Physiological, molecular and genetic mechanisms of adaptation to alkaline and saline soils in Arabidopsis thaliana populations

Abstract

Els sòls salins-alcalins produeixen efectes més perjudicials que les sals neutres, reduint severament la productivitat de les plantes. Contràriament, l'objectiu agronòmic d'aquest segle consisteix a augmentar les produccions agrícoles per alimentar a una població creixent. Aquest estudi té com a objectiu explorar els mecanismes fisiològics, moleculars i genètics subjacents a les diferències en el rendiment de les plantes en condicions alcalines-salines utilitzant poblacions naturals d' A. thaliana de Catalunya i del món. En el capítol I, les respostes fisiològiques d' ecotips catalans d' A. thaliana contrastats, A1(c+) tolerant als carbonats i T6(c-) sensible, es van sotmetre a tractaments alcalins (alt pH vs bicarbonat) sota condicions hidropòniques. En ambdues poblacions, el tractament de NaHCO3 és més perjudicial que el pH alcalí aconseguit per amortidor orgànic. La població tolerant, transloca més nutrients, manté nivells més alts de clorofil·la, creix més i produeix més síliqües que la població sensible sota condicions d'alcalinitat. En el segon capítol, l'anàlisi del transcriptoma es va realitzar utilitzant plantes A1(c+) i T6(c) exposades durant 3h o 48h a l'estrès per pH (pH 5.9 vs pH 8.3) i alcalinitat (10 mM NaHCO3 a pH 8.3). Els nostres resultats indiquen que les plantes presenten diferències en la resposta de pH elevat vs HCO3-. A més, les fulles de plantes tolerants al carbonat no presenten una deficiència de ferro tan ràpidament com les sensibles. En les fulles A1(c+), l'activació d'altres gens relacionats amb la percepció de l'estrès, la transducció del senyal, els glucosinolats, l'adquisició de sofre i el cicle cel·lular donen una resposta eficient a l'estrès per bicarbonats i precedeix la inducció dels mecanismes d'homeòstasi de ferro. En les poblacions de Catalunya, la tolerància de les plantes als sòls calcaris és conduïda pel contingut de CaCO3 al sòl natiu. Per tal de testar si és aplicable a nivell mundial, en el capítol III, 360 poblacions d’ A. thaliana es van cultivar en sòls amb nivells de CaCO3 contrastats. Les plantes amb un creixement relatiu més alt en sòls calcaris són capaces de prendre més sofre, zinc i fòsfor. Aquests fenotips es van utilitzar per realitzar un estudi d'associació del genoma. La validació de gens candidats es va realitzar utilitzant línies de T-ADN utilitzant el genoma de referència Col-0 conreades de nou en sòls calcaris contrastats. El fenotip Zn, apunta a un transportador vacuolar malat, TDT, com un important regulador negatiu del contingut de nutrients minerals i de la regulació del pH en sòls calcaris. El capítol IV aborda la interrupció de la distribució d'A. thaliana al llarg de la costa catalana, que es superposa amb la presència de sòls alcalino-salins, suggerint que els mecanismes de tolerància envers als sòls alcalino-salins no es troben presents en aquesta espècie. Per provar aquesta hipòtesi, les poblacions locals de A. thaliana es van testar en jardins comuns durant diversos anys. Tanmateix, es van repetir els experiments a hivernacle utilitzant sòls alcalins naturals. La germinació va ser severament inhibida, especialment en plantes amb baix contingut de CaCO3 en el seu sòl natiu. L' estat nutricional i el nombre de síliqües eren més alts en les poblacions de regions amb nivells moderats de salinitat i bicarbonat en els seus sòls natius. En conclusió, les plantes responen diferencialment entre els tractaments d'alt pH i bicarbonat. Les línies sensibles detecten ràpidament deficiència de nutrients sota tractaments alcalins. L'estrès alcalí-salí produeix efectes més severs que l'estrès salí, i la germinació es veu fortament afectada especialment en les poblacions costaneres adaptades a sols salins silícics. Això podria ser una possible explicació en la manca de presència i distribució d'Arabidopsis thaliana en sòls alcalins dins la costa catalana.

Los suelos salinos-alcalinos producen efectos más perjudiciales en las plantas que las sales neutras, reduciendo severamente la productividad de las plantas. Contrariamente al objetivo agronómico de este siglo que consiste en aumentar las producciones agrícolas debido a una demanda creciente. Este estudio tiene como objetivo explorar los mecanismos fisiológicos, moleculares y genéticos subyacentes a las diferencias en el rendimiento de las plantas en condiciones alcalinas-salinas utilizando poblaciones naturales de A. thaliana de Cataluña y del mundo.

En el capítulo I, las respuestas fisiológicas de ecotipos catalanes de A. thaliana contrastados, A1(c+) tolerante a los carbonatos y T6(c-) sensible, se sometieron a tratamientos alcalinos (alto pH vs bicarbonato) bajo condiciones hidropónicas. En ambas líneas, el tratamiento de NaHCO3 es más perjudicial que el pH alcalino. La población tolerante, transloca más nutrientes, mantiene niveles más altos de clorofila, crece más y produce más silicuas que la población sensible bajo condiciones alcalinas.

En el segundo capítulo, el análisis del transcriptoma se realizó utilizando plantas A1(c+) y T6(c-) expuestas durante 3h o 48h al estrés por pH (pH 5.9 vs pH 8.3) y alcalinidad (10 mM NaHCO3 a pH 8.3). Nuestros resultados indican las plantas presentan diferencias en la respuesta pH elevado vs HCO3-. Además, las hojas de plantas tolerantes con el carbonato no presentan una deficiencia de hierro tan rápidamente como las sensibles. En las hojas A1(c+), la activación de otros genes relacionados con la percepción del estrés, la transducción de la señal, los glucosinolatos, la adquisición de azufre y el ciclo celular dan una respuesta eficiente al estrés por bicarbonatos y precede la inducción de los mecanismos de homeostasis de hierro.

En las poblaciones de Cataluña la tolerancia de las plantas a los suelos calcáreos es conducida por el contenido de CaCO3 al suelo nativo. Con el fin de testar si es aplicable a nivel mundial, en el capítulo III, 360 poblaciones de A. thaliana se sembraron en suelos con niveles de CaCO3 contrastados. Las plantas con un crecimiento relativo más alto en suelo calcáreo eran capaces de tomar más azufre, zinc y fósforo. Estos fenotipos se utilizaron para realizar un estudio de asociación del genoma. La validación de genes candidatos se realizó utilizando líneas de T-ADN utilizando el genoma de referencia de Col-0 cultivadas de nuevo en suelos calcáreos contrastados. El fenotipo Zn, apunta a un transportador vacuolar malato, TDT, como un importante regulador negativo del contenido de nutrientes minerales y la regulación de pH en suelos calcáreos.

El capítulo IV aborda la interrupción de la distribución de A. thaliana a lo largo de la costa catalana, que se superpone con la presencia de suelos alcalino-salinos, sugiriendo que los mecanismos de tolerancia para suelos alcalino-salinos no están presentes en esta especie. Para probar esta hipótesis, las poblaciones locales de A. thaliana se testaron en jardines comunes durante varios años. Los experimentos se repitieron en invernadero utilizando suelos alcalinos naturales. La germinación fue severamente inhibida, especialmente en plantas con bajo contenido de CaCO3 en su suelo nativo. El estado nutricional y el número de silicuas eran más altos en las demás regiones con niveles moderados de salinidad y bicarbonato en sus suelos nativos.

En conclusión, las plantas responden diferencialmente entre los tratamientos de alto pH y bicarbonato. Las líneas sensibles detectan rápidamente deficiencia de nutrientes bajo tratamientos alcalinos. El estrés alcalino-salino produce efectos más severos que el estrés salino, y la germinación se ve fuertemente afectada especialmente en la población costera adaptada a suelos salinos silíceos. Esto podría ser una posible explicación de la falta de distribución de Arabidopsis thaliana en suelos alcalinos en la costa catalana.

Saline-alkaline soils produce more harmful effects in plants than neutral salts, severely reducing plant productivity. This reduction in fitness is opposite to the agronomic objective of this century, which consists of increasing agricultural productions to feed a growing population. This study aims to explore the physiological, molecular, and genetic mechanisms underlying the differences in plant performance under alkaline-saline conditions using natural populations of A. thaliana from Catalonia, on one hand, and the worldwide distributed stock center collection on the other.

In chapter I, physiological responses from a moderate-carbonate tolerant A1 (c+) and a sensitive T6(c-) A. thaliana deme (small strands) from Catalonia were determined in plants submitted to alkaline treatments (high pH vs bicarbonate) under hydroponic conditions. In both demes the NaHCO3 treatment was more harmful than alkaline pH alone achieved by organic buffer. The tolerant deme translocated more nutrients, maintained higher chlorophyll levels, had better growth performance and consequently had a higher siliqua production under alkalinity than the sensitive deme. A quick activation of genes related to iron uptake was found in the roots of the tolerant line.

Differences in physiological traits under alkaline treatment indicate differences at the transcriptomic level. In the second chapter of this dissertation, RNA-sequencing in leaves and microarray in roots were performed in plants exposed for 3h or 48h to either pH stress alone (pH 5.9 vs pH 8.3) or pH and alkalinity (10 mM NaHCO3 at pH 8.3). Differences in plant responses to high pH vs bicarbonate were detected. Our results indicate that leaves of carbonate-tolerant plants do not sense iron deficiency as fast as sensitive ones. In A1(c+) leaves, the activation of other genes related to stress perception, signal transduction, glucosinolates, sulfur acquisition, and cell cycle yield an efficient response to bicarbonate stress and precedes the induction of iron homeostasis mechanisms.

Across the Catalonia populations, plant tolerance to calcareous soils was found to be driven by the native soil CaCO3 content. To see whether this also applies to a worldwide distribution scale, in Chapter III, 360 A. thaliana populations were sown in natural soils with contrasted CaCO3 concentrations. Plants with higher relative growth on calcareous soil were able to take up more sulfur, zinc and phosphorous. These phenotypes were used to perform a Genome Association Study. Candidate gene validation was performed using T-DNA lines in Col-0 background grown again in contrasted calcareous soils from the study area. The Zn phenotype, points to a malate vacuolar transporter, TDT, as an important negative regulator of mineral nutrient content and pH regulation on calcareous soils.

Chapter IV addresses the fact that the disruption of A. thaliana distribution along the Catalan coast overlaps with the presence of alkaline-saline soil spots, suggesting that tolerance mechanisms to saline calcareous soils are not present in this plant species. To test this hypothesis, local A. thaliana populations were tested in multiyear small-scale common gardens and greenhouse experiments using natural alkaline-saline soil. Overall, germination was severely inhibited, especially in plants with low CaCO3 content in their native soil. Nutrition status and silique number were higher in demes from regions with moderate levels of both salinity and bicarbonate in their native soils.

In conclusion, differences in plant responses were found between high pH and bicarbonate treatments. Under bicarbonate exposure, shoots of sensitive plants detect nutrient deficiency earlier than tolerant ones as tolerants maintain more efficient transport mechanisms. Alkaline-saline stress produces more deleterious effects than the single stress factors. Germination is severely reduced by alkaline salinity, especially in coastal populations adapted to saline siliceous soils. This could be a possible explanation for absence of Arabidopsis thaliana on coastal alkaline soils in NE Catalonia.