by decreasing the phytic acid concentration. The entire broccoli could constitute a good nutritional source for animals and humans. An intake of 100 g boiled florets treated with the foliar treatment will cover about 36% of recommended dietary intake (RDI) of Zn, together with 30% of Ca, 94% of K, 32% of Mg, 6% of Na, 55% of P, 60% of S, 10% of Cu, 22% of Fe, 43% of Mn, and 35% of Se RDIs.


2018 ◽  
Vol 19 (10) ◽  
pp. 3169 ◽  
Author(s):  
Qiang Zhou ◽  
Dong Luo ◽  
Xutian Chai ◽  
Yuguo Wu ◽  
Yanrong Wang ◽  
...  

Cultivated alfalfa (Medicago sativa L.) is one of the most important perennial legume forages in the world, and it has considerable potential as a valuable forage crop for livestock. However, the molecular mechanisms underlying alfalfa responses to cold stress are largely unknown. In this study, the transcriptome changes in alfalfa under cold stress at 4 °C for 2, 6, 24, and 48 h (three replicates for each time point) were analyzed using the high-throughput sequencing platform, BGISEQ-500, resulting in the identification of 50,809 annotated unigenes and 5283 differentially expressed genes (DEGs). Metabolic pathway enrichment analysis demonstrated that the DEGs were involved in carbohydrate metabolism, photosynthesis, plant hormone signal transduction, and the biosynthesis of amino acids. Moreover, the physiological changes of glutathione and proline content, catalase, and peroxidase activity were in accordance with dynamic transcript profiles of the relevant genes. Additionally, some transcription factors might play important roles in the alfalfa response to cold stress, as determined by the expression pattern of the related genes during 48 h of cold stress treatment. These findings provide valuable information for identifying and characterizing important components in the cold signaling network in alfalfa and enhancing the understanding of the molecular mechanisms underlying alfalfa responses to cold stress.


1996 ◽  
Vol 76 (6) ◽  
pp. 821-831 ◽  
Author(s):  
Liya Yan ◽  
Ann Prentice ◽  
Bakary Dibba ◽  
Landing M. A. Jarjou ◽  
Dorothy M. Stirling ◽  
...  

The effect of long-term supplementation with CaCO3 on indices of Fe, Zn and Mg status was investigated in a randomized, double-blind intervention study of sixty lactating Gambian women. The supplement contained 1000 mg Ca and was consumed between meals 5 d/week, for 1 year starting 1.5 weeks postpartum. Compliance was 100%. Plasma ferritin concentration, plasma Zn concentration and urinary Mg output were measured before, during and after supplementation at 1.5, 13, 52 and 78 weeks postpartum. No significant differences in mineral status were observed at any time between women in the supplement and placebo group. Analysis of the longitudinal data series showed that plasma ferritin and Mg excretion were characteristic of the indivdiual (P < 0·001). Within individuals, ferritin concentration was higher at 1.5 weeks postpartum than later in lactation (P = 0.002). Plasma Zn concentration was lower at 1.5 weeks postpartum than at other tima (P < 0·001), an effect which disappeared after albumin correction. Low plasma concentrations of ferritin and Zn indicated that the Gambian women were at high risk of Fe and Zn deficiency. Measurements of α1-antichymotrypsin suggested that the results were not confounded by acute-phase responses. The results of the present study indicate that 1000 mg Ca as CaCO3 given between meals does not deleteriously affect plasma ferritin and Zn concentrations or urinary Mg excretion in women who are at risk of Fe and Zn deficiency


Author(s):  
Francisco Gavi Reyes ◽  
César Botello-Aguillón ◽  
Leonardo Tijerina-Chávez ◽  
Arturo Galvis-Spíndola ◽  
Rodrigo Roblero-Hidalgo

E Objetivo: Desarrollar un procedimiento para estimar biomasa con imágenes digitales captadas desde un dron y modelación 3D (ID-Dron-3D) aplicable en alfalfa (Medicago sativa L.) y avena forrajera (Avena sativa L.). Diseño/metodología/aproximación: Con una cámara digital acoplada al dron se obtuvieron imágenes antes de la cosecha de los cultivos, que fueron procesadas con software para luego estimar volumen de biomasa. En cada cultivo se midió altura de la planta y área cosechada, volumen aparente y real de biomasa, y peso de biomasa fresca y seca. Resultados: Con base en el análisis de regresión se obtuvieron modelos lineales a una p<0.05 para predecir: biomasa fresca en avena (R2=0.70) y alfalfa (R2 =0.47); y biomasa seca en avena (R2=0.78) y en alfalfa (R2=0.31) mediante ID-Dron-3D. Limitaciones del estudio/implicaciones: Considerando las R2 de los modelos obtenidos, los resultados en la avena forrajera fueron mejores, respecto a los detectados en alfalfa, lo cual se puede deber a la mayor variabilidad de la cobertura vegetal, ya que, en algunas unidades de muestreo, las plantas de alfalfa no cubrían completamente el suelo. Hallazgos/conclusiones: El rendimiento de biomasa fresca y seca de ambos cultivos se correlacionó significativamente con su respectivo volumen aparente estimado con imágenes digitales tomadas desde un dron y su procesamiento 3D (ID-Dron-3D).


Author(s):  
CC. Castillo-Águilar

Se comparó el uso de diferentes dietas con base en heno de alfalfa cultivada (Medicago sativa L.) en Campeche y su relación con un concentrado comercial y pasto Taiwán (Pennisetum purpureum), T1=concentrado comercial, T2=T1+heno de alfalfa, T3=T1+pasto Taiwán, T4=heno de alfalfa. Se evaluó el comportamiento productivo y metabólico de corderos en sistema intensivo utilizando 20 corderos machos con encaste de Pelibuey, Dorper y Black Belly de 12.5±1 kg de peso vivo (PV). Se midió el consumo de materia seca total (CMS), la ganancia diaria de peso (GDP), la conversión alimenticia (CA), y la digestibilidad in situ de la materia seca (DISMS). También fueron evaluados el pH, nitrógeno amoniacal (NH3) y la concentración de ácidos grasos volátiles (AGV) en líquido ruminal. La mejor GDP en gramos por día, de 234 g (p?0.05) se obtuvo en el T2; en contraste, el T3 mostró la menor GDP. La dieta que incluyó la mezcla de heno de alfalfa y concentrado mejoró significativamente las condiciones de las variables pH, NH3 y AGV (p?0.05).


Author(s):  
Galina Stepanova

The article describes the main morphological and biological features of alfalfa varieties included in the State register of breeding achievements approved for use in the Central Chernozem zone of Russia. A total of 32 alfalfa varieties are included in the State register. This is 9 varieties of blue alfalfa (Medicago sativa L. subsp. Sativa) of domestic selection and 8 foreign, 11 varieties of variable alfalfa (Medicago sativa L. nothosubsp. varia (Martyn) Arcang.) domestic selection and 1 variety of foreign and 3 varieties of yellow alfalfa (Medicago sativa L. subsp. falcata (L.) Arcang.). It shows the average and maximum yield of varieties determined in the process of state variety testing, as well as independent evaluation in research institutions in the region. Varieties of blue alfalfa of domestic selection Kevsala, Elena, Satellite, Vavilovskaya Yubileynaya were the most productive. The average yield of dry matter of these varieties reaches 8.4–9.2 t/ha, the maximum — 15.3–17.7 t/ha. Alfalfa varieties Timbale and Galaxy were the most productive among foreign varieties: the average yield of dry matter was 8.1 and 8.3 t/ha, the maximum – 15.5 and 17.2 t/ha. Varieties of alfalfa variable Vitalina and Vela provided an average yield of dry matter of 7.6 and 9.0 t/ha, the maximum yield reached 15.4 and 18.1 t/ha.


2008 ◽  
Vol 57 (1) ◽  
pp. 113-132 ◽  
Author(s):  
Attila Palágyi ◽  
Hamuda Hosam E. A. F. Bayoumi ◽  
Nikoletta Tóth ◽  
Mihály Kecskés

A szennyvíziszappal kezelt talajok minőségének meghatározásához elengedhetetlen a biológiai mutatók jellemzése. Jelen tanulmány célja az volt, hogy modellkísérlet segítségével megvizsgáljuk a talajokhoz (barna erdőtalaj és réti csernozjom) különböző arányban (0, 20, 40, 60 és 100% iszap:talaj) hozzáadott szennyvíziszap hatását a talaj pH-értékére, nedvességtartalmára és légzésére, valamint termőképességére (növényi szárazanyag-tartalom), enzimatikus tulajdonságaira és az ott élő mikrobiális közösségekre.Modellkísérletben, eltérő arányú iszap/talaj keveréken termesztettünk lucernát 63 napon keresztül. Mértük a relatív növényi szárazanyag-tartalmat, valamint a talaj pH-értékének és nedvességtartalmának a változását. Megvizsgáltuk továbbá a rizoszféra mikrobiális összetételét (aerob heterotróf baktériumok, aerob heterotróf spórások, cellulózbontók és foszfátoldók, fuorescens Pseudomonas ok, Sinorhizo-biummeliloti , aktinomicéták, fonalas gombák, valamint élesztők csíraszámát) és a különböző enzimek (FDA, dehidrogenáz, kataláz, ureáz, proteáz, foszfatáz, β-glükozidáz és aril-szulfatáz) aktivitását. Ugyancsak meghatároztuk a kibocsátott CO 2 alapján a talajlégzés mértékét.Eredményeink azt mutatják, hogy a szennyvíziszap hozzáadásával a talaj hosszabb ideig megőrizte nedvességtartalmát, mint a kontroll (100% talaj/0% iszap), valamint emelkedett a talaj pH-értéke is. A növények egészséges fejlődésén és növekedésén kívül, a legnagyobb növényi szárazanyag-tömeget is a nagy szennyvíziszap tartalmú minták (60–100% iszap) esetében mértük. A minták szennyvíziszap- koncentrációjának emelésével jelentősen nőtt a tenyészthető mikrobiális populációk sűrűsége is a lucerna rizoszférájában.A leggyakrabban előforduló baktériumok a következő genus okhoz tartoztak: Acinetobacter, Azotobacter, Bacillus, Brevundimonas, Cellulomonas, Chromo-bacterium, Corynebacterium, Enterobacter, Escherichia, Flavobacterium, Klebsiella, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Sinorhizobium, Serratia, Stenotrophomonas, Streptococcus, Streptomyces és Zooglea . A legmagasabb fonalasgomba-populációkat a barna erdőtalajban mértük, mindkét (hódmezővásárhelyi és nyíregyházi) szennyvíziszap jelenlétében. A leggyakoribb izolátumok az Altenaria, Aspergillus, Cephalosporium, Cladosporium, Fusarium, Geotrichum, Mucor, Penicillium, Rhizopusés _s


2012 ◽  
Vol 61 (2) ◽  
pp. 345-362
Author(s):  
Imre Kádár ◽  
Márk Rékási

Karbonátos Duna–Tisza közi homoktalajon vizsgáltuk a 0, 30, 90 és 270 kg·ha-1 mikroelem-terhelés hatását a lucernára a 2004 és 2008 közötti időszakban. A mikroelemek sóit egy ízben, a kísérlet indulásakor, 1995 tavaszán szórtuk ki Cr2(SO4)3, K2Cr2O7, CuSO4, Pb(NO3)2, Na2SeO3 és ZnSO4 formájában. A 6 elem×4 terhelési szint = 24 kezelés×3 ismétlés = 72 parcellát jelentett, 7×5 = 35 m2-es parcellákkal. A termőhely a homoktalajokra jellemzően rossz vízgazdálkodású, aszályérzékeny és az NPK főbb tápelemekkel gyengén ellátott. A szántott réteg 0,7–1,0% humuszt, 2–3% CaCO3-ot tartalmaz, a talajvíz 5–10 m mélyen található. Alaptrágyaként 100– 100–100 kg·ha-1 N, P2O5 és K2O hatóanyagot alkalmazunk évente az egész kísérletben. A lucerna telepítése előtt 2003 őszén 400 kg·ha-1 P2O5- és 600 kg·ha-1 K2O-adaggal előretrágyázást végeztünk. A N-trágyát továbbra is évente adagoltuk megosztva (ősszel és tavasszal fele-fele arányban). A főbb eredmények: – A talaj kielégítő NPK kínálata és a kedvező csapadékviszonyok hozzájárultak ahhoz, hogy a lucerna 5 éven át kielégítően fejlődött és összesen 45 t·ha-1 légszáraz szénatermést adott. A legkisebb hozamot (5,5 t·ha-1) az 1. év adta, a legnagyobb hozamokat (11, illetve 10 t·ha-1 ) a 2. és 3. évben kaptuk A kísérlet 10–14. éveiben a Cr(III)- és a Cr(VI)-szennyezés érdemi dúsulást nem okozott a lucerna hajtásában. A kontrolltalajon mért 0,1–0,5 mg·kg-1 Cr-koncentráció 1–2 mg·kg-1 értékre emelkedett átlagosan a szennyezett kezelésekben. Az elöregedő lucernában az évekkel a Cr-tartalom mérséklődött. A Cr(III) ion alapvetően megkötődött a feltalajban, míg a Cr(VI) ion döntően a 2–3 m-es talajmélységbe mosódott. – Az ólom és a réz a szántott rétegben maradt. A kontrolltalajon mért 0,2–0,4 mg·kg-1 Pb-koncentráció 0,5–1,4 mg·kg-1-ra emelkedett a szénában, szennyezett talajon, az évek átlagában. A réz 5–7-ről 9–10 mg·kg-1-ra nőtt a maximális Cu-terheléssel, az évek átlagait tekintve. A szelén extrém módon, átlagosan 3 nagyságrenddel dúsult a szénában. A kontrolltalajon az 1 mg·kg-1 méréshatár alatt maradt, míg a maximális terheléssel 200–400 mg·kg-1 értékre ugrott. A széna takarmányozási célra alkalmatlanná vált. Kevésbé szennyezett talajon a lucerna fitoremediációs célokra alkalmas lehet. Az 5 év alatt a 45,5 t·ha-1 szénatermésbe erősen szennyezett kezelésben 6–12 kg·ha-1 Se akkumulálódott. A 10–15 évvel korábban adott Na-szelenit alapvetően Ca-szelenáttá alakulhatott ezen a karbonátos, jól szellőzött talajon és 4 m mélységig kimosódott. A cink mérsékelt mobilitást mutatott. A kontroll-talajon mért 18–21 mg·kg-1 Zn-tartalom a 270 kg·ha-1 Zn-adaggal 25–31 mg·kg-1-ra emelkedett az évek átlagában. A Zn-terhelés tulajdonképpen a lucerna rejtett Zn-hiányát szüntette meg. – Az 5 év alatt a lucerna számításaink szerint 1580 kg N, 1177 kg Ca, 744 kg K (893 kg K2O), 145 kg Mg, 140 kg S, 133 kg P (305 kg P2O5); 0,1–12,6 kg Se; 2–3 kg Na; 0,8–1,3 kg Zn; 278–427 g Cu; 14–39 g Cr és 15–35 g Pb elemet épített be a 45 t föld feletti hajtásába. A felvett nitrogén több mint 2/3-a a levegőből származhatott. A talajkimerülés kérdése felmerül a tartós lucernatermesztés során. A K-hiányos termőhelyeken elsősorban a K, a kilúgzott talajokon a Ca pótlásáról gondoskodni szükséges a telepítés előtt. Hasonló viszonyokat feltételezve elvileg az Pb fitoremediációja 65 ezer, a Cr 50 ezer, a Cu 7560, a Zn 2885, a Se 105 ilyen „lucernaévet” igényelne. A lucerna tehát elvileg alkalmas lehet a szelénnel mérsékelten szennyezett talaj tisztítására. – Az 5 m mélységig végzett mintavételek adatai szerint 2006-ban (a kísérlet 12. éve után) a Cr(VI) kimosódási zónája meghaladta a 3 m, míg a Se kilúgzása a 4 m mélységet a 270 kg·ha-1 kezelésekben. A Cr(III), Pb, Zn és Cu elemeknél a vertikális elmozdulás nem volt igazolható. – Korábbi adatainkat és a lucerna élettani optimumait is figyelembe véve az 1 t tervezhető szénatermés úgynevezett fajlagos elemtartalmának irányszámait 35-7-25-30-5 = N-P2O5-K2O-CaO-MgO kg·t-1 értékben javasoljuk a hazai szaktanácsadás számára bevezetni.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document