Tesis:

Towards the molecular basis of the beneficial effect of root colonizing endophytes on plant growth and stress tolerance


  • Autor: GONZÁLEZ ORTEGA VILLAIZÁN, Adrián

  • Título: Towards the molecular basis of the beneficial effect of root colonizing endophytes on plant growth and stress tolerance

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88634/

  • Director/a 1º: POLLMANN, Stephan
  • Director/a 2º: BENITO CASADO, Begoña

  • Resumen: World population growth in the context of climate change is threatening food security. Advances in increasing agricultural yields are not sufficient to satisfy the growing demand for food, which calls for holistic approaches to optimize crop yields. Plants coexist with a wide variety of microorganisms, some beneficial and some pathogenic. Understanding beneficial interactions within the plant microbiome is key to identifying molecular mechanisms that can enhance crop productivity and address the future challenges of food production. The mutualistic interaction between Serendipita indica and Arabidopsis thaliana is a relevant model for the study of plant-microbe interactions. However, the molecular mechanisms by which S. indica increases root growth in A. thaliana seedlings are unknown. In this work, transcriptomic analysis, metabolomic analysis, reverse genetics, and confocal microscopy were used to decipher the details of auxin-related processes in root growth of S. indica-colonized seedlings. The results showed increased auxin signalling in roots inoculated with the fungus and highlighted the essential role of auxin conjugation in the hormonal homeostasis of colonized seedlings. In particular, the GRETCHEN HAGEN 3 (GH3), GH3.5 and GH3.17 genes are critical for the growth-promoting effect triggered by the fungus. In addition, a transcriptional alteration of the gene coding for the auxin transporter PIN2 was observed in fungus-colonized roots, which favoured the creation of local auxin maxima in root tips. This process, combined with GH3.5 and GH3.17-mediated auxin conjugation, contributed to the promotion of root growth. In addition to promoting plant growth, S. indica enhances abiotic stress tolerance in its hosts. Although it has not co-evolved with most of the plants it colonizes, its ability to induce tolerance suggests that the molecular mechanisms underlying these interactions must be conserved. Therefore, the interaction of three endophytic fungi was studied: Penicillium chrysogenum, Penicillium minioluteum, and S. indica, isolated from three very different arid geographical areas: Antarctica, Atacama Desert, and Thar Desert, respectively, on Solanum lycopersicum, which is a non-native host for any of the fungi. All three fungi colonized tomato roots and enhanced tolerance to water deficit. Using transcriptomic analysis, we identified a genetic module shared by S. indica and P. chrysogenum-infected plants. Subsequent hierarchical clustering and functional interaction network analysis allowed us to identify genes related to abscisic acid (ABA) signalling, ABA transport, proline biosynthesis, auxin signalling, ion homeostasis, and jasmonic acid signalling, providing information on the molecular basis of drought tolerance mediated by two endophytic fungi isolated from geographically unrelated arid environments in tomato. Finally, the study of the enhancement of drought stress tolerance by three endophytic fungi in tomato plants, including a P. chrysogenum isolated in Antarctica, led to the investigation of genomic differences between this endophytic strain and other species of the Penicillium genera, characterized by their high antibiotic production. Genome sequencing of this strain and comparative analysis with Penicillium rubens Wisconsin 54-1255 (formerly named P. chrysogenum) revealed differences in genome size and structure. In addition, variations in carbohydrate metabolism were identified and experimentally confirmed, highlighting possible differences at the genomic level that could explain the differences in lifestyle between the two strains. RESUMEN El aumento de la población mundial junto con el contexto del cambio climático está amenazando la seguridad alimentaria. Los avances en el incremento de la productividad agrícola no son suficientes para satisfacer la creciente demanda de alimento, lo que exige enfoques integrales que optimicen el rendimiento de los cultivos. Las plantas coexisten con una amplia variedad de microorganismos, algunos beneficiosos y otros patógenos. Comprender las interacciones beneficiosas dentro del microbioma de las plantas es clave para identificar mecanismos moleculares que puedan aumentar la capacidad productiva de los cultivos y afrontar los desafíos alimentarios. La interacción mutualista entre Serendipita indica y Arabidopsis thaliana es un modelo relevante para el estudio de las interacciones planta microorganismo. No obstante, los mecanismos moleculares por los cuáles S. indica aumenta el crecimiento radicular en plántulas de A. thaliana se desconocen. En este trabajo se han empleado análisis transcriptómicos, análisis metabolómicos, genética reversa y microscopía confocal para descifrar los detalles de los procesos relacionados con la auxina en el crecimiento radicular de plántulas colonizadas por S. indica. Los resultados mostraron un aumento de la señalización de auxina en raíces inoculadas con el hongo y destacaron el papel esencial que desempeña la conjugación de auxina en la homeostasis hormonal de las plántulas colonizadas. En particular, los genes GRETCHEN HAGEN 3 (GH3), GH3.5 y GH3.17 son fundamentales para el efecto promotor del crecimiento mediado por el hongo. Además, se observó una alteración transcripcional de PIN2 en raíces colonizadas por el hongo, lo que favoreció la creación de máximos locales de auxina en las puntas de las raíces. Este proceso, combinado con la conjugación de auxina mediada por GH3.5 y GH3.17, contribuyó a la promoción del crecimiento radicular. Además de promover el crecimiento vegetal, S. indica aumenta la tolerancia a estrés abiótico en sus huéspedes. A pesar de no haber co-evolucionado con la mayoría de las plantas que coloniza, su capacidad para inducir tolerancia sugiere que los mecanismos moleculares que subyacen a estas interacciones deben estar conservados. Por ello, se estudió la interacción de tres hongos endófitos: Penicillium chrysogenum, Penicillium minioluteum y S. indica, aislados de tres zonas geográficas áridas muy diferentes: Antártida, desierto de Atacama y desierto de Thar, respectivamente, en Solanum lycopersicum, que no es un huésped nativo de ninguno de los hongos. Los tres hongos colonizaron raíces de tomate y mejoraron la tolerancia a la sequía. Gracias a análisis transcriptómicos, hemos identificado un módulo genético compartido por las plantas infectadas por S. indica y P. chrysogenum. La posterior agrupación jerárquica y el análisis de redes de interacción funcional nos permitieron identificar genes relacionados con la señalización de ácido abscísico (ABA), transporte de ABA, biosíntesis de prolina, señalización de auxina, homeostasis de iones y señalización de ácido jasmónico, proporcionando información sobre las bases moleculares de la tolerancia a la sequía mediada por dos hongos endófitos aislados de ambientes áridos geográficamente no relacionados. Por último, del análisis de la promoción de la tolerancia a la sequía en tomate por parte del P. chrysogenum aislado en la Antártida llevó a investigar las diferencias genómicas entre esta cepa endófita y otras especies del género Penicillium, caracterizadas por su alta producción de antibióticos. La secuenciación del genoma y su análisis comparativo con Penicillium rubens Wisconsin 54-1255 (antes denominado P. chrysogenum) revelaron diferencias en el tamaño y la estructura del genoma. Además, se identificaron variaciones en el metabolismo de carbohidratos, que fueron confirmadas experimentalmente, destacando posibles diferencias a nivel genómico que podrían explicar las diferencias en el estilo de vida de ambas cepas.