Unravelling the Physiological and Genetic Adaptation of Grafted Pepper under Saline and Hydric Stresses

Abstract

[ES] El pimiento es un cultivo muy importante a nivel mundial, pero es sensible a la falta de agua y a la salinidad. No obstante, se puede mejorar la tolerancia mediante la técnica del injerto. El Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias y la Universidad Politécnica de Valencia han realizado estudios previos para seleccionar accesiones de pimiento tolerantes a ambos estreses, utilizando después una selección de ellos como portainjertos para estudiar los mecanismos fisiológicos de tolerancia y aumentar la rentabilidad de su producción. Sin embargo, después de todos estos estudios, la información disponible es limitada. En este sentido, los objetivos que se han planteado en esta tesis doctoral fueron: i) seleccionar nuevas accesiones tolerantes de pimiento a la salinidad y escasez de agua, para aumentar la disponibilidad de genotipos tolerantes y usarlos en futuros programas de mejora, con el objetivo final de obtener nuevos portainjertos con una tolerancia mejorada; ii) identificar a corto plazo los mecanismos fisiológicos de tolerancia al estrés hídrico de una accesión tolerante (A25) usada como portainjerto; iii) identificar a corto plazo los mecanismos fisiológicos de tolerancia a la salinidad de un nuevo portainjerto híbrido tolerante (NIBER®); iv) encontrar los principales mecanismos moleculares de tolerancia a la salinidad de una accesión tolerante (A25) respecto a una sensible (A6) desde el punto de vista transcriptómico. Una vez realizados estos ensayos, en primer lugar, pudimos relacionar positivamente la capacidad fotosintética y el mantenimiento del crecimiento en plantas tolerantes a estrés hídrico y salino, tanto sin injertar como injertadas; de hecho, basándonos principalmente en esta relación, seleccionamos las accesiones A34 y A31 como tolerantes a estrés salino e hídrico, respectivamente. Además, demostramos que el papel principal de la prolina en los estreses estudiados no está ligado a la bajada de potencial osmótico; sin embargo, se identificaron funciones protectoras de este aminoácido que, junto a otras moléculas antioxidantes como los fenoles, contribuyen en el pimiento a aumentar la tolerancia. Igualmente importante es el peróxido de hidrógeno, que se relacionó con la capacidad antioxidante en pimiento, funcionando como molécula señalizadora en estrés salino. Asimismo, la bajada de ácido abscísico y la modificación de la expresión de genes relacionados han sido también relevantes en condiciones de estrés salino para mantener la apertura estomática y, por consiguiente, el crecimiento en plantas sin injertar e injertadas sobre portainjertos tolerantes. Se demostró también que la limitación del transporte de Na+ a hojas, así como el transporte y acumulación eficiente de K+ en raíces y hojas, son esenciales para alcanzar la homeostasis iónica y por tanto la tolerancia en pimientos injertados sobre portainjertos tolerantes. Para finalizar, el estudio de las rutas moleculares fue una herramienta útil para confirmar el comportamiento fisiológico y agronómico de una accesión de pimiento previamente clasificada como tolerante a la salinidad, descubriendo además nuevos mecanismos no referenciados hasta el momento. Los genes diferencialmente expresados encontrados estaban relacionados con la señalización hormonal, el crecimiento y desarrollo de las plantas, la fotoprotección, la regulación de los transportadores de iones y la detoxificación de ROS.

[CA] El pimentó és un cultiu molt important mundialment, però és sensible a la falta d'aigua i la salinitat. No obstant això, es pot millorar la tolerància mitjançant la tècnica de l'empelt. L'Institut Valencià d'Investigacions Agràries i la Universitat Politècnica de València han fet estudis previs per a seleccionar accessions de pimentó tolerants a tots dos estressos i a continuació, una selecció d'entre elles es va utilitzar per a estudiar els mecanismes fisiològics de tolerància i augmentar la rendibilitat de la seua producció. No obstant això, després de tots aquests experiments, la informació encara és limitada. En aquest sentit, els objectius que s'han plantejat en aquesta tesi doctoral van ser: i) seleccionar noves accessions tolerants de pimentó a la salinitat i la falta d'aigua, per a augmentar la disponibilitat de genotips tolerants i usar-los en futurs programes de millora, amb l'objectiu final d'obtindre nous portaempelts amb una tolerància millorada; ii) identificar a curt termini els mecanismes fisiològics de tolerància a l'estrès hídric d'una accessió tolerant (A25) usada com portaempelt; iii) identificar a curt termini els mecanismes fisiològics de tolerància a la salinitat d'un nou portaempelt híbrid tolerant (NIBER®); iv) trobar els principals mecanismes moleculars de tolerància a la salinitat d'una accessió tolerant (A25) respecte a una sensible (A6) des d'un punt de vista de la transcriptòmica. Després de realitzar aquests assajos, en primer lloc, vam poder relacionar positivament la capacitat fotosintètica i el manteniment del creixement en plantes tolerants a l'estrès hídric i salí, tant sense empeltar com empeltades; de fet, basant-nos principalment en aquesta relació, vam seleccionar les accessions A34 i A31 com tolerants a l'estrès salí i hídric, respectivament. A més a més, vam demostrar que el paper principal de la prolina en els estressos estudiats no està lligat a la baixada de potencial osmòtic; en canvi, es van identificar diferents funcions protectores d'aquest aminoàcid, que, junt a altres molècules antioxidants com els fenols, contribueixen en el pimentó a combatre'ls. Igualment important és el peròxid d'hidrogen, que es va relacionar amb la capacitat antioxidant del pimentó, funcionant com a molècula senyalitzadora a l'estrès salí. Així mateix, la baixada d'àcid abscísic i la modificació de l'expressió de gens relacionats de la seua senyalització han sigut també rellevants en condicions d'estrès salí per a mantindre l'obertura estomàtica i per tant el creixement en plantes sense empeltar i empeltades amb portaempelts tolerants. Es va demostrar també que la limitació del transport de Na+ a les fulles, així com el transport i l'acumulació eficient de K+ a les arrels i les fulles, són essencials per a aconseguir l'homeòstasi iònica i per tant la tolerància en pimentons empeltats damunt portaempelts tolerants. Per concloure, l'estudi de les rutes moleculars va ser un instrument útil per a confirmar el comportament fisiològic i agronòmic d'una accessió de pimentó prèviament classificada com a tolerant, descobrint a més nous mecanismes no trobats fins ara. Els gens diferencialment expressats trobats estaven relacionats amb la senyalització hormonal, el creixement i el desenvolupament de les plantes, la fotoprotecció, la regulació dels transportadors de ions i la detoxificació de ROS.

[EN] Pepper culture is economically very important worldwide, although it is very sensitive to suboptimal conditions of water and high salinity. However, the tolerance to these stresses can be improved by the grafting technique. Previous studies of the Valencian Institute for Agricultural Research and the Polytechnic University of Valencia have been conducted to select pepper accessions that showed tolerance to both stresses, after which a further selection of them was used as rootstocks to find physiological mechanisms of tolerance and to increase its agronomic profit. However, after all these studies, the available information in this regard is still scarce. Therefore, the objectives of this thesis were to: i) screen new tolerant pepper accessions under high salt concentrations and suboptimal water conditions, to increase the availability of tolerant genotypes to be used in future breeding programmes, with the final aim of obtaining new and improved tolerant rootstocks; ii) identify the short-term physiological mechanisms of water stress tolerance of a tolerant accession (A25) used as a rootstock; iii) identify the physiological mechanisms of short-term tolerance to salinity of a new tolerant hybrid rootstock (NIBER®); and iv) find the main molecular pathways of salinity tolerance of a tolerant accession (A25) compared to a sensitive one (A6) by a transcriptomic approach. After conducting these studies, we firstly found a positive relationship between photosynthetic capacity and growth maintenance in plants that were tolerant to water or salt stress, both grafted or ungrafted; indeed, based mainly on this relationship, we selected accessions A34 and A31 as tolerant to salt and water stress, respectively. In addition, we were able to demonstrate that the main role of proline under salinity and water scarcity is not linked herein to the drop in osmotic potential; on the contrary, we identified different protective roles that, together with other antioxidant protective molecules such as phenols, contribute to the tolerance of pepper plants to these environmental stresses. Moreover, hydrogen peroxide, a reactive oxygen species, was found to play important roles in the antioxidant capacity of pepper, working as a signalling molecule under salinity stress. Furthermore, the drop in abscisic acid concentration and its signalling deregulation were also shown to maintain stomatal aperture and thus the growth of the scion when grafted onto tolerant rootstocks and ungrafted accessions under high salt concentration conditions. It was also demonstrated that a limitation of Na+ transport to leaves, as well as a more efficient transport and accumulation of K+ in roots and leaves, are essential to reach ion homeostasis and, thus, tolerance in pepper plants grafted onto tolerant rootstocks. Finally, the study of the molecular pathways of tolerance was a useful tool to confirm the physiological and agronomical behaviour of a pepper accession previously classified as tolerant, although new mechanisms were also found. The differentially expressed genes found were linked to hormonal signalling, plant growth and development, photoprotection, regulation of ion transporters and ROS detoxification.