Growth, hydraulic and transcriptomic responses to high air humidity and the involvement of abscisic acid (ABA) | Responser på høy luftfuktighet og betydning av abscisinsyre (ABA) på vekst, vannrelasjoner og genekspresjonsprofil

Klimafaktorer som relativ luftfuktighet (RF), temperatur, lys og CO2påvirker plantevekst og utvikling. Luftklima, og spesielt RF, bestemmer istor grad gassutvekslingen og dermed transpirasjon hos planter.Reguleringen av gassutveksling skjer gjennom spalteåpningene, som har enviktig funksjon for å maksimere karbonassimilasjon og minimere vanntapettil atmosfæren. Spalteåpningsregulering er kompleks, og mange ulike typersignaler er involvert. Høy RF (>90%) har stor betydning forspalteåpningenes anatomi og morfologi, samt evne til bevegelse ogfunksjon. Forståelsen av hvordan signaleringen er aktivert under høy RF ogdens spesifikke effekt på regulering av transpirasjon er imidlertidmangelfull. Studier har vist at vekst under kontinuerlig høy RH fører tilnedsatt spalteåpningsfunksjon og dermed redusert lukkerespons på signalersom normalt fører til lukking, slik som tørkestress og mørke. Hvordan dennenedsatte funksjonsevnen oppstår og hvordan det er mulig å unngå en sliksituasjon krever mer kunnskap, spesielt når det kommer til hvilken rolleplantehormonet abscisinsyre (ABA) har i prosessen. ABA er et av deviktigste signalene som styrer åpning og lukking av spalteåpninger.Målet med dette PhD-arbeidet var å undersøke effektene av høy RF på vekstog vannrelasjoner hos flere viktige matplanter: ert, tomat og bygg. Arbeidethar fokusert på spalteåpningsmorfologi og funksjon, samt å analyseresamspillet mellom RF og ultrafiolett (UV) stråling, og fastslå rollen til ABAi både kort- og lang-tids responser på høy RF ved å benytte ABAmanglendemutanter som verktøy. Studier har vist at funksjonen tilspalteåpninger utviklet under høy RF kan forbedres ved at de eksponeresfor kortere perioder med lavere RF, økt temperatur, økt andel av blått lysdaglig eller sprøytes med ABA. UV-stråling vil normalt indusere lukkingav spalteåpninger gjennom både ABA-avhengig og -uavhengige prosesser,og derfor ble det testet om UV-eksponering kunne forbedre funksjonene tilspalteåpninger hos ert utviklet under høy RH (artikkel 1). Studier har vist ateffektene av ABA på plantevekst og vannrelasjoner er artsspesifikke, ogdermed ble effektene av høy RF på tomat og bygg med deres tilsvarendeABA-manglende mutanter, som er mutert ved samme steget i ABAbiosyntese undersøkt (artikkel II). I den siste artikkelen ble effektene avbåde lang- og kort-tids eksponering av høy RF på villtype og ABAmanglendeflacca (flc) tomat og deres differensielt uttrykte gener undersøktved hjelp av RNA-sekvensering (artikkel III).Ert dyrket i høy RF (90%) viste økt følsomhet for skader på blad og DNAsom et resultat av UV eksponering (0.15 W m-2) sammenlignet med planterdyrket i moderat (60%) RF. Økt skade oppsto på grunn av lavere totalantioksidantkapasitet (FRAP) og redusert innhold av flavonoider (artikkel1).Det ble funnet store forskjeller i respons på RF mellom tomat og bygg, ogderes ABA-mutanter (artikkel II). Høy RF dempet effekten av ABA mangelhos begge arter, mest sannsynlig gjennom endringer i vannrelasjoner hostomat, men ikke hos bygg. Forskjellen mellom artenes respons er muligenset resultat av innebygde forskjeller mellom tofrøbladet (tomat) ogenfrøbladet (bygg) arter, men kan også henge sammen med at ABAmanglendebygg (Az34) mangler nitrat reduktase (NR) mens flc fortsatt harintakt NR.Det siste manuskriptet i avhandlingen viser at transpirasjonen sannsynligviser drevet av endringer i mengde ABA hos villtype tomat, men at den erdrevet av en ABA-uavhengig mekanisme, muligens hydraulisk respons hosflc (artikkel III) i respons på RF. Dessuten, gitt at responsen var sterkere itomat villtype, ble det konkludert at hydrauliske mekanismer muligensinduserer spalteåpnings- og transpirasjons-responser ved endringer i RF,men at tilstedeværelse og regulering av ABA har en sterkere effekt. Mangelpå ABA (flc) førte til både opp- og ned-regulering av tusenvis av genersammenlignet med villtype tomat. Den store forskjellen mellom flc ogvilltype oppsto på grunn av endringer i vannstatus, heller enn ABA-mangelper se. Til tross for tap av turgor under moderat RF har ikke flc planter evnetil å gjennomgå osmotiske justeringer for å regulere vanntap, men viste øktbiosyntese og signalering av etylen sammenlignet med villtype undermoderat RF.Denne avhandlingen viser at effektene av høy RF på plantenes vekst oghydraulisk respons er art-spesifikke, og at responsene er drevet av ulikemekanismer i forskjellige arter. Det er derfor viktig å forstå ulike artersluftfuktighetsresponser for optimal vekst og stresstoleranse.

English. The aerial environment, which includes relative air humidity (RH),temperature, vapour pressure deficit (VPD) and CO2 availability, affectsplant growth and development in many ways. The aerial environmentdetermines plant gas exchange and influences plant function from physicaltrait development down to gene expression. The final regulation of plant gasexchange is through the stomatal pores, which are tightly controlled in orderto maximise carbon assimilation while minimising excessive water loss tothe atmosphere. Stomatal regulation is complex, and the full extent ofsignals involved in response to the aerial environment remains equivocal.High RH, or low VPD, plays a significant role in stomatal anatomy,movement and function, yet the sensing and signalling pathways associatedwith high RH and their specific effects on the regulation of transpiration areyet to be fully understood. Studies have shown that continuous growth inhigh RH leads to diminished stomatal function and response to stomatalclosing stimuli, such as darkness and decreased RH. How this diminishedfunction arises, and strategies to combat it are still under investigation, andthe involvement of the phytohormone abscisic acid (ABA) is yet to be fullyelucidated.The aim of this PhD was to investigate the effects of high RH on the growthand water relations of several important crop species: pea, tomato andbarley, with a focus on stomatal morphology and function, as well as toanalyse the interaction between RH and a potential mitigating factor (UVradiation), and determine the role of ABA in short- and long- term responsesto high RH using ABA-deficient mutants. Previous studies have shown thatperiods of reduced RH, increased temperature, increased proportion of bluelight or spraying with exogenous ABA can alleviate the reduction instomatal functioning often found in plants grown in high RH. Exposure toUV radiation induces stomatal closure via both ABA-dependent and -independent pathways, thus UV radiation was tested as a potentialmitigating factor to alleviate the stomatal effects of growth in high RH inpea plants (paper I). Further studies have indicated species-dependenteffects of ABA on plant growth and water relations, thus the effects ofgrowth in high RH of tomato and barley plants and their respective ABA-deficientmutants which have lesions in the same step of ABA biosynthesiswere tested (paper II). Finally, the effects of long- and short-term exposureto high RH on WT and ABA-deficient flacca (flc) tomatoes and theirdifferentially expressed genes (DEGs) were investigated to determine theeffect of high RH on gene expression and how this was affected by ABA(paper III).Pea plants grown in high (90%) RH indicated higher susceptibility to leafand DNA damage by night-time exposure to 0.15 W m-2 UV radiation thanplants grown in moderate (60%) RH, which was brought about by a lowertotal antioxidant power and reduced flavonoid content in these leaves (paperI).Tomato and barley substantially differed in their response to growth in highRH, as well as the role of ABA therein (paper II). High RH alleviatedsomewhat the effects of ABA-deficiency in both species, though themechanism was most likely through effects on water status in tomato, butnot in barley. The differences between the two species may be linked toinherent differences between eudicots (tomato) and monocots (barley), butmay also have arisen as an artefact of nitrate reductase (NR) deficiency inABA-deficient barley (Az34), but not in flc.Finally, ABA concentration determined transpiration differences inresponse to RH in WT tomato plants, but this was driven by an ABA-independentmechanism, possibly a hydraulic response, in flc plants (paperIII). However, the greater response of WT plants suggested that whilehydraulics may induce stomatal and transpirational responses to RH, thepresence and regulation of ABA has a greater effect. Furthermore, a lack ofABA resulted in the up- and down-regulation of thousands of genes in flccompared to WT plants and in response to changing RH, due to changes inwater status, rather than ABA-deficiency per se. Despite turgor loss inmoderate RH, flc plants did not undergo osmotic adjustment to regulatewater loss, and showed increased ethylene (ET) biosynthesis and signallingcompared to WT plants in moderate RH.In conclusion, this PhD work has shown species and genotypic differencesin the effects of high RH on plant growth and hydraulic responses, withresponses driven by different pathways in different species.