Drought stress responses in Medicago truncatula and Glycine max

193 Pages·2017·4.16 MB·Spanish

by  Amaia Seminario

Departamento de Ciencias del Medio Natural
Natur Ingurunearen Zientzien Saila
Tesis Doctoral
Drought stress responses in Medicago truncatula
and Glycine max: system biology approaches
Memoria presentada por Dña. Amaia Seminario Huarriz para
optar al grado de Doctor con Mención de Doctor Internacional
Pamplona, marzo de 2017

This work was funded by “Ministerio Español de
Economía y Competitividad” (AGL-2011-
23738/AGR), “Gobierno de Navarra” (2016/PI013
LEGUMINOSAS) and “Fundación Caja Navarra”
(FUNCAN, 07442).
Amaia Seminario Huarriz has been holder of a
PhD fellowship from the Public University of
Navarra and she has received two mobility grants
from the same institution: “Programa de ayudas de
movilidad predoctoral” (1710/2012, 1506/2013).

AGRADECIMIENTOS-ACKNOWLEDGEMENTS
En primer lugar, me gustaría dar las gracias a mis directoras, las Dras Esther González
y Estíbaliz Larrainzar, por haberme dado la oportunidad de realizar esta tesis doctoral.
Gracias a las dos por vuestro tiempo, dedicación, consejos, apoyo… Esther, gracias por
estar siempre disponible y dispuesta a escuchar y por haberme enseñado tanto. Gracias Esti
por tu ayuda, por aportarme tantos conocimientos y por esos sabios consejos tanto
profesionales como personales.
Gracias a todas las personas del departamento de Ciencias del Medio Natural y
especialmente a aquellos pertenecientes al Área de fisiología vegetal. Eskerrik asko Iker
por tus aportaciones en este trabajo. Gracias a Susana, Gustavo y Berta por compartir
grandes momentos tanto en cafés como en comidas de tupper. Y también gracias a mis
compañeros de despacho, Juan y Yueh-Hsin.
I would also like to thank Michael Udvardi from The Samuel Roberts Noble Foundation
in Oklahoma, EEUU, for giving me the opportunity to participate in his experiments to
improve my knowledge in plant science. My stay there was amazing thanks to Yun and to
Ivone, Igor, Catalina, Lia and Shulan, who taught me a lot of things. It was a pleasure
working with you!! Moreover, I want to thank Yanina, Alan, Bárbara, Ella, Mayra,
Ewelina, Djordje and Pato for enjoying my life-besides-work, and making all the moments
even more special. Pero sobre todo, gracias a la madrileña que conocí allá, muchas gracias
Ana por explorar conmigo la ciencia y el estilo de vida de Ardmore. Hope to see you again!
La realización de esta tesis me ha permitido dirigir Trabajos Fin de Carrera, Máster,
Grado… No me olvido de agradecer a todas las personas que han participado conmigo en
experimentos y sus aportaciones en esta tesis: gracias a Maite Rodríguez, Ana Litago, Unai
Pérez y Nahikari López.
Eskerrik asko Joseba por esos cafés y comidas tan productivos, por los buenos ratos
pasados y por estar siempre al otro lado de la pared dispuesto a escuchar y ayudar.
Especialmente gracias a Oskar, fue una suerte trabajar contigo y aprender de tí tanto en lo
laboral como en lo personal. Erena…mila esker! Fue una pena no coincidir más tiempo
contigo pero fuiste un ejemplo a seguir y aprendí de ti en otras facetas. Gracias por tu apoyo
y por los momentos vividos fuera de la uni! Eskerrik asko Miriam por tu apoyo y ayuda en
esta última etapa de la tesis, por tu compañía cuando más lo necesitaba y por los buenos
ratos pasados... eskerrik asko por todo Txantxita!!
Gracias a Bea y Ane por empezar este camino de la mano y por los buenos momentos
juntas durante el máster! Gracias David por esos buenismos ratos que en el último año me
han ayudado a desconectar! Y gracias a Libertad también por hacer que esos ratos fueran
especiales! Gracias también a todos los que han pasado por el departamento durante este
tiempo; Laura, Cristina, Esti U., Maren, Sergio, Iván, Inma, Vero, Maitane, Raquel, Olaya,
Karla, Amaia Z, Idoia, Janaina, Ester, Manu... y en especial a Maribel, Ainhoa e Irantzu,
muchas gracias por todos los buenos ratos vividos!
Gracias a todos aquellos, ahora biólogos, que experimentaron conmigo mi etapa en la
universidad. En especial, me gustaría agradecer su continuo apoyo a Jorge, María,
Marijose, Javi y Ariane porque, a pesar de estar ahora cada uno en una punta, siempre nos
quedarán los buenos momentos vividos juntos. Y en especial a Álvaro, por tu interés y
continuo apoyo en estos años y por los momentos compartidos.
También me gustaría agradecer a ese grupo de chicas que finde a finde sacaba lo mejor
de mí simplemente con la ayuda de un balón; risas y buenos momentos que merecen la
pena! Eskerrik asko…Aupa Ostiralak!!!!
Después de haber intentado explicaros un montón de veces lo qué he estado haciendo
en estos últimos años, espero que con esta tesis os quede un poco más claro. Iosune y Bea,
gracias por esos raticos juntas, por vuestra amistad, por apoyarme a seguir adelante y por
vuestro continuo interés. Gracias también a mis “Ojo avizor” Ainhoa, Itzi y Raquel, por las
continuas risas y grandes momentos pasados juntas ayudándome a desconectar, eskerrik
asko!!
Je tiens également à adresser mes sincères remerciements á la famille Baslam pour leur
soutien constant et leur grand intérêt, même en étant à plusieurs kilomètres du Pampelune.
Un trés gran MERCI à Fatiha, Lahcen, Badreddine et Abdel Mounaim.
Muchísimas gracias a Marouane!! Gracias por guiarme en este camino, por ser mi apoyo
en todos los momentos, por tus ánimos a seguir hacia adelante, por tu visión para ver las
cosas y sobre todo, por estar siempre a mi lado!
Gracias Abuela por ser un ejemplo a seguir, por tu cariño incondicional. Mención
especial a tí abuelo, que allá donde estés, seguro me has seguido de cerca en esta etapa.
Gracias a Tari, por estar siempre ahí y a Arantxa. Gracias también a Juanito, Jose e Igor. A
mis primos Seminario y por último, a esa amplia familia zubiritarra. Eskerrik asko ere nire
Urnietako familiari. Y en general, a toda la gente que me ha apoyado día tras día.
Y por último, gracias a mis padres Tere y Pedro, porque sin ellos no habría llegado hasta
donde he llegado. Gracias por apoyarme en todo momento, por todo lo que he aprendido
de vosotros y porque a pesar de no saber muy bien lo qué hacía, siempre me animabais a
tirar para adelante. Gracias también a mi hermana Izaskun, por animarme y apoyarme en
esta etapa. Gracias a los tres por estar siempre ahí!
MUCHAS GRACIAS A TODOS!!!
ABBREVIATIONS
AP2 Apetala2
AsA Ascorbic Acid
AZ Absorption zone
C Control
D Drought
D1 Drought 1
D2 Drought 2
DHA Dehydroascorbic acid
DTT Dithiothreitol
DW Dry weight
ERF Ethylene response factors
ETR Electron transport rate through PSII
ETRc Electron flow to the carboxylation reaction of Rubisco
ETRo Electron flow to the oxygenation reaction of Rubisco
FW Fresh weight
GABA γ-aminobutyric acid
GalL L-galactono-1,4-lactone
GalLDH L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase
GC-MS Gas chromatography-mass spectrometry
GSH Reduced Glutathione
GST Glutathione S-transferase
LOX Lipoxygenase
MD Moderate drought
MDA Malondialdehyde
MPa Megapascal
MS Mild stress
MSTFA Methyltrimethylsilyltrifluoroacetamide
PEG Polyethylene glycol
qRT-PCR Quantitative reverse transcription polymerase chain reaction
QTL Quantitive trait locus
RH Root hair zone
RNA-Seq Ribonucleic acid-sequencing
ROS Reactive oxygen species
SD Severe drought
SE Standard error
TBA Thiobarbituric acid
TCA Trichloroacetic acid
TF Transcription factor
TMSC N-methyl-N-trimethylsilyltrifluoroacetamide
TRIS Tris(hydroxymethyl)aminomethane
UHPLC Ultra-high-performance liquid chromatography
VMS Very mild stress
w/v Weight by volume
WC Water content
Ψw Water potential
SUMMARY
After cereals, legumes are crops of great economic importance. However, legume plants
are very sensitive to abiotic stresses, being drought one of the most harmful stress in terms
of crop production. The general aim of the present work is to gain further insights into two
legume species (Medicago truncatula and Glycine max) drought responses at the shoot and
root level by using a combination of physiological, morphological, transcriptomic and
metabolomic approaches.
Ascorbic acid (AsA) is one of the most abundant water-soluble antioxidant compound
present in plant tissues involved in plant enzymatic and non-enzymatic detoxification
mechanisms. Nevertheless, little is known on the regulation of this antioxidant biosynthesis
pathway under drought stress. In chapter 1, through a combination of molecular and
physiological approaches, we observed that AsA biosynthesis was severely affected by
drought in soybean plants. These analyses showed that drought triggered multiple control
points regulating AsA biosynthesis at the GDP-D-mannose pyrophosphorylase and GDP-
D-mannose 3´, 5´-epimerase level of soybean plants. In parallel, these responses were also
observed in the model legume M. truncatula.
In chapter 2, work presented here showed the tight link between above- and below-
ground organs in M. truncatula plants and the fact that, under drought stress conditions,
adult plants prioritized root growth over leaf development. Actually, different analyses
showed responses which suggest a passive survival strategy for leaves coexisting with an
active engagement of the root in drought-stressed plants.
New non-destructive and non-toxic protocols are needed to simulate drought conditions
to better characterize plant responses under controlled conditions. To that end, in chapter
3, a new simple, efficient and reproducible method is presented to simulate in vitro drought
stress conditions in M. truncatula seedlings grown on plates containing different agar
concentrations. After validating of this method, it was observed that roots, rather than
shoots, play a key role in plant adaptation to stress conditions. The relative simplicity of
the method allows for its large-scale application in studies such as population screening for
drought resistance traits in a variety of plants. Additionally, in chapter 4 we applied this
method in combination with physiological, transcriptomic and metabolomic analyses in
one of the most important parts of the root, the absorption zone, responsible for absorbing
water and nutrients thus allowing the plant growth. Results led us to conclude that plants
exhibited fast molecular responses under drought conditions; the metabolism of lipids,
hormones, cell wall and secondary metabolism were some of the pathways most severely
affected.
To sum up, work presented here provides new insights into the understanding of legume
responses to water-limiting conditions and contributes towards elucidating water stress
signals and gene networks controlling the response of legume plants to drought.