Role cytokininů v odpovědi na abiotický stres u ječmene a pšenice

Cintia MARCHETTI

Doctoral thesis

Cross-talk between light perception and plant hormones during senescence in cereals.

Abstract:

Abstract Abiotic stress impacts negatively on agriculture production worldwide and diminish the final yield of crops. Among all constraints, water deficit and solar radiation are main determinant of crop production. Cytokinins (CKs) are known to be involved in the abiotic stress responses of plants, in a complex crosstalk with other phytohormones, although their role regulating plant stress tolerance remains unknown. The presented thesis was focused on the study of the role that CKs are playing as regulators of the plant stress response to these two major stressors, senescence and water stress. For this purpose, we focused in two crops with agronomical interest, barley (Hordeum vulgare cv. Golden Promised) and wheat (Triticum aestivum cv. Inta Oasis). In the first part, we evaluated the effect of changes in light spectral quality by shading-induced stress on CK metabolism in barley and wheat. Besides, we also characterized transgenic barley plants with silenced genes encoding cytokinin oxidase/dehydrogenase (CKX), the main enzyme irreversibly degrading CKs. Then, to clarify whether CKs regulate water stress tolerance and recovery capacity in barley, six independent transgenic lines with silenced HvCKX2.2 and HvCKX9 genes were selected. As results, we showed that CKs are relevant hormones regulating both types of stress and that the maintenance of the endogenous CKs (especially the base forms) was crucial for delaying the stress-induced negative effects in the plants. Concretely, we showed that one of the main factors conditioning the CK content was the regulation of CK degradation. Under shade-induced stress there was a marked up-regulation of the CKX1 gene in senescing leaves of barley and wheat occurred. Similarly, water stressed plants also increased the expression of HvCKX1, especially in the most sensitive lines. Opposite to CKX1, the upregulation of the CKX3 gene was related to a lower Chl degradation under shade-induced senescence and higher waters stress tolerance in wheat and barley, respectively. Altogether, we suggest that differential and conservative roles exist between the CKX isoforms regulating the abiotic stress response in barley and wheat. The water stress response and recovery capacity was not only related to CKs. A complex crosstalk with other plant hormones and stress-related metabolites such as amino acids and polyamines was also observed. We believed that the alteration of the CK homeostasis through the down-regulation of CKX genes in plants resulted in a good tool to study the plant response to shading-induced stress and water deficit, and/or the crosstalk between the primary and secondary metabolism regulating plant stress response and recovery.

Abstract:

Abstrakt Abiotický stres má negativní dopad na celosvětovou zemědělskou produkci a snižuje finální výnos plodin. Vodní deficit a sluneční záření patří mezi hlavní faktory ovlivňující výnos plodin. Cytokininy (CK) jsou známé, ve spolupráci s dalšími fytohormony, svou účastí v odpovědi na abiotický stres u rostlin, přestože je způsob regulace tolerance rostlin na stres stále neobjasněný. Předkládaná práce se zaměřuje na studium role cytokininů jakožto regulátorů odpovědi na stres u rostlin těchto dvou hlavních stresových faktorů - senescence a vodní stres. K tomuto účelu byly použity dvě zemědělsky významné plodiny, a to ječmen (Hordeum vulgare cv. Golden Promised) a pšenice (Triticum aestivum cv. Inta Oasis), u kterých byl studován stres vyvolaný stíněním a ječmen, u kterého byl sledován vodní stres a následná regenerace těchto rostlin. V první části práce byl vyhodnocen dopad změny kvality světelného spektra na cytokininový metabolismus u ječmene a pšenice. Navíc byly charakterizovány transgenní rostliny ječmene s umlčným genem cytokinin oxidasy/dehydrogenasy (CKX), hlavním enzymem nevratně degradující CK. Pro objasnění, zda CK regulují toleranci vodního stresu a kapacitu regenerace u ječmene, bylo vybráno šest nezávislých transgenních linií s umlčnými HvCKX2.2 a HvCKX9 geny. Výsledky práce ukazují, že CK jsou důležité hormony, které regulují oba typy stresu a že udržení hladiny endogenních CK (hlavně ve formě volné báze) byly klíčové pro oddálení stresem indukovaných negativních efektů u rostlin. Konkrétně je ukázáno, že jedním z hlavních faktorů udržujících hladinu CK byla regulace degradace CK. U stresu vyvolaného stíněním se objevila výrazná nadregulace genu CKX1 v senescenčních listech ječmene a pšenice. Podobně, vodou stresované rostliny vykazovaly zvýšenou expresi HvCKX1, a to hlavně u nejvíce sensitivních linií. Oproti CKX1, nadregulace genu CKX3 souvisela s nižší degradací chlorofylu u stínem indukované senescence a vyšší tolerance na vodní stres v pšenici a ječmeni. Závěrem je navrženo, že mezi CKX isoformami regulujícími odpověď na abiotický stres u ječmene a pšenice existují rozdílné a konzervativní role. Odpověď na vodní stres a regenerační kapacita nesouvisí pouze s CK. Komplexní interakce s dalšími rostlinnými hormony a metabolity souvisejícími se stresem jako aminokyseliny a polyaminy byly také pozorovány. Věříme, že změna CK homeostáze skrze podregulaci genů CKX v rostlinách vedla ke vhodnému nástroji pro studium odpovědi rostlin na stres vyvolaný stíněním a vodní deficit a/nebo interakce mezi primárním a sekundárním metabolismem regulujícím stresovou odpověď a regeneraci u rostlin.

Keywords

modré světlo, metabolismus cytokininů, cytokinin oxidasa / dehydrogenasa, exprese genu, senescence, zastínění, Triticum aestivum, Hordeum vulgare, RGB imaging, fluorescence chlorofylu, indoorové fenotypování, aminokyseliny, polyaminy, antioxidační enzymy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2019
• Supervisor: Nuria De Diego Sanchez, Ph.D., Nuria De Diego Sanchez, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry