Published May 6, 2020
| Version v1
Publication
Open
Transcriptional and metabolic profiling reveals modulation of genes associated to drought tolerance by chloroplast redox poise in potato
Creators
- 1. Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure
- 2. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario
- 3. Institute of Plant Genetics, Polish Academy of Sciences
- 4. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
- 5. Heinrich Heine University Düsseldorf
- 6. Cluster of Excellence on Plant Sciences
- 7. Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research
Description
Water stress causes considerable yield loss in potato, usually considered a drought-sensitive crop. Photosynthesis is a primary target of abiotic stresses, and manipulation of photosynthetic electron distribution in chloroplasts by introducing the alternative electron carrier flavodoxin increased tolerance of model plants to multiple environmental challenges including drought, suggesting that a similar strategy could function in crops. We show herein that expression of a plastid-targeted cyanobacterial flavodoxin in potato plants protected photosynthetic activities even at a pre-symptomatic stage of drought stress. Transcriptional profiling revealed that 5-6% of leaf-expressed genes were regulated by flavodoxin in the absence of stress, representing pathways modulated by chloroplast redox status during normal growth. The majority (68.5%) of drought-responsive genes were also affected by flavodoxin, whose main effect was to mitigate changes in gene expression caused by water deficit, suggesting that flavodoxin-expressing plants suffered less stress than their wild-type siblings, and accordingly displayed an attenuated response to the adverse condition. Expression of 290 drought-responsive genes was primed in the transformants in the absence of stress, and could contribute to drought tolerance. Yield improvement under chronic water limitation was moderate but significant in flavodoxin-expressing plants, indicating that the flavoprotein has potential to improve major agronomic traits in potato.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يسبب الإجهاد المائي خسارة كبيرة في محصول البطاطا، الذي يعتبر عادة محصولًا حساسًا للجفاف. التمثيل الضوئي هو الهدف الرئيسي للضغوط اللاأحيائية، والتلاعب بتوزيع الإلكترون الضوئي في البلاستيدات الخضراء من خلال إدخال الفلافودوكسين الناقل للإلكترون البديل الذي يزيد من تحمل النباتات النموذجية للتحديات البيئية المتعددة بما في ذلك الجفاف، مما يشير إلى أن استراتيجية مماثلة يمكن أن تعمل في المحاصيل. نوضح هنا أن التعبير عن الفلافودوكسين البكتيري الأزرق المستهدف بالبلاستيد في نباتات البطاطس يحمي أنشطة التمثيل الضوئي حتى في مرحلة ما قبل الأعراض من إجهاد الجفاف. كشف التنميط النسخي أن 5-6 ٪ من الجينات المعبر عنها بالأوراق يتم تنظيمها بواسطة الفلافودوكسين في غياب الإجهاد، مما يمثل مسارات معدلة حسب حالة اختزال البلاستيدات الخضراء أثناء النمو الطبيعي. كما تأثرت غالبية الجينات المستجيبة للجفاف (68.5 ٪) بالفلافودوكسين، الذي كان تأثيره الرئيسي هو التخفيف من التغيرات في التعبير الجيني الناجم عن نقص المياه، مما يشير إلى أن النباتات التي تعبر عن الفلافودوكسين تعاني من إجهاد أقل من أشقائها من النوع البري، وبالتالي أظهرت استجابة موهنة للحالة المعاكسة. تم تحضير التعبير عن 290 جينًا مستجيبًا للجفاف في المحولات في غياب الإجهاد، ويمكن أن يساهم في تحمل الجفاف. كان تحسن الغلة في ظل محدودية المياه المزمنة معتدلاً ولكنه مهم في النباتات المعبرة عن الفلافودوكسين، مما يشير إلى أن بروتين الفلافون لديه القدرة على تحسين السمات الزراعية الرئيسية في البطاطس.Translated Description (French)
Le stress hydrique provoque une perte de rendement considérable dans la pomme de terre, généralement considérée comme une culture sensible à la sécheresse. La photosynthèse est une cible principale des stress abiotiques, et la manipulation de la distribution des électrons photosynthétiques dans les chloroplastes en introduisant la flavodoxine porteuse d'électrons alternative a augmenté la tolérance des plantes modèles à de multiples défis environnementaux, y compris la sécheresse, ce qui suggère qu'une stratégie similaire pourrait fonctionner dans les cultures. Nous montrons ici que l'expression d'une flavodoxine cyanobactérienne ciblée sur les plastes dans les plantes de pomme de terre protégeait les activités photosynthétiques même à un stade pré-symptomatique de stress de sécheresse. Le profilage transcriptionnel a révélé que 5 à 6% des gènes exprimés par les feuilles étaient régulés par la flavodoxine en l'absence de stress, ce qui représente des voies modulées par le statut redox des chloroplastes pendant la croissance normale. La majorité (68,5 %) des gènes sensibles à la sécheresse ont également été affectés par la flavodoxine, dont le principal effet a été d'atténuer les changements dans l'expression des gènes causés par le déficit en eau, ce qui suggère que les plantes exprimant la flavodoxine ont subi moins de stress que leurs frères et sœurs de type sauvage et ont donc montré une réponse atténuée à la condition défavorable. L'expression de 290 gènes sensibles à la sécheresse a été amorcée dans les transformants en l'absence de stress et pourrait contribuer à la tolérance à la sécheresse. L'amélioration du rendement en cas de limitation chronique de l'eau était modérée mais significative chez les plantes exprimant la flavodoxine, ce qui indique que la flavoprotéine a le potentiel d'améliorer les principaux traits agronomiques de la pomme de terre.Translated Description (Spanish)
El estrés hídrico causa una pérdida considerable de rendimiento en la papa, generalmente considerada un cultivo sensible a la sequía. La fotosíntesis es un objetivo principal del estrés abiótico y la manipulación de la distribución de electrones fotosintéticos en los cloroplastos mediante la introducción del portador de electrones alternativo flavodoxin aumentó la tolerancia de las plantas modelo a múltiples desafíos ambientales, incluida la sequía, lo que sugiere que una estrategia similar podría funcionar en los cultivos. En la presente se muestra que la expresión de una flavodoxina cianobacteriana dirigida a plástidos en plantas de papa protegió las actividades fotosintéticas incluso en una etapa pre-sintomática de estrés por sequía. El perfil transcripcional reveló que el 5-6% de los genes expresados en las hojas estaban regulados por la flavodoxina en ausencia de estrés, lo que representa vías moduladas por el estado redox del cloroplasto durante el crecimiento normal. La mayoría (68.5%) de los genes que responden a la sequía también se vieron afectados por la flavodoxina, cuyo principal efecto fue mitigar los cambios en la expresión génica causados por el déficit de agua, lo que sugiere que las plantas que expresan flavodoxina sufrieron menos estrés que sus hermanos de tipo salvaje y, en consecuencia, mostraron una respuesta atenuada a la condición adversa. La expresión de 290 genes sensibles a la sequía se cebó en los transformantes en ausencia de estrés y podría contribuir a la tolerancia a la sequía. La mejora del rendimiento bajo limitación crónica de agua fue moderada pero significativa en plantas que expresan flavodoxina, lo que indica que la flavoproteína tiene potencial para mejorar los principales rasgos agronómicos en la papa.Files
au.158880173.35397820.pdf
Files
(15.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:8a84d070809e1bd91800d4b516ca65d2
|
15.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يكشف التنميط النسخي والاستقلابي عن تعديل الجينات المرتبطة بتحمل الجفاف عن طريق اتزان اختزال البلاستيدات الخضراء في البطاطس
- Translated title (French)
- Le profilage transcriptionnel et métabolique révèle une modulation des gènes associés à la tolérance à la sécheresse par l'équilibre redox des chloroplastes dans la pomme de terre
- Translated title (Spanish)
- El perfil transcripcional y metabólico revela la modulación de los genes asociados a la tolerancia a la sequía por el equilibrio redox del cloroplasto en la patata
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4241178926
- DOI
- 10.22541/au.158880173.35397820
References
- https://openalex.org/W1492285967
- https://openalex.org/W1515295086
- https://openalex.org/W1530973763
- https://openalex.org/W1587026990
- https://openalex.org/W1969067234
- https://openalex.org/W1969955365
- https://openalex.org/W1976944188
- https://openalex.org/W1978821137
- https://openalex.org/W1991402857
- https://openalex.org/W1992485982
- https://openalex.org/W2010242135
- https://openalex.org/W2015723754
- https://openalex.org/W2017002927
- https://openalex.org/W2018092034
- https://openalex.org/W2020541351
- https://openalex.org/W2031295102
- https://openalex.org/W2045332835
- https://openalex.org/W2054363495
- https://openalex.org/W2078464751
- https://openalex.org/W2082822888
- https://openalex.org/W2102067136
- https://openalex.org/W2102094057
- https://openalex.org/W2114570899
- https://openalex.org/W2126673948
- https://openalex.org/W2129890560
- https://openalex.org/W2135572188
- https://openalex.org/W2142283539
- https://openalex.org/W2146480558
- https://openalex.org/W2146512944
- https://openalex.org/W2150563829
- https://openalex.org/W2151066815
- https://openalex.org/W2151578666
- https://openalex.org/W2155080972
- https://openalex.org/W2159109819
- https://openalex.org/W2159347934
- https://openalex.org/W2162781740
- https://openalex.org/W2167279371
- https://openalex.org/W2167730133
- https://openalex.org/W2168682881
- https://openalex.org/W2178716668
- https://openalex.org/W2330377476
- https://openalex.org/W2461716785
- https://openalex.org/W2519453968
- https://openalex.org/W2541448370
- https://openalex.org/W2559995287
- https://openalex.org/W2594766789
- https://openalex.org/W2614191881
- https://openalex.org/W2624757301
- https://openalex.org/W2754584478
- https://openalex.org/W2775705266
- https://openalex.org/W2783694598
- https://openalex.org/W2783958870
- https://openalex.org/W2866628729
- https://openalex.org/W2887161827
- https://openalex.org/W2888687164
- https://openalex.org/W2922089330
- https://openalex.org/W2936234899
- https://openalex.org/W2949242441
- https://openalex.org/W2953065537
- https://openalex.org/W2981627066
- https://openalex.org/W3016551051