Jasmonate Signaling and Beyond: A Multi-Layered Perspective on Rice Salt Stress Adaptation

Salinität ist ein bedeutender abiotischer Stressfaktor, der die landwirtschaftliche Produktion weltweit beeinflusst. Eine zunehmende Versalzung der Böden bedroht die globale Pflanzenproduktion. Diese ungünstigen Bedingungen zwingen Pflanzen dazu, komplexe Anpassungsmechanismen zu aktivieren. Da Pflanzen sessile Organismen sind, hängt ihr Überleben unter salinen Bedingungen von ihrer Fähigkeit ab, physiologische Veränderungen mit hormonellen Signalwegen zu koordinieren. Verschiedene Pflanzenhormone spielen dabei spezifische Rollen in den pflanzlichen Reaktionen auf biotische und abiotische Stressfaktoren. ... mehrUnter ihnen nehmen Jasmonsäure (JA) und ihre Derivate, zusammenfassend als Jasmonate bezeichnet, eine zentrale Rolle bei der Regulation pflanzlicher Reaktionen auf Umweltstress ein. Jasmonate vermitteln vielfältige Prozesse, darunter die Aktivierung von Abwehrreaktionen, die Regulation des Wachstums sowie die Anpassung an Stressbedingungen. Dennoch ist die genaue Rolle der Jasmonat-Signalübertragung bei der Entwicklung der Salztoleranz in Reis noch nicht vollständig verstanden.

Um die Rolle von Jasmonaten während der Anpassung an Salzstress zu klären, wurden in dieser Studie zwei komplementäre experimentelle Ansätze verwendet. Der erste Ansatz konzentrierte sich auf hormonelle Defizienz durch die Analyse einer jasmonatdefizienten Allene-Oxid-Cyclase (aoc)-Mutante im Vergleich zu ihrem Wildtyp-Hintergrund Kitaake. Der zweite Ansatz untersuchte natürliche Variation in der Salztoleranz durch den Vergleich des toleranten Reisgenotyps FL478 mit dem salzsensitiven Genotyp RC222. Durch die Kombination dieser beiden Systeme war es möglich, jasmonatassoziierte Mechanismen auf morphologischer, physiologischer und molekularer Ebene zu untersuchen.

Die aoc-Mutante zeigte unter salinen Bedingungen eine verbesserte Stresstoleranz im Vergleich zum Wildtyp. Die Mutante behielt eine stärkere Wurzelentwicklung bei, zeigte geringere Blattschäden und akkumulierte während der Salzbehandlung eine höhere Biomasse. Auf physiologischer Ebene wurden die photosynthetische Leistung und die stomatäre Leitfähigkeit in der Mutante weniger stark durch Salinität beeinflusst als in Kitaake. Darüber hinaus wurde das ionische Gleichgewicht in der aoc-Mutante in verschiedenen Pflanzengeweben besser aufrechterhalten, da Natrium und Kalium im Vergleich zum Wildtyp effektiver reguliert wurden.

Molekulare Analysen zeigten unterschiedliche Muster der Genregulation im Zusammenhang mit der Jasmonat-Signalübertragung. Mitglieder der JAZ-Genfamilie wirken als Repressoren innerhalb des Jasmonat-Signalwegs. Diese Gene wurden durch Salinität im Wildtyp stark induziert, zeigten jedoch eine deutlich schwächere Induktion in der jasmonatdefizienten Mutante. Darüber hinaus zeigten Gene, die am Ionentransport und am Schutz vor oxidativem Stress beteiligt sind, darunter NHX1 sowie plastid-lokalisierte Superoxiddismutase-Gene (ptSOD1 und ptSOD2), genotypspezifische Expressionsmuster während des Salzstresses.

Ähnliche Muster wurden auch beim Vergleich natürlicher Reisgenotypen beobachtet. Der salztolerante Genotyp FL478 zeigte ein verbessertes Wachstum, eine bessere Biomasseerhaltung und eine effektivere Regulation des Ionengleichgewichts als der sensitive Genotyp RC222. Tolerante Pflanzen zeigten während der Salinitätsexposition eine stärker kontrollierte Jasmonatreaktion, wie durch Hormonanalysen während des Salzstresses gezeigt wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine reduzierte oder moderierte Jasmonat-Signalübertragung mit einer verbesserten Salztoleranz in Reissämlingen verbunden ist.

Die Ergebnisse zeigen, dass Jasmonate mehrere zentrale Prozesse während des Salzstresses beeinflussen, darunter die Regulation des Wachstums, die Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase sowie den Schutz vor oxidativen Schäden. Diese Daten liefern ein klareres Verständnis der hormonellen Mechanismen, die der Anpassung an Salinität zugrunde liegen, und könnten zukünftige Strategien zur Verbesserung der Salztoleranz im Reisanbau unterstützen.

Salinity is a major abiotic stress affecting agricultural production worldwide. Increasing soil salinity threatens global crop productivity. These unfavourable conditions force plants to activate complex adaptive functions. Because plants are sessile organisms, their survival under saline conditions depends on their ability to coordinate physiological alterations with hormonal signalling pathways. Different plant hormones play particular roles in plant responses to both biotic and abiotic stresses. Among them, jasmonic acid (JA) and its derivatives, collectively known as jasmonates, play central roles in regulating plant responses to environmental stress. ... mehrJasmonates mediate diverse processes, including defense activation, growth regulation, and stress adaptation. However, the precise role of jasmonate signalling in the development of salinity tolerance in rice remains insufficiently understood.

To clarify the role of jasmonates during salt stress adaptation, this study used two complementary experimental approaches. The first approach focused on hormonal deficiency by analysing a jasmonate-deficient allene oxide cyclase (aoc) mutant in comparison with its wild-type background Kitaake. The second approach examined natural variation in salinity tolerance by comparing the tolerant rice genotype FL478 with the salt-sensitive genotype RC222. By combining these two systems, it was possible to investigate jasmonate-associated mechanisms at morphological, physiological, and molecular levels.

The aoc mutant exhibited improved stress tolerance compared with the wild type under saline conditions. The mutant maintained stronger root development, showed less leaf damage, and accumulated higher biomass during salt exposure. At the physiological level, photosynthetic performance and stomatal conductance were less affected by salinity in the mutant than in Kitaake. In addition, ionic balance was better maintained in the aoc mutant across different plant tissues by more effective regulation of sodium and potassium compared with the wild type.

Molecular analyses showed distinct patterns of gene regulation associated with jasmonate signalling. Members of the JAZ gene family act as repressors within the jasmonate signalling pathway. These genes were strongly induced by salinity in wild-type plants but showed substantially weaker induction in the jasmonate-deficient mutant. Furthermore, genes involved in ion transport and oxidative stress protection, including NHX1 and plastid-localized superoxide dismutase genes (ptSOD1 and ptSOD2), showed genotype-specific expression responses during salt stress.

Similar patterns were observed when natural rice genotypes were compared. The salt-tolerant genotype FL478 showed improved growth, better biomass retention, and more effective regulation of ion balance than the sensitive genotype RC222. Tolerant plants manifested a more controlled jasmonate response during salinity exposure, as shown by hormone analyses during salt stress. Reduced or moderated jasmonate signalling is associated with improved salinity tolerance in rice seedlings, as suggested by the results.

The results show that jasmonates influence multiple crucial processes during salt stress, including growth regulation, maintenance of ion homeostasis, and protection against oxidative damage. These data deliver a clearer understanding of the hormonal mechanisms underlying salinity adaptation and may support future strategies intended to improve salt tolerance in rice cultivation.