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All for one: organ and tissue-specific responses in the hormonal modulation of plant (a)biotic interactions

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Universitat de Barcelona. Departament de Biologia Evolutiva, Ecologia i Ciències Ambientals

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[eng] Plants are not isolated organisms; instead, they constantly interact with the microorganisms in their environment, forming a holobiont that consists of the plants themselves and their entire microbiome. This holobiont must also cope with abiotic stresses, such as water deficit, for which it has developed specific adaptation mechanisms. These mechanisms include a wide range of modifications in the plant, like a deep restructuring of the root system and an enhancement of the plant antioxidant content. Additionally, in response to stresses like water deficit, the composition of the microbiome can change, promoting the establishment of mutualistic relationships with microorganisms like arbuscular mycorrhizal fungi that enhance the plant physiological response. These responses are regulated by phytohormones, among which abscisic acid and jasmonates are particularly relevant. Although the role of phytohormones has been studied in various developmental processes and in the regulation of (a)biotic interactions, few analyses have focused on how responses in different specific organs and tissues can collectively affect the plant hormonal regulation in front of these stresses. In this dissertation, hormonal responses in specific plant organs were studied in plants subjected to water stress in the presence or absence of arbuscular mycorrhizal fungi, paying special attention to the potential implications of tissue- specific hormonal variations in plant-microorganism interactions. To accomplish this, three different plant species were employed under different cultivation conditions. Hormone levels were analyzed in various organs and tissues, ranging from roots to leaves and fruits, including both climacteric and non-climacteric fruits, to better understand local hormonal responses and distinguish them from potential systemic responses. In the first chapter, the protective effect of the arbuscular mycorrhizal fungus Rhizoglomus irregulare on white clover (Trifolium repens L.) submitted to a progressive water stress for 20 days and a recovery period was evaluated. Emphasis was placed on hormonal responses in roots and leaves. Mycorrhization conferred greater resistance to water stress, likely due to an enhanced antioxidant protection in roots and root-to-shoot signaling mediated by lipid peroxidation derivatives, such as jasmonates. In the second chapter, the previous study was extended to a commercially important plant: tomato (Solanum
 
lycopersicum L.). Plants were subjected to a mild water stress in the presence or absence of the arbuscular mycorrhiza R. irregulare for 14 days. Hormonal variations in roots, leaves, and fruits at different developmental stages suggested a systemic response mediated by abscisic acid, extending from roots to ripe fruits. The other hormones analyzed showed organ-dependent variations, being the root hormonal dynamics particularly intriguing, highlighting the role of the root as a central hub for hormonal regulation in response to water stress. Additionally, mycorrhization improved the plant nutritional content. Finally, in the third chapter, it was explored how hormonal changes resulting from fruit ripening could be associated with changes in the cultivable microbiome of sweet cherry (Prunus avium L.) fruits. For that purpose, hormonal and microbiological analyses by tissue were conducted. The results revealed a fundamental role of the exocarp, the fruit outermost layer, as a physical and physiological barrier against colonization by endophytic and pathogenic microorganisms, displaying interesting dynamics in jasmonic acid and salicylic acid levels. In conclusion, this doctoral thesis demonstrates the presence of differential hormonal responses among different plant organs and tissues, which could have potential implications for the entire plant. On the one hand, hormonal changes in the root resulting from mycorrhization in response to water stress could influence the hormonal responses to that stress in distant organs like leaves, as well as the nutritional and hormonal content of fruits. On the other hand, hormonal changes derived from ripening in specific fruit tissues could eventually have indirect implications for the profile of endophytic microorganisms, therefore altering the holobiont itself.

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[spa] Las plantas no son organismos aislados, sino que interactúan constantemente con los microorganismos de su entorno, constituyendo un holobionte formado por ellas y todo su microbioma. Este holobionte asimismo debe hacer frente a estreses abióticos, como el déficit hídrico, ante el que ha desarrollado mecanismos de adaptación concretos. Estos mecanismos incluyen desde la reestructuración del sistema radicular hasta el aumento del contenido de antioxidantes por parte de la planta. Asimismo, frente a estreses como el déficit hídrico, la composición del microbioma puede variar, favoreciéndose el establecimiento de relaciones mutualistas con microorganismos específicos como las micorrizas arbusculares, los cuales mejoran la respuesta fisiológica de la planta frente a estos estreses. Estas respuestas están reguladas por fitohormonas, entre las que destacan el ácido abscísico y los jasmonatos. Aunque se ha estudiado el rol de las diversas fitohormonas en diferentes procesos de desarrollo, así como en la regulación de interacciones (a)bióticas, rara vez se ha analizado cómo las respuestas en diferentes tejidos concretos pueden afectar conjuntamente a la regulación hormonal de la planta frente a estos estreses. En esta tesis doctoral se estudiaron las respuestas hormonales en órganos específicos en plantas sometidas a estrés hídrico en presencia o ausencia de micorrizas arbusculares, analizando también las implicaciones de las variaciones hormonales tisulares en las interacciones planta-microorganismo. Para ello, se emplearon tres especies vegetales distintas en diferentes condiciones de cultivo, analizando los contenidos hormonales en diversos órganos y tejidos, desde la raíz hasta las hojas y frutos, tanto climatéricos como no climatéricos, para poder comprender mejor las respuestas hormonales locales que tienen lugar, y poder diferenciarlas de potenciales respuestas sistémicas. En el primer capítulo se evaluó el efecto protector de la micorriza arbuscular Rhizoglomus irregulare sobre trébol blanco (Trifolium repens L.) frente a un estrés hídrico progresivo durante 20 días y durante un periodo de recuperación, haciendo especial énfasis en la respuesta hormonal en raíces y hojas. La micorrización confirió una mayor resistencia al estrés hídrico, debida probablemente a un efecto de protección antioxidante en raíces y una señalización desde la raíz hacia las hojas mediada por derivados de la
 
peroxidación lipídica, como los jasmonatos. En el segundo capítulo se trasladó el estudio anterior a una planta con mayor interés agronómico como el tomate (Solanum lycopersicum L.). Las plantas fueron sometidas a un estrés hídrico leve en la presencia o ausencia de la micorriza R. irregulare durante un periodo de 14 días. Las variaciones hormonales en raíces, hojas y frutos en diferentes estadios de desarrollo sugirieron una respuesta sistémica mediada por ácido abscísico que llegaba a extenderse desde las raíces hasta los frutos maduros. El resto de las hormonas analizadas presentaron variaciones órgano-dependientes, siendo especialmente interesante el dinamismo a nivel hormonal de la raíz, lo cual resaltó el papel de la raíz como centro regulatorio hormonal en la respuesta al estrés hídrico. Además, la micorrización mejoró el contenido nutricional de la planta. Finalmente, en el tercer capítulo, exploramos cómo los cambios hormonales derivados de la maduración podían estar asociados a cambios en el microbioma cultivable de la cereza (Prunus avium L.), realizando un análisis hormonal y microbiológico por tejidos. Los resultados revelaron el papel fundamental que juega la parte externa del fruto, el exocarpio, como barrera física y fisiológica frente a la colonización de la cereza por microorganismos endófitos y patógenos, presentando un gran dinamismo en los niveles de ácido jasmónico y salicílico. En conclusión, esta tesis doctoral muestra la presencia de respuestas hormonales diferenciales entre diferentes órganos y tejidos que podrían tener implicaciones potenciales a nivel de toda la planta. Por un lado, cambios hormonales en la raíz derivados de la micorrización en respuesta al estrés hídrico podrían influir en las respuestas hormonales a este estrés en órganos distantes como hojas, al igual que en el contenido nutricional y hormonal de frutos. Por otro lado, cambios hormonales derivados de la maduración en tejidos concretos del fruto podrían acabar teniendo implicaciones indirectas en el perfil de microorganismos endófitos y, por tanto, alterar el propio holobionte.

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cc by-nc-sa (c) Hernández Fresno, David, 2024

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Tesis Doctorals - Departament - Biologia Evolutiva, Ecologia i Ciències Ambientals

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All for one: organ and tissue-specific responses in the hormonal modulation of plant (a)biotic interactions