Genetics of natural variation and environmental modulation of immune-related hybrid incompatibilities in Arabidopsis

Abstract

Arabidopsis thaliana is a small ruderal weed with prominent north-hemisphere distribution. It has an autogamous style of reproduction, whereas about 3% of the natural population can exhibit outcrosses. Some of these outcrosses produce incompatible hybrids exhibiting temperature-dependent autoimmunity. The hybridization between accessions Ler (from North-Europe) and Kas-2 (from Central Asia) produces an incompatible hybrid. The genetics underlying the incompatibility is caused by the deleterious epistasic interactions between a unique Ler haplotype of RPP1-like genes and the SRF3 Kas-2 receptor-like kinase. The incompatibility exhibits recessive mendelian inheritance pattern and hybrids display strong dwarfism, spontaneous cell death, and sterility at 14 ◦C – 16 ◦C. By using EMS mutagenesis and CRISPR/Cas-9 gene editing on Ler/Kas-2 NIL plants, 15 RPP1-like intragenic loss-of-function mutations were identified. Furthermore, the impact of suppression of incompatibility was investigated in terms of disease resistance against hemibiotrophic or biotrophic pathogens. Moreover, changes on the global transcriptome and metabolite profiling were studied. The contribution of individual RPP1-like genes for the recognition of a local Hpa isolate (Gw) was carried out by cloning ATR1 effector and performing transient expression assays in tobacco plants. The environmental modulation of autoimmunity was studied with a focus on the nitrogen-based mineral nutrition. We found that increasing ammonium was sufficient to suppress the incompatibility and the mechanism behind implies signaling through nitric oxide and the contribution of the systemic acquired response master gene, NPR1. Furthermore, we suggest that ammonium enriched media has an impact on resistance to Pst turning the enhanced resistance on incompatible hybrids down to the parental lines. Finally, we investigated the natural variation to the plant herbicide, guazatine, on a set of 107 accessions. We found an association for the chlorophyllase 1 gene which was selected for functional validation together with the paralog chlorophyllase 2 gene. Chlorophyllase individual mutants and double mutants exhibit increased tolerance to guazatine. No geographical pattern between the tolerant genotype and gene phylogeny was found, whereas high proportion of tolerant accessions was detected in populations for Germany.

Arabidopsis thaliana és una planta ruderal petita amb una distribució prominent a l'hemisferi nord. Té una reproducció del tipus autogàmic. No obstant, en la natura, es poden donar creuaments amb una freqüència pel voltant del 3%. Alguns d’aquests creuaments, poden originar híbrids incompatibles amb resposta autoimmunitària que és dependent de la temperatura ambiental. La hibridació entre els accessions Ler (Europa del Nord) i Kas-2 (Àsia Central) produeix un híbrid incompatible. La genètica subjacent a la incompatibilitat és causada per les interaccions epistàsiques deletèries donades per la presència de l’haplotip Ler RPP1-like i el receptor quinasa de Kas-2, SRF3. Aquesta incompatibilitat té un patró d'herència recessiva i els híbrids són nans, mostren mort cel·lular espontània i esterilitat a 14ºC – 16ºC. Mitjançant la mutagènesi per EMS i edició gènica per CRISPR/Cas-9 en Ler / Kas-2 NIL, s’han identificat 15 mutacions intragèniques en l’haplotip RPP1-like. Es va investigar l'impacte de la supressió de la incompatibilitat en termes de resistència a patògens hemibiotròfics o biotròfics. Tanmateix, es va fer un estudi del metaboloma i transcriptoma global per tal de veure l’impacte de la autoimmunitat en el metabolisme. La contribució de gens RPP1-like pel reconeixement del patogen local Hpa (Gw) s’ha investigat mitjançant la clonació d’efector ATR1 i assajos de coinfiltració en sistema heteròleg. També es va estudiar la modulació ambiental sobre l’autoimmunitat en aspectes nutricionals. S’ha trobat que un augment d’amoni era suficient per suprimir la incompatibilitat híbrida i hem suggerit la contribució moduladora per NO i el gen NPR1. Finalment, hem investigat la variació natural per fungicida i herbicida, guazatina, en 107 accessions. Hem trobat una associació pel gen de la clorofilasa 1 que va ser seleccionada per a la seva validació funcional, juntament amb el gen paràleg de la clorofilasa 2. Els mutants individuals de clorofilasa i els dobles mutants, van mostra una major tolerància a la guazatina tan a nivell de contingut de clorofil·les com creixement de l’arrel. No s’ha trobat cap patró geogràfic entre els genotips tolerants i la filogènia dels gens. No obstant, una gran proporció d’accessions tolerants es va detectar en les poblacions d'Alemanya.