Inactivation of Jasmonate signaling - A route to salt stress adaptation in rice

Reis (Oryza sativa L.) ist für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung das Grundnahrungsmittel. Dabei ist die Bodenversalzung einer der wichtigsten abiotischen Stressfaktoren, der die Produktivität und die Verfügbarkeit von Agrarflächen ernsthaft beeinträchtigt und somit einen großen sozioökonomischen Einfluss darstellt. Die Jasmonat-Pflanzenhormone, unter welchen man Jasmonsäure und seine Derivate zusammenfasst, wirken als Signalmoleküle, die eine entscheidende Funktion in biotischer und abiotischer Stresstoleranz und für die pflanzliche Entwicklung haben. In dieser Arbeit versuchten wir mit einer innovativen Strategie zu zeigen, dass Unterdrückung von Jasmonsäuresignalleitung zu einer Änderung von Jasmonatsensitivität und Antwort auf Salzstress führen kann, ohne negative Effekte von Jasmonatunempfindlichkeit wie verminderte Fertilität oder erhöhte Empfindlichkeit für Pathogene in Kauf nehmen zu müssen.
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Um diese Strategie zu überprüfen, haben wir transgene Reispflanzen sowie transgene BY-2 (Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow-2) Suspensionzellen hergestellt, die das vollständige bzw. das am C-Terminus verkürzte (ohne die Jas-Domäne) OsJAZ8 Protein unter Kontrolle der salzinduzierbaren ZOS3-11 oder ZOS3-12-Promotoren exprimieren. Für die transgenen Tabakzellen konnten wir die Aktivität der Promotoren untersuchen und zeigen, dass die Induktion des OsJAZ8-Gens zu Jasmonat-insensitiven Phänotypen führte. Die Zellen zeigten eine verminderte Zellmortalität, verstärktes Längenwachstum und eine Abnahme der Zellzyklusdauer und dadurch eine bessere Leistung insbesondere unter MeJA Behandlung, aber auch unter Salzstress. Interessanterweise hat die Unterdrückung von Jasmonsäuresignalleitung auch zu einem Anstieg der Responsivität gegenüber Auxin in transgenen BY-2 Zelllinien im Vergleich zum Wildtyp geführt, was zeigt, dass Jasmonat die Auxin Responsivität modulieren kann.
Transgene Reiskeimlinge zeigten eine bessere Toleranz gegen Salzstress, welches mit einem erhöhten Gehalt von OsJAZ8 Transkripten in ZOS3-11::JAZ8-Linien und OsJAZ8ΔC Transkripten in ZOS3-11::JAZ8ΔC-Linien im Vergleich zum Wildtypen korrelierte. Die transgenen Reislinien zeigten keinerlei phänotypischen Unterschiede unter Kontrollbedingungen. Der Gehalt an Transkripten von OsJAZ8 und OsJAZ8ΔC war jedoch erhöht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Proteine ZOS3-11 und ZOS3-12 näher charakterisiert. Es handelte sich um C2H2 Zinkfinger-Transkriptionsfaktoren mit Homologie zu STZ von Arabidopsis und die Expression ihrer Transkripte war durch Salz in Abhängigkeit von Jasmonat induzierbar. Transiente Expressionsanalysen mit GFP-Fusionsproteinen zeigten, dass die Transkriptionsfaktoren vorzugsweise im Zellkern lokalisiert sind, obschon ihnen eine Kernlokalisationssequenz fehlt. Beide Proteine binden eine A(C/G)T-Sequenz und besitzen eine Repressorfunktion.
Eine frühere Studie, in der für die Jasmonat-Biosynthesemutanten (cpm2 und hebiba) eine verbesserte Salztoleranz im Vergleich zum Wildtyp beschrieben wurde, wurde erweitert durch eine ausführliche Zeitverlaufsstudie, in der die Aufnahme von Natrium- und Kaliumionen im Vergleich zu einem salzempfindlichen (RC222) und einem salztoleranten (FL478) Reiskultivar gemessen wurde. cpm2 und hebiba verhielten sich wie das salztolerante Kultivar und opferten ältere Blätter durch erhöhte Aufnahme von Na+ in diese, wodurch weniger Na+ in die jungen Blätter aufgenommen wurde. Andererseits verhielt sich der Wildtyp wie das salzempfindliche Kultivar, welches eine erhöhte Aufnahme von Na+ in allen Blättern zeigte. Der Wildtyp zeigte auch eine erhöhte Konzentration von JA und JA-Ile im Blatt, womit ein direkter Zusammenhang zwischen Na+-Aufnahme und Jasmonat gezeigt wurden konnte.
Alle diese Ergebnisse über Jasmonat-regulatorische Systeme, welche Erkenntnisse über Stresswahrnehmung und Phytohormonwechselwirkung beinhalten, haben Licht in das Wissen über die Schnittstelle zwischen Signalleitung und Stressadaption gebracht.

Rice (Oryza sativa L.) is the staple food for more than half of the world population and salinity is one of the abiotic stress affecting severely on the crop productivity and on agriculture suitable land leading to strong social and economic impact. The plant hormones jasmonates which are a collection of jasmonic acids and its metabolites act as signaling molecules which play a vital role in biotic and abiotic stress tolerance and also development in plants. Here, we tried to find an innovative strategy to show how suppression of jasmonate signaling under salt stress can contribute to alteration in jasmonate sensitivity and salt stress response negating the detrimental effect of jasmonate insensitivity like decrease in fertility, susceptibility to pathogens etc.
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In order to prove this strategy, we generated and analyzed transgenic rice plants and transgenic BY-2 (Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow 2) suspension cells which expressed full and C terminal truncated (lacking Jas domain) OsJAZ8 protein under control of the salt inducible promoters of ZOS3-11 and ZOS3-12. Using the transgenic tobacco, we were able to monitor the activity of the promoters and show that the induction of OsJAZ8 gene led to jasmonate insensitive phenotype by showing reduced cell mortality, increase in cell length and decrease in cell cycle duration thereby show better performance especially under MeJA treatment, but also under salt stress. Interestingly, suppression of jasmonate signaling also resulted in an increase in auxin responsiveness in transgenic BY2 cell lines compared to the wild type showing that jasmonate acts as a modulator of auxin responsiveness.
In rice, transgenic seedling showed better tolerance to salt stress, which was in correlation with the increased amount of OsJAZ8 transcript in ZOS3-11::JAZ8 and OsJAZ8ΔC in ZOS3-11:: JAZ8ΔC under salt stress compared to the wild type rice. The transgenic rice did not show any phenotypical difference under control condition but OsJAZ8 and OsJAZ8ΔC contents were found to be high compared to the wild type.
In the second part of the study, characterization of ZOS3-11 and ZOS3-12 protein was done. These are C2H2 type zinc finger transcription factor homologous to STZ of Arabidopsis and there transcript expressions were highly induced in salt stress in a jasmonate-dependent manner. Transient expression analysis using synthetic green fluorescent protein fusion proteins indicated that these transcription factors are preferentially localized to the nucleus even though it was lacking nuclear localization domain and binds to A(C/G)T sequence and had repression activity.
More evidences were obtained in addition to the previous study of showing better salt stress tolerance in the jasmonate biosynthesis mutants (cpm2 and hebiba) compared to wild type by performing a detailed time course study to analyze the sodium and potassium uptake under salt stress with a salt sensitive (RC222) and salt tolerant (FL478) variety as control. The cpm2 and hebiba behaved similarly to salt tolerant variety sacrificing its older leaf by an increase in uptake and accumulation of Na+ in the older leaf and less accumulation of Na+ in the younger leaves. On the other hand, the WT behaved similar to salt sensitive variety having increase in Na+ uptake and distributed accumulation in all the leaves. The WT also showed increased accumulation of JA and JA-Ile in leaf with time showing a direct relation of jasmonate with increased uptake of Na+
All these results obtained about jasmonate regulatory systems that link stress sensing and phytohormone crosstalk have shed light on the interfaces of signaling and adaptation to stress conditions.