DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1665967
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41079324
تاريخ النشر: 2025-09-24
المؤلف: Juan B. Fontanet‐Manzaneque وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
يتناول القسم التهديد المتزايد للجفاف بسبب تغير المناخ ويسلط الضوء على Sorghum bicolor (L.) Moench كنموذج واعد لأبحاث الجفاف. يعتبر السورغم، وهو عشب أحادي الفلقة من نوع C4، متحملًا طبيعيًا لندرة المياه ومناسبًا تمامًا للزراعة في المناطق شبه الجافة والجافة، حيث يتطلب كمية أقل بكثير من المياه مقارنةً بالحبوب الرئيسية مثل الأرز والذرة والقمح. على وجه التحديد، يستخدم السورغم ما يصل إلى 34% أقل من المياه مقارنةً بالأرز في الظروف المعتمدة على الأمطار وما يصل إلى 50% أقل تحت الري، مما يشير إلى أن استبدال الأرز بالسورغم يمكن أن يقلل من الطلب الكلي على المياه بنسبة 33%. يعزز نموه المضغوط والتشابه الجيني مع الذرة من فائدته للدراسات التجريبية، لا سيما في تحرير الجينوم.
تؤكد المراجعة على التقدم في تقنيات الأوميكس المختلفة—الميتابولوميات، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات، والفينوميات، وعلم الجينوم السكاني، وعلم الجينوم الشامل—التي تعزز فهمنا للآليات الجزيئية والفسيولوجية وراء مقاومة السورغم للجفاف. على الرغم من مزاياها، لا تزال التحديات مثل كفاءة التحويل والأدوات الجينية المحدودة قائمة. تهدف الورقة إلى توضيح آليات تحمل السورغم للجفاف، والموارد الجينية المتاحة، والتقدم في تعديل الجينات، مما يضع السورغم كنظام حيوي لتطوير المحاصيل المقاومة لتغير المناخ.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير المتزايد لتغير المناخ على الأمن الغذائي، لا سيما من خلال زيادة تكرار الأحداث المناخية المتطرفة مثل موجات الحرارة والجفاف، التي تفاقمت منذ الخمسينيات. يُحدد الجفاف كالعائق الرئيسي أمام إنتاج المحاصيل، مما يتسبب في خسائر سنوية كبيرة تُقدر بـ 30 مليار دولار، حيث تكون المحاصيل الحبوب مثل الذرة والقمح والأرز والسورغم عرضة بشكل خاص. يزيد التوقع بزيادة السكان العالمي إلى ما بين 9.7 و10.9 مليار بحلول نهاية القرن من الطلب على الغذاء، مما يتطلب تطوير محاصيل يمكنها تحمل هذه التحديات البيئية.
يتم تقديم Sorghum bicolor كمرشح واعد لمواجهة هذه التحديات بسبب تحمله للجفاف، وقيمته الغذائية، وإمكاناته كمحصول للطاقة الحيوية. يُلاحظ أنه يحتوي على نسبة عالية من البروتين ومتطلبات مياه أقل مقارنةً بالمحاصيل التقليدية مثل الأرز، مع إمكانية تقليل الطلب على المياه بنسبة 33% مع زيادة إنتاج البروتين. بالإضافة إلى ذلك، فإن الصفات الجينية والفسيولوجية للسورغم، بما في ذلك جينومه الثنائي الصبغيات الصغير نسبيًا وقابليته للدراسات الفسيولوجية، تضعه كنظام نموذجي فعال للبحث في التكيف مع الجفاف وتعزيز استراتيجيات تحسين المحاصيل التي تهدف إلى تعزيز الأمن الغذائي العالمي.
مناقشة
تسلط المناقشة حول آليات تحمل السورغم للجفاف الضوء على قدرة المحصول على الازدهار في البيئات المحدودة بالمياه من خلال مجموعة من التكيفات الشكلية والفسيولوجية والجينية. تشمل الصفات الفسيولوجية الرئيسية صفة البقاء الأخضر (Stg)، التي تسمح للسورغم بالاحتفاظ بالأوراق النشطة ضوئيًا خلال الجفاف بعد الإزهار، مما يمدد فترة ملء الحبوب. ترتبط هذه الصفة بأربعة مواقع رئيسية للصفات الكمية (QTLs)، حيث يُعتبر Stg2 مهمًا بشكل خاص لأنه يمثل جزءًا كبيرًا من التباين الظاهري في الأنماط الجينية الباقية خضراء. بالإضافة إلى ذلك، تعزز مسار التمثيل الضوئي من نوع C4 للسورغم من مقاومته للجفاف من خلال تقليل فقدان المياه وتحسين كفاءة استخدام الكربون، مدعومًا بتشريح ورقي متخصص يعرف باسم تشريح كرانز.
يكون تأثير إجهاد الجفاف على السورغم عميقًا، حيث يؤثر على مراحل التطور المختلفة ويؤدي إلى خسائر كبيرة في الغلة، لا سيما خلال المرحلة التناسلية. لا يقلل الجفاف من الغلة الإجمالية فحسب، بل يؤثر أيضًا سلبًا على جودة الحبوب ومحتوى العناصر الغذائية. للتخفيف من هذه الآثار، فإن تطوير أصناف مقاومة للجفاف أمر ضروري، باستخدام استراتيجيات مثل الاختيار المعزز بالعلامات واستغلال الصفات الباقية خضراء. علاوة على ذلك، فإن التنوع الجيني من الأصناف المحلية والأقارب البرية يمثل موردًا غير مستغل لتعزيز مقاومة الجفاف. إن دمج نهج الأوميكس المتعددة، بما في ذلك علم الجينوم، والترانسكريبتوميات، والميتابولوميات، أمر حاسم لتحديد الأساس الجيني لتحمل الجفاف وتسهيل تربية أصناف السورغم المقاومة.
القيود
تنبع قيود تحويل السورغم بشكل أساسي من مقاومته في زراعة الأنسجة، والتي تُعزى إلى تراكم المركبات الفينولية والاعتماد الكبير على النمط الجيني. يتفاقم تراكم الفينولات خلال عدوى Agrobacterium tumefaciens واختيار الفوسفينوثريسين، مما يؤدي إلى استجابات إجهاد تؤدي إلى إطلاق الفينولات السامة، مما يهدد بقاء الخلايا. تم استخدام استراتيجيات مختلفة للتخفيف من هذه المشكلة، بما في ذلك فترات زراعة فرعية قصيرة، وإضافة بولي فينيل بولي بيروليدون، وأنظمة اختيار بديلة مثل المانوز والجينيك. بالإضافة إلى ذلك، أظهر استخدام الفحم النشط والمعالجة الباردة للبذور غير الناضجة وعدًا في تقليل المركبات الفينولية وتعزيز بقاء الأنسجة وتكوين الكالس.
يمثل الاعتماد على النمط الجيني حاجزًا حاسمًا آخر، حيث تختلف معدلات تحفيز الكالس والتجديد بشكل كبير بين أصناف السورغم المختلفة، حيث تظل العديد من السلالات النخبوية غير مستجيبة بشكل جيد لطرق التحويل المعمول بها. ومع ذلك، فإن التقدم في المنهجيات التي تهدف إلى تقليل سمية الفينولات وتحسين تكرار التجديد قد سهل تحويل الأصناف النخبوية التي كانت غير قابلة للتحويل سابقًا. إن معالجة كل من تراكم الفينولات ومقاومة النمط الجيني أمر ضروري لتعظيم إمكانات السورغم كنظام نموذجي ومحصول مرن للزراعة المتكيفة مع المناخ.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1665967
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41079324
Publication Date: 2025-09-24
Author(s): Juan B. Fontanet‐Manzaneque et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The section discusses the increasing threat of drought due to climate change and highlights Sorghum bicolor (L.) Moench as a promising model for drought research. Sorghum, a C4 monocot grass, exhibits natural tolerance to water scarcity and is well-suited for cultivation in semi-arid and arid regions, requiring significantly less water than major cereals like rice, maize, and wheat. Specifically, Sorghum utilizes up to 34% less water than rice in rainfed conditions and up to 50% less under irrigation, suggesting that substituting rice with Sorghum could reduce overall water demand by 33%. Its compact growth and genetic similarity to maize enhance its utility for experimental studies, particularly in genome editing.
The review emphasizes the advancements in various omics technologies—metabolomics, transcriptomics, proteomics, phenomics, population genomics, and pangenomics—that are enhancing our understanding of the molecular and physiological mechanisms behind Sorghum’s drought resilience. Despite its advantages, challenges such as transformation efficiency and limited genomic tools persist. The paper aims to elucidate Sorghum’s drought tolerance mechanisms, available genetic resources, and the progress in gene manipulation, positioning Sorghum as a vital system for developing climate-resilient crops.
Introduction
The introduction highlights the escalating impact of climate change on food security, particularly through increased frequency of extreme weather events like heatwaves and droughts, which have intensified since the 1950s. Drought is identified as the primary constraint on crop yields, causing significant annual losses estimated at $30 billion, with cereal crops such as maize, wheat, rice, and sorghum being particularly vulnerable. The projected global population increase to between 9.7 and 10.9 billion by the century’s end further exacerbates food demand, necessitating the development of crops that can withstand these environmental challenges.
Sorghum bicolor is presented as a promising candidate for addressing these challenges due to its drought tolerance, nutritional value, and potential as a bioenergy crop. It is noted for its high protein content and lower water requirements compared to traditional crops like rice, with the potential to reduce water demand by 33% while increasing protein production. Additionally, sorghum’s genetic and physiological traits, including its relatively small diploid genome and amenability to physiological studies, position it as an effective model system for researching drought adaptation and enhancing crop improvement strategies aimed at bolstering global food security.
Discussion
The discussion on sorghum’s drought tolerance mechanisms highlights the crop’s ability to thrive in water-limited environments through a combination of morphological, physiological, and genetic adaptations. Key physiological traits include the stay-green trait (Stg), which allows sorghum to retain photosynthetically active leaves during post-flowering drought, thereby extending the grain-filling period. This trait is linked to four major quantitative trait loci (QTLs), with Stg2 being particularly significant as it accounts for a substantial portion of the phenotypic variance in stay-green genotypes. Additionally, sorghum’s C4 photosynthetic pathway enhances its drought resilience by minimizing water loss and improving carbon-use efficiency, aided by specialized leaf anatomy known as Kranz anatomy.
The impact of drought stress on sorghum is profound, affecting various developmental stages and leading to significant yield losses, particularly during the reproductive phase. Drought not only reduces overall yield but also adversely affects grain quality and nutrient content. To mitigate these effects, the development of drought-tolerant cultivars is essential, utilizing strategies such as marker-assisted selection and the exploitation of stay-green traits. Furthermore, genetic diversity from landraces and wild relatives presents an underutilized resource for enhancing drought resistance. The integration of multi-omics approaches, including genomics, transcriptomics, and metabolomics, is crucial for identifying the genetic basis of drought tolerance and facilitating the breeding of resilient sorghum varieties.
Limitations
The limitations of Sorghum transformation primarily stem from its recalcitrance in tissue culture, attributed to the accumulation of phenolic compounds and significant genotype dependence. Phenolic accumulation is exacerbated during Agrobacterium tumefaciens infection and phosphinothricin selection, which induce stress responses that lead to the release of toxic phenolics, thereby compromising cell viability. Various strategies have been employed to mitigate this issue, including short subculture intervals, the addition of polyvinylpolypyrrolidone, and alternative selection systems such as mannose and geneticin. Additionally, using activated charcoal and cold pretreatment of immature seeds has shown promise in reducing phenolic compounds and enhancing explant survival and callus formation.
Genotype dependence presents another critical barrier, as callus induction and regeneration rates vary significantly among different Sorghum varieties, with many elite strains remaining poorly responsive to established transformation methods. However, advancements in methodologies aimed at reducing phenolic toxicity and improving regeneration frequencies have facilitated the transformation of previously untransformable elite varieties. Addressing both phenolic accumulation and genotype recalcitrance is essential for maximizing Sorghum’s potential as a model system and a resilient crop for climate-adaptive agriculture.