Autor: ONEJEME, Francis Chukwuma
Título: Fusarium sp. strain K–23 alleviates salt stress in Arabidopsis thaliana through its root hair growth-promoting effect
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
Departamento: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89845/
Director/a(s):
- Director/a: POLLMANN, Stephan
Resumen: Soil salinity is a significant abiotic stressor that impedes plant production, particularly in semi-arid and dry climates. It affects 8.7% of soils worldwide and 33% of irrigated soils globally. Conventional agriculture has difficulty maintaining crop yields, which threatens food security for over 1.5 billion people. Alternative approaches, such as strategies involving beneficial plant-microbe interactions, may be essential for sustainable agricultural practices. This work aimed to clarify the molecular mechanisms through which Fusarium sp. strain K23 confers salt-stress tolerance in the model plant Arabidopsis thaliana, utilizing a combination of transcriptomics, phenomics, reverse genetics, and live cell imaging techniques. Initially, the impact of the fungus on promoting growth in Arabidopsis plants exposed to either control or mild salt stress conditions was examined. The fungus significantly benefited Arabidopsis plants grown under salt-stress conditions, as shown in tomato plants by Pallavi and Nataraja (2022). Transcriptome methodology was engaged to study the molecular events occurring during the co-cultivation of Arabidopsis and fungus under control or salt stress conditions. RNA extracted from roots underwent mRNA sequencing. The first two main components of the PCA accounted for 62.6% of the variation. Transcript profiling examined differentially expressed genes (DEGs) across various conditions. The Venn diagram analysis revealed that over 50% of the DEGs from K23-infected samples exhibited differential expression under salt stress conditions. The functional classification of the 460 DEGs elicited by fungus and salt stress indicated enrichment in Gene Ontology terms related to cell wall organization. Root hair development was identified among these DEGs. A thorough phenotypic analysis indicates a significant increase in root hair density, especially elongation, due to fungal infection. The key change occurs when the fungus entirely obliterates the inhibition of root hair development under salt. The functional association network analysis was conducted. The network had RAP2.11 and RSL2 as highly interconnected nodes. Arabidopsis wild-type and rsl2 rsl4 double mutant plants were raised and subjected to K23 or mock under control and salt stress conditions. The results indicated that fungus-induced stimulation of root hair development is necessary for salt tolerance in Arabidopsis. A Poisson-based mixture model was used to cluster RNA-seq datasets to identify transcriptional regulators affecting root hair development. Nine clusters were discerned, with Clusters 3 and 5 exhibiting the requisite gene expression pattern. Among the detected transcription factors is JUNGBRUNNEN 1. K23-infected jub1-1 mutants showed a significant reduction in root hair length under salt stress, indicating that JUB1 induction is crucial for sustaining enhanced root hair length. Hence, fungus impacts GA signaling in Arabidopsis root system architecture, amplifying GFP-RGA fusion protein fluorescence in K23-infected RGAp::GFP-RGA plants, as revealed by confocal laser scanning microscopy studies. Therefore, our study offers substantial evidence for a previously undescribed molecular mechanism triggered by the Fusarium sp. strain K23 that improves salt stress tolerance in Arabidopsis. RESUMEN La salinidad del suelo es un estresor abiótico significativo que impide la producción de plantas, particularmente en climas semiáridos y secos. Afecta al 8.7% de los suelos en todo el mundo y al 33% de los suelos irrigados a nivel global. La agricultura convencional tiene dificultades para mantener los rendimientos de los cultivos, lo que amenaza la seguridad alimentaria de más de 1.500 millones de personas. Enfoques alternativos, como las estrategias que implican interacciones beneficiosas entre plantas y microbios, pueden ser esenciales para prácticas agrícolas sostenibles. Este trabajo tuvo como objetivo aclarar los mecanismos moleculares a través de los cuales la cepa K23 de Fusarium sp. confiere tolerancia al estrés salino en la planta modelo Arabidopsis thaliana, utilizando una combinación de transcriptómica, fenómica, genética inversa y técnicas de imagen de células vivas. Inicialmente, se examinó el impacto del hongo en la promoción del crecimiento en plantas de Arabidopsis expuestas a condiciones de control o de estrés salino leve. El hongo benefició significativamente a las plantas de Arabidopsis cultivadas bajo condiciones de estrés salino, como se mostró en las plantas de tomate por Pallavi y Nataraja (2022). Se utilizó la metodología del transcriptoma para estudiar los eventos moleculares que ocurren durante la co-cultivación de Arabidopsis y hongo bajo condiciones de control o estrés salino. El ARN extraído de las raíces fue sometido a secuenciación de ARNm. Los dos primeros componentes principales del PCA explicaron el 62.6% de la variación. El perfilado de transcritos examinó genes diferencialmente expresados (DEGs) en diversas condiciones. El análisis del diagrama de Venn reveló que más del 50% de los DEGs de las muestras infectadas con K23 mostraron expresión diferencial bajo condiciones de estrés salino. La clasificación funcional de los 460 DEGs inducidos por el hongo y el estrés salino indicó un enriquecimiento en términos de Ontología Génica relacionados con la organización de la pared celular. El desarrollo de pelos radiculares fue identificado entre estos DEGs. Un análisis fenotípico exhaustivo indica un aumento significativo en la densidad de pelos radiculares, especialmente en su elongación, debido a la infección fúngica. El cambio clave ocurre cuando el hongo aniquila por completo la inhibición del desarrollo de pelos radiculares bajo sal. Se realizó el análisis de la red de asociación funcional. La red tenía a RAP2.11 y RSL2 como nodos altamente interconectados. Las plantas de tipo salvaje de Arabidopsis y los mutantes dobles rsl2 rsl4 fueron cultivadas y sometidas a K23 o un control simulado bajo condiciones de estrés salino. Los resultados indicaron que la estimulación inducida por hongos del desarrollo de pelos radiculares es necesaria para la tolerancia a la sal en Arabidopsis. Se utilizó un modelo de mezcla basado en Poisson para agrupar conjuntos de datos de RNA-seq y así identificar reguladores transcripcionales que afectan el desarrollo de los pelos radiculares. Se discernieron nueve clústeres, con los Clústeres 3 y 5 exhibiendo el patrón de expresión génica requerido. Entre los factores de transcripción detectados se encuentra JUNGBRUNNEN 1. Los mutantes jub1-1 infectados con K23 mostraron una reducción significativa en la longitud de los pelos radiculares bajo estrés salino, lo que indica que la inducción de JUB1 es crucial para mantener una longitud de pelos radiculares aumentada. Por lo tanto, el hongo afecta la señalización de GA en la arquitectura del sistema radicular de Arabidopsis, amplificando la fluorescencia de la proteína de fusión GFP-RGA en plantas RGAp::GFP-RGA infectadas por K23, como lo revelan los estudios de microscopía confocal de escaneo láser. Por lo tanto, nuestro estudio ofrece evidencia sustancial de un mecanismo molecular previamente no descrito desencadenado por la cepa K23 de Fusarium sp. que mejora la tolerancia al estrés salino en Arabidopsis.