Yutao Zou

Verzilting van de bodem is een steeds groter wereldwijd probleem dat leidt tot een afname van voedselvoorziening en grond die kan worden gebruikt voor landbouw. In tegenstelling tot halofyten zijn de meeste gewassen gevoelig voor zoutstress, wat invloed heeft op hun groei en opbrengst. Om meer zouttolerante gewassen te genereren, moeten we snappen welke onderliggende mechanismen de reacties van planten op zout mogelijk maken. In dit proefschrift gebruiken we de modelsoort Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) om nieuwe fundamentele kennis te verkrijgen. We verwachten dat deze kennis kan worden overgebracht naar gewassen.

In Hoofdstuk 1 introduceer ik hoe het zoutgehalte van de bodem de groei, functie en overleving van planten bedreigt en benadruk ik het belang van het handhaven van de homeostase van Na+ en K+ ionen tijdens zoutstress. Daarnaast introduceer ik verschillende hormonen, waaronder abscisinezuur (ABA), salicylzuur (SA), jasmonzuur (JA) en ethyleen (ET) die betrokken zijn bij het signaleren van zout in de plant. Bovendien wordt in dit hoofdstuk de huidige kennis van het effect van zout op de groeirichting van de wortel beschreven, zoals hoe celwanden tijdens zoutstress de buitenomgeving van de plantencel bewaken.

In Hoofdstuk 2 worden de processen die een effect hebben op wortelgroei beschreven, waaronder de verandering van wortelsysteemarchitectuur (RSA), de groeirichting van de wortel en veranderingen in de celwand van de wortel. Verder worden de ontwikkelings- en moleculaire mechanismen die de groei van wortelstelsels op zilte grond bepalen in meer detail besproken. Daarnaast bespreken we de recente literatuur over genetische variatie tussen en binnen plantensoorten in hun reactie op zoutstress, we doen dit voor Arabidopsis en verschillende gewassen.

Naar aanleiding van de verandering in groeirichting van de wortel, die specifiek voor zout is en halotropisme heet (Galvan-Ampudia et al., 2013; Deolu-Ajayi et al., 2019), hebben we een snelle zout geïnduceerde kanteltest (SITA) opgesteld. Met deze test meten we het effect van NaCl op de groei van de wortel richting de zwaartekracht met een hoge tijdsresolutie (elke 20 minuten) in Hoofdstuk 3 (dit effect is specifiek voor NaCl). We laten zien dat de ABA-signalering en ethyleenoverproductie betrokken zijn bij de uitkomst van de SITA test. Natuurlijke variatie is een krachtig hulpmiddel om nieuwe genetische componenten te identificeren die ten grondslag liggen aan aanpassingen van groeireacties op zout. We hebben SITA gecombineerd met natuurlijke variatie in verschillende Arabidopsis populaties om een genoombrede associatiestudie (GWAS) uit te voeren en hiermee de genetische basis van de respons te vinden. Er werden twee genen geïdentificeerd die geassocieerd zijn met de hoek in de groeirichting van de wortel tijdens SITA: een onbekende proteïnekinase (PK, At4g37340) en Extensin Arabinose-Deficiënt Transferase (ExAD, At4g37350). Door karakterisering van T-DNA-insertie mutanten van deze genen werd aangetoond dat PK en ExAD nodig zijn voor het moduleren van de hoek in de wortel tijdens een SITA test op zout.

Verder hebben we in Hoofdstuk 4 het gen ExAD verder gekarakteriseerd voor zijn functie in de reactie van de wortel op zout. Als lid van de arabinosyltransferase-enzymfamilie voegt ExAD het arabinoseresidu toe om een Hyp-Araf1-4-zijketen te vormen op de α-(1,3)-vierde specifieke positie op extensines, wat hydroxyprolinerijke glycoproteïnen van de celwand zijn (HRGPs) (Petersen et al., 2021; Møller et al., 2017). We tonen dat ExAD een rol heeft in het reguleren van de groeirichting van de wortel en de accumulatie van ionen tijdens zout. Door Comprehensive Microarray Polymer Profiling (CoMPP) en dot-blot laten we zien dat ExAD betrokken is bij de wijziging van polysaccharide signalen onder zoutstress, en dat JIM20 het specifieke anti-extensine-Hyp-Araf4-antilichaam is om de functie van ExAD te detecteren. We laten ook zien dat ExAD-afhankelijke Hyp-Araf4 verhoogd is tijdens zoutstress in Col-0, maar afwezig is in de exad-1 mutant. Bovendien neemt de celwanddikte toe in exad-1 cellen in de epidermis van de wortel onder zoutstress in zowel de elongatiezone als de ontwikkelingszone van de wortel. Daarom denken we dat de door zout geïnduceerde extensine Hyp-arabinosylering in de celwand gecorreleerd is aan de celwandstructuur en de groeirichting van plantenwortels op zout.

Om omgevingsstress te volgen, zijn celwanden cruciaal voor het reguleren van signalering en het inzetten van adequate reacties. Naast structurele eiwitten in de celwand (bijv. extensines), zijn op de celwand gelokaliseerde receptor-like kinasen ook cruciaal voor de reactie van een plant op zout. In Hoofdstuk 5 concentreren we ons op de celwand-gelokaliseerde Arabidopsis L-type LecRKs-genen en karakteriseren we de rol van LecRK-IV.1 en LecRK-IV.2 in de reactie van planten op zout. Een dubbele mutant voor deze genen, lecrk4.1/4.2 genaamd, vertoont een verminderde verandering in de groeirichting op zout in zowel halotropisme als SITA testen. De lecrk4.1/4.2-mutant vertoont een hogere laterale worteldichtheid, een lagere verandering in de Na+/K+-verhouding van de scheuten en deze zaailingen overleven vaker onder ernstige zoutstress. Bovendien laten we zien dat LecRK-IV.1/LecRK-IV.2 een verandering in celwandintegriteit (CWI) reguleert en dat de dubbel mutant lecrk4.1/4.2, vergeleken met Col-0, een hogere accumulatie van JA en lignine heeft in reactie op de cellulose biosyntheseremmer isoxaben (ISX). De rol van LecRK-IV.1/LecRK-IV.2 was verschillend van THESEUS1 (THE1), maar deze eiwitten functioneren op een THE1-afhankelijke manier, aangezien zowel de the1-1 mutant als de lecrk4.1/4.2/the1-1 drievoudige mutant een significant lagere accumulatie van JA en lignine laten zien als reactie op ISX in vergelijking met Col-0. Interessant is dat de lecrk4.1/4.2/the1-1 triple-mutant op de lange termijn een verminderde halotropisme respons vertoonde, vergeleken met de lecrk4.1/4.2 en de the1-1 mutanten. Deze observering kan suggereren dat THE1 en LecRK-IV.1/LecRK-IV.2 verschillende rollen hebben in het reageren op veranderingen in CWI door cellulose biosynthese inhibitie, maar samen bijdragen aan door zout geïnduceerde langdurige halotropisme responsen.

In Hoofdstuk 6 bespreek ik de resultaten uit de voorgaande hoofdstukken verder en bied ik toekomstperspectieven op de rol van post-translationele modificaties van extensine in de celwand en de functie van LecRKs in het waarnemen van en reageren op zout. In dit hoofdstuk heb ik twee hypothetische modellen voorgesteld die de rol van celwandmodificaties tijdens zoutstress samenvatten en speculatieve nieuwe verbanden voorstellen die nieuwe routes bieden om signalering van zout in planten te onderzoeken. Deze studie suggereert dat een versie van het celwandstructuureiwit extensine met een goede arabinose versie en verschillende celwand-gelokaliseerde LecRK's betrokken zijn bij het moduleren van reacties in wortelgroei en ion homeostase tijdens zoutstress. Dit kan inzichtelijk maken hoe planten veranderingen in de celwand coördineren om signaaltransductie te faciliteren. Dit werk heeft enkele van de onderliggende mechanismen onthuld die de richting van wortel groei en wortelvorm van planten die worden blootgesteld aan zoutstress moduleren, welke uiteindelijk kunnen bijdragen aan het verbeteren van de weerstand tegen zoutstress van planten.