Medicago truncatula response to water-deficit stress: whole plant perspectives

Abstract

Medicago truncatula es una planta forrajera anual con gran interés agronómico y científico, siendo de hecho empleada como planta modelo en el estudio de la biología de las leguminosas. Teniendo en cuenta el contexto actual del cambio climático, es de vital importancia mantener o aumentar el rendimiento de los cultivos para así poder responder a los requerimientos derivados del constante aumento de la población mundial. Para ello, es imprescindible entender las res-puestas adaptativas de las plantas al estrés hídrico, siendo muy útil el empleo de esta planta modelo para su estudio. En este trabajo hemos estudiado el comportamiento de varios órganos vegetales con especial énfasis en el sistema radical, permitiéndonos un conocimiento más inte-grado de los mecanismos de respuesta al estrés hídrico a nivel de planta entera. El sistema radical de M. truncatula fue estudiado en el Capítulo 1, en el cual hicimos una distinción entre la raíz primaria, más gruesa, y las raíces laterales o “raíz fibrosa”, mucho más finas. Se estudió entonces el comportamiento de ambos tipos de raíz en condiciones control, remarcando la gran diferencia metabólica entre ambas, teniendo la raíz primaria un papel más activo que como mero almacén de reservas. Además, se observó una mayor resiliencia de la raíz primaria al estrés hídrico, pudiendo tener la modulación de la degradación de la sacarosa y del metabolismo de la prolina un papel esencial en la adaptación del sistema radical al estrés hídrico. En el Capítulo 2 hemos abordado diversos tipos de estrés hídrico, empleando para ello con-diciones iso-osmóticas de salinidad (NaCl y KCl), falta de riego y un agente osmótico (PEG-6000). Esta comparativa nos permite identificar las semejanzas y diferencias en los mecanismos de respuesta a cada estrés a nivel de planta entera. Por un lado, los resultados obtenidos nos llevaron a descartar el uso de PEG como un compuesto apto para semejar condiciones de sequía, mientras que la exposición de M. truncatula a NaCl y KCl provocó respuestas similares, con un ligero mayor efecto negativo en el metabolismo por parte de este último. Al comparar la res-puesta a la falta de riego se observó un mayor énfasis en la protección del sistema radical, mien-tras que la exposición a NaCl conllevó una mayor respuesta a nivel de parte aérea. El estudio del floema nos permitió una mejor comprensión de las respuestas sistémicas de la planta a los di-versos tipos de estrés hídrico. En resumen, este estudio proporciona un mayor conocimiento de la respuesta de M. trunca-tula a condiciones de estrés hídrico a nivel de planta entera y desde un punto de vista bioquí-mico, metabólico y fisiológico.

Medicago truncatula is a forage legume with agricultural but also scientifical interest, being used as a model plant for the study of legumes’ biology. Within a climate change context, it is of great importance to maintain/increase plant yield in stressful growth conditions to meet the requirements of the increasing world population. In order to achieve this, it is mandatory to further understand the adaptive response of plants to water-deficit stress, for which the use of this model plant results of great utility. In the present study, the simultaneous study of various plant organs with particular focus on the root system allows us a more integrative understanding of water-deficit response mechanisms from a whole-plant perspective. The root tissue was studied in Chapter 1, distinguishing between the thick taproot and the much thinner fibrous root. The different behaviour of both root types under well-watered as well as under water-deficit conditions was studied from a physiological and metabolic perspec-tive. This study highlighted the active role of the taproot rather than being considered a mere nutrient storage organ. The taproot showed a more resilient nature towards water-deficit stress than the fibrous root, while sucrose cleavage modulation, together with proline metabolism sug-gested a crucial role of these pathways in the root adaptation to water-deficit stress. In Chapter 2 we aimed to address different water-deficit conditions that can affect plant water status, using iso-osmotical conditions of salinity (NaCl and KCl), lack of irrigation and an osmoticum (PEG). This approach allows us to identify the similarities and differences in the mechanisms involved in the response to each stress at the whole-plant level. While PEG was dismissed as a reliable drought-stress mimicker, NaCl and KCl led to similar responses, with a slightly higher negative effect of KCl on plant metabolism. On the other hand, an emphasis on the shoot and root protection was observed for NaCl and no-irrigation stress, respectively. The study of the phloem sap allowed us to better understand the responses to the different water-deficit conditions at a whole-plant level. In summary, this study provides further insight into the response at the whole-plant level of M. truncatula to water-deficit conditions from a biochemical, metabolic and physiological point of view.