Integrated study on the natural variation in Arabidopsis thaliana responses to alkaline salinity6

Abstract

Més del 20% de l’àrea mundial cultivable està afectada per estrès per salinitat alcalina, mentre que el 98% de les plantes es defineixen com a glicòfites – incapaces de desenvolupar-se sota condicions de salinitat. En l’actual context de canvi climàtic, on la creixent escassetat d’aigua per al reg i l’augment constant de les temperatures en són dos grans condicionants, la salinitat del sòl suposa una forta amenaça per a l’agricultura. El principal objectiu del present treball de recerca ha estat definir i caracteritzar la variació natural existent en la resposta a la salinitat, tant en sòl silici com calcari, de diferents poblacions naturals de la planta model Arabidopsis thaliana. Com que es tracta d’un caràcter clau dins del desenvolupament vegetal, es va analitzar la base genètica de la variació en el temps de floració present en un grup de poblacions locals d’A. thaliana mitjançant el genotipat dels dos principals reguladors de la floració (FRI i FLC) i la realització d’escàners de divergència genòmica. Mitjançant aquests anàlisis, es van detectar regions genòmiques divergents entre ambdós grups, mapejant FRI i 3 gens més descrits pel seu paper regulador de FLC, la qual cosa dóna suport a la presència de diferents patrons de pressió selectiva dins la col·lecció d’estudi. Amb el propòsit de detectar quin factor ambiental resulta en cada procés selectiu, els escàners genòmics es van complementar amb anàlisis d’associació genoma-ambient i genoma-fenotip. Per a fer-ho, es van utilitzar dades del perfil ionòmic de cada sòl d’origen, juntament amb dades del perfil nutricional foliar de totes les poblacions d’estudi, sota estrès per salinitat alcalina. Es van identificar candidats potencialment involucrats en el desenvolupament de mecanismes de tolerància a estrès per salinitat alcalina, codificants de transportadors fitohormonals (NPF6.2 i SUE4), de potassi (KAT1 i KEA5) i de ferro (YSL2), així com reguladors de la reserva cel·lular de calci (ACA2) i de l’acidificació de compartiments intracel·lulars (VAB2 and VHA-c1). La variació obtinguda en la resposta nutricional i de creixement de les poblacions destudi conduí a la selecció d’una mostra de 4 poblacions contrastades per al seu anàlisi transcriptòmic. Mitjançant la combinació de dades fisiològiques, perfils nutricionals i de metabòlits secundaris, i seqüenciació d’RNA, es van descriure les convergències i divergències a les vies de resposta a la salinitat neutra i alcalina de cada població. Els resultats ressaltaren la importància dels mecanismes reguladors de l’estat nutricional de ferro per al manteniment de l’eficiència fotosintètica i el balanç de carboni sota salinitat alcalina. Finalment, el paper de la salinitat alcalina com a agent selectiu per a l’adaptació local es va avaluar en un rang geogràfic més extens mitjançant Estudis d’Associació del Genoma Complet (GWAS) en una col·lecció de 270 poblacions naturals d’A. thaliana crescudes en un sòl calcari salí. Els resultats obtinguts de l’associació entre la variació genòmica i la variació en els perfils nutricionals en fulla van revelar la presència de variants al·lèliques de NINJA i YUC8 causants de l’acumulació diferencial de sodi, i d’ALA3 amb efectes en l’acumulació diferencial de ferro en fulla. En conjunt, mitjançant la integración de tècniques d’anàlisi genòmiques, transcriptòmiques, fisiològiques i d’associació ambiental, aquest estudi proporciona informació d’utilitat per a un millor coneixement dels mecanismes de tolerància a la salinitat alcalina, així com de dianes clau per a la millora de cultius sobre sòls calcaris i salins.

Más del 20% del área mundial cultivable está afectada por estrés por salinidad alcalina, mientras que el 98% de las plantas se definen como glicófitas – incapaces de desarrollarse bajo condiciones de salinidad. En el actual contexto de cambio climático, donde la creciente escasez de agua para el riego y el constante aumento de las temperaturas son dos grandes condicionantes, la salinidad del suelo supone una fuerte amenaza para la agricultura. El principal objetivo del presente trabajo de investigación ha sido el de definir y caracterizar la variación natural existente en la respuesta a la salinidad, tanto en suelo silíceo como calcáreo, de diferentes poblaciones naturales de la planta modelo Arabidopsis thaliana. Por tratarse de un carácter clave dentro del desarrollo vegetal, se analizó la base genética de la variación en el tiempo de floración presente en un grupo de poblaciones locales de A. thaliana mediante el genotipado de los dos principales reguladores de la floración (FRI y FLC) y la realización de escáneres de divergencia genómica. Mediante dichos análisis, se detectaron regiones genómicas divergentes entre ambos grupos, mapeando a FRI y a otros 3 genes descritos por su papel regulador de FLC, lo que apoya la presencia de distintos patrones de presión selectiva dentro de la colección de estudio. Con el propósito de detectar qué factor ambiental resulta en cada proceso selectivo, los escáneres genómicos se complementaron con análisis de asociación genoma-ambiente y genomafenotipo. Para ello, se usaron datos del perfil ionómico de cada suelo de origen, junto con datos del perfil nutricional foliar de todas las poblaciones de estudio, tras su tratamiento con estrés por salinidad alcalina. Se identificaron candidatos potencialmente involucrados en el desarrollo de mecanismos de tolerancia a estrés por salinidad alcalina fueron identificados, que codifican a transportadores fitohormonales (NPF6.2 y SUE4), de potasio (KAT1 y KEA5) y de hierro (YSL2), así como reguladores de la reserva celular de calcio (ACA2) y de la acidificación de compartimentos intracelulares (VAB2 and VHA-c1). La variación obtenida en la respuesta nutricional y de crecimiento de las poblaciones de estudio al xvi tratamiento por salinidad neutra y alcalina llevó a la selección de una muestra de 4 poblaciones contrastadas para su análisis transcriptómico. Mediante la combinación de datos fisiológicos, perfiles nutricionales y de metabolitos secundarios, y secuenciación de RNA, se describieron las convergencias y divergencias en las vías de respuesta a la salinidad neutra y alcalina de cada población. Además, se enfatizó la importancia de los mecanismos reguladores del estado nutricional de hierro para el mantenimiento de la eficiencia fotosintética y el balance de carbono bajo salinidad alcalina. Finalmente, el papel de la salinidad alcalina como agente selectivo para la adaptación local se evaluó en un mayor rango geográfico mediante Estudios de Asociación del Genoma Completo (GWAS) en una colección de 270 poblaciones naturales de A. thaliana crecidas en un suelo calcáreo salino. Los resultados obtenidos de la asociación entre la variación genómica y la variación en los perfiles nutricionales en hoja revelaron la presencia de variantes alélicas de NINJA y YUC8 causantes de la acumulación diferencial de sodio, y de ALA3 con efectos en la acumulación diferencial de hierro en hoja. En conjunto, mediante la integración de análisis genómicos, transcriptómicos, fisiológicos y de asociación ambiental, el presente estudio proporciona información de utilidad para un mejor conocimiento de los mecanismos de tolerancia a salinidad alcalina, así como de dianas clave para la mejora de cultivos sobre suelos calcáreos y salinos.

More than 20 % of world’s cultivated area is affected by alkaline salinity stress, but 98% of plants are glycophytes – unable to successfully grow under salinity. In a scenario of decreased availability of irrigation water and temperature increase, soil salinity poses a major agricultural threat. The focus of this research was to better understand natural variation existing in the responses of Arabidopsis thaliana to salinity on siliceous and calcareous soils. The transition to flowering is a key adaptive developmental trait, and crop improvement techniques are irrevocably tied to it. For the detection of adaptation processes in genes regulating flowering time, genotyping of major flowering regulators, and analyses of whole genome sequence variation between groups of local Arabidopsis thaliana populations with contrasted flowering time were conducted. These analyses revealed genomic divergence between early and late flowering individuals at the FRI locus and at 3 other loci reported as FLC regulators, which provides evidence of different potential selective patterns within the studied collection. To seek for alkaline salinity characteristic traits shaping genomic diversity in the studied demes, divergence scans were complemented with Environmental and Phenotypic Genome Wide Association analyses, which provided promising candidates for enhanced tolerance to alkaline salinity encoding phytohormone (NPF6.2, SUE4), K+ (KAT1 and KEA5) and Fe (YSL2) transporters, and regulators of the cellular Ca2+ pool (ACA2) and the acidification of intracellular compartments (VAB2 and VHA-c1). Based on the differential growth and nutrient profiles observed between genotypes when submitted to different salinity types, a subset of 4 contrasted demes was used for transcriptomic analyses after exposure to neutral and alkaline salinity conditions. The combination of physiological indicators, nutrient traits, profiling of endogenous secondary metabolites, and RNA-Sequencing allowed for the description of the convergent and divergent response pathways between neutral xiv and alkaline salinity, and also stressed the importance of focusing on the plant Fe status for the maintenance of photosynthetic efficiency and carbon balance under alkaline salinity. Finally, genomic regions involved in alkaline salinity responses were assessed in a broader Arabidopsis thaliana natural diversity panel by means of Genome-Wide Association Studies (GWAS) on leaf nutrient profiles from plants grown on a natural saline calcareous soil from the region of study. Significant natural variation in leaf Na+ was reported, in line with the observations on the local deme collection. Allelic variations at NINJA and YUC8 loci were shown to be involved in plant differential growth performance under alkaline salinity. Besides, differential leaf Fe accumulation was revealed and associated to ALA3 variation. Overall, the present study provides useful insights into key targets for breeding in alkaline saline soils by means of integrating genomics, transcriptomics, physiological measurements, and association analyses.