Over-expression of PIN6 promotes Water-use efficiency and improves tolerance under salinity stress in Arabidopsis

Sharmila Madhavan, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Produktivitu plodin do značné míry limitují různé nepříznivé faktory životního prostředí. Abiotický stres je jedním z hlavních problémů současného zemědělství a udržitelnosti rostlinné produkce, který celosvětově snižuje výnos plodin o více než 50 %. Vystavení abiotickým stresům vyvolává řadu obranných reakcí rostlin včetně změn v toků iontů a produkci reaktivních forem kyslíku (ROS). Dlouhodobé vystavení stresu vede k nadměrné tvorbě ROS, což způsobuje oxidační poškození buněk a nakonec buněčnou smrt. Adaptace rostlin na neustále se měnící prostředí je zprostředkována různými regulátory růstu, mezi nimiž hraje klíčovou roli při modulaci růstu a vývoje rostlin v reakci na stres fytohormon auxin. Homeostáza auxinu je regulována různými mechanismy a je ovlivněna zvýšenými hladinami ROS, způsobenými různými stresory. Abiotický stres primárně ovlivňuje fotosyntézu. Bohužel míra našeho porozumění vztahu mezi auxinem a fotosyntézou je značně omezená a porobně je tomu i v případě našich současných znalostí o souhře auxin-ROS. Z důvodů kritického významu těchto interakcí pro rostlinnou produkci je nezbytné lépe pochopit, jak jsou signály prostředí a vývoj rostlin regulovány na úrovni interakce auxin-ROS, což umožňuje rostlinám přizpůsobit se a přežít v nepříznivých podmínkách. Stres zasolením je jedním z hlavních abiotických stresů, který má negativní dopady na produktivitu a růst rostlin, fotosyntézu, biosyntézu chlorofylu, strukturu chloroplastů, xantofylovou dráhu, regulaci průduchů, absorpci CO2 a biosyntézu a/nebo přenos signálu hormonu kyseliny abscisové (ABA). Na základě předběžného screeningu jsme vybrali mutantní linie a linie s nadměrnou expresí auxinového přenašeče PIN6 a u těchto linií jsme podrobně charakterizovali jejich odpověď na osmotický stres indukovaný aplikací NaCl v Arabidopsis thaliana. Prokázali jsme, že u linie nadměrně exprimující PIN6 (35S:PIN6-GFP1) je PIN6 lokalizován do plazmatické membrány a endoplazmatického retikula listových epidermálních buněk. Nadměrná exprese PIN6 se projevila změnami v regulací vodivosti průduchů a zlepšenou efektivitou využití vody, což vedlo k vyšší míře přežití v podmínkách stresu zasolením.

Abstract:

Crop productivity is greatly influenced by various adverse factors in the environment. Abiotic stress is one of the major concerns in plant agriculture and sustainability, which reduces crop yield by more than 50% worldwide. Exposure to abiotic stresses induces a suite of plant defense responses including ion fluxes and production of reactive oxygen species (ROS). Continuous exposure to stress leads to excessive ROS generation, causing oxidative damage to the cells and finally cell death. Plant adaptation to an ever-changing environment is mediated by various growth regulators, among which auxin plays a crucial role in modulating plant growth and development in response to stress. Auxin homeostasis is regulated by different mechanisms and is affected by increased ROS levels caused by different stressors. Abiotic stress primarily affects photosynthesis and the relationship between auxin and photosynthesis is poorly understood. Also, the current knowledge about the auxin-ROS interplay is insubstantial and therefore, there is a high demand for a better understanding of the mechanism of how environmental signals and plant development are regulated by the auxin-ROS crosstalk that allows the plants to adapt and survive in unfavorable conditions. Salinity stress is one of the major abiotic stress causing deleterious effects on plant productivity and has a negative effects on plant growth, photosynthesis, chlorophyll pigments, chloroplast structure, xanthophyll pathway, stomatal regulation, CO2 uptake and Abscisic acid hormone (ABA). Here, we selected auxin transporter PIN6 mutant and overexpressor lines from the preliminary screening and were characterized under osmotic stress induced by NaCl in Arabidopsis thaliana. Moreover, we demonstrated the over-expressed PIN6 line (35S:PIN6-GFP1) localise to the plasma membrane and endoplasmic reticulum of leaf epidermal guard cells. The over-expression of PIN6 showed improved water use efficiency by regulating the stomata which leads to a higher survival rate under salinity stress conditions.

Keywords

abiotic stress, auxin, ROS, photosynthesis, stomata, salinity stress tolerance

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 8. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: RNDr. Jan Petrášek, Ph.D., doc. Mgr. Jan Zouhar, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics