A hidden mystery : root adaptive responses to environmental factors in Nicotiana attenuata

Wang, Ming GND

As one of well-established plant model systems, Nicotiana attenuata has been intensively researched in plant resistance/tolerance, plant physiology and interactions with other environmental components in the last two decades. Although root systems, hidden belowground, are much harder to study than other organs, considering their importance in dynamic regulation of plant physiology, morphology, biochemistry, flowering and synthesis of metabolites, and their rich environmental interactions, the exploration of root responses to abiotic and biotic factors in N. attenuata will help to better understand mechanisms of how plants cope with multifaceted environmental factors. Smoke cues are long-live chemical signals in native habitats which play important roles in many aspects for N.attenuata plants, for example by promoting seed germination. Roots are likely exposed to smoke cues in the soil, but how roots respond to such chemical cues was poorly understand. We observed clear root developmental defects in primary root and root hair elongation with liquid smoke incubation. Bioassay-guided fractionation allowed us to obtain the active compound (catechol) responsible for these root defects. Amongst many root growth regulators, comparative transcriptomics narrowed them down to auxin and reactive oxygen species (ROS) signaling pathwaysAuxin was excluded as the main regulator to mediate smokeinduced root morphilogical alteration. Extenal catechol application caused a spatial disruption of H2O2 accumulation, although no bulk quantitative differences. Such misslocation of H2O2 is likely responsible for root defects caused by catechol, which can be partially recovered by H2O2 supplementation that suggested catechol is the main regulator in smoke leads to the smokemediated root defects. Further investigation demonstared the exsistence of catechol in burned areas in the native habitat of Utah, indicating possible ecological functions of smoke cues tuning root growth in nature. As one the 80% of higher plants associated with arbuscular mycorrhizal (AMF) for a mutualistic relationship, N.attenuata has been observed to harbor the characteristic symbiotic fungus structure in roots along with sequence identity confirmation; R. irregularis and F.mosesa are domestic fungus species colonizing N.attenuata roots in a native habitat. We were aiming to seek representative systemic responses in leaves by transcripts or metabolites after AMF colonization. Comparative transcriptomics and metabolomics were performed to compare changes in EV and irCCaMK plants after AMF colonization, and a class of blumenols were targeted for their specificity and high inducibility. By optimizing quantification methods for an improvement of sensitivity, 11-hydroxyblumenol C-9-O-Glc and 11-carboxyblumenol C-9-O-Gl were traced in aerial tissues as foliar markers to mirror root colonization ratio belowground. By application of “real-time” genetic modification using a chemically inducible promoter, we locally blocked biosynthesis of these two compounds in leaves, but their levels in modified leaves were not reduced. Thus, we inferred a root-to-shoot translocation mechanism. Using these more easily applied foliar markers of AMF association, a large screening was performed for a QTL analysis, and we successfully targeted some reported genes regulating symbioses such as NOPE1. We further confirmed that such foliar markers, found in many di- and monocotyledonous crop and model plants (Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Hordeum vulgare, Triticum aestivum, Medicago truncatula and Brachypodium distachyon), are not restricted to particular mycorrhizal species.

Nicotiana attenuata ist ein gut etabliertes Pflanzenmodellsystem und wurde innerhalb der letzten zwanzig Jahre intensiv mit Blick auf Pflanzenresistenz/Toleranz, Pflanzenphysiologie und Interaktionen mit weiteren Umweltfaktoren untersucht. Obwohl das Wurzelsystem aufgrund seiner unterirdischen Lage schwerer zu untersuchen ist als andere Pflanzenorgane, bietet es die Möglichkeit abiotische und biotische Wachstumsfaktoren von N. attenuata zu erforschen und kann somit zu einem besseren Verständnis führen, wie Pflanzen ihr Überleben in einer facettenreichen Umwelt meistern. Da Rauch ein chemisches Signal im natürlichen Habitat der Pflanze ist, dass lange überdauert, ist es für viele Aspekte der Pflanze wie zum Beispiel die Samenkeimung von entscheidender Bedeutung. Die Wurzeln der Pflanze sind wahrscheinlich vom ersten Moment an Rauchsignalen ausgesetzt, jedoch ist bisher wenig darüber bekannt, wie Wurzeln solche chemischen Signale adaptieren. In unseren Experimenten beobachteten wir Defekte bei der Entwicklung von primären Wurzeln und Wurzelhaarstreckung nach Inkubation mit flüssiger Rauchlösung. Die Bioassay-getriebene Isolierung führte zu dem Ergebnis, dass die aktive Komponente (Catechol) für die beobachteten Defekte verantwortlich war. Mit Hilfe vergleichender Transkriptomik konnten die möglichen Wurzelwachstumsfaktoren auf Auxin und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eingegrenzt werden. Durch den Vergleich von physiologischen und biochemischen Reaktionen der Wurzel auf Auxin, konnte Auxin als Hauptregulator bei rauch-induzierten Änderungen der Wurzelmorphologie ausgeschlossen werden. Die externe Applikation von Catechol bekräftigte eine räumliche aber keine quantitative Veränderung von H2O2. Diese Lageveränderungen von H2O2 bewirkten Wurzeldefekte durch Catechol und können teilweise durch Supplementierung von H2O2 behoben werden, was darauf hinweist, dass Catechol als der Hauptregulator in Rauch diese rauch-induzierten Wurzeldefekte bewirkt. Weitere Untersuchungen zeigten die Existenz von Catechol in Brandflächen im natürlichen Habitat in Utah, was eine bestimmte ökologische Funktion bietet, inwiefern Rauchsignale das Wurzelwachstum von Pflanzen in der Natur regulieren. N. attenuata gehört zu den 80% der höheren Pflanzen, die eine mutualistische Beziehung mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) eingehen. Mittels Sequenzierung konnte die charakteristische symbiotische Pilzstruktur in den Wurzeln aufgedeckt werden: R.irregularis und F.mosesa sind heimische Pilzarten und kolonisieren die Wurzeln von N. attenuata als abiotische Interaktionspartner. Unser Ziel war es nach charakteristischen systemischen Antworten im Blatt auf der metabolischen Ebene zu suchen, die nach AMF Kolonisierung auftreten und somit nicht nur erleichtern würden, bestimmen zu können, welche Individuen von AMF kolonisiert sind, sondern auch unser Verständnis von funktionellen Konsequenzen in systemischen Geweben verbessern könnten. Der Ansatz der vergleichende Metabolomik wurde genutzt, um metabolische Veränderungen in EV und irCCaMK Pflanzen nach AMF Kolonisierung zu messen, wodurch eine Klasse von Blumenolen gefunden wurde, die Spezifität und hohe Induzierbarkeit zeigte. Durch Optimierung der Quantifizierungsmethode, wodurch eine erhöhte Sensitivität erreicht werden konnte, war es möglich 11-hydroxyblumenol C-9-O-Glc und 11-carboxyblumenol C-9-O-Gl zu identifizieren, die die Kolonisierungsrate in Wurzeln widerspiegeln und somit als Blattmarker genutzt werden können. Durch Nutzung genetischer “real-time“ Toolbox, wurden irPDS Pflanzen hergestellt, die in der Biosynthese dieser zwei Stoffe in Blättern blockiert sind, was jedoch zu keiner Reduktion der Menge führte, wodurch sich ein Mechanismus der Translokation von der Wurzel in den Spross vermuten lässt. Für eine breitere Anwendung dieser „Vorboten“ in Blättern für AMF Kolonisierung wurde ein großes Screening für eine QTL Analyse durchgeführt. Dabei wurden einige Gene ins Auge genommen wie zum Beispiel NOPE1, von denen bereits berichtet wurde, dass sie in die Regulierung von Symbiosen involviert sind und somit weitere Anhaltspunkte für die Forward Genetics Forschung bieten. Weiterhin konnten wir bestätigen, dass solche Blattmarker, wie sie in vielen ein- und zweikeimblättrigen Kultur- und Modellpflanzen (Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Hordeum vulgare, Triticum aestivum, Medicago truncatula and Brachypodium distachyon) zu finden sind, nicht auf eine bestimmte Mykorrhiza-Art beschränkt sind.

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Wang, Ming: A hidden mystery. root adaptive responses to environmental factors in Nicotiana attenuata. Jena 2018.

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