Dokument: Natural variation in leguminous species and rice shows physiological and molecular adaptation to abiotic stress

Titel:	Natural variation in leguminous species and rice shows physiological and molecular adaptation to abiotic stress
Weiterer Titel:	Natural variation in leguminous species and rice shows physiological and molecular adaptation to abiotic stress
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=45957
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180523-085940-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr Ben Abdallah, Heithem [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,86 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.05.2018 / geändert 11.05.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Bauer, Petra [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter]
Stichwörter:	biology
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Abiotic stress conditions cause extensive losses of agricultural production worldwide. Salinity and alkalinity affect plant growth and availability of nutrients including Fe. Its deficiency as well as toxicity is serious agricultural problems and lead to heavy losses in yield. In our work, two leguminous plants (Hedysarum carnosum and Medicago truncatula) were used that originate from Tunisia and use as a fodder for animals and rice from India that presents important staple food in Asia. The first section, consists of a protocol for a reliable RT-qPCR assay, which can be easily adapted to any plant species of interest. In this paper, we describe in detail all the steps and the workflow. We think that this protocol is very informative and can be used as a template for RT-qPCR analyses. In the second section, we exposed three isolates from Hedysarum carnosum named according to their habitats Karkar, Thelja and Douiret to iron-deficiency stress, and we found that there is a difference in the responses between the isolates by developing chlorosis in the young leaves and showing a reduced biomass production. In this work, we find that under iron deficiency, iron contents of Karkar and Douiret were significantly lower than in their respective controls compared to Thelja. We conclude that the results of our physiological and gene expression analyses suggest that the individual lines have distinct adaptation capacities to react to iron deficiency, presumably involving mechanisms of iron homeostasis and internal distribution. In the second section, we screened 11 Tunisian M. truncatula lines from the SARDI collection, since in the field, crops and other plants are routinely subjected to a combination of different abiotic stresses. We subjected Medicago lines to salinity and alkalinity stress. Therefore, the combined stress affected germination rates, shoot and root dry weights, pigment contents and root morphology parameters. From the 11 tested lines we selected 2 tolerant and 2 sensitives lines. We find that these lines differ in their responses to double stress. The analyses provided evidence that root architecture, flavin root localization in epidermal cells and flavin secretion are relevant tolerance mechanisms for salt and alkaline stress in M. truncatula. The last section investigates the specific responses of contrasting rice genotypes to overload of iron, Hacha and Lachit. The root and shoot growth parameters, the leaf bronzing score showed that plants from the susceptible cultivar Hacha exhibited more severe symptoms of Fe toxicity than Lachit. To shed light on the molecular tolerance mechanisms we conducted a comparative transcriptomics RNAseq experiment of roots and L2 leaves. In this work, it is shown that the differentially expressed genes can be arranged into clusters reflecting either genotype, Fe regime or genotype Fe regime effects and we compared the molecular signatures of the tolerant versus the susceptible cultivars with previously reported mechanisms. From the physiological and molecular data we conclude that Lachit responds differently to Fe toxicity than the sensitive cultivar Hacha and also different from other Indica rice cultivars reported to be tolerant to high Fe. Abiotische Stressbedingungen verursachen weltweit erhebliche Verluste in der landwirtschaftlichen Produktion. Salzgehalt und Alkalität beeinflussen das Pflanzenwachstum, die Photosynthese und die Verfügbarkeit von Nährstoffen einschließlich Fe. Sowohl der Mangel als auch die Giftigkeit sind schwerwiegende landwirtschaftliche Probleme und führen zu hohen Ausbeuteverlusten. In unserer Arbeit wurden zwei Leguminosen (Hedysarum carnosum Medicago truncatula) aus Tunesien verwendet, die aus Tunesien stammen und als Futter für Tiere und Reis aus Indien, die in Asien wichtiges Grundnahrungsmittel darstell. Der erste Abschnitt besteht aus einem Protokoll für einen zuverlässigen RT-qPCR-Assay, der leicht an jede interessierende Pflanzenart angepasst werden kann. In diesem Dokument beschreiben wir detailliert alle Schritte und Arbeitsabläufe. Wir denken, dass dieses Protokoll sehr informativ ist und als Vorlage für RT-qPCR-Analysen verwendet werden kann. Wir isolierten drei Isolate von Hedysarum carnosum, die nach ihren Lebensräumen Karkar, Thelja und Douiret benannt wurden, auf Eisenmangel-Stress. Wir fanden heraus, dass die Isolate und die Chlorose in den jungen Blättern unterschiedlich sind . In dieser Arbeit finden wir, dass die Eisengehalte von Karkar und Douiret unter Eisenmangel signifikant niedriger waren als in ihren jeweiligen Kontrollen im Vergleich zu Thelja. Wir schließen daraus, dass die Ergebnisse unserer physiologischen und Genexpressionsanalysen darauf hindeuten, dass die einzelnen Linien unterschiedliche Adaptationskapazitäten haben, um auf Eisenmangel zu reagieren, vermutlich unter Beteiligung von Mechanismen der Eisenhomöostase und der internen Verteilung. Die zweite getestete Leguminosenpflanze war Medicago truncatula, wir untersuchten 11 tunesische M. truncatula-Linien aus der SARDI-Sammlung, da Feldfrüchte und andere Pflanzen auf dem Feld routinemäßig einer Kombination verschiedener abiotischer Belastungen ausgesetzt sind. Wir unterzogen Medicago Linien Salinität und Alkalinität. Daher beeinflusste die kombinierte Belastung die Keimungsraten, die Trockengewichte von Spross und Wurzel, den Pigmentgehalt und die Parameter der Wurzelmorphologie. Von den 11 getesteten Linien wählten wir 2 tolerante und 2 sensitive Linien zu kombinierter Belastung aus. Wir finden, dass diese Linien sich in ihren Reaktionen auf Doppelbelastung unterscheiden. Die Analysen lieferten Hinweise darauf, dass die Wurzelarchitektur, die Lokalisierung der Flavinlokalisation in epidermalen Wurzelzellen und die Flavinsekretion relevante Toleranzmechanismen für Salz- und alkalischen Stress in M. truncatula sind. Der letzte Abschnitt untersucht die spezifischen Reaktionen gegensätzlicher Reisgenotypen auf Eisenüberschuss. Das kontrastierende Paar Hacha und Lachit wurde mit überschüssigem Eisenstress verwendet. Die Wurzel - und Triebwachstumsparameter, der Blattbräunungsindex, dass Pflanzen aus der anfälligen Sorte Hacha schwerere Symptome der Fe - Toxizität aufwiesen als Lachit. Um die molekularen Toleranzmechanismen aufzuklären, führten wir ein vergleichendes Transkriptom-RNAseq Experiment von Wurzeln und L2-Blättern durch. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die differentiell exprimierten Gene in Cluster, die entweder Genotyp-, Fe-Regime- oder Genotyp-Fe-Regimer effekte widerspiegeln, verglichen und die molekularen Signaturen der toleranten gegenüber den suszeptiblen Kultivaren mit zuvor beschriebenen Mechanismen verglichen wurden. Aus den physiologischen und molekularen Daten schließen wir, dass Lachit anders auf Fe-Toxizität anspricht als die empfindliche Sorte Hacha und auch anders als andere Indica-Reissorten, von denen berichtet wurde, dass sie gegenüber weil Fe tolerant sind.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik
Dokument erstellt am:	23.05.2018
Dateien geändert am:	23.05.2018
Promotionsantrag am:	13.03.2018
Datum der Promotion:	04.05.2018