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Tesis:

An integrative analysis of root adaptation to multiple environmental soil conditions

  • Autor: SÁNCHEZ BERMÚDEZ, María

  • Título: An integrative analysis of root adaptation to multiple environmental soil conditions

  • Fecha: 2025

  • Materia:

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

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89008/

  • Director/a 1º: PERNAS OCHOA, Mónica
  • Director/a 2º: POZO BENITO, Juan Carlos del

  • Resumen: Climate change is a global threat for agriculture and has a strong impact on food security worldwide. The current increases in the global mean temperature and increased frequency of other climatic stresses have a negative impact on crop production. Roots play an essential role in plant growth and adaptation under different climatic environments. Most research on root responses to abiotic stress has focused on single stresses, but in natural environments, plants suffer the effects of several stresses simultaneously. Thus, a better understanding of the root responses to abiotic stress combinations is required to improve crop tolerance to climate change. With this aim, we studied the phenotypic variation in the root responses to combined warm temperature and nutrient (nitrogen / phosphate) deficiencies in a collection of Brassica napus varieties. We have observed significant variation on root architecture in response to combined warm temperature and nutritional stress between the varieties. Our results indicate that the combination of warm temperature and N deficiency produced a compensatory effect with an intermediate phenotype in several root traits like network width, distribution, and lateral root density compared to the individual stresses, whereas the combination of warm temperature and Pi deficiency caused a detrimental additive effect on overall root growth. Next, we selected varieties that showed differential responses among the different stress treatments to study their transcriptomic response through RNA-sequencing analysis in roots and shoots under the applied stresses. Based on these data, we identified a set of genes and Arabidopsis mutants to analyse the effects of combined warm temperature or heat stress and N deficiency as proof of concept. Our RNA-sequencing results showed that the variety Wesway, which has an enhanced root growth under the combination of warm temperature and N deficiency, increased the expression of genes related to oxidoreductase activity, hormonal regulation and N metabolism and transport in roots, and genes related to peptide signalling in shoots. Wesway also showed a greater shoot biomass and C/N ratio under combined N deficiency and heat stress when grown in soil. On the other hand, our RNA-sequencing results revealed that combined warm temperature and Pi deficiency caused a strong suppression of the primary root growth via alteration of genes related to Fe-mediated signalling, auxin signalling and ubiquitin activity. These changes were accompanied by a repression of genes related to phenylpropanoid, lignin and anthocyanin synthesis in shoots. Furthermore, warm temperatures strongly repressed genes related to the Pi starvation response, suggesting a direct regulatory interaction between both stresses. Finally, we studied the function of BnPHR1 and BnSPX1, two proteins involved in the Pi starvation response in B. napus, and confirmed that the interaction as well as the transcriptional regulation between both proteins was conserved. Finally, our results in Arabidopsis showed differences between the root responses to warm temperature and high temperature combined with N deficiency. Thus, high temperatures altered the root responses to N deficiency by causing changes in lateral root density and decreasing the expression of the NRT2.4 transporter. In summary, this thesis has provided new insights into the root responses to combined elevated temperatures and nutrient deficiencies. Our research provides new information on the root responses to different abiotic stress combinations in B. napus, a crop with high economic importance, and uncovers different molecular processes that seem to be involved in their regulation. RESUMEN El cambio climático constituye una amenaza para la agricultura y produce un un fuerte impacto en la seguridad alimentaria global. El constante aumento de las temperaturas y la mayor frecuencia de estreses climáticos tienen un impacto negativo en la productividad de los cultivos. Las raíces juegan un papel esencial en la adaptación de las plantas a diferentes condiciones climáticas. Las investigaciones actuales sobre la respuesta de las raíces a los estreses abióticos se centran en el estudio de estos estreses por separado, mientras que en la naturaleza, las plantas están expuestas a diferentes estreses de forma simultánea. Por lo tanto, es necesario estudiar la respuesta de las raíces a estreses abióticos en combinación. Con este objetivo, hemos estudiado la variación fenotípica en la respuesta de las raíces a la combinación de altas temperaturas y deficiencia de nutrientes (nitrógeno / fosfato) en una colección de variedades de Brassica napus, y hemos encontrado variabilidad en la respuesta a estos estreses. Nuestros resultados indican que la combinación de altas temperaturas y deficiencia de nitrógeno (N) produce un efecto compensatorio, con un fenotipo intermedio causado por el efecto de los estreses individuales en varios caracteres radiculares como el ancho y distribución del sistema radicular y la densidad de raíces laterales. De lo contrario, la combinación de altas temperaturas y deficiencia de fosfato (Pi) produjo un efecto perjudicial en el crecimiento de la raíz, con un efecto aditivo de los estreses individuales. Después, seleccionamos variedades con una respuesta diferencial a los estreses aplicados y realizamos un análisis de secuenciación masiva de RNA en raíz y parte aérea para estudiar sus respuestas transcriptómicas. Identificamos un set de genes diferencialmente expresados y seleccionamos determinados mutantes de Arabidopsis para analizar los efectos de la combinación de altas temperaturas y deficiencia de N. Nuestros resultados indican que la variedad Wesway, capaz de mantener la longitud de las raíces laterales bajo la combinación de altas temperaturas y deficiencia de N, aumentó la expresión de genes relacionados con la actividad oxidorreductasa, regulación hormonal y metabolismo de N en raíces, y genes relacionados con la señalización por péptidos en parte aérea. Wesway también mostró una mayor biomasa de parte aérea y C/N ratio bajo la combinación de estrés por calor y deficiencia de N creciendo en suelo y aplicando estos estreses de forma prolongada. Por otro lado, la combinación de altas temperaturas y deficiencia de Pi causó una supresión del crecimiento de la raíz principal mediante la alteración de genes relacionados con la señalización por Fe, auxinas y la ubiquitinación en raíz, además de una supresión de genes relacionados con la síntesis de fenilpropanoides, lignina y antocianinas en la parte aérea. Además, las altas temperaturas individualmente causaron una supresión de genes relacionados con la respuesta a deficiencia de Pi, lo que sugiere una directa interacción entre las respuestas a ambos estreses. Finalmente, hemos estudiado la función de BnPHR1 y BnSPX1, dos proteínas relacionadas con la respuesta a deficiencia de fosfato en B. napus, y hemos confirmado que tanto la interacción como la regulación transcripcional de ambas está conservada. Por último, nuestros resultados en Arabidopsis mostraron diferencias entre la respuesta radicular a altas temperaturas y estrés por calor combinadas con deficiencia de N. El estrés por calor alteró la respuesta a la deficiencia de N, causando cambios en la densidad de raíces laterales y reduciendo la expresión del transportador de nitrato NRT2.4. En resumen, esta tesis aporta nueva información sobre la respuesta de las raíces a diferentes combinaciones de altas temperaturas y deficiencia de nutrientes en B. napus, un cultivo de alta importancia económica, y revela diferentes procesos moleculares implicados en la regulación de esta respuesta.