Physiological and molecular mechanisms of the plant-microbe interactions in the mycorrhizal symbiosis of Terfezia claveryi Chatin

Abstract

La trufa del desierto Terfezia claveryi es un hongo ectendomicorrícico hipogeo comestible con alto valor culinario y propiedades beneficiosas para la salud. Aunque su cultivo ha avanzado, la producción sigue siendo variable y errática, y es necesario estudiar los parámetros en la interacción hongo-bacteria-planta para lograr una producción estable y hacer frente a estreses ambientales, como el estrés hídrico, y al cambio climático. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal profundizar en el conocimiento del cultivo de la trufa del desierto usando como sistema modelo la simbiosis entre Helianthemum spp. y T. claveryi estudiándola desde un punto de vista fisiológico y molecular, teniendo en cuenta como los factores ambientales pueden afectar ambos procesos. En primer lugar, se propuso estudiar el impacto del CO2 atmosférico en la simbiosis micorrícica con un hospedante anual como Helianthemum salicifolium. Las plantas de H. salicifolium se cultivaron en cámaras de cultivo con CO2 a doble concentración y se midieron diferentes variables fisiológicas y morfométricas, relaciones hídricas y micorrización. Los resultados mostraron que la fotosíntesis, biomasa y micorrización aumentaron sin alterar el equilibrio nutricional de la planta. Por lo tanto, se sugiere el uso de plantas anuales como alternativa a las perennes para el cultivo de trufas del desierto en un escenario de cambio climático. En segundo lugar, se realizó un estudio para determinar si la micorrización entre Helianthemum almeriense y T. claveryi podría ser incrementada mediante la aplicación de la “mycorrhizal helper bacteria” MHB Pseudomonas mandelii #29 bajo estrés hídrico y si esto podría mejorar las relaciones hídricas de la planta. Se evaluó el efecto de la combinación de la inoculación con la MHB bajo dos regímenes de agua diferentes (riego adecuado y condiciones de sequía) sobre el desarrollo micorrícico, las propiedades hidráulicas de las raíces, la expresión génica de acuaporinas y las hormonas vegetales. Los resultados mostraron que la presencia de P. mandelii #29 en condiciones de sequía produjo en un efecto sinérgico, ya que potenció la colonización fúngica. Además, hubo una mejor regulación de las relaciones hídricas ya que las acuaporinas estuvieron mejor reguladas. El estudio alenta a comprender las complejas interacciones entre las bacterias MHB y los hongos micorrícicos en el contexto de la sequía para mejorar el manejo de las plantaciones. En tercer lugar, se estudió la expresión génica en las raíces de las plantas de H. almeriense micorrizadas con T. claveryi durante el desarrollo micorrícico. Se usó PCR en tiempo real para analizar genes de la planta y del hongo y se encontró que las alteraciones en la morfología y la intensidad micorrícica se asociaron con cambios en la expresión génica. La asociación entre H. almeriense y T. claveryi se dividió en tres etapas: la etapa presimbiótica, la etapa de simbiosis temprana y la etapa de simbiosis tardía. Se identificaron ciertos genes que desempeñan un papel clave en la entrada del hongo en la raíz y el establecimiento de la simbiosis. La TcAQP1 de T. claveryi parece jugar un papel importante en el establecimiento de la simbiosis. Por último, se analizó la dinámica estacional de la comunidad microbiana asociada a una plantación productora de trufas del desierto, empleando secuenciación de nueva generación (metagenómica). Los resultados indican que tanto la comunidad bacteriana como la fúngica están influenciadas por las estaciones del año, aunque el efecto fue mayor sobre la comunidad bacteriana. Además, los parámetros fisicoquímicos del suelo también afectaron a la comunidad microbiana. La abundancia de T. claveryi en el suelo estuvo muy marcada por la estacionalidad, ya que aumentó significativamente en invierno y luego disminuyo en primavera, pudiendo este micelio extraradical destinarse a la producción de la trufa.

The desert truffle Terfezia claveryi is an edible ectendomycorrhizal hypogeous fungus with high culinary value and beneficial health properties. Although cultivation has advanced, production remains variable and erratic, and it is necessary to study the parameters in the fungus-bacteria-plant interaction to achieve stable production and address environmental stresses, such as water stress, and climate change. This Doctoral Thesis aims to deepen the knowledge of desert truffle cultivation using the symbiosis between Helianthemum spp. and T. claveryi as a model system from different perspectives, by assessing it from a physiological and molecular point of view, taking into account how environmental factors can affect both processes. Firstly, the impact of atmospheric CO2 on mycorrhizal symbiosis with an annual host such as Helianthemum salicifolium was studied. H. salicifolium plants were grown in culture chambers with CO2 at double the current concentration, and different physiological and morphometric variables, water relations, and mycorrhization were measured. The results showed that photosynthesis, biomass, and mycorrhization increased without altering the plant's nutritional balance. Therefore, the use of annual plants as an alternative to perennials for desert truffle cultivation in a climate change scenario is suggested. Secondly, a study was conducted to determine if mycorrhization between Helianthemum almeriense and T. claveryi could be increased by applying the "mycorrhizal helper bacteria" MHB Pseudomonas mandelii #29 under water stress, and whether this could improve the plant's water relations. The effect of inoculation with MHB under two different water regimes (well-watered and drought conditions) on mycorrhizal development, root hydraulic properties, aquaporin gene expression, and plant hormones was evaluated. The results showed that the presence of P. mandelii #29 under drought conditions had a synergistic effect, as it enhanced fungal colonization. Additionally, there was better regulation of water relations, as aquaporins were better regulated. The study encourages understanding the complex interactions between MHB bacteria and mycorrhizal fungi in the context of drought to improve plantation management. Thirdly, gene expression was studied in the roots of H. almeriense plants mycorrhized with T. claveryi during mycorrhizal development. Real-time PCR was used to analyse genes from both the plant and the fungus, and it was found that changes in morphology and mycorrhizal intensity were associated with changes in gene expression. The association between H. almeriense and T. claveryi was divided into three stages: the pre-symbiotic stage, the early symbiotic stage, and the late symbiotic stage. Certain genes were identified that play a key role in the fungus entering the root and establishing symbiosis. TcAQP1 from T. claveryi appears to play an important role in symbiosis establishment. Finally, the seasonal dynamics of the microbial community associated with a desert truffle plantation were analysed using next-generation sequencing technologies (metagenomics). The results indicate that both the bacterial and fungal communities are influenced by the seasons, although the effect was greater on the bacterial community. In addition, the physicochemical parameters of the soil also affected the microbial community. The abundance of T. claveryi in the soil was highly marked by seasonality, as it significantly increased in winter and then decreased in spring, with this extraradical mycelium possibly could be used for truffle production.