Early transcriptomic plasticity in barley (<em>Hordeum vulgare</em> L.) seminal roots in response to abiotic stress

Abstract

Water deficit and soil salinity negatively affect plant growth and thus pose major threats to agricultural production and food security. Already one of these factors results in economic damage, while a combination of both stressors often has detrimental effects leading to total yield loss. Due to global warming, extreme weather events like droughts are expected to increase in the future. Formerly rain-fed land will become dependent on irrigation, further enhancing soil salinization, leading to constant abiotic stress combinations. Thus, it is imperative to examine and understand the processes and mechanisms that shape whole-root and root zone-specific responses to these abiotic constraints to secure food productivity under unfavorable environmental conditions. In this study we first investigated the effects of water deficit (- 0.8 MPa), salinity (150 mM NaCl) and their combination on the transcriptome of whole seminal roots of barley seedlings after 6 h and 24 h of stress exposure. Then, we examined the effect of the same water deficit on the transcriptome of the individual root zones: root cap and meristem, elongation zone and differentiation zone after 6 h, 24 h and 48 h of treatment.<br /> RNA-sequencing revealed hundreds of genes that are differentially regulated in response to either treatment by time or root zone combination. Interestingly, we observed a treatment-wise temporal conservation of responsive genes in the whole-root study, with hundreds of additional genes activated in the later time point. This was not confirmed in the root zone-wise approach. Instead, we identified different phases of modulation with varying extents. The combination of stresses affected a unique set of differentially expressed genes, that were not differentially expressed in either individual stress scenario and whose extend exceeded the sum of the individual applications. Root zone-wise, we also detected several unique sets of differentially expressed genes according to their time by zone combination. Overall, the elongation zone was the most affected root zone.<br /> Grouping the identified differentially expressed genes into a biological context showed that processes and pathways were shared between different treatments and root zones, yet their modulation and the involved genes remained specific. In general, alterations to the redox system, regulation of transporters, post-translational modification by protein kinases, adaptations in the energy metabolism, cell wall reorganization and modulation of transcription factor activity shaped the plant responses to abiotic stresses in a treatment, time and root zone-specific manner.<br /> The findings presented here provide new insights into complex, dynamic transcriptomic responses, emphasizing the importance of combinatorial stress research and considering spatial and temporal resolution.

Wasserdefizit und Bodenversalzung wirken sich negativ auf das Pflanzenwachstum aus und stellen somit eine große Bedrohung für die landwirtschaftliche Produktion und die Ernährungssicherheit dar. Bereits einzelnes Auftreten führt zu enormen wirtschaftlichen Schäden, die Kombination beider Stressoren kann sogar zu einem völligen Ernteverlust führen. Aufgrund der globalen Erwärmung ist zu erwarten, dass Extremwetterereignisse, wie z. B. Dürren in Zukunft häufiger auftreten. Dies hat zur Folge, dass Flächen, auf denen vorher Regenfeldbau betrieben wurde, von künstlicher Bewässerung abhängig werden. Dies verstärkt die Versalzung des Bodens und begünstigt das Auftreten von Stresskombinationen. Daher ist es unerlässlich, die zugrundeliegenden mechanistischen Prozesse der pflanzlichen Stressantwort zu untersuchen, wobei nicht nur Reaktionen der gesamten Wurzeln, sondern auch die, der spezifischen Wurzelzonen berücksichtigt werden sollten, um ein ganzheitliches Bild zu erhalten.<br /> In der vorliegenden Studie untersuchten wir zuerst die Auswirkungen von Wasserdefizit (- 0,8 MPa), erhöhtem Salzgehalt (150 mM NaCl) und deren Kombination auf das Transkriptom ganzer Seminalwurzeln von Gerstenkeimlingen nach 6 h und 24 h Stress-Exposition. Anschließend untersuchten wir die Wirkung desselben Wasserdefizits auf das Transkriptom der einzelnen Wurzelzonen: Wurzelhaube und Meristem, Streckungszone und Wurzelhaarzone nach 6 h, 24 h und 48 h Behandlung.<br /> Mittels RNA-Sequenzierung identifizierten wir hunderte Gene, die als Reaktion auf die Kombination verschiedener Stressszenarien, Zeitpunkte oder Wurzelzonen differenzielle Expression zeigten. In der Gesamtwurzel konnten wir einen Zusammenhang zwischen der Dauer der Stressbehandlung und der Anzahl an differenziell exprimierten Gene feststellen. Im Vergleich zur Stressdauer von 6 h, wurden Hunderte von zusätzlichen Genen erst zum späteren Zeitpunkt, d. h. 24 h nach Exposition, aktiviert. Die Anzahl an differentiell exprimierten Genen, die wir in der Stresskombination identifiziert haben, überstieg deutlich die Summe an Genen aus den individuellen Stressszenarien, was für eine nicht-additive Aktivierung zusätzlicher Gene spricht. Im Gegensatz dazu stellten wir in der Wurzelzonen-spezifischen Transkriptomanalyse verschiedene Phasen mit jeweils unterschiedlichen Ausmaßen der Reaktion fest. Solch eine spezifische Aktivierung wurde von uns auch in den einzelnen Wurzelzonen beobachtet. Hier war die Streckungszone am stärksten von der Stressexposition betroffen, was die Aktivierung vieler Gene bedingte, die in anderen Zonen keine Stressreaktion zeigten.<br /> Eine Zuordnung der identifizierten Gene in ihren biologischen Kontext zeigte, dass obwohl viele der identifizierten Prozesse und Stoffwechselwege zwischen den Behandlungen übereinstimmen, die Richtung der Modulation und die beteiligten Gene für das jeweilige Szenario spezifisch waren.<br /> Zusammenfassend waren es Veränderungen im Redoxsystem, die Regulierung von Transportern, posttranslationale Modifikationen durch Proteinkinasen, Anpassungen im Energiestoffwechsel, Umstrukturierung der Zellwände und Modulation von Transkriptionsfaktoren, die die Veränderung in Reaktion auf abiotischen Stress prägten. Viele dieser beobachteten Anpassung waren spezifisch im Hinblick auf das Stressszenario, die Dauer der Exposition und die betrachtete Wurzelzone.<br /> Die hier dargestellten Ergebnisse liefern auf Transkriptomebene neue Einblicke in die komplexen und dynamischen Reaktionen von Gerstenwurzeln auf abiotischen Stress und heben die Bedeutung von kombinatorischen Expositionsszenarien sowie die Berücksichtigung einer räumlich und zeitlichen differenzierten Auswertung hervor.