Published November 17, 2023 | Version v1
Publication Open

Regulation of an endophytic nitrogen-fixing bacteria GXS16 promoting drought tolerance in sugarcane

Creators

  • 1. Guangxi Academy of Agricultural Science
  • 2. Ministry of Agriculture and Rural Affairs
  • 3. University of Silesia

Description

Abstract Background Drought limits crop growth and is an important issue in commercial sugarcane ( Saccharum officinarum ) production. Drought tolerance in sugarcane induced by endophytic nitrogen-fixing bacteria is a complex biological process that ranges from altered gene expression and cellular metabolism to changes in growth and productivity. Results In this study, changes in physiological features and transcriptome related to drought tolerance in sugarcane conferred by the Burkholderia endophytic nitrogen-fixing bacterial strain GXS16 were investigated. Sugarcane samples inoculated with GXS16 exhibited significantly higher leaf relative water content than those without GXS16 inoculation during the drought stages. Sugarcane treated with GXS16 had lower levels of H 2 O 2 and higher levels of abscisic acid than sugarcane not treated with GXS16 in the non-watering groups. Transcriptomic analysis of sugarcane roots identified multiple differentially expressed genes between adjacent stages under different treatments. Moreover, both trend and weighted correlation network analyses revealed that carotenoid biosynthesis, terpenoid backbone biosynthesis, starch and sucrose metabolism, and plant hormone signal transduction strongly contributed to the drought-tolerant phenotype of sugarcane induced by GXS16 treatment. Accordingly, a gene regulatory network including four differentially regulated genes from carotenoid biosynthesis ( crtB , crtZ , ZEP and CYP707A ) and three genes from terpenoid backbone biosynthesis ( dxs , dxr , and PCME ) was constructed. Conclusions This study provides insights into the molecular mechanisms underlying the application of GXS16 treatment to enhance drought tolerance in sugarcane, which will lay the foundation for crop development and improve productivity.

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

Translated Description (Arabic)

خلفية مجردة يحد الجفاف من نمو المحاصيل وهو قضية مهمة في إنتاج قصب السكر التجاري ( Saccharum officinarum ). تحمل الجفاف في قصب السكر الناجم عن البكتيريا المثبتة للنيتروجين هي عملية بيولوجية معقدة تتراوح من التعبير الجيني المتغير والتمثيل الغذائي الخلوي إلى التغيرات في النمو والإنتاجية. النتائج في هذه الدراسة، تم التحقيق في التغيرات في السمات الفسيولوجية و transcriptome المتعلقة بتحمل الجفاف في قصب السكر التي تمنحها سلالة بكتيرية مثبتة للنيتروجين من بوركهولديريا GXS16. أظهرت عينات قصب السكر التي تم تلقيحها بـ GXS16 محتوى مائيًا نسبيًا أعلى بكثير من تلك التي لم يتم تلقيحها بـ GXS16 خلال مراحل الجفاف. كان لقصب السكر المعالج بـ GXS16 مستويات أقل من H 2 O 2 ومستويات أعلى من حمض الأبسيسيك من قصب السكر غير المعالج بـ GXS16 في المجموعات غير السائلة. حدد التحليل النصي لجذور قصب السكر العديد من الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي بين المراحل المتجاورة في إطار علاجات مختلفة. علاوة على ذلك، كشفت كل من تحليلات شبكة الاتجاه والارتباط المرجح أن التخليق الحيوي الكاروتيني، والتخليق الحيوي للعمود الفقري التربيناني، واستقلاب النشا والسكروز، ونقل إشارة هرمون النبات ساهم بقوة في النمط الظاهري المتسامح مع الجفاف لقصب السكر الناجم عن علاج GXS16. وفقًا لذلك، تم إنشاء شبكة تنظيمية للجينات تتضمن أربعة جينات منظمة بشكل تفاضلي من التخليق الحيوي الكاروتيني (crtB و crtZ و ZEP و CYP707A) وثلاثة جينات من التخليق الحيوي للعمود الفقري التربيناني ( dxs و dxr و PCME). تقدم هذه الدراسة رؤى حول الآليات الجزيئية الكامنة وراء تطبيق علاج GXS16 لتعزيز تحمل الجفاف في قصب السكر، مما سيضع الأساس لتنمية المحاصيل وتحسين الإنتاجية.

Translated Description (French)

Résumé Contexte La sécheresse limite la croissance des cultures et constitue un problème important dans la production commerciale de canne à sucre ( Saccharum officinarum ). La tolérance à la sécheresse dans la canne à sucre induite par les bactéries fixatrices d'azote endophytiques est un processus biologique complexe qui va de la modification de l'expression génique et du métabolisme cellulaire aux changements de croissance et de productivité. Résultats Dans cette étude, les changements dans les caractéristiques physiologiques et le transcriptome liés à la tolérance à la sécheresse dans la canne à sucre conférée par la souche bactérienne fixatrice d'azote endophytique Burkholderia GXS16 ont été étudiés. Les échantillons de canne à sucre inoculés avec GXS16 présentaient une teneur relative en eau des feuilles significativement plus élevée que ceux sans inoculation de GXS16 pendant les stades de sécheresse. La canne à sucre traitée avec GXS16 avait des niveaux plus faibles d'H 2 O 2 et des niveaux plus élevés d'acide abscissique que la canne à sucre non traitée avec GXS16 dans les groupes non arrosants. L'analyse transcriptomique des racines de canne à sucre a identifié plusieurs gènes exprimés différemment entre les stades adjacents sous différents traitements. De plus, les analyses des tendances et des réseaux de corrélation pondérés ont révélé que la biosynthèse des caroténoïdes, la biosynthèse du squelette terpénoïde, le métabolisme de l'amidon et du saccharose et la transduction du signal des hormones végétales contribuaient fortement au phénotype de tolérance à la sécheresse de la canne à sucre induit par le traitement par GXS16. En conséquence, un réseau de régulation génique comprenant quatre gènes régulés différemment de la biosynthèse des caroténoïdes ( crtB , crtZ , ZEP et CYP707A) et trois gènes de la biosynthèse du squelette terpénoïde ( dxs , dxr et PCME ) a été construit. Conclusions Cette étude fournit des informations sur les mécanismes moléculaires sous-jacents à l'application du traitement GXS16 pour améliorer la tolérance à la sécheresse dans la canne à sucre, ce qui jettera les bases du développement des cultures et améliorera la productivité.

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes La sequía limita el crecimiento de los cultivos y es un problema importante en la producción comercial de caña de azúcar ( Saccharum officinarum ). La tolerancia a la sequía en la caña de azúcar inducida por bacterias fijadoras de nitrógeno endofíticas es un proceso biológico complejo que va desde la alteración de la expresión génica y el metabolismo celular hasta los cambios en el crecimiento y la productividad. Resultados En este estudio, se investigaron los cambios en las características fisiológicas y el transcriptoma relacionados con la tolerancia a la sequía en la caña de azúcar conferidos por la cepa bacteriana endófita fijadora de nitrógeno Burkholderia GXS16. Las muestras de caña de azúcar inoculadas con GXS16 mostraron un contenido relativo de agua en las hojas significativamente mayor que aquellas sin inoculación de GXS16 durante las etapas de sequía. La caña de azúcar tratada con GXS16 tuvo niveles más bajos de H 2 O 2 y niveles más altos de ácido abscísico que la caña de azúcar no tratada con GXS16 en los grupos sin riego. El análisis transcriptómico de las raíces de la caña de azúcar identificó múltiples genes expresados diferencialmente entre etapas adyacentes bajo diferentes tratamientos. Además, tanto la tendencia como los análisis de la red de correlación ponderada revelaron que la biosíntesis de carotenoides, la biosíntesis de la estructura terpenoide, el metabolismo del almidón y la sacarosa y la transducción de señales de hormonas vegetales contribuyeron en gran medida al fenotipo tolerante a la sequía de la caña de azúcar inducido por el tratamiento con GXS16. En consecuencia, se construyó una red reguladora de genes que incluye cuatro genes regulados diferencialmente de la biosíntesis de carotenoides ( crtB , crtZ , ZEP y CYP707A ) y tres genes de la biosíntesis de la estructura principal de terpenoides ( dxs , dxr y PCME ). Conclusiones Este estudio proporciona información sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la aplicación del tratamiento con GXS16 para mejorar la tolerancia a la sequía en la caña de azúcar, lo que sentará las bases para el desarrollo de cultivos y mejorará la productividad.

Files

s12870-023-04600-5.pdf

Files (5.7 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:f1fbcab0330e80c987234327e01474a2
5.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تنظيم بكتيريا تثبيت النيتروجين الداخلية GXS16 التي تعزز تحمل الجفاف في قصب السكر
Translated title (French)
Régulation d'une bactérie endophyte fixatrice d'azote GXS16 favorisant la tolérance à la sécheresse dans la canne à sucre
Translated title (Spanish)
Regulación de una bacteria fijadora de nitrógeno endofítica GXS16 que promueve la tolerancia a la sequía en la caña de azúcar

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4388774514
DOI
10.1186/s12870-023-04600-5

Is supplement to
https://openalex.org/W60108303 (Other)
https://openalex.org/W3165546636 (Other)
https://openalex.org/W2739016624 (Other)
https://openalex.org/W2372544761 (Other)
https://openalex.org/W2361135638 (Other)
https://openalex.org/W2324267664 (Other)
https://openalex.org/W2134160764 (Other)
https://openalex.org/W2054754129 (Other)
https://openalex.org/W2038990594 (Other)
https://openalex.org/W1986795408 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1532517383
  • https://openalex.org/W1573518848
  • https://openalex.org/W1578104218
  • https://openalex.org/W1966327575
  • https://openalex.org/W1979273909
  • https://openalex.org/W1979371466
  • https://openalex.org/W1998391472
  • https://openalex.org/W2005056679
  • https://openalex.org/W2013048861
  • https://openalex.org/W2023963512
  • https://openalex.org/W2024131142
  • https://openalex.org/W2028823348
  • https://openalex.org/W2031772797
  • https://openalex.org/W2035618305
  • https://openalex.org/W2042483895
  • https://openalex.org/W2053056633
  • https://openalex.org/W2054802166
  • https://openalex.org/W2055831557
  • https://openalex.org/W2068685277
  • https://openalex.org/W2068911704
  • https://openalex.org/W2083572552
  • https://openalex.org/W2092295971
  • https://openalex.org/W2092302313
  • https://openalex.org/W2094639130
  • https://openalex.org/W2101142880
  • https://openalex.org/W2113511124
  • https://openalex.org/W2113757542
  • https://openalex.org/W2114289095
  • https://openalex.org/W2115542010
  • https://openalex.org/W2119890355
  • https://openalex.org/W2138207763
  • https://openalex.org/W2154140763
  • https://openalex.org/W2159482845
  • https://openalex.org/W2171739998
  • https://openalex.org/W2179438025
  • https://openalex.org/W2554129004
  • https://openalex.org/W2579118568
  • https://openalex.org/W2790130662
  • https://openalex.org/W2921092456
  • https://openalex.org/W2951912016
  • https://openalex.org/W2964849163
  • https://openalex.org/W2964872502
  • https://openalex.org/W2968504062
  • https://openalex.org/W3118824072
  • https://openalex.org/W3200547179
  • https://openalex.org/W4294216483
  • https://openalex.org/W4311161175
  • https://openalex.org/W4316363688
  • https://openalex.org/W4317581824
  • https://openalex.org/W4319441716