Comparative analysis of seeds from heat tolerant and sensitive Cactaceae species using biophysical and proteomic approaches

Abstract

[EN] Heat tolerance in plants is an important trait in the context of plant adaptation to extreme conditions and climate change. Daws et al. (2007) discovered a significant positive relationship between survival at 103°C and the absolute annual maximum temperature at the collection site for 26 and 5 species of the Aizoaceae and Cactaceae families respectively. Whilst species from comparatively cool locations (maximum annual temperature of 25 °C) had limited survival, those from locations with a maximum temperature of >28 °C had high or complete survival following exposure to 103 °C for 17 h. Using the collections present in the Millennium Seed Bank we identified heat tolerant and sensitive species amongst the 31 species tested by Daws et al. (2007). Subsequently we addressed whether the identified differences could be ascribed to biophysical characteristics of the seeds, such as glass transition temperatures, using Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis. In addition we contrasted the proteomes of two tolerant and two sensitive species and analysed which differences in the seed’s proteomes were associated with tolerance to extreme temperatures. For 15 of the 31 species tested, the average percentage of germination shown by the heat-treated seeds was significantly different from that shown by the control seeds. Given the availability of seeds in the Millennium Seed Bank and the germination data, it was decided to select T. chiloensis and E. paucicostata of the Cactaceae family as heat sensitive species for follow-up experiments. T. skottsbergii and E. breviflora were chosen as comparative heat tolerant species. In order to identify potential glass transitions related to heat tolerance, the thermograms of the selected species were analysed, as well as the thermograms of the related Trichocereus species, using an alternative warming rate. No consistent patterns were observed. The 2D gels from the two tolerant and two sensitive species from the Cactaceae family were compared and analysed using SameSpots software (TotalLab Ltd.). Two different comparisons were performed with the software; the first one comparing the two tolerant and two sensitive species, and the second one comparing the two Trichocereus species. 35 spots were found to be present in significantly different amounts between the sets of sensitive and tolerant species. After manual inspection of the automated software results, we identified several spots that appeared particularly consistent in their differential levels of intensity across species. We selected two consistent spots for amino acid sequence identification of the proteins contained within them. Based on the sequencing results, we discuss whether the identified proteins in the two spots could be considered as candidate proteins for extreme heat tolerance in Cactaceae seeds.

[ES] La tolerancia a alas temperaturas es una característica de gran importancia en el contexto de la adaptación de las plantas a condiciones extremas y al cambio climático. Daws et al. (2007) descubrieron una relación significativa y positiva entre la supervivencia a 103°C y la temperatura absoluta máxima anual en el lugar de recolección para 26 especies de la familia Aizoaceae y 5 de la familia Cactaceae. Mientras que las especies de localizaciones comparativamente más frías (temperaturas máximas anuales de 25°C ) mostraron una supervivencia limitada, aquellas provenientes de localizaciones con temperaturas máximas superiores a 28°C mostraron una alta e incluso completa supervivencia tras su exposición a 103 °C durante 17 h. Usando las colecciones presentes en el Millennium Seed Bank identificamos las especies tolerantes y las sensibles a altas temperaturas de entre las 31 especies utilizadas por Daws et al. (2007). Posteriormente evaluamos cuáles de las diferencias podrían deberse a características biofísicas de las semillas como temperaturas de transición vítrea utilizando la técnica Differential Scanning Calorimetry (DSC). Además llevamos a cabo una comparación de los proteomas de dos especies tolerantes y dos sensibles y evaluamos que diferencias en los proteomas de las semillas están relacionadas con la tolerancia a temperaturas extremas. Para 15 de las 31 especies ensayadas, el porcentaje promedio de germinación en las especies tratadas con altas temperaturas fue significativamente diferente del mismo en las semillas empleadas como control. Dada la disponibilidad de las semillas en el Millennium Seed Bank y los resultados del ensayo de germinación se decidió emplear las semillas de T. chiloensis y E. paucicostata de la familia Cactaceae como especies sensibles para los experimentos ulteriores. T. skottsbergii y E. breviflora fueron seleccionadas como especies comparativamente tolerantes a altas temperaturas. Con el fin de identificar las transiciones vítreas potencialmente relacionadas con la tolerancia al calor, se analizaron los termogramas de las especies seleccionadas, así como los termogramas de las dos especies de Trichocereus, utilizando un programa de temperaturas alternativo, sin embargo, no se observó ningún patrón consistente. Los geles 2D de las dos especies tolerantes y las dos sensibles de la familia Cactaceae fueron comparados y analizados utilizando el software SameSpots (TotalLab Ltd.). Se llevaron a cabo dos comparaciones diferentes con dicho software; la primera comparando las dos especies tolerantes con las dos sensibles, y la segunda comparando las dos especies del género Trichocereus. Se encontraron 35 spots presentes en cantidades significativamente diferentes entre las especies sensibles y tolerantes. Después de una inspección manual de los resultados obtenidos con el software, identificamos varias proteínas que resultaban particularmente consistentes en sus diferentes niveles de intensidad entre especies. Finalmente seleccionamos las dos spots más representativos, de resultados consistentes en las dos comparaciones llevadas a cabo, para la identificación de la secuencia de aminoácidos y de esta manera pudimos establecer una relación entre estas y la tolerancia a altas temperaturas.