Διερεύνηση μηχανισμών αντοχής σε συνθήκες αυξημένης αλατότητας δύο ειδών μηδικής μέσω της έκφρασης γονιδίων και της συσσώρευσης δευτερογενών μεταβολιτών

Abstract

Η συσσώρευση ιόντων, λόγω αυξημένης αλατότητας στο έδαφος, αποτελεί μία από τις σημαντικότερες αβιοτικές καταπονήσεις των καλλιεργούμενων φυτών που επιδρούν αρνητικά στην παραγωγικότητά τους. Μεταξύ των ειδών του γένους Medicago, μόνο το είδος Medicago truncatula, το οποίο αποτελεί μοντέλο φυτικών ειδών, έχει μελετηθεί εκτενώς, ενώ περιορισμένη είναι η έρευνα για την προσαρμογή στην αλατότητα δύο σημαντικών κτηνοτροφικών ψυχανθών του Μ. sativa και Μ. arborea. Σε προηγούμενη εργασία διαπιστώθηκε ότι τα δύο είδη ανταποκρίνονται σε συνθήκες αλατότητας μέσω διαφορετικών μηχανισμών. Στην παρούσα μελέτη και σε συνέχεια της προηγούμενης, μελετήθηκε η έκφραση 6 γονιδίων, με σκοπό να διερευνηθεί εκτενέστερα ο τρόπος με τον οποίο αποκλείονται και μεταφέρονται τα ιόντα νατρίου στα διάφορα φυτικά μέρη αποφεύγοντας έτσι την τοξικότητα από ιόντα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μεταβολομική ανάλυση για τη μελέτη των δευτερογενών μεταβολιτών. Έξι γονίδια που σχετίζονται με την αλατότητα, τα SOS1, SOS3, NHX2, AKT, AVΡ , HKT1 μελετήθηκαν σε φύλλα και σε ρίζες που συγκομίστηκαν 1 μήνα μετά την χορήγηση NaCl. Τα γονίδια SOS1, SOS3 εμπλέκονται άμεσα στη ρύθμιση της ανεκτικότητας στην αλατότητα εξάγοντας το νάτριο από τις ρίζες των φυτών και απελευθερώνοντάς το είτε σε κύτταρα του ξύλου είτε στο εξωτερικό εδαφικό περιβάλλον ενώ τα γονίδια ΗΚΤ1 και ΑΚΤ παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάκτηση του νατρίου από τα αγγεία του ξύλου στη ρίζα, αποτρέποντας έτσι τη φθορά στα φύλλα που προκαλείται από την αλατότητα. Τα γονίδια ΝΗΧ2 και ΑVP δρουν στα φύλλα και στις ρίζες συσσωρεύοντας τα ιόντα νατρίου στο χυμοτόπιο αποτρέποντας έτσι την τοξικότητα από συσσώρευση ιόντων. Τα φυτά ποτίστηκαν για 4 εβδομάδες με διαλύματα ΝaCl με τις ακόλουθες συγκεντρώσεις: 1) σταδιακός εγκλιματισμός σε τελικό διάλυμα 100 mM NaCI ξεκινώντας από συγκέντρωση 50 mM NaCI (10 μέρες) αύξηση χορηγούμενης συγκέντρωσης στα 75mM NaCl (10 μέρες) και περαιτέρω αύξηση της χορηγούμενης συγκέντρωσης στα 100mM NaCl (για τις τελευταίες 10 μέρες πριν την κοπή), και 2) απευθείας χορήγηση διαλύματος συγκέντρωσης 100 mM NaCI. Κατά γενικό κανόνα, η Μ.arborea φαίνεται να υπερεκφράζει και να ενεργοποιεί όλους τους διαθέσιμους μηχανισμούς αντοχής σε συνθήκες αυξημένης αλατότητας ενώ από την άλλη η Μ.sativa δρα πιο στοχευμένα, υπερεκφράζοντας τα γονίδια ΗΚΤ1 και ΑΚΤ που συμβάλλουν στη συσσώρευση των ιόντων νατρίου συγκεκριμένα στη ρίζα. Τα αποτελέσματα της μεταβολομικής ανάλυσης έδειξαν συγκεκριμένα τις σαπωνίνες να παίζουν τον σημαντικότερο ρόλο στην προστασία των φυτών σε συνθήκες αυξημένης αλατότητας με μια πιθανή συνεργιστική δράση με τα λιγνάνια μόνο για το είδος M. sativa. Τέλος, δείξαμε ότι το μεταβολικό προφίλ του είδους M.arborea διαφέρει από το προφίλ της M. sativa και του υβριδίου τους.

The accumulation of ions, due to increased salinity in the soil, is one of the major abiotic stresses of cultivated plants that negatively affect their productivity. Among Medicago species, only Medicago truncatula, which is a model of plant species, has been extensively studied, while research into the adaptation to salinity of two important forage legumes of M. sativa and M. arborea has been limited. In previous work it was found that the two species respond to salinity conditions through different mechanisms. In the present study and following the previous study, the expression of 6 genes was studied in order to investigate more extensively the way in which sodium ions are blocked and transferred to the various plant parts, thus avoiding ion toxicity. In addition, metabolic analysis was performed for the study of secondary metabolites. Six saline-related genes, SOS1, SOS3, NHX2, AKT, AVP, HKT1, were studied in leaves and roots harvested 1 month after NaCl administration. The SOS1, SOS3 genes are directly involved in regulating salinity tolerance by extracting sodium from the plant roots and releasing it either into wood cells or in the outer terrestrial environment while the HKT1 and AKT genes play an important role in the recovery of sodium from the xylem to the root, thus preventing leaf damage caused by salinity. The NΗX2 and AVP genes act on leaves and roots by accumulating sodium ions in the vacuole, thus preventing ion-accumulation toxicity. The plants were watered for 4 weeks with NaCl solutions with the following concentrations: 1) gradual acclimatization in a final solution of 100 mM NaCl starting at a concentration of 50 mM NaCl (for 10 days) increasing concentration to 75 mM NaCl (for 10 days) and further increasing the concentration in 100mM NaCl (for the last 10 days prior to cutting), and 2) directly administering a solution of 100 mM NaCl. As a general rule, M. arborea appears to overexpress and activate all available mechanisms of resistance in conditions of increased salinity while on the other hand M. sativa acts more targeted, over-expressing the HKT1 and AKT genes that contribute to the accumulation of sodium ions in particular in root. The results of the metabolic analysis showed specifically that saponins play the most important role in protecting plants in conditions of increased salinity with a possible synergistic action with lignans only for M. sativa species. Finally, we have shown that the metabolic profile of M.arborea differs from that of M. sativa and their hybrid.