Published December 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Comparative analysis of two phytochrome mutants of tomato (Micro-Tom cv.) reveals specific physiological, biochemical, and molecular responses under chilling stress

Creators

  • 1. Anhui Agricultural University
  • 2. Huazhong Agricultural University
  • 3. Egyptian Atomic Energy Authority
  • 4. University of Balochistan
  • 5. Zagazig University
  • 6. Desert Research Center

Description

Phytochromes are plant photoreceptors that have long been associated with photomorphogenesis in plants; however, more recently, their crucial role in the regulation of variety of abiotic stresses has been explored. Chilling stress is one of the abiotic factors that severely affect growth, development, and productivity of crops. In the present work, we have analyzed and compared physiological, biochemical, and molecular responses in two contrasting phytochrome mutants of tomato, namely aurea (aur) and high pigment1 (hp1), along with wild-type cultivar Micro-Tom (MT) under chilling stress. In tomato, aur is phytochrome-deficient mutant while hp1 is a phytochrome-sensitive mutant. The genotype-specific physiological, biochemical, and molecular responses under chilling stress in tomato mutants strongly validated phytochrome-mediated regulation of abiotic stress. Here, we demonstrate that phytochrome-sensitive mutant hp1 show improved performance compared to phytochrome-deficient mutant aur and wild-type MT plants under chilling stress. Interestingly, we noticed significant increase in several photosynthetic-related parameters in hp1 under chilling stress that include photosynthetic rate, stomatal conductance, stomatal aperture, transpiration rate, chlorophyll a and carotenoids. Whereas most parameters were negatively affected in aur and MT except a slight increase in carotenoids in MT plants under chilling stress. Further, we found that PSII quantum efficiency (Fv/Fm), PSII operating efficiency (Fq′/Fm′), and non-photochemical quenching (NPQ) were all positively regulated in hp1, which demonstrate enhanced photosynthetic performance of hp1 under stress. On the other hand, Fv/Fm and Fq′/Fm′ were decreased significantly in aur and wild-type plants. In addition, NPQ was not affected in MT but declined in aur mutant after chilling stress. Noticeably, the transcript analysis show that PHY genes which were previously reported to act as molecular switches in response to several abiotic stresses were mainly induced in hp1 and repressed in aur and MT in response to stress. As expected, we also found reduced levels of malondialdehyde (MDA), enhanced activities of antioxidant enzymes, and higher accumulation of protecting osmolytes (soluble sugars, proline, glycine betaine) which further elaborate the underlying tolerance mechanism of hp1 genotype under chilling stress. Our findings clearly demonstrate that phytochrome-sensitive and phytochrome-deficient tomato mutants respond differently under chilling stress thereby regulating physiological, biochemical, and molecular responses and thus establish a strong link between phytochromes and their role in stress tolerance.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الفيتوكرومات هي مستقبلات ضوئية نباتية ارتبطت منذ فترة طويلة بالتشكل الضوئي في النباتات ؛ ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، تم استكشاف دورها الحاسم في تنظيم مجموعة متنوعة من الضغوط اللاأحيائية. الإجهاد المبرد هو أحد العوامل اللاأحيائية التي تؤثر بشدة على نمو المحاصيل وتطورها وإنتاجيتها. في العمل الحالي، قمنا بتحليل ومقارنة الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية والجزيئية في اثنين من الطفرات النباتية المتناقضة للطماطم، وهما aurea (aur) والصباغ العالي 1 (hp1)، إلى جانب الصنف البري Micro - Tom (MT) تحت ضغط تقشعر له الأبدان. في الطماطم، أور هو طفرة تعاني من نقص الكروم النباتي في حين أن hp1 هو طفرة حساسة للكروم النباتي. أثبتت الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية والجزيئية الخاصة بالنمط الجيني تحت ضغط تقشعر له الأبدان في طفرات الطماطم بقوة تنظيم الإجهاد اللاأحيائي بوساطة الكروم النباتي. هنا، نوضح أن الطفرة الحساسة للكروم النباتي hp1 تُظهر أداءً محسنًا مقارنةً بالنباتات الطافرة التي تعاني من نقص في الكروم النباتي والنباتات الآلية البرية تحت ضغط التبريد. ومن المثير للاهتمام أننا لاحظنا زيادة كبيرة في العديد من المعلمات المتعلقة بالتمثيل الضوئي في hp1 تحت ضغط التبريد والتي تشمل معدل التمثيل الضوئي، والتوصيل الفموي، وفتحة الفم، ومعدل النتح، والكلوروفيل أ، والكاروتينات. في حين تأثرت معظم المعلمات سلبًا في AUR و MT باستثناء زيادة طفيفة في الكاروتينات في محطات MT تحت ضغط التبريد. علاوة على ذلك، وجدنا أن الكفاءة الكمية لـ PSII (Fv/Fm)، وكفاءة تشغيل PSII (Fq′/ Fm′)، والتبريد غير الكيميائي الضوئي (NPQ) كانت جميعها منظمة بشكل إيجابي في hp1، مما يدل على تحسين أداء التمثيل الضوئي لـ hp1 تحت الضغط. من ناحية أخرى، انخفض Fv/Fm و Fq'/ Fm'بشكل كبير في النباتات من نوع أور والنباتات البرية. بالإضافة إلى ذلك، لم يتأثر NPQ في MT ولكنه انخفض في aur mutant بعد إجهاد تقشعر له الأبدان. بشكل ملحوظ، يظهر تحليل النسخ أن جينات PHY التي تم الإبلاغ عنها سابقًا للعمل كمفاتيح جزيئية استجابة للعديد من الإجهادات اللاأحيائية تم حثها بشكل أساسي في hp1 وقمعها في aur و MT استجابة للإجهاد. كما هو متوقع، وجدنا أيضًا مستويات منخفضة من المالونديالديهايد (MDA)، وأنشطة معززة من الإنزيمات المضادة للأكسدة، وتراكم أعلى لحماية الأوزموليتات (السكريات القابلة للذوبان، البرولين، جلايسين البيتين) مما يزيد من توضيح آلية التحمل الأساسية للنمط الجيني hp1 تحت ضغط تقشعر له الأبدان. تُظهر النتائج التي توصلنا إليها بوضوح أن طفرات الطماطم الحساسة للكروم النباتي والتي تعاني من نقص الكروم النباتي تستجيب بشكل مختلف تحت ضغط تقشعر له الأبدان وبالتالي تنظم الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية والجزيئية وبالتالي تنشئ صلة قوية بين الكرومات النباتية ودورها في تحمل الإجهاد.

Translated Description (French)

Les phytochromes sont des photorécepteurs végétaux qui ont longtemps été associés à la photomorphogenèse chez les plantes ; cependant, plus récemment, leur rôle crucial dans la régulation de divers stress abiotiques a été exploré. Le stress par refroidissement est l'un des facteurs abiotiques qui affectent gravement la croissance, le développement et la productivité des cultures. Dans le présent travail, nous avons analysé et comparé les réponses physiologiques, biochimiques et moléculaires chez deux mutants phytochromes contrastants de la tomate, à savoir l'aurée (aur) et le pigment élevé1 (hp1), ainsi que chez le cultivar de type sauvage Micro-Tom (MT) soumis à un stress glacial. Chez la tomate, aur est un mutant déficient en phytochrome tandis que hp1 est un mutant sensible aux phytochromes. Les réponses physiologiques, biochimiques et moléculaires spécifiques au génotype sous stress de refroidissement chez les mutants de la tomate ont fortement validé la régulation du stress abiotique médiée par les phytochromes. Ici, nous démontrons que le mutant hp1 sensible aux phytochromes présente une performance améliorée par rapport aux mutants aur déficients en phytochromes et aux plantes MT de type sauvage soumises à un stress de refroidissement. Il est intéressant de noter que nous avons remarqué une augmentation significative de plusieurs paramètres liés à la photosynthèse dans la hp1 sous contrainte de refroidissement, notamment le taux de photosynthèse, la conductance stomatique, l'ouverture stomatique, le taux de transpiration, la chlorophylle a et les caroténoïdes. Alors que la plupart des paramètres ont été affectés négativement dans aur et MT, à l'exception d'une légère augmentation des caroténoïdes dans les plantes MT sous stress de refroidissement. De plus, nous avons constaté que l'efficacité quantique PSII (Fv/Fm), l'efficacité de fonctionnement PSII (Fq′/Fm′) et l'extinction non photochimique (NPQ) étaient toutes régulées positivement dans hp1, ce qui démontre une performance photosynthétique accrue de hp1 sous contrainte. D'autre part, Fv/Fm et Fq′/Fm′ étaient significativement diminués chez les plantes aur et de type sauvage. De plus, le NPQ n'a pas été affecté dans le TM, mais a diminué chez le mutant aur après un stress de refroidissement. Il est à noter que l'analyse du transcrit montre que les gènes PHY qui agissaient auparavant comme des commutateurs moléculaires en réponse à plusieurs stress abiotiques étaient principalement induits dans hp1 et réprimés dans aur et MT en réponse au stress. Comme prévu, nous avons également trouvé des niveaux réduits de malondialdéhyde (MDA), des activités accrues des enzymes antioxydantes et une accumulation plus élevée d'osmolytes protecteurs (sucres solubles, proline, glycine bétaïne) qui développent davantage le mécanisme de tolérance sous-jacent du génotype hp1 sous un stress glacial. Nos résultats démontrent clairement que les mutants de la tomate sensibles aux phytochromes et déficients en phytochromes réagissent différemment sous un stress glacial, régulant ainsi les réponses physiologiques, biochimiques et moléculaires et établissant ainsi un lien étroit entre les phytochromes et leur rôle dans la tolérance au stress.

Translated Description (Spanish)

Los fitocromos son fotorreceptores vegetales que durante mucho tiempo se han asociado con la fotomorfogénesis en las plantas; sin embargo, más recientemente, se ha explorado su papel crucial en la regulación de una variedad de estreses abióticos. El estrés por frío es uno de los factores abióticos que afectan gravemente el crecimiento, el desarrollo y la productividad de los cultivos. En el presente trabajo, hemos analizado y comparado las respuestas fisiológicas, bioquímicas y moleculares en dos mutantes fitocromos contrastantes del tomate, a saber, aurea (aur) y alto pigmento1 (hp1), junto con el cultivar de tipo silvestre Micro-Tom (MT) bajo estrés por enfriamiento. En el tomate, aur es un mutante deficiente en fitocromo, mientras que hp1 es un mutante sensible al fitocromo. Las respuestas fisiológicas, bioquímicas y moleculares específicas del genotipo bajo estrés de enfriamiento en mutantes de tomate validaron fuertemente la regulación mediada por fitocromo del estrés abiótico. Aquí, demostramos que la hp1 mutante sensible al fitocromo muestra un rendimiento mejorado en comparación con la aur mutante deficiente en fitocromo y las plantas MT de tipo salvaje bajo estrés por enfriamiento. Curiosamente, notamos un aumento significativo en varios parámetros relacionados con la fotosíntesis en hp1 bajo estrés escalofriante que incluyen la tasa fotosintética, la conductancia estomática, la apertura estomática, la tasa de transpiración, la clorofila a y los carotenoides. Mientras que la mayoría de los parámetros se vieron afectados negativamente en aur y MT, excepto un ligero aumento de carotenoides en plantas MT bajo estrés por enfriamiento. Además, descubrimos que la eficiencia cuántica de PSII (Fv/Fm), la eficiencia operativa de PSII (Fq′/Fm′) y la inactivación no fotoquímica (NPQ) estaban reguladas positivamente en hp1, lo que demuestra un rendimiento fotosintético mejorado de hp1 bajo estrés. Por otro lado, Fv/Fm y Fq′/Fm′ disminuyeron significativamente en las plantas aur y de tipo salvaje. Además, la NPQ no se vio afectada en MT, pero disminuyó en el mutante aur después del estrés de enfriamiento. Cabe destacar que el análisis de transcritos muestra que los genes PHY que anteriormente se informó que actuaban como interruptores moleculares en respuesta a varias tensiones abióticas se indujeron principalmente en hp1 y se reprimieron en aur y MT en respuesta al estrés. Como era de esperar, también encontramos niveles reducidos de malondialdehído (MDA), actividades mejoradas de enzimas antioxidantes y una mayor acumulación de osmolitos protectores (azúcares solubles, prolina, glicina betaína) que elaboran aún más el mecanismo de tolerancia subyacente del genotipo hp1 bajo estrés frío. Nuestros hallazgos demuestran claramente que los mutantes de tomate sensibles al fitocromo y deficientes en fitocromo responden de manera diferente bajo estrés frío, regulando así las respuestas fisiológicas, bioquímicas y moleculares y, por lo tanto, estableciendo un fuerte vínculo entre los fitocromos y su papel en la tolerancia al estrés.

Files

s43141-020-00091-1.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:af29d1d77fc184f249f54571e19b1c51
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكشف التحليل المقارن لطفرتين من الطماطم (Micro - Tom cv.) عن استجابات فسيولوجية وكيميائية حيوية وجزيئية محددة تحت ضغط تقشعر له الأبدان
Translated title (French)
L'analyse comparative de deux mutants phytochromes de la tomate (Micro-Tom cv.) révèle des réponses physiologiques, biochimiques et moléculaires spécifiques sous stress glacial
Translated title (Spanish)
El análisis comparativo de dos mutantes fitocromos del tomate (Micro-Tom cv.) revela respuestas fisiológicas, bioquímicas y moleculares específicas bajo estrés por enfriamiento

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3106770139
DOI
10.1186/s43141-020-00091-1

Is supplement to
https://openalex.org/W56421725 (Other)
https://openalex.org/W4317816995 (Other)
https://openalex.org/W4281702594 (Other)
https://openalex.org/W3166575810 (Other)
https://openalex.org/W2181599589 (Other)
https://openalex.org/W2167671547 (Other)
https://openalex.org/W2164556705 (Other)
https://openalex.org/W2152382014 (Other)
https://openalex.org/W2131364714 (Other)
https://openalex.org/W2121386044 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1772575001
  • https://openalex.org/W1799004006
  • https://openalex.org/W1977905981
  • https://openalex.org/W1985497007
  • https://openalex.org/W2008077523
  • https://openalex.org/W2025636704
  • https://openalex.org/W2043127551
  • https://openalex.org/W2043770563
  • https://openalex.org/W2049168559
  • https://openalex.org/W2069655106
  • https://openalex.org/W2076055221
  • https://openalex.org/W2077766806
  • https://openalex.org/W2092890629
  • https://openalex.org/W2107277218
  • https://openalex.org/W2112395547
  • https://openalex.org/W2123269610
  • https://openalex.org/W2130470238
  • https://openalex.org/W2141922055
  • https://openalex.org/W2147728313
  • https://openalex.org/W2155398489
  • https://openalex.org/W2157959799
  • https://openalex.org/W2192080449
  • https://openalex.org/W2202769055
  • https://openalex.org/W2314352133
  • https://openalex.org/W2316530459
  • https://openalex.org/W2399640379
  • https://openalex.org/W2473995749
  • https://openalex.org/W2512022690
  • https://openalex.org/W2519210876
  • https://openalex.org/W2566364370
  • https://openalex.org/W2586205120
  • https://openalex.org/W2612171985
  • https://openalex.org/W2759003396
  • https://openalex.org/W2781155153
  • https://openalex.org/W2797182501
  • https://openalex.org/W2808168982
  • https://openalex.org/W2809811682
  • https://openalex.org/W2892099445
  • https://openalex.org/W2892870427
  • https://openalex.org/W2899302777
  • https://openalex.org/W2908735332
  • https://openalex.org/W2912563496
  • https://openalex.org/W2913180669
  • https://openalex.org/W2914140188
  • https://openalex.org/W2914954892
  • https://openalex.org/W2940111917
  • https://openalex.org/W2951959040
  • https://openalex.org/W2972621784
  • https://openalex.org/W2973792302
  • https://openalex.org/W2988314595
  • https://openalex.org/W2990081298
  • https://openalex.org/W2990750879
  • https://openalex.org/W2991189113
  • https://openalex.org/W2993169071
  • https://openalex.org/W2996665143
  • https://openalex.org/W3011962099
  • https://openalex.org/W3016752451
  • https://openalex.org/W3034151767
  • https://openalex.org/W371158841