Differences in soil zinc availability as a driver of natural selection in Arabidopsis thaliana and rhizosphere bacteria

Abstract

El creixement de la població crea la necessitat de millorar els sòls problemàtics per usos agrícoles. El Zinc és un micronutrient essencial, mentre que en excés inhibeix el creixement. La transformació per microorganismes de formes no disponibles a disponibles de Zn, contribueix a millorar la nutrició i promoure el creixement de plantes en sòls deficients en Zn. La mobilització de Zn en sòls contaminats pot ser necessària per millorar la fitoextracció en remediació de sòls. Els objectius d’aquesta tesis, son caracteritzar un sòl de Zn com a factor de la selecció natural en la planta model Arabidopsis thaliana, i en bacteris rizosfèrics. Entendre el complex planta-bacteri-sòl com una sola entitat interrelacionada amb el propòsti d’obtenir información útil per futures aplicacions en el producció de cultius sostenibles i en fitorremediació. Aquesta tesis es divideix en tres capítols: 1) resposta de poblacions de A. thaliana a substrats amb diferent disponibilitat de Zn, 2) caracterització de bacteris del sòl i rizosfèrics, capaços de promoure el creixement de plantes i mobilitzar Zn, Fe i P, 3) genome wide association analysis en 360 poblacions naturals d'una col·lecció de A. thaliana per a la identificació de SNPs relacionats amb el creixement de la roseta i nutrició, d’un sòl contaminat provinent d’una mina de Zn. Es va explorar la variabilitat natural de disponibilitat de Zn de sòl situats al nord-est de Catalunya, i es va relacionar amb l'acumulació de Zn en A. thaliana d'aquests hàbitats. Els experiments en cultius de sòls i hidropònics van demostrar que les plantes es van adaptar localment a aquestes diferents condicions del sòl. L'anàlisi de RT-qPCR va revelar una expressió més alta de gens implicats en el transport de Zn en LLAM, el deme d'un lloc amb sòl relativament alt de Zn i nivells de carbonat. L'adaptació natural a sòls carbonats era hereditària, tal com es revela a la generació F1 obtinguda mitjançant l'encreuament de LLAM, varietat més tolerant, amb T6, varietat més sensible a carbonats. Una col·lecció de Hapmap de 360 ​​ poblacions de A. thaliana va revelar grans diferències en la tolerància a Zn i Pb en el sòl de la mina, mostrant grans diferències en la supervivència, el creixement i la ionometria de les fulles. El GWAs va revelar que les variacions ionòmiques foliars dels supervivents tolerants a metalls, estaven relacionades amb SNPs associats amb gens de resistència a patògens. Això coincideix amb l'important paper de l'homeòstasi del Zn i el Fe en la defensa dels patògens vegetals. El sòl ric en Zn és un motor per a la selecció natural també en bacteris de sòl i rizosfera. La majoria de bacteris tolerants a Zn es van trobar en el sòl de la mina contaminada per Zn. En el rizoplà del deme de A. thaliana CALA, va ser l'únic lloc no contaminat on es van trobar bacteris tolerants a Zn. Els millors candidats per la seva futura aplicación en base a la tolerància a Zn i Cd, la capacitat de mobilització de Zn i P i la producció de fitosteròfors i IAA, van ser: Pseudomonas fluorescens (soca uab9) amb excel·lent tolerància i mobilització de Zn, P. antarctica (uab7) que combina tolerancia a Zn amb excel·lents mobilizació de P, tolarància al Cd i producción de IAA, i Serratia marcescens (uab10) amb tolarància al Zn i Cd, combinades amb la màxima producció de IAA. P. rhodesiae (uab 4/5) i S. marcescens (uab1) són excel·lents candidats per a la promoció del creixement vegetal i la millora de la disponibilitat de Fe i Zn a les plantes, de cultiu en sòls carbonats. Tots dos sent bons productors de sideròfors, capaços de solubilitzar Zn i P i produir IAA. En conclusió, la variació natural de Zn i carbonat en sòl, fins i tot dins d'una petit rang, condueix a l'adaptació local de plantes de A. thaliana. El sòl de la mina amb elevat contingut de metalls, és la millor font de bacteris tolerants a Zn capaç de solubilitzar-lo. Tanmateix, les plantes poden influir en la presència de bacteris de rizosfera. Plantes amb una alta eficiència d'absorció de Zn, com CALA, poden afavorir l'establiment de bacteris tolerants a Zn en el rizoplà. Treballs futurs, exploraràn la possible aplicació d'aquests resultats tant a la producció sostenible de cultius sobre el sòl deficient de Zn, com a la fitoextracció de Zn en sòls contaminats.

Increasing world population requires the improvement of problematic soils for agricultural use. Zinc is an essential micronutrient in all organisms, while excess Zn inhibits growth. The transformation through soil microorganisms of non-available Zn to available forms contributes to the improvement of nutrition and growth of plants on Zn-deficient soils. Promotion of Zn mobilization in polluted soil may further be required for enhanced phytoextraction in soil remediation. The objective of this thesis was to characterize soil Zn as a factor of natural selection in both the model plant Arabidopsis thaliana and soil and rhizosphere bacteria. The complex plant-bacteria-soil system was approached as a single interrelated entity with the purpose to get useful information for future applications in both sustainable crop production and phytoremediation. This thesis is divided into three chapters 1) response of natural A. thaliana populations to differences in substrate Zn availability, 2) characterization of soil and rhizosphere bacteria able to promote plant growth and to mobilize Zn, Fe and P, 3) genome wide association analysis on 360 natural populations of an A. thaliana collection for the identification of major SNPs related to rosette growth and ionome on a Zn-contaminated mine soil. The natural variability in soil Zn availability in NE Catalonia was explored and related to Zn accumulation in A. thaliana demes from these habitats. Soil and hydroponic culture experiments showed that the demes have locally adapted to these different soil conditions. RT-qPCR analysis revealed distinctively higher expression of genes involved in Zn transport in LLAM, the deme from a site with relatively high soil Zn and carbonate levels. The natural adaptation to carbonate was inheritable as revealed in the F1 generation obtained by crossing more tolerant LLAM with the highly carbonate sensitive deme T6. A Hap map collection of 360 A. thaliana populations revealed large differences in Zn and Pb-tolerance on a mine soil exhibiting huge differences in survival, growth and leaf ionome. GWAs revealed that leaf ionomic variations of the metal-tolerant survivors were related to SNPs associated with pathogen resistance genes. This agrees with the important role of Zn and Fe homeostasis in plant pathogen defense. Soil Zn is a driver for natural selection also in soil and rhizosphere bacteria. Most Zn tolerant bacteria were found in the Zn-polluted mine soil. The rhizoplane of A. thaliana CALA, the deme with highest leaf Zn, was the only non-polluted site where Zn-tolerant bacteria were found. Based on Zn and Cd-tolerance, Zn and P mobilization ability, and phytosiderophore and IAA production, best candidates for future application in phytoextraction were: Pseudomonas fluorescens (strain uab9) with excellent Zn tolerance and mobilization, P. antarctica (uab7) combining Zn-tolerance with excellent P-mobilization, Cd-tolerance and IAA production, and Serratia marcescens (uab10) with Zn and Cd-tolerance combined with highest IAA production. Excellent bacterial candidates for plant growth promotion and enhancement of Fe and Zn availability to crop plants on carbonated soils, are P. rhodesiae (uab 4/5) and S. marcescens (uab1). Both were high siderophore producers, able to solubilize Zn and P, as well as to produce IAA. In conclusion, the natural variation of soil Zn and carbonate, even within a small range, drives local adaptation of A. thaliana plants. Best source of Zn tolerant bacteria able to solubilize Zn is mine soil with high metal burdens. However, plants can strongly influence the presence of rhizosphere bacteria and plants with high Zn uptake efficiency, like CALA, can favor the establishment of Zn-tolerant bacteria in the rhizoplane. Future research will explore the potential application of these results to both sustainable production of crops on Zn deficient soil and phytoextraction of Zn from polluted soil.