title: Dissection of adaptation mechanisms of maize during repeated drought and recovery
Creators: name: Kränzlein, Markus
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 630

description: Drought is a major challenge to modern agriculture, and maize as a drought sensitive C4 crop with short growing seasons and ample water demand is a suitable model organism to better understand adaptation towards drought, which enables fortifica- tion of crops. The study of repeated drought scenarios has become a new paradigm in drought stress research in the past decade, as is more realistic than the study of responses to singular drought events and the occurrence of cyclic drought is expected to increase in the future. Moreover, the ability to recover from dehydration can be integrated into the model of total drought adaptability of the plant. The first part of this work was to investigate 8 diverse maize hybrids to better under- stand the differential responses towards repeated drought intermitted by a water-pulse and to identify hybrids contrasting in drought resistance. After two stress periods intermitted by a singular water pulse, two hybrids could be identified as contrast- ing with regard to drought tolerance. Furthermore, the sensitive hybrid was able to restart growth almost immediately after the water-pulse. This study emphasized the importance of the recovery trait for overall drought adaptability and suggested that the setting of repeated drought should be included in screening trials. However, it remained open whether the effect of recovery-potential persists over multiple cycles of drought and rewatering in recovery-oriented hybrids, or whether it may lead to metabolic exhaustion. The second part of this thesis focused on investigation of the processes during re- peated drought on a metabolic, lipidomic and proteomic level in the two contrasting maize hybrids. The study of proteomics revealed memory effects in both hybrids, leading to a dampened response in the repeated drought treatments related to pro- tein abundance changes, which also correlated with the drought phenotype. Inherent differences between hybrids were for instance observed in ribosome abundance, which was constitutively higher in hybrid L while K showed lower abundance but an in crease upon rewatering. This probably enables hybrid L to faster adapt to changes in the environment but has the downside of reduced growth. The proteomic study provided new insights into adaptation of contrasting hybrids to repeated drought, which was evidenced by strong protein abundance changes in drought relevant path- ways in response to drought and memory effects in both hybrids. The differences in genotypic responses could provide novel targets for breeding of hybrids adapted to cyclic drought events. The lipidomic study demonstrated the importance of thylakoid remodeling and of the maintenance or active upregulation of lipid unsaturation under drought, which are considered important traits of drought tolerant plants. The tolerant hybrid L displayed effective adjustments of these processes under drought, while sensitive hy- brid K showed a lack of adjustability of both processes only in the repeated drought treatment. This work suggested that the recovery phase is crucial for differential adaptation of lipids and might decide over drought tolerance in sensitive, recovery- oriented hybrids. To summarize, the findings of this work deepen our understanding of the physio- logical, metabolic, lipidomic, and proteomic processes underlying the adaptation of contrasting maize hybrids to repeated drought, thereby providing an additional ba- sis for future research aimed at improving drought resilience of crops in dynamic environments.
description: Trockenheit stellt eine große Herausforderung für die moderne Landwirtschaft dar, und Mais als trockenheitsempfindliche C4-Pflanze mit kurzen Wachstumsperioden und hohem Wasserbedarf ist ein geeigneter Modellorganismus, um die Anpassung an Trockenheit besser zu verstehen, was wiederum die Modifikation von Kulturpflanzen ermöglicht. Die Untersuchung wiederholter Trockenperioden hat sich im letzten Jahrzehnt zu einem neuen Paradigma in der Trockenstressforschung entwickelt. Zyklischer Trockenstress ist realistischer als die Untersuchung von Pflanzenantworten auf einmalige Dürreereignisse und es wird erwartet, dass zyklische Trockenheit in Zukunft zunehmen wird. Darüber hinaus kann die Erholungsfähigkeit nach Dehydrierung in das Modell der Gesamtanpassungsfähigkeit der Pflanze bei Trockenstress integriert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden physiologische Antworten auf wiederholten Trockenstress in 8 diversen Maishybriden untersucht um Hybride zu identifizieren, die bezüglich ihrer Trockenheitsresistenz kontrastierend sind. Nach zwei Stressperioden unterbrochen durch einen einmaligen Wasserimpuls konnten zwei Hybride identifiziert werden, die in Bezug auf ihre Trockentoleranz kontrastierten. Die empfindliche Hybride konnte das Wachstum fast unmittelbar nach dem Wasserimpuls wieder aufnehmen. Diese Studie unterstrich die Bedeutung der Erholungseigenschaft für die Gesamtanpassungsfähigkeit an Trockenheit und legt nahe, dass wiederholte Trockenheit in Screening-Versuchen mit einbezogen werden sollte. Es blieb jedoch offen, ob die Erholungsf¨ahigkeit ¨uber mehrere Zyklen von Trockenheit anhält oder ob sie zu einer metabolischen Erschöpfung führt. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Prozesse auf metabolischer, lipidomischer und proteomischer Ebene während wiederholtem Trockenstress in den beiden kontrastierenden Maishybriden. Die Untersuchung der Proteomik ergab bei beiden Hybriden ”Gedächtniseffekte”, die zu einer gedämpften Reaktion auf wiederholten Trockenstress in Bezug auf Veränderungen der Proteinabundanz führten und die mit dem Stressphänotyp korrelierten. Inhärente Unterschiede zwischen den Hybriden wurden beispielsweise bei der Ribosomenabundanz beobachtet, die bei Hybrid L konstitutiv höher war, während K eine geringere Abundanz, aber einen Anstieg bei Wiederbewässerung zeigte. Dies ermöglicht der Hybride L wahrscheinlich eine schnellere Anpassung an Umweltveränderungen, hat aber den Nachteil eines geringeren Wachstums. Die Proteomstudie lieferte neue Erkenntnisse über die Anpassung an wiederholte Trockenheit, was durch starke Veränderungen der Proteinhäufigkeit in trockenheitsrelevanten Stoffwechselwegen und ”Gedächtniseffekte” als Reaktion auf Trockenstress in beiden Hybriden belegt wurde. Die genotypischen Unterschiede könnten neue Kandidatengene für die Züchtung von Hybriden liefern, die besser an zyklischen Trockenstress angepasst sind. Die Lipidomstudie zeigte die Bedeutung des Thylakoidumbaus und der Aufrechterhaltung beziehungsweise der aktiven Hochregulierung ungesättigter Lipide unter Trockenheit, die als wichtige Eigenschaften trockenheitstoleranter Pflanzen gelten. Die tolerante Hybride L zeigte eine effektive Anpassung dieser Prozesse, während die empfindliche Hybride K bei wiederholter Trockenheit einen Mangel an Anpassungsfähigkeit beider Prozesse zeigte. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Erholungsphase für die Anpassung des Lipidoms entscheidend ist und bei empfindlichen, erholungsorientierten Hybriden über die Trockentoleranz in folgenden Trockenperioden entscheiden könnte. Zusammenfassend vertiefen die Ergebnisse dieser Arbeit das Verständnis der physiologischen, metabolischen, lipidomischen und proteomischen Prozesse, die der Anpassung kontrastierender Maishybriden an wiederholte Trockenheit zugrunde liegen und schaffen dadurch eine weitere Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Trockenheitsresistenz von Kulturpflanzen unter dynamischen Umweltbedingungen.