Published September 1, 2023
| Version v1
Publication
Root system architecture and genomic plasticity to salinity provide insights into salt-tolerant traits in tall fescue
- 1. Ludong University
- 2. Université Mohammed VI Polytechnique
- 3. Wuhan Botanical Garden
Description
Salinity is detrimental to soil health, plant growth, and crop productivity. Understanding salt tolerance mechanisms offers the potential to introduce superior crops, especially in coastal regions. Root system architecture (RSA) plasticity is vital for plant salt stress adaptation. Tall fescue is a promising forage grass in saline regions with scarce RSA studies. Here, we used the computer-integrated and -automated programs EZ-Rhizo II and ROOT-Vis II to analyze and identify natural RSA variations and adaptability to high salt stress at physiological and genetic levels in 17 global tall fescue accessions. Total root length rather than the number of lateral roots contribute more to water uptake and could be used to separate salt-tolerant (LS-11) and -sensitive accessions (PI531230). Comparative evaluation of LS-11 and PI531230 demonstrated that the lateral root length rather than the main root contributed more towards the total root length in LS-11. Also, high water uptake was associated with a larger lateral root vector and position while low water intake was associated with an insignificant correlation between root length, vector, and position. To examine candidate gene expression, we performed transcriptome and transcription analyses using high-throughput RNA sequencing and real-time quantitative PCR, respectively of the lateral and main roots. The main root displayed more differentially expressed genes than the lateral root. A Poisson comparison of LS-11 vs PI531230 demonstrated significant upregulation of PLASMA MEMBRANE AQUAPORIN 1 and AUXIN RESPONSE FACTOR 22 in both the main and lateral root, which are associated with transmembrane water transport and the auxin-activated signaling system, respectively. There is also an upregulation of BASIC HELIX-LOOP-HELIX 5 in the main root and a downregulation in the lateral root, which is ascribed to sodium ion transmembrane transport, as well as an upregulation of THE MEDIATOR COMPLEX 1 assigned to water transport in the lateral root and a downregulation in the main root. Gene-protein interaction analysis found that more genes interacting with aquaporins proteins were upregulated in the lateral root than in the main root. We inferred that deeper main roots with longer lateral roots emanating from the bottom of the main root were ideal for tall fescue water uptake and salt tolerance, rather than many shallow roots, and that, while both main lateral roots may play similar roles in salt sensing and water uptake, there are intrinsic genomic differences.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملوحة ضارة بصحة التربة ونمو النبات وإنتاجية المحاصيل. يوفر فهم آليات تحمل الملح القدرة على إدخال محاصيل متفوقة، خاصة في المناطق الساحلية. تعد مرونة بنية نظام الجذر (RSA) أمرًا حيويًا للتكيف مع إجهاد ملح النبات. الفسكو الطويل هو عشب علف واعد في المناطق المالحة مع دراسات RSA نادرة. هنا، استخدمنا البرامج المتكاملة والآلية للكمبيوتر EZ - Rhizo II و ROOT - Vis II لتحليل وتحديد الاختلافات الطبيعية في RSA والقدرة على التكيف مع الإجهاد الملح العالي على المستويات الفسيولوجية والوراثية في 17 ملحقًا عالميًا طويل القامة. يساهم إجمالي طول الجذر بدلاً من عدد الجذور الجانبية بشكل أكبر في امتصاص الماء ويمكن استخدامه لفصل الالتصاقات المتسامحة مع الملح (LS -11) والحساسة (PI531230). أظهر التقييم المقارن لـ LS -11 و PI531230 أن طول الجذر الجانبي بدلاً من الجذر الرئيسي ساهم أكثر في إجمالي طول الجذر في LS -11. كما ارتبط ارتفاع امتصاص الماء بمتجه وموضع جذر جانبي أكبر بينما ارتبط انخفاض تناول الماء بارتباط ضئيل بين طول الجذر والمتجه والموضع. لفحص التعبير الجيني المرشح، أجرينا تحليلات النسخ والنسخ باستخدام تسلسل الحمض النووي الريبي عالي الإنتاجية و تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي في الوقت الفعلي، على التوالي للجذور الجانبية والرئيسية. أظهر الجذر الرئيسي جينات معبر عنها بشكل تفاضلي أكثر من الجذر الجانبي. أظهرت مقارنة بواسون لـ LS -11 مقابل PI531230 زيادة كبيرة في تنظيم غشاء البلازما أكوابورين 1 وعامل استجابة الأوكسين 22 في كل من الجذر الرئيسي والجانبي، المرتبطين بنقل المياه عبر الغشاء ونظام الإشارات المنشط بالأوكسين، على التوالي. هناك أيضًا زيادة في تنظيم HELIX - LOOP - HELIX 5 الأساسي في الجذر الرئيسي وتقليل في الجذر الجانبي، والذي ينسب إلى نقل أيونات الصوديوم عبر الغشاء، بالإضافة إلى زيادة في تنظيم مجمع الوسيط 1 المخصص لنقل المياه في الجذر الجانبي وتقليل في الجذر الرئيسي. وجد تحليل تفاعل البروتين الجيني أن المزيد من الجينات التي تتفاعل مع بروتينات الأكوابورينات قد تم تنظيمها في الجذر الجانبي أكثر من الجذر الرئيسي. استنتجنا أن الجذور الرئيسية الأعمق ذات الجذور الجانبية الأطول المنبثقة من قاع الجذر الرئيسي كانت مثالية لامتصاص الماء الطويل وتحمل الملح، بدلاً من العديد من الجذور الضحلة، وأنه في حين أن كلا الجذور الجانبية الرئيسية قد تلعب أدوارًا متشابهة في استشعار الملح وامتصاص الماء، إلا أن هناك اختلافات جينية جوهرية.Translated Description (French)
La salinité nuit à la santé du sol, à la croissance des plantes et à la productivité des cultures. Comprendre les mécanismes de tolérance au sel offre le potentiel d'introduire des cultures de qualité supérieure, en particulier dans les régions côtières. La plasticité de l'architecture du système racinaire (RSA) est essentielle pour l'adaptation au stress salin des plantes. La fétuque haute est une herbe fourragère prometteuse dans les régions salines où les études sur l'ARS sont rares. Ici, nous avons utilisé les programmes intégrés et automatisés par ordinateur EZ-Rhizo II et ROOT-Vis II pour analyser et identifier les variations naturelles du RSA et son adaptabilité à un stress salin élevé aux niveaux physiologique et génétique dans 17 accessions mondiales de fétuque de grande taille. La longueur totale des racines plutôt que le nombre de racines latérales contribue davantage à l'absorption d'eau et pourrait être utilisée pour séparer les accessions tolérantes au sel (LS-11) et sensibles au sel (PI531230). L'évaluation comparative de LS-11 et PI531230 a démontré que la longueur des racines latérales plutôt que la racine principale contribuait davantage à la longueur totale des racines dans LS-11. De plus, une absorption d'eau élevée était associée à un vecteur racinaire latéral et à une position plus grands, tandis qu'une faible absorption d'eau était associée à une corrélation insignifiante entre la longueur racinaire, le vecteur et la position. Pour examiner l'expression des gènes candidats, nous avons effectué des analyses de transcriptome et de transcription en utilisant le séquençage de l'ARN à haut débit et la PCR quantitative en temps réel, respectivement des racines latérales et principales. La racine principale présentait des gènes exprimés de manière plus différentielle que la racine latérale. Une comparaison de Poisson du LS-11 par rapport au PI531230 a démontré une régulation à la hausse significative de L'AQUAPORINE 1 de la MEMBRANE PLASMIQUE et du FACTEUR DE RÉPONSE à l'AUXINE 22 à la fois dans la racine principale et latérale, qui sont associés au transport transmembranaire de l'eau et au système de signalisation activé par l'auxine, respectivement. Il existe également une régulation à la hausse du HELIX-LOOP-HELIX 5 de BASE dans la racine principale et une régulation à la baisse dans la racine latérale, qui est attribuée au transport transmembranaire des ions sodium, ainsi qu'une régulation à la hausse DU COMPLEXE MÉDIATEUR 1 affecté au transport de l'eau dans la racine latérale et une régulation à la baisse dans la racine principale. L'analyse de l'interaction gène-protéine a révélé que plus de gènes interagissant avec les protéines des aquaporines étaient régulés à la hausse dans la racine latérale que dans la racine principale. Nous avons déduit que les racines principales plus profondes avec des racines latérales plus longues émanant du fond de la racine principale étaient idéales pour l'absorption d'eau de fétuque haute et la tolérance au sel, plutôt que de nombreuses racines peu profondes, et que, bien que les deux racines latérales principales puissent jouer des rôles similaires dans la détection du sel et l'absorption d'eau, il existe des différences génomiques intrinsèques.Translated Description (Spanish)
La salinidad es perjudicial para la salud del suelo, el crecimiento de las plantas y la productividad de los cultivos. Comprender los mecanismos de tolerancia a la sal ofrece la posibilidad de introducir cultivos superiores, especialmente en las regiones costeras. La plasticidad de la arquitectura del sistema radicular (RSA) es vital para la adaptación al estrés salino de las plantas. La festuca alta es una hierba forrajera prometedora en regiones salinas con escasos estudios de RSA. Aquí, utilizamos los programas integrados y automatizados por ordenador EZ-Rhizo II y ROOT-Vis II para analizar e identificar las variaciones naturales de RSA y la adaptabilidad al estrés salino a niveles fisiológicos y genéticos en 17 accesiones globales de festuca alta. La longitud total de la raíz en lugar del número de raíces laterales contribuye más a la absorción de agua y podría usarse para separar las accesiones tolerantes a la sal (LS-11) y sensibles a la sal (PI531230). La evaluación comparativa de LS-11 y PI531230 demostró que la longitud de la raíz lateral en lugar de la raíz principal contribuyó más a la longitud total de la raíz en LS-11. Además, la alta absorción de agua se asoció con un vector de raíz lateral y una posición más grandes, mientras que la baja ingesta de agua se asoció con una correlación insignificante entre la longitud de la raíz, el vector y la posición. Para examinar la expresión génica candidata, realizamos análisis de transcriptoma y transcripción utilizando secuenciación de ARN de alto rendimiento y PCR cuantitativa en tiempo real, respectivamente, de las raíces laterales y principales. La raíz principal mostró más genes expresados diferencialmente que la raíz lateral. Una comparación de Poisson de LS-11 frente a PI531230 demostró una regulación positiva significativa de la ACUAPORINA 1 de la MEMBRANA PLASMÁTICA y el FACTOR DE RESPUESTA a la AUXINA 22 tanto en la raíz principal como en la lateral, que están asociados con el transporte de agua transmembrana y el sistema de señalización activado por auxina, respectivamente. También hay una regulación al alza de HELIX-LOOP-HELIX 5 BÁSICO en la raíz principal y una regulación a la baja en la raíz lateral, que se atribuye al transporte transmembrana de iones de sodio, así como una regulación al alza DEL COMPLEJO MEDIADOR 1 asignado al transporte de agua en la raíz lateral y una regulación a la baja en la raíz principal. El análisis de interacción gen-proteína encontró que más genes que interactúan con las proteínas de las acuaporinas estaban regulados positivamente en la raíz lateral que en la raíz principal. Inferimos que las raíces principales más profundas con raíces laterales más largas que emanan de la parte inferior de la raíz principal eran ideales para la absorción de agua de la festuca alta y la tolerancia a la sal, en lugar de muchas raíces poco profundas, y que, si bien ambas raíces laterales principales pueden desempeñar funciones similares en la detección de sal y la absorción de agua, existen diferencias genómicas intrínsecas.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- توفر بنية نظام الجذر واللدونة الجينية للملوحة رؤى حول الصفات المتحملة للملوحة في البقعة الطويلة
- Translated title (French)
- L'architecture du système racinaire et la plasticité génomique à la salinité fournissent des informations sur les traits tolérants au sel dans la fétuque haute
- Translated title (Spanish)
- La arquitectura del sistema radicular y la plasticidad genómica a la salinidad proporcionan información sobre los rasgos de tolerancia a la salinidad en la festuca alta
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4385523095
- DOI
- 10.1016/j.ecoenv.2023.115315
References
- https://openalex.org/W1571125458
- https://openalex.org/W1606931943
- https://openalex.org/W1869411855
- https://openalex.org/W1997040942
- https://openalex.org/W2000319772
- https://openalex.org/W2007871191
- https://openalex.org/W2013744659
- https://openalex.org/W2047160930
- https://openalex.org/W2049779213
- https://openalex.org/W2051040054
- https://openalex.org/W2053512483
- https://openalex.org/W2061118278
- https://openalex.org/W2062691576
- https://openalex.org/W2064198660
- https://openalex.org/W2074109227
- https://openalex.org/W2090382498
- https://openalex.org/W2095478872
- https://openalex.org/W2100210054
- https://openalex.org/W2107296031
- https://openalex.org/W2119777125
- https://openalex.org/W2120560407
- https://openalex.org/W2124184936
- https://openalex.org/W2126176394
- https://openalex.org/W2145025818
- https://openalex.org/W2145030183
- https://openalex.org/W2148717014
- https://openalex.org/W2162932506
- https://openalex.org/W2164587215
- https://openalex.org/W2169844312
- https://openalex.org/W2169982451
- https://openalex.org/W2235343557
- https://openalex.org/W2404370087
- https://openalex.org/W2511053189
- https://openalex.org/W2547739063
- https://openalex.org/W2753222976
- https://openalex.org/W2763986942
- https://openalex.org/W2793282404
- https://openalex.org/W2808068377
- https://openalex.org/W2885690707
- https://openalex.org/W2899859614
- https://openalex.org/W3008633083
- https://openalex.org/W3014200639
- https://openalex.org/W3043053580
- https://openalex.org/W3110295943
- https://openalex.org/W3159573573
- https://openalex.org/W3205202829
- https://openalex.org/W3212566395
- https://openalex.org/W39878644
- https://openalex.org/W4281394726
- https://openalex.org/W4297324008
- https://openalex.org/W4300419269
- https://openalex.org/W4313388867
- https://openalex.org/W4318168945
- https://openalex.org/W4318750861
- https://openalex.org/W873764018