Study of potassium nutrition in the symbiosis between Serendipita indica and Arabidopsis thaliana exposed to K+ deficiency and salinity: characterization of the ionic transporters involved

Steady population growth will produce a food demand in a few decades that will require doubling the current crop yields. This will rise the use of water for irrigation, which is already a problem in arid and semi-arid areas, and soil salinization will worsen, reducing crop productivity since most crops are sensitive to NaCl even at moderate concentrations, thus not being able to cover the food demand necessary to feed the population. Salinization produces a toxic stress in the plant due to Na+ accumulation together with osmotic stress, reducing the water absorption and, therefore, also the uptake of other essential nutrients for plants such as nitrogen, phosphorus, and potassium, among others. K+ is the most affected because, due to its physicochemical similarity with Na+, it competes with Na+ in the plant, interfering in the development of its essential functions. K+ is an essential macronutrient that constitutes around 10% of the plant dry weight and its supply must be guaranteed. Therefore, maintaining the intracellular concentration of K+ and avoiding the accumulation of Na+ is key for optimal plant growth. As strategies to improve tolerance to salinity and mineral nutrition of crops, more sustainable alternatives to chemical fertilizers are being used in agriculture, such as the use of microorganisms as biofertilizers or biostimulants; that do not modify the nutritional content of the soil, preventing the excess of nutrients added by chemical fertilizers from filtering and contaminating the water, causing its eutrophication. One of these potentially most interesting microorganisms is Serendipita indica, an endophytic fungus that can colonize the roots of a wide variety of plants, including some crops such as tomato, barley, soybean, rice, and rapeseed. It is known that Serendipita improve their growth and tolerance to biotic and abiotic stresses, such as drought, extreme temperatures, and salinity, although the molecular mechanisms underlying these effects have been not yet fully elucidated. In this work we have studied the role of Serendipita indica in the growth of Arabidopsis thaliana under two different stress conditions: salinity and K+ limiting nutritional conditions. The results indicate that, interestingly, Serendipita colonization reduces Na+ accumulation in Arabidopsis, probably facilitating plant detoxification under saline conditions. These results were obtained both in Col 0 plants and in Arabidopsis mutants defective in their Na+ transporters SOS1 and HKT1, ruling out that these transporters, described as key determinants of Arabidopsis salinity tolerance, are responsible for Na+ removal from the plant. The door remains open to find out whether other plant transporters are involved in the extrusion of Na+ or whether they are transporters of the fungus itself, among which ENA-type ATPases would be possible candidates. Serendipita has two of these ATPases, SiENA1 and SiENA5, which are efficient Na+ and/or K+ efflux systems. Through gene expression studies and by obtaining mutants in these genes, we have found that, at physiological pH, SiENA5 would be mainly responsible for the salinity tolerance of the fungus. On the other hand, SiENA1 is a K+ and Na+ efflux system, which functions mainly at alkaline pH and is significantly induced during symbiosis. The study of silenced mutants of SiENA1 suggests that the expression of this protein could be relevant during plant colonization. This work has also addressed the study of K+ nutrition of S. indica under free-living conditions and during established symbiosis with Arabidopsis, as well as the cloning and functional characterization of four fungal K+ transporters such as SiHAK1, SiTRK1, SiTRK2 and SiTOK1. Of these, SiHAK1 was found to be the major high-affinity K+ transporter of the fungus that is induced during K+ starvation and, interestingly, also during symbiosis, regardless of the K+ concentration present in the medium. Gene expression analysis of these transporters, along with others that mediate intracellular K+ fluxes in intracellular membranes, has shown that they are expressed under various growth conditions tested: some are induced under K+ starvation, others in salinity and, most of them to a greater or lesser extent, during symbiosis. Finding out the function of each of them remains to be resolved in future work. Finally, we have studied whether Serendipita colonization has any effect on K+ nutrition of plants, mainly under K+-limiting growth conditions but also when plants are exposed to high KCl concentrations. The results indicate that, unlike Pi nutrition, colonization of the fungus not only does not significantly improve plant growth or its K+ reserves, but rather reduces its internal K+ content. In contrast, K+ starvation favored fungal colonization, which seems to indicate that, under K+ restrictive conditions, S. indica would be the main beneficiary of the symbiosis. Thus, it could be proposed that in the symbiotic association that Serendipita establishes with the plants, they might reach a compromise situation between both organisms in which the fungus would provide Pi to the plant in exchange for having a guaranteed supply of K+, in addition to sugars, from the plant. RESUMEN El constante aumento de la población hará que, en unas décadas, haya que doblar la actual producción de alimentos. Esto supondrá un aumento en el uso de agua para regadío, que ya supone un problema en zonas áridas y semiáridas. Se agravará la salinización de los suelos, reduciendo la productividad de los cultivos, en su mayoría sensibles al NaCl incluso a concentraciones moderadas, no pudiendo cubrir así la demanda alimentaria necesaria para nutrir a la población. La salinización produce un estrés tóxico debido al Na+ y osmótico en la planta, reduciendo este último la absorción de agua y, como consecuencia, también la absorción de otros nutrientes esenciales para las plantas como son el nitrógeno, el fósforo y el potasio entre otros. El K+ es el más afectado debido a que, por su semejanza fisicoquímica con el Na+, compite en la planta con este, interfiriendo en el desarrollo de sus funciones esenciales. El K+ es un macronutriente esencial que constituye en torno al 10% del peso seco de las plantas y su aporte debe ser garantizado, por lo que mantener su concentración intracelular y evitar la acumulación de Na+ es clave para el óptimo crecimiento de las plantas. Como estrategias para mejorar la tolerancia a la salinidad y la nutrición mineral de los cultivos, en agricultura se están utilizando alternativas más sostenibles a los fertilizantes químicos como son el uso de microorganismos como biofertilizantes o bioestimulantes; que no modifican el contenido nutricional del suelo, evitando que el exceso de nutrientes añadido por los fertilizantes químicos acabe filtrándose y contaminando las aguas produciendo su eutrofización. Uno de estos microorganismos potencialmente interesante es Serendipita indica, un hongo endófito capaz de colonizar las raíces de gran variedad de plantas entre las que se encuentran algunos cultivos como el tomate, la cebada, la soja, el arroz y la colza. Se sabe que mejora su crecimiento y tolerancia frente a estreses bióticos y abióticos, como la sequía, temperaturas extremas y la salinidad, si bien los mecanismos moleculares que subyacen a esos efectos todavía no están completamente esclarecidos. En este trabajo se ha abordado el estudio del papel de Serendipita indica sobre el crecimiento de la planta Arabidopsis thaliana en dos condiciones de estrés distintas: en salinidad y en condiciones de ayuno nutricional de K+. Los resultados indican que, la colonización de Serendipita curiosamente, reduce la acumulación de Na+ en Arabidopsis, facilitando probablemente la desintoxicación de la planta en condiciones de salinidad. Estos resultados se obtuvieron tanto en plantas Col 0 como en mutantes de Arabidopsis defectivos en sus transportadores de Na+ SOS1 y HKT1, con lo que se descarta que estos transportadores descritos como determinantes clave de la tolerancia a la salinidad de Arabidopsis, sean responsables de la eliminación del Na+ de la planta. Queda la puerta abierta a averiguar si otros transportadores de la planta están implicados en la salida del Na+ o si son los transportadores del propio hongo, entre los que se encuentran como posibles candidatos las ATPasas tipo ENA. Serendipita tiene dos ATPasas de este tipo, SiENA1 y SiENA5, que son eficaces sistemas de salida de Na+ y/o K+. Mediante estudios de expresión génica y la obtención de mutantes en estos genes, hemos averiguado que, a pH fisiológico, SiENA5 sería el principal responsable de la tolerancia a la salinidad del hongo. Por otra parte, SiENA1 es un sistema de salida de K+ y también de Na+, que funciona principalmente a pH alcalino y se induce de forma significativa en simbiosis. El estudio de mutantes silenciados de SiENA1 sugieren que la expresión de esta proteína podría ser relevante durante la colonización de la planta. En este trabajo también se ha abordado el estudio de la nutrición de K+ de S. indica en condiciones de vida libre y durante la simbiosis establecida con Arabidopsis, además de la clonación y caracterización funcional de cuatro transportadores de K+ del hongo como son SiHAK1, SiTRK1, SiTRK2 y SiTOK1. De todos ellos, SiHAK1 ha resultado ser el principal transportador de alta afinidad de K+ del hongo que se induce durante el ayuno de K+ y curiosamente, también durante simbiosis, independientemente de la concentración de K+ presente en el medio. El análisis de expresión génica de estos transportadores junto con otros que median flujos de K+ en membranas intracelulares, ha demostrado que se expresan en diversas condiciones de crecimiento ensayadas: algunos se inducen en ayuno de K+, otros en salinidad y la mayoría, en mayor a menor medida, durante la simbiosis. Cuál es la función de cada uno de ellos queda pendiente de resolver en futuros trabajos. Finalmente, hemos estudiado si la colonización de Serendipita tiene algún efecto sobre la nutrición de K+ de la planta, principalmente en condiciones de crecimiento limitantes de K+ pero también cuando las plantas se exponen a altas concentraciones. Los resultados indican que, a diferencia de lo que ocurre con la nutrición de Pi, la colonización del hongo no sólo no mejora significativamente ni el crecimiento ni las reservas de K+ de la planta, sino que reduce su contenido interno de K+. En cambio, el ayuno de K+ favoreció la colonización del hongo, lo que parece indicar que, en condiciones restrictivas de K+, S. indica sería el principal beneficiario de la simbiosis. De esta manera, se podría proponer que en la asociación simbiótica que establece Serendipita con las plantas tal vez llegan a una situación de compromiso entre ambos organismos en la que el hongo proporcionaría Pi y otros beneficios a la planta a cambio de tener garantizado el suministro de K+, además de azúcares, de la planta.