Universität zu Köln

Bouzid Elkhessairi, Maroua (2019). Comparative analysis of the drought stress response across the Arabidopsis genus. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Im Hinblick auf den Klimawandel und das dramatische weltweite Bevölkerungswachstum, ist die Anpassung an Trockenstress in Pflanzen ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung nachhaltiger Strategien um Ernteerträge zu optimieren und die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Pflanzen in unterschiedlichen ökologischen Nischen haben ihre Stressreaktionen an ihre lokalen Umweltbedingungen angepasst und behalten gleichzeitig ihre Fitness. Allerdings ist momentan trotzdem noch wenig über die Unterschiede bei der physiologischen und molekularen Reaktion auf Wassermangel bei nahe verwandten Pflanzenarten mit unterschiedlicher ökologischer Anpassung bekannt. Speziell über die Stressantwort bei den ökologisch diversen Verwandten vom Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) ist bis jetzt noch wenig bekannt. In dieser Arbeit habe ich die Stressreaktionen im Bezug auf Phänotyp, Genexpression und den Stoffwechsel in den mehrjährigen Arten A. halleri und A. lyrata, nahe Verwandte der einjährigen Art A. thaliana, untersucht. Um die Stressreaktionen bei Trockenheit genauer zu untersuchen, habe ich ein Experiment entwickelt, dass eine Periode mit ausbleibenden Niederschlägen nachahmt und die Reaktionen der Pflanzen auf den fortschreitenden Rückgang des Wassergehalts des Bodens untersucht. Die Reaktion auf den zurückgehenden Wassergehalt des Bodens ist in den drei Arabidopsis Arten signifikant unterschiedlich. Während das Wasser im Boden von A. halleri schneller verbraucht wurde und der Turgordruck nicht aufrechterhalten werden konnte, ist der Wassergehalt im Boden bei A. lyrata langsamer gesunken. A. lyrata verwelkten bei einem vergleichbaren Bodenwassergehalt wie A. halleri, zeigt allerdings nach dem Stress eine erhöhte Überlebensrate und verminderte Schäden an den Pflanzen. Im Gegensatz zu den beiden anderen Arten, scheint A. thaliana einem niedrigeren Bodenwassergehalt standzuhalten, überlebte aber das Welken nicht. Die Genexpressionsanalyse in den Schwesternarten A. halleri und A. lyrata bestätigt die phänotypischen Unterschiede in Reaktion auf den Trockenstress. Wachstumsrelevante Gene werden in A. halleri herunterreguliert sobald der Bodenwassergehalt abnimmt. Im Gegensatz werden in A. lyrata Gene, die im Zusammenhang mit Wassermangel stehen, nach dem Stress hochreguliert. Dies deutet an, dass die Physiologie in A. lyrata nach Trockenstress angepasst wird. Die Metabolite der Blätter zeigen basale sowie stressbedingte Unterschiede zwischen den Arten auf. Darüber hinaus wird festgestellt, dass in den drei Arten kompatible Solute wie Zucker oder Aminosäuren bei niedrigem Wassergehalt im Boden angereichert werden. Interessanterweise zeigte A. thaliana die stärksten Veränderungen in der Prolin- und Saccharoseanreicherung, die in vielen anderen Arten Zusammenhang mit Trockenstress angereichert werden. Die Variation in der Anreicherung der Metabolite spiegelte jedoch keine ökologischen Unterschiede wider, da die dürreempfindliche A. halleri der dürretoleranten A. lyrata ähnlicher war als der einjährigen A. thaliana. Im Verlauf meiner Arbeit habe ich aufgezeigt, dass die drei Arabidopsis Arten unterschiedliche Strategien entwickelt haben, um dem Trockenstress zu begegnen. A. lyrata verwendete sowohl Vermeidungs- als auch Toleranzmechanismen, während A. thaliana stärkere Vermeidungsreaktionen, aber keine Toleranz zeigte. A. halleri ist am wenigsten in der Lage, sich vor dem Wassermangel zu schützen.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Under conditions of climate change and the dramatic increase in world population, studying drought adaptation in plants is a key factor to design sustainable strategies to optimize crop productivity and ensure food security. Species with specific ecologies have responses to drought that were optimized to meet their local environmental challenges while maintaining their fitness. However, surprisingly little is known about how the physiological and molecular responses to water deprivation differ among closely related plant species with different ecologies. Specifically, how the ecologically diverse relatives of the model species Arabidopsis thaliana react to drought stress had not been examined. I used the annual species Arabidopsis thaliana, and its perennial close relatives A. lyrata and A. halleri to investigate the response to stress at phenotypic, transcriptomic and metabolic levels. To simulate drought stress, I developed a dry-down experiment that mimics a period of missing precipitation and monitors plant reactions to the progressive decrease in soil water content (SWC). The three species differed significantly in their reaction to decreasing SWC. At the phenotypic level, I observed that A. halleri consumed soil water faster and was not able to maintain leaf water content as the soil dried down. A. lyrata individuals wilted at a comparable soil water content, yet the increased survival rate and the decreased damage levels after recovery showed that it has better survival after wilting. By contrast, A. thaliana seemed to withstand lower SWC but did not survive wilting. The phenotypic differences between the two sister species were confirmed at the transcriptome level. In fact, A. halleri down-regulates growth-related genes as soon as SWC decreases. Such signs are absent in A. lyrata, which, instead, up-regulates water-deprivation genes after recovery, indicating that it adjusts its physiology after stress exposure. At the metabolome level, results revealed interspecific variation in the initial leaf metabolite concentration as well as in response to water depletion. In addition, the accumulation of compatible solutes such as sugars and amino acids is found to be a conserved mechanism in the three species in response to low SWC. Interestingly, A. thaliana displayed the strongest fold change in response to low SWC for proline and sucrose, which previously have been proven to play the role of osmoprotectants and their abundance was increased in many other species in response to drought stress. However, metabolic variation did not reflect ecological differences because the drought sensitive A. halleri was more similar to the drought-tolerant A. lyrata, than to the annual A. thaliana. In summary, these results suggest that these three Arabidopsis species have evolved distinct strategies to face drought stress. A. lyrata employed both avoidance and tolerance mechanisms, whereas A. thaliana showed stronger avoidance reactions but decreased tolerance. A. halleri is the least able to protect itself from the stress imposed by exposure to decrease in SWC. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bouzid Elkhessairi, Maroua maroua.elkhessairi@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-99129
Date:	20 May 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drought stress English avoidance and tolerance strategies English evolution English Arabidopsis halleri English Arabidopsis lyrata English Arabidopsis thaliana English Plant wilting English
Date of oral exam:	17 July 2019
Referee:	Name Academic Title Meaux, Juliette de Prof. Dr. Hoecker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9912