48
Carbon Isotope Discrimination as a Selection Criterion for Improved Water-Use Efficiency in Agricultural Crops By Dr. Ali Abdullah Alderfasi Professor of Crop Physiology Plant Production Department King Saud University First Semester 1434 ي ئ ما ل ا لاك ه ستلا ا اءة ف ك ن سي ح ت ل ة ي$ ب ا خ ت ب) ا ة ف ص ك ة ي ب و. ب ر لك ر ا ئ ا4 ظ ن ل دام ا خ ت س) ا ة ي ع را ز ل ل ا ي ص خا م ل ا ي ف

إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي في المحاصيل الزراعية

  • Upload
    marja

  • View
    27

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي في المحاصيل الزراعية. Carbon Isotope Discrimination as a Selection Criterion for Improved Water-Use Efficiency in Agricultural Crops By Dr. Ali Abdullah Alderfasi Professor of Crop Physiology Plant Production Department - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Carbon Isotope Discrimination as a Selection Criterion for Improved Water-Use Efficiency in

Agricultural Crops

By

Dr. Ali Abdullah Alderfasi

Professor of Crop PhysiologyPlant Production Department

King Saud UniversityFirst Semester 1434

االستهالك كفاءة لتحسين إنتخابية كصفة الكربونية النظائر إستخدام المائيالزراعية المحاصيل في

Page 2: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Introduction

Nutrient and water management practices are the main factors affecting in increasing crop production in arid /semi-arid areas.

Carbon isotope discrimination (CID ) has been proposed as physiological criterion for predicting water use efficiency (WUE) in crops and trees.

Selection for improved WUE through analysis of carbon isotopes will be most useful in selection for maintenance of growth under drought environments such as Saudi Arabia

Page 3: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

The isotopic ratio of 13C to 12C in plants tissue is less than the isotopic ratio of 13C to 12C in the atmosphere, indicating that plants discriminate against 13C during photosynthesis.

Such discrimination against 13C (i.e., difference between 13C and 12C, expressed as delta δ13C) in plant tissues (leaves and grains) has been successfully used in the selection of drought resistant in barley, wheat, rice and peanut and many other crops and trees under water-limited environments.

In contrast, for well-water environments , many positive genotypic correlations have been reported between delta and grain yield indicating potential value in selecting for greater delta in these environments.

Page 4: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

(http://www.fertilizer.org/ifa/Form/pub_position_papers_8.asp)

Water needed for food production(Liters of water per kilogram of food)

Page 5: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Terrestrial abundance of the stable isotopes of some important

elements used in ecological studies.

Element Isotope* Avg. abundance (%)

Hydrogen 1H 99.985

Hydrogen 2H 0.015

Carbon 12C 98.89

Carbon 13C 1.11

Carbon (Radioactive isotope) 14C Part per Trillion

Oxygen 16O 99.759

Oxygen 17O 0.037

Oxygen 18O 0.205

* Isotopes are atoms with same # protons but different # neutrons.

Page 6: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

* The isotopic ratio of 13C to 12C in plant tissue is less than the isotopic ratio of 13C to 12C in the atmosphere, indicating that plants discriminate against 13C during photosynthesis

Theory

Page 7: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

*Scientific Bases:*Scientific Bases:

Page 8: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

WUE in plants can be measured by the following methods:-

1) Physiological Method: WUE = A/T or A/gs

2)Agronomic Method: WUE = Plant Productivity/ET

3)Use of Carbon Isotopic Discrimination (CID) as Indirect Method: D = 4.4 + 22.6(Ci / Ca)

Selection for improved WUE through analysis of carbon isotopes will be most useful in selection for maintenance of growth under drought environments

Page 9: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية
Page 10: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية
Page 11: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية
Page 12: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية
Page 13: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية
Page 14: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

transpirationrate

water stress

humidity

photon fluxcanopy leaf areaCO2

leafconductance

ci

ca

productivity

Growth, reproductive output

photosynthetic rate

Nitrogen

Woody Plants: C3

Environmental causes of 13C variation

Page 15: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

•Variation in discrimination against 13C during photosynthesis is due to both stomata limitations and enzymatic processes.

* Theoretical and empirical studies have demonstrated that carbon isotope discrimination is highly correlated with plant water use efficiency

Page 16: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

* Analysis of carbon isotope discrimination has conceptual and practical advantages over measuring water use efficiency by instantaneous measurements of gas exchange or whole-plant harvests.

* Moreover, in woody plants, carbon isotope discrimination can be determined on annual ring samples, providing a historical analysis of plant response to environmental conditions

Page 17: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Carbon isotope measurements

* samples are easily collected, and processed,and large numbers of samples may be collected in diverse environments.

Page 18: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Natural Abundance TerminologyNatural Abundance Terminology

Isotopic Ratio

13C/12C (R)

Delta notation

Units (‰) Parts per thousand or “per mil”

Isotope Common of AbundanceIsotope Rare of AbundanceR

10001

standard

sample

R

R

Page 19: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

13C = (Rsample/Rstd – 1) x 1000

R = molar ratio of heavy / light isotope (e.g., 13C/12C)

This gives “delta” notation in “per mil” (‰)

Page 20: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Isotopic compositionIsotopic composition

10001/

/

tan1213

121313 x

CC

CCC

dards

sample

V-PDB standard 0 ‰ by definition CO2 in air -8 ‰ (-7 to -15 ‰ ) C3 plant biomass -24 to -30 ‰ Respired CO2 -24 to -30 ‰

per mil

Page 21: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Carbon Isotope Discrimination Carbon Isotope Discrimination a measure of Intrinsic Water-Use Efficiencya measure of Intrinsic Water-Use Efficiency

WUE Ag

Ci Cain trin sic

( ).1 6

a

i

c

caba )(

Where a = 4.4 (diffusion of CO2); b = ~27 (enzymatic fractionation), ci internal [CO2], ca = ambient [CO2]

∆ = 4.4 + 22.6(Ci /Ca)

Page 22: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

* The rate of diffusion of 13CO2 across the stomatal pore

is lower than that of 12CO2 by a factor of 4.4‰.

* Additionally, there is an isotope effect caused by the preference of ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco) for 12CO2 over 13CO2 (by a factor of ~27‰). In

both cases, the processes discriminate against the heavier isotope, 13C (Farquhar et al. 1989).

Page 23: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

* Based on the work of Farquhar the linkage between discrimination against 13C during photosynthesis and water use efficiency may be demonstrated by the following relationships.

The stable isotope ratio (d13C) is expressed as the 13C/12C ratio relative to a standard (PeeDee Belemnite) (Craig 1957). The resulting d13C value may be used to estimate isotope discrimination (D) as:

D= (da – dp)/(1+ dp)

Page 24: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Where dp is the isotopic composition of the plant material

and da is that of the air (assumed to be 8‰). As CO2

assimilation (A) increases or stomatal conductance (gs)

decreases, intercellar CO2 decreases resulting in

decreased discrimination against 13C. The relationship between ci and D is represented by the model of

Farquhar et al (1982):

D = 4.4 + 22.6(ci/ca)

Where ci is the intercellular CO2 and ca is atmospheric

CO2 ( ≈ 355 ppm).

Page 25: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Empirical relationships between D and WUE

Water use efficiency may be estimated from measurements of dry weight accumulation over time relative to amount of water transpired (transpiration efficiency, TE) or by measurements of gas exchange (instantaneous water use efficiency, WUEi).

Page 26: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

The amount of isotopic discrimination that occurs during assimilation may be compared by D or d13C. Carbon isotope discrimination (D) may be intuitively easier to grasp but cannot be calculated if atmospheric d13C is not known or cannot be assumed to be equal to ambient (e.g., growth chamber experiments).

Page 27: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Instantaneous WUE may be calculated as the ratio of assimilation to stomatal conductance or transpiration (A/gs or A/E). Because E is a function of both gs and

vapor pressure deficit, A/g is sometimes referred to as intrinsic water use efficiency. Based on the relationships described above, D is linked to WUEi through the effects

of A and gs on ci. As WUEi increases due to stomatal

closure (decrease gs) or an increase in A, intercellular

CO2 declines and discrimination decreases. Therefore,

WUEi is inversely related to D and positively related to dC13.

Page 28: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

• A strong correlation between D or d13C and ci/ca or

WUEi has been reported for numerous crop and tree species.

• Johnson et al. (1993) reported that correlations between D and A/g ranged between –0.77 and –0.91 for crested wheat grass in a series of greenhouse and field studies. In the same trials the correlation between D and transpiration efficiency ranged between –0.73 and –0.94.

Page 29: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

In a study of western larch (Larix occidentalis Nutt.) seedlings, Zhang and Marshall (1994) found that D was significantly (P<0.0001) correlated with transpiration efficiency (r= -0.85) and instantaneous water use efficiency (r = -0.70).

Page 30: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

The correlation between water use efficiency and D has been extensively studied in several crops including:

1) common bean (Phaseolus vulgaris L.) (Ehleringer

1990, Ehleringer et al. 1991).

2) wheat (Triticum aestivum L.) (Farquhar and Richards 1984 and Condon et al. 1990).

Genetic variation in D

Page 31: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

3) peanut (Arachis hypogea L.) (Hubick et al. 1986 and Wright et al. 1994).

4) barley (Hordeum vulgare L.) (Acevedo 1993), 5) cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) (Ismail et al. 1994).

Page 32: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Figure 1. Figure 1. Relationship between Relationship between 1313C discrimination of seeds and WUE C discrimination of seeds and WUE barley under water stress.barley under water stress.

Page 33: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Figure 2. Figure 2. Relationship between Relationship between 1313C discrimination of leaves and WUE C discrimination of leaves and WUE barley under water stress.barley under water stress.

Page 34: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

FigureFigure 3. 3. Relationship between Relationship between 1313C discrimination of seeds and aerial C discrimination of seeds and aerial dry matter of barley under water stress.dry matter of barley under water stress.

Page 35: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Figure 4. Figure 4. Relationship between Relationship between 1313C discrimination of seeds and grain C discrimination of seeds and grain yield of 6-row barley under water stress.yield of 6-row barley under water stress.

Page 36: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Advantages of D as a selection criteria for improved WUE

1) Carbon isotope discrimination has several conceptual and logistical advantages to screening for drought tolerance based on TE or WUEi.

2) Carbon isotope discrimination integrates ci/ca

over the time the sampled tissue was formed.

Page 37: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

3) Measurements of D are much less time and labor intensive than calculation of whole plant water use and dry weight data needed to calculate TE.

In contrast, WUEi measured by gas exchange provides ‘snapshots’ of A/g or A/E and may not be representative of overall WUE.

Page 38: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

4) One particular advantage of using isotope analysis in trees is that isotope discrimination can be determined on annual rings from increment cores (Livingston and Spittlehouse 1993, MacFarlane et al. 1999).

Thus, D or d13C can be determined across the range of climatic conditions that may have occurred over the life of the tree (e.g., drought versus wet years

Page 39: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

5) Age:age correlations are generally high for isotope discrimination indicating a high degree of reproducibility in values and low genotype x environment (G x E) interactions associated with variation in precipitation (Hall et al. 1994).

Page 40: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

6) D may be also correlated with productivity. Height growth of ponderosa pine seed sources was significantly (P<0.05, r=0-81) correlated with D, indicating that sources with increased water use efficiency grew faster.

Page 41: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

These studies suggest that genetic variation in D may be sufficient to be useful as a selection criterion for improved water use efficiency in Agricultural crops.

Page 42: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

While the use of isotope discrimination clearly has advantages over other assessments of water use efficiency, there are several factors that need to be considered in evaluating its use in a selection program.

1) Location 2) Plant Height 3) Plant Canopy 4) Branch length 5) Plant phonology 6) Hydraulic Conductivity 7) Cost

Potential pitfalls and limitations

Page 43: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Johnsen et al. (1999) found an extremely tight relationship (r=-0.97) between breeding values for tree height and D in black spruce. The negative relationship between discrimination values and growth suggests that genetic variation D is attributable to variation in photosynthetic capacity.

Plant Height

Page 44: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Plant Canopy

Re-fixing of respired carbon can affect the carbon isotope signal of under story foliage. In forest stands, CO2 concentrations increase near the ground due to

efflux of soil respired CO2. The isotopic composition

of respired air differs form the bulk atmosphere

Page 45: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Hydraulic conductivity and branch length

Several recent investigations (Panek and Waring, 1995, Panek 1996, Walcroft et al. 1996, Warren and Adams 2000) have demonstrated the importance of branch length and hydraulic conductivity in determining the carbon isotope signature in the foliage of trees.

Isotope discrimination is related to hydraulic conductivity because stomata close in response to increasing tension in the xylem (Irvine et al. 1999).

Page 46: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Importance of phonology

plant phonology or the timing of growth can play a role in interpreting carbon isotope data.

Cregg et al. (2000) compared D values among four diverse seed sources of ponderosa pine grown at two locations in the Great Plains; Plattsmouth, NE and Norman, OK. Analysis of growth patterns among the seed sources indicated significant differences in phonology.

Page 47: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

Cost The cost of carbon isotope sampling varies depending up the laboratory, the level of processing, and type of sample. Some laboratories vary their fees depending on the type of organization, giving a discount to universities and other non-profit agencies. In general, costs range from $15 to $60 with an average cost for non-profits around $20 for standard oven-dried and ground tissue.

Page 48: إستخدام النظائر الكربونية كصفة إنتخابية لتحسين كفاءة الاستهلاك المائي  في المحاصيل الزراعية

From the foregoing discussion we may conclude the following. The carbon isotope composition of plant tissue:

•Is physiologically linked and correlated with WUE and TE •Varies significantly among genotypes in many crops and trees •Is stable across years and moisture regimes •Can be used to rapidly sample a large number of genotypes in multiple locations •Can be used to sample physiological response to past environments in trees using increment cores or past year’s foliage

Conclusion