Drought stress responses in Medicago truncatula and Glycine max: system biology approaches

Las leguminosas, después de los cereales, son el cultivo de mayor importancia económica a nivel mundial. Sin embargo, estas plantas son muy sensibles a los estreses abióticos, siendo la sequía el que más afecta a su producción. El objetivo general del presente trabajo es ampliar los conocimientos sobre las respuestas a sequía de la parte aérea y la raíz de dos especies de leguminosas (Medicago truncatula y Glycine max) mediante la combinación de enfoques fisiológicos, morfológicos, transcriptómicos y metabolómicos. El ácido ascórbico (AsA) es uno de los antioxidantes más abundantes en los tejidos vegetales que está involucrado en mecanismos enzimáticos y no enzimáticos de desintoxicación celular. Sin embargo, poco se sabe sobre la regulación de su biosíntesis bajo situaciones de estrés por sequía. En el capítulo 1 de este estudio, a través de una combinación de enfoques moleculares y fisiológicos, se observó que la biosíntesis del AsA está gravemente afectada por la sequía. Estos análisis mostraron que en plantas de soja sometidas a condiciones de estrés hídrico existen múltiples puntos de control que regulan la biosíntesis de AsA a nivel de la GDP-D-manosa pirofosforilasa y de la GDP-D-manosa 3 ', 5'-epimerasa. Estas respuestas también se observaron en la leguminosa modelo M. truncatula. En el segundo capítulo de este trabajo se muestra el estrecho vínculo existente entre la parte aérea y la raíz de plantas de M. truncatula. Así, bajo condiciones de sequía, las plantas adultas priorizaron el crecimiento de las raíces frente al desarrollo foliar. Los diferentes análisis mostraron respuestas que sugieren una estrategia de supervivencia pasiva para las hojas coexistentes con un compromiso activo de la raíz en las plantas afectadas por la sequía. Existe la necesidad de desarrollar nuevos protocolos no destructivos y no tóxicos que simulen condiciones de sequía para caracterizar mejor las respuestas de las plantas bajo condiciones controladas. En el capítulo 3 se presenta un nuevo método simple, eficiente y reproducible para simular condiciones in vitro de estrés por sequía en plántulas de M. truncatula crecidas en diferentes concentraciones de agar. Después de validar el uso de este método, se observó que las raíces desempeñan un papel clave en la adaptación de la planta a estas condiciones de estrés. La simplicidad de este método permite el análisis de poblaciones a gran escala para identificar rasgos de resistencia a la sequía en una variedad de plantas. Por último, en el capítulo 4, el método descrito en el capítulo anterior fue aplicado en combinación con análisis fisiológicos, transcriptómicos y metabolómicos al análisis de la zona de absorción de la raíz responsable de la absorción de agua y nutrientes para el crecimiento de la planta. Los resultados indicaron que las plantas mostraron rápidas respuestas moleculares bajo condiciones de sequía; el metabolismo de lípidos, hormonas, la composición de la pared celular y el metabolismo secundario se vieron muy afectados permitiendo a las plantas hacer frente a situaciones de estrés por sequía. En resumen, este trabajo proporciona nuevas perspectivas en la comprensión de las respuestas de las leguminosas a las condiciones de limitación de agua y contribuye a aclarar las señales de estrés hídrico y las redes de genes que controlan la respuesta de las plantas leguminosas a la sequía.

After cereals, legumes are crops of great economic importance. However, legume plants are very sensitive to abiotic stresses, being drought one of the most harmful stress in terms of crop production. The general aim of the present work is to gain further insights into two legume species (Medicago truncatula and Glycine max) drought responses at the shoot and root level by using a combination of physiological, morphological, transcriptomic and metabolomic approaches. Ascorbic acid (AsA) is one of the most abundant water-soluble antioxidant compound present in plant tissues involved in plant enzymatic and non-enzymatic detoxification mechanisms. Nevertheless, little is known on the regulation of this antioxidant biosynthesis pathway under drought stress. In chapter 1, through a combination of molecular and physiological approaches, we observed that AsA biosynthesis was severely affected by drought in soybean plants. These analyses showed that drought triggered multiple control points regulating AsA biosynthesis at the GDP-D-mannose pyrophosphorylase and GDPD-mannose 3´, 5´-epimerase level of soybean plants. In parallel, these responses were also observed in the model legume M. truncatula. In chapter 2, work presented here showed the tight link between above- and belowground organs in M. truncatula plants and the fact that, under drought stress conditions, adult plants prioritized root growth over leaf development. Actually, different analyses showed responses which suggest a passive survival strategy for leaves coexisting with an active engagement of the root in drought-stressed plants. New non-destructive and non-toxic protocols are needed to simulate drought conditions to better characterize plant responses under controlled conditions. To that end, in chapter 3, a new simple, efficient and reproducible method is presented to simulate in vitro drought stress conditions in M. truncatula seedlings grown on plates containing different agar concentrations. After validating of this method, it was observed that roots, rather than shoots, play a key role in plant adaptation to stress conditions. The relative simplicity of the method allows for its large-scale application in studies such as population screening for drought resistance traits in a variety of plants. Additionally, in chapter 4 we applied this method in combination with physiological, transcriptomic and metabolomic analyses in one of the most important parts of the root, the absorption zone, responsible for absorbing water and nutrients thus allowing the plant growth. Results led us to conclude that plants exhibited fast molecular responses under drought conditions; the metabolism of lipids, hormones, cell wall and secondary metabolism were some of the pathways most severely affected. To sum up, work presented here provides new insights into the understanding of legume responses to water-limiting conditions and contributes towards elucidating water stress signals and gene networks controlling the response of legume plants to drought.

This work was funded by “Ministerio Español de Economía y Competitividad” (AGL-2011-23738/AGR), “Gobierno de Navarra” (2016/PI013 LEGUMINOSAS) and “Fundación Caja Navarra” (FUNCAN, 07442). Amaia Seminario Huarriz has been holder of a PhD fellowship from the Public University of Navarra and she has received two mobility grants from the same institution: “Programa de ayudas de movilidad predoctoral” (1710/2012, 1506/2013).