Role of ABA in the regulation of root architecture under abiotic stress conditions in tomato (Solanum lycopersicum) and soybean (Glycine max (L.) Merr.)

Abstract

La plasticidad de la raíz es un factor clave de adaptación a estos estreses abióticos que depende de las interacciones hormonales que modulan la arquitectura del sistema radicular (RSA, por root system architecture) para aumentar la capacidad y la eficiencia de absorción de nutrientes y agua, permitiendo a las plantas evitar o contrarrestar el daño causado por tales condiciones adversas. El ácido abscísico (ABA) juega un papel central en la adaptación de las plantas al estrés abiótico y se ha demostrado su participación en la modulación de la RSA bajo condiciones de estrés ambiental. En base a esto, el objetivo de este trabajo fue estudiar el papel de las hormonas vegetales, y en particular del ABA, en la regulación de la RSA frente a tres importantes estreses ambientales, salinidad, sequía y déficit nutricional, en cultivos de gran interés mundial como son el tomate y la soja. Para ello se cultivaron plántulas de tomate que sobreexpresan el gen SlNCED1, clave en la biosíntesis de ABA, (denominadas NCED OE, por overexpressing) y su fondo genético silvestre (WT, por wild type) Ailsa Craig en condiciones in vitro óptimas y de privación de macronutrientes (N, P, K y Ca), salinidad (NaCl 50 mM) y estrés hídrico (-0.5MPa) durante 30 días. Se estudió la alteración RSA en la zona de transición raíz-brote (TZ, por transition zone) y en la raíz embriogénica primaria (PR, por primary root) (WinRHIZO software) en relación a los cambios en las principales clases de hormonas vegetales, especialmente el ABA y las auxinas (hormonas claves en el enraizamiento) (UHPLC-MS). Se utilizó un enfoque similar en soja, para ello las variedades YCO3-3 y BD2 (seleccionadas por su respuesta contrastante a la deficiencia en P) fueron cultivadas en hidroponía bajo condiciones de estrés por deficiencia en fósforo, por salinidad (NaCl 75 y 150 mM) y por la combinación de ambos. Con el fin de obtener en la soja una visión global y más específicamente del rol del ABA en los mecanismos de respuesta a los estreses mencionados, se analizaron parámetros generales de biomasa y RSA, concentración de nutrientes (ICP-OES), contenido en azúcares, se realizó un perfil hormonal completo con especial énfasis en el ABA, sus derivados y precursores y la expresión relativa de diversos genes implicados en su metabolismo (RT-PCR). En tomate, la sobreproducción de ABA (ABA-OP, por overproduction) mejoró la eficiencia de la respuesta y/o la exploración del substrato de acuerdo al patrón de distribución del nutriente en cuestión, modelando posibles ideotipos de raíz. La ABA OP también tuvo un efecto positivo sobre la adaptación al estrés salino al alterar el RSA a través de interacciones con otros compuestos metabólicos, posiblemente afectando a la sensibilidad del ABA y/o al estrés de una forma dependiente de la intensidad del mismo, aunque no se detectó un efecto relevante de ésta hormona en las condiciones de estrés hídrico aplicadas. En la soja, altos niveles constitutivos de ABA se relacionaron positivamente con el vigor y un sistema radicular más extendido en ausencia de estrés y deficiencia en P, mientras que bajo salinidad (sola o combinada) la mayor acumulación de ABA, sus metabolitos y el aumento de los niveles de expresión de genes relacionados con la síntesis y el catabolismo del ABA se asociaron con una mayor sensibilidad al estrés. Diferentes rasgos metabólicos de ABA, particularmente en la vía de su oxidación, podrían explicar las respuestas diferenciales al estrés entre ambos genotipos. Estos resultados pretenden contribuir a obtener nuevos conocimientos sobre los mecanismos de adaptación del tomate y la soja a diferentes estreses abióticos con el fin de aumentar o mantener el rendimiento de estos cultivos de forma más sostenible.

Root plasticity is a key adaptation factor to these abiotic stresses that depends on hormonal interactions that modulate the root system (RSA) to increase the capacity and efficiency of absorption of nutrients and water, allowing plants to avoid or counteract the damage caused by such adverse conditions. Abscisic acid (ABA) plays a central role in the adaptation of plants to abiotic stress and its participation in the modulation of RSA under conditions of environmental stress has been demonstrated. Based on this, the objective of this work was to study the role of plant hormones, and in particular ABA, in the regulation of RSA against three important environmental stresses, salinity, drought and nutritional deficit, in crops of great interest worldwide such as tomato and soybean. For this, tomato seedlings that overexpress the SlNCED1 gene, key in the biosynthesis of ABA, (NCED OE, for overexpressing) and their wild genetic background (WT, for wild type) Ailsa Craig were cultivated under optimal in vitro conditions and deprivation of macronutrients (N, P, K and Ca), salinity (50 mM NaCl) and water stress (-0.5MPa) for 30 days. The RSA alteration in the root-shoot transition zone (TZ) and in the primary embryogenic root (PR) (WinRHIZO software) was studied in relation to the changes in the main classes of plant hormones, especially ABA and auxins (key hormones in rooting) (UHPLC-MS). A similar approach was used in soybeans, for this the varieties YCO3-3 and BD2 (selected for their contrasting response to P deficiency) were grown in hydroponics under conditions of stress due to phosphorus deficiency, due to salinity (NaCl 75 and 150 mM) and by the combination of both. In order to obtain a global vision in soybeans and more specifically of the role of ABA in the response mechanisms to the aforementioned stresses, general parameters of biomass and RSA, nutrient concentration (ICP-OES), sugar content, were analyzed. A complete hormonal profile was performed with special emphasis on ABA, its derivatives and precursors, and the relative expression of various genes involved in its metabolism (RT-PCR). In tomato, the overproduction of ABA (ABA-OP) improved the efficiency of the response and / or the exploration of the substrate according to the distribution pattern of the nutrient in question, modeling possible root ideotypes. ABA OP also had a positive effect on adaptation to salt stress by altering RSA through interactions with other metabolic compounds, possibly affecting ABA sensitivity and / or stress in a way dependent on its intensity, although A relevant effect of this hormone was not detected in the applied water stress conditions. In soybean, high constitutive levels of ABA were positively related to vigor and a more extended root system in the absence of stress and P deficiency, while under salinity (alone or combined) the greater accumulation of ABA, its metabolites and the increase of the expression levels of genes related to the synthesis and catabolism of ABA were associated with greater sensitivity to stress. Different metabolic traits of ABA, particularly in the oxidation pathway, could explain the differential responses to stress between both genotypes. These results are intended to contribute to obtaining new knowledge about the adaptation mechanisms of tomato and soybean to different abiotic stresses in order to increase or maintain the yield of these crops in a more sustainable way.