Genetic and environmental factors affecting root responses to plant nutrition
Authors:   , Conesa Quintana Carlos Manuel 
Published: May 2024

Plants productivity is linked to root capacity to explore and exploit soil resources such as water, mineral nutrients or microbial associations. The study of root system development and its functionality under stress is essential to solve agricultural challenges. In nature, roots grow underground in darkness and in a temperature buffered environment. However, most of the in vitro studies expose roots to direct illumination or to high temperature in heat stress assays. To overcome these problems, we have designed new devices that maintain the root system in darkness (D-Root) or in temperature buffered gradient (TGRooZ).

Phosphate (Pi) is an essential nutrient and its deficiency is common in agricultural soils. Here, we report that root illumination alters the plant Pi starvation response (PSR) at morphological, transcriptional, and physiological levels. Using the D-Root, we show that Pi-starved plants increase the cis-zeatin:trans-zeatin (cZ:tZ) ratio. Transcriptomic analyses show that tZ represses cell cycle and PSR genes, whereas cZ induces genes involved in cell and root hair elongation and differentiation. In fact, cZ-treated seedlings show longer root system and root hairs compared with tZ-treated seedlings, increasing total absorbing surface. Mutants with low cZ levels do not allocate free Pi in roots during Pi starvation. Based on our data, we propose that Pi-starved plants increase the cZ:tZ ratio to maintain basal cytokinin responses. Therefore, cZ acts as a PSR hormone that stimulates root and root hair elongation, enlarging absorbing surface, and increases root Pi. Furthermore, we performed a genomic-wide association study (GWAS) on the Iberian Peninsula collection of Arabidopsis thaliana using the D-root to uncover new genetic regulators. Thus, we identified genomic regions implicated in PSR related traits. GWAS on Pi concentration revealed that our associated genes are enriched in inositol phosphate synthesis route, suggesting its involvement in natural variation. Overall analysis of common genes and their gene networks led to the identification of WRKY18 as a putative transcription factor involved in PSR.

In natural environments, fungal endophytes have been described as plant growth promoting (PGP) microorganisms that enhance plant nutrition. In this thesis, we aimed to identify, under Pi starvation, PGP fungal endophytes from a collection of natural isolates of A. thaliana. We identified Ps-1 as a PGP fungus that increases shoots, root system architecture and total phosphorous under Pi deficiency. Ps-1 increases the number of lateral roots, suggesting that influences the root clock. Furthermore, Ps-1 enhances Hordeum vulgare growth, suggesting broader host compatibility. Thus, our data indicate that Ps-1 is a PGP fungal endophyte under Pi deficiency in diverse hosts.

Climate change is increasing extreme heat events that negatively impact on plant development. Most of the experiments designed to study plant adaption to heat stress apply high temperatures to both shoot and root. In soils, roots grow in a temperature descendent gradient that is buffered in a day-nihgt cycle. Thus, we engineered the TGRooZ device that simulates this gradient to better analyze how heat affects plant responses. We demonstrate that whole plants exposure to high temperatures impairs growth. However, when shoots are at high temperature and roots in TGRooZ, roots grow efficiently and sustain shoot growth. Furthermore, gene expression, plant nutrition and microbiome composition of TGRooZ-grown roots are significantly different from high temperature-grown roots, correlating with higher functionality. Our data indicate that, by using TGRooZ in heat stress studies, we can improve our knowledge on plant responses to high temperatures.

Altogether, this work remarks the importance of studying the root system in conditions mirroring the soil environment to provide novel insights and improve the applicability from laboratory studies to the field.

RESUMEN

La productividad de las plantas está vinculada a la capacidad de las raíces para explotar los recursos del suelo, como son el agua, los nutrientes o la microbiota. En la naturaleza, las raíces crecen bajo tierra en oscuridad y en un gradiente de temperatura. Sin embargo, los estudios in vitro exponen las raíces a iluminación directa o altas temperaturas en ensayos de estrés térmico. Para crear condiciones experimentales más parecidas a las naturales, hemos diseñado nuevos sistemas que mantienen el sistema radicular en oscuridad (D-Root) o en un gradiente de temperatura (TGRooZ).

El fosfato (Pi) es un nutriente esencial, y su deficiencia es común en suelos. Aquí demostramos que la iluminación de las raíces altera la respuesta de la planta a la deficiencia de Pi (PSR). Utilizando el D-Root, mostramos que la deficiencia de Pi aumenta el ratio cis-zeatina:trans-zeatina (cZ:tZ). Basandonos en análisis transcriptómicos, hemos demostrado que tZ reprime el ciclo celular y genes de PSR, mientras que cZ induce genes implicados en elongación y diferenciación celular y de pelos radicales. De hecho, las plántulas tratadas con cZ muestran un sistema radicular y pelos radicales más largos que las tratadas con tZ. Los mutantes con bajos niveles de cZ no acumulan Pi en raíces durante la deficiencia de Pi. Basándonos en estos datos, proponemos que la deficiencia de Pi aumenta la proporción cZ:tZ para mantener la respuesta basal de citoquininas. Por lo tanto, sugerimos que cZ actúa como una hormona mediadora de la PSR, aumentando el Pi en la raíz y ampliando la superficie de absorción. Además, realizamos un estudio de asociación del genoma completo (GWAS) en la colección de la Península Ibérica de Arabidopsis thaliana utilizando el D-root para descubrir nuevos reguladores genéticos. Identificamos regiones genómicas implicadas en los rasgos relacionados con la PSR. El GWAS de concentración de Pi muestra que nuestros genes asociados están enriquecidos en la ruta de síntesis del inositol fosfato, sugiriendo su implicación en la variación natural de este rasgo. El análisis global de los genes comunes y sus redes condujo a la identificación de WRKY18 como un putativo factor implicado en la PSR.

En la naturaleza, los hongos endófitos pueden actuar como promotores del crecimiento vegetal (PGP). En esta tesis, nos propusimos identificar, en una colección de aislados naturales de A. thaliana, hongos endófitos PGP en condiciones de deficiencia de Pi. Identificamos a Ps-1 como un hongo PGP que aumenta la parte aérea, el sistema radicular y el fósforo total bajo deficiencia de Pi. Ps-1 aumenta el número de raíces laterales, sugiriendo que influye en el reloj de la raíz. Además, Ps-1 aumenta el crecimiento de Hordeum vulgare, sugiriendo compatibilidad con más especies. En conjunto, nuestros datos indican que Ps-1 es un hongo PGP en diversos huéspedes.

El cambio climático está incrementando los eventos de calor extremo. La mayoría de los experimentos diseñados para estudiar la adaptación de las plantas al estrés térmico aplican altas temperaturas a parte aérea y raíces. En los suelos, las raíces crecen en un gradiente descendente de temperatura. Para simular este gradiente, hemos diseñado el dispositivo TGRooZ. Así, demostramos que la exposición de la planta entera a altas temperaturas perjudica su crecimiento. Sin embargo, bajo el gradiente de temperatura producido en TGRooZ, las raíces crecen eficientemente y mantienen el crecimiento de la parte aérea a alta temperatura. Además, la expresión génica, la nutrición mineral y la composición del microbioma son significativamente diferentes. Nuestros datos indican que utilizando TGRooZ en estudios de estrés térmico podemos mejorar nuestro conocimiento sobre las respuestas a las altas temperaturas.

En conjunto, este trabajo subraya la importancia de estudiar el sistema radicular en condiciones que reflejen el entorno del suelo para proporcionar nuevos conocimientos y mejorar la transferencia de laboratorio al campo.