Characterization of natural populations of Arabidopsis thaliana differing in tolerance to carbonate soil

Abstract

S’han investigat les poblacions naturals d’Arabidopsis thaliana de Catalunya per identificar mecanismes d’adaptació local als sòls carbonatats. Després de caracteritzar les propietats químiques dels sòls natius, petits rodals de poblacions biològiques d' A. thaliana (que anomenem “demes”), es van realitzar experiments anuals de camp, en parcel·les amb diferents nivells de carbonats al sòl, per avaluar l’aptitud diferencial entre els “demes”. La progènie d’aquests demes va mostrar una millor aptitud en el sòl control, sense carbonats. Les diferencies en l’aptitud dels demes per créixer l sòl carbonatat està associada amb el percentatge de CaCO3 dels sòls natius. Aquest fet confirma que el nivell de carbonats al sòl és el factor limitant per a l’adaptació local. Els demes contrastants A1 (moderadament tolerant) i T6 (sensible) es varen seleccionar per analitzar les característiques fisiològiques. Quan creixen bé en presencia de carbonats o bé amb deficiència de ferro s’observen diferencies en el contingut de clorofil·les, l’activitat de SOD i el perfil de compostos fenòlics exsudats per les arrels. El deme tolerant A1 presenta l’al·lel AtFPN2 com el genotip de referència Col.0. Per contra s’ha trobat que el deme sensible T6, presenta la seqüència de l’al·lel com Ts-1. La presencia de l’al·lel dèbil de AtFPN2 de Ts-1 podria justificar l’elevada acumulació de metalls divalents a la fulla del deme sensible T6. Creuaments realitzats entre demes tolerants i sensibles revelen l’herència d’aquests trets. En la F3 es van seleccionar famílies tolerants i sensibles per fer l’anàlisi de “bulk-segregation”, que encara esta en procés de realització. Per tal d’identificar gens candidats per a l’adaptació als sòls carbonatats, s’ha utilitzat una col·lecció HAP-MAP provinent de NASK. Aquestes accessions van ser plantades en sol carbonatat i sòl control i es va dur a terme un seguiment del creixement i un anàlisis ionòmic de la part aèria. El Genome wide association analysis (GWAS) ens ha proporcionat una llista de gens potencialment relacionats amb la tolerància als sòls carbonatats. En conclusió, els nostres resultats demostren que les plantes d’A. thaliana que tenen com a habitat natural sòl amb concentracions moderades o baixes de carbonat són més tolerants als carbonats que les plantes que viuen en sòls sense carbonats. Aquesta “tolerància” és heretable i el GWAS ha revelat múltiples gens candidats a ser els responsables d’aquesta tolerància al sòl carbonat. Els resultats que s’obtindran amb el BSA-seq anàlisis proporcionaran informació útil i addicional per a la identificació dels gens clau involucrats en aquesta tolerància.

Natural populations of Arabidopsis thaliana from Catalonia were investigated to identify mechanisms of local adaptation to carbonate soils. After characterizing the chemical properties of the native soils of multiple small stands of A. thaliana (called “demes”), multi-year common garden experiments, based on contrasting soil carbonate levels, were performed to identify differential fitness among demes. Progenies from these demes performed better on control soil without carbonate. However, fitness differences among demes on carbonate soils were associated with the percentage of CaCO3 in the native soils. This confirms that the soil carbonate level is a driving factor for local adaptation. Contrasting demes A1 (moderately tolerant) and T6 (sensitive) were selected for analyzing physiological traits. When growing either with carbonate or under iron deficiency both demes differed in chlorophyll content, SOD activity, and the profile of phenolic compounds in root exudates. Tolerant deme A1 has the AtFPN2 allele like the reference genotype Col.0. Contrastingly, in sensitive deme T6 the allele sequence is as in Ts-1. The presence of the weak allele of AtFPN2 of Ts-1 could justify the higher accumulation of divalent metals in the leaf of deme T6. Crosses between tolerant and sensitive demes revealed heritability of these traits. In F3, tolerant and sensitive families were selected for bulk segregation analysis, which is still under progress. For further identifying candidate genes for adaptation to carbonate soil, a Hap-Map collection from NASK was used. Different accessions were grown in carbonate and control soils. Growth and shoot ionome was compared to plants growing on non-carbonate soil. Genome wide association analysis (GWAS) provided a list of genes potentially related with plant tolerance to carbonate soils. In conclusion, our results demonstrate that A. thaliana plants naturally adapted to soil with moderate-low carbonate concentrations are more carbonate tolerant than plants from soils without carbonate. This tolerance is inheritable and GWAS revealed multiple candidate genes responsible for tolerance to carbonate soil. BSA-seq results will provide further useful information for the identification of the key genes involved.