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Authors
Abstract(s)
Stomata from several plant species developed at high relative air humidity (RH ≥ 85%) may become malfunctional, leading to excessive water loss in conditions of high evaporative demand. In ornamental plants, including rose, this results in a low postharvest longevity. The factors underlying a poor stomatal functioning under high RH are not yet fully understood, but the magnitude of this effect is genotype dependent which broadens the possibilities for plant breeding. The aim of this thesis is to analyze the physiological and molecular mechanisms of stomatal malfunctioning in plants cultivated at high RH, focusing on abscisic acid (ABA) regulation and its effects on stomatal closure. The identification of genomic regions associated with the control of water loss is also a subject of this study. Rosa × hybrida was used as the model system since in this species there are cultivars with a contrasting sensitivity to high RH.
Stomatal movements are to a large extent regulated by ABA concentration ([ABA]), which is determined by its metabolism within the leaf, as well as by its import from the roots. The role of root-to-shoot ABA signaling in inducing stomatal closure and its role in inducing genotypic differences in stomatal functioning was investigated in ten genotypes grown at contrasting RH conditions. It was found that xylem sap [ABA] did not explain genotypic differences in stomatal functioning, since sensitive and tolerant genotypes to high RH had a similar estimated [ABA] in the root xylem sap and a similar ABA delivery rate and [ABA] in the leaf petiole sap.
Elevated air movement (MOV) and moderate salinity are two environmental stress factors known to induce stomatal closure. In two different studies, we combined a high RH level with high MOV or with a moderate salinity throughout plant growth in order to test if these physiological stresses would counteract the negative effect of high RH on stomatal functioning due to an increased [ABA]. Indeed, stomata developed at high RH with additional MOV or moderate salinity closed faster in response to leaf desiccation when compared to plants grown at high RH without either of the imposed stresses. While salinity enhanced stomatal functioning due to an increase in leaf [ABA], high MOV improved stomatal responsiveness due to a higher stomatal sensitivity to ABA.
The two parents and the 108 offspring of the K5 tetraploid cut rose population grown at high RH were phenotyped for stomatal responsiveness to desiccation, showing large genotypic differences [i.e., relative water content after 4h of leaflet desiccation (RWC_4h) varied between 7 and 62%]. Three QTLs (two major and one putative minor) explained 32% of the genotypic variability and low RWC_4h proved to be a good proxy for eliminating the offspring with shorter vase life. These particular findings contribute to speeding up genotype selection using marker-assisted selection programs for breeding cultivars with more responsive stomata after cultivation at high RH, minimizing the negative impacts associated with excessive water loss during postharvest.
The transcriptional analysis of nine ABA-related genes (involved in ABA biosynthesis, oxidation and conjugation) and two non-ABA related genes (involved in water stress response) in four contrasting genotypes selected from the K5 tetraploid cut rose population revealed that stomatal responsiveness to desiccation is a polygenic trait forming a highly complex regulatory network acting towards tolerance to high RH. The large majority of the studied genes had a relevant role on stomatal functioning (NCED1, AAO3, UGT75B2, BG2, OST1, ABF3 and Rh-APX) while three others showed a minor contribution (CYP707A1, CYP707A3 and BG1) and DREB1B did not contribute to the tolerance trait.
Overall, this study has helped identifying major factors responsible for the reduction of potential vase life of cut roses due to uncontrolled water loss, and represents a major step forward in developing future tools to mitigate this phenomenon. In summary, it highlights that: (1) roses have a large genotypic variation in terms of stomatal functioning; (2) xylem sap [ABA] does not explain genotypic differences in stomatal functioning; (3) additional MOV or moderate salinity enhances stomatal functioning due to higher sensitivity to ABA or higher leaf [ABA], respectively; (4) three QTLs can explain 32% of the genotypic variability in stomatal functioning of the K5 tetraploid cut rose population in response to desiccation; (5) multiple genes form a highly complex regulatory network acting together towards the genotypic tolerance to high RH.
Plantas cultivadas em humidade relativa elevada (HR ≥ 85%) apresentam frequentemente estomas pouco funcionais, conduzindo a uma perda de água excessiva quando transferidas para condições de elevada transpiração. Em plantas envasadas e flores de corte, incluindo rosas, estas condições de crescimento resultam numa baixa longevidade pós-colheita. As causas responsáveis por esta disfunção estomática são ainda desconhecidas, mas sabe-se que este problema está fortemente relacionado com o genótipo, o que viabiliza o melhoramento genético para esta característica. Esta tese tem como objetivo analisar os mecanismos fisiológicos e moleculares relacionados com o mau funcionamento estomático em plantas cultivadas em HR elevada, abordando a regulação do ácido abscísico (ABA) e os seus efeitos no fecho dos estomas. Paralelamente, pretendeu-se ainda identificar as regiões genéticas associadas ao controlo da perda de água. A rosa foi utilizada como espécie modelo devido à existência de cultivares com sensibilidade contrastante à HR elevada. O funcionamento dos estomas é regulado pela concentração de ABA ([ABA]), a qual é determinada pelo seu metabolismo na folha, bem como pela sua importação das raízes. Investigámos o papel do ABA transportado das raízes até às folhas no fecho dos estomas e na determinação das diferenças genotípicas em dez genótipos cultivados em condições contrastantes de HR. A [ABA] estimada no exsudado do xilema das raízes, a taxa de transporte de ABA das raízes para as folhas, e a [ABA] no exsudado do xilema do pecíolo foliar foram semelhantes entre genótipos sensíveis e tolerantes, indicando que a [ABA] na seiva xilémica não explica as diferenças genotípicas na sensibilidade dos estomas à HR elevada. Um acentuado movimento do ar (MOV) e a salinidade moderada são dois fatores de stresse ambiental que induzem o fecho dos estomas. Em dois estudos distintos, combinámos a HR elevada com MOV elevado ou a HR elevada com salinidade moderada, durante todo o crescimento das plantas, de modo a testar se esses stresses fisiológicos poderiam contrariar os efeitos negativos da HR elevada no funcionamento dos estomas devido a um aumento na [ABA]. De facto, estomas desenvolvidos em HR elevada com MOV elevado ou salinidade moderada fecharam mais rapidamente em resposta à desidratação foliar quando comparados com estomas desenvolvidos em HR elevada na ausência desses stresses. Porém, enquanto a salinidade melhorou o funcionamento estomático devido a um aumento na [ABA] foliar, o MOV elevado aumentou a sensibilidade dos estomas ao ABA. A resposta fenotípica dos estomas à desidratação foliar dos dois progenitores e de 108 descendentes da população tetraploide de rosas K5 cultivada em HR elevada apresentou grandes diferenças entre genótipos, uma vez que o conteúdo relativo em água após 4 h de desidratação foliar (CRA_4h) variou entre 7 e 62%. Três QTLs (dois ‘major’ e um ‘putative minor’) explicaram 32% da variabilidade genotípica e o baixo CRA_4h mostrou ser um indicador fidedigno do funcionamento estomático, que poderá ser utilizado para excluir genótipos com baixa longevidade pós-colheita. Estes resultados contribuem para acelerar a seleção de genótipos, em programas de melhoramento usando seleção assistida por marcadores, para a obtenção de cultivares com estomas mais funcionais após o cultivo em HR elevada, minimizando os impactos negativos associados à perda de água excessiva durante a pós-colheita. A avaliação dos níveis de transcrição de nove genes relacionados com o metabolismo do ABA (biossíntese, oxidação e conjugação) e dois genes independentes do ABA (relacionados com a resposta ao stresse hídrico) em quatro genótipos contrastantes selecionados da população tetraploide K5 revelou que a resposta estomática à desidratação é uma característica poligénica formando um complexo sistema regulatório contribuindo para a tolerância à HR elevada. A grande maioria dos genes estudados teve um papel relevante no funcionamento estomático (NCED1, AAO3, UGT75B2, BG2, OST1, ABF3 and Rh-APX), enquanto três tiveram uma contribuição reduzida (CYP707A1, CYP707A3 and BG1) e DREB1B não contribuiu para a tolerância à HR elevada. Este estudo contribuiu para a identificação de fatores responsáveis pela redução da longevidade pós-colheita em rosas de corte devido à perda de água excessiva, e representa um passo importante no desenvolvimento de futuras ferramentas para mitigar este fenómeno. Em suma, esta tese destaca que: (1) as rosas apresentam uma larga variabilidade genotípica em termos de funcionamento estomático; (2) a [ABA] no exsudado do xilema não explica as diferenças no funcionamento estomático entre genótipos; (3) MOV elevado ou uma salinidade moderada melhoram o funcionamento estomático devido, respetivamente, a um aumento da sensibilidade ao ABA ou devido ao aumento da [ABA] foliar; (4) três QTLs explicam 32% da variabilidade genotípica do funcionamento dos estomas de uma população tetraploide de rosas K5 em resposta à desidratação; (5) vários genes formam um complexo sistema regulatório atuando em conjunto para a tolerância à HR elevada.
Plantas cultivadas em humidade relativa elevada (HR ≥ 85%) apresentam frequentemente estomas pouco funcionais, conduzindo a uma perda de água excessiva quando transferidas para condições de elevada transpiração. Em plantas envasadas e flores de corte, incluindo rosas, estas condições de crescimento resultam numa baixa longevidade pós-colheita. As causas responsáveis por esta disfunção estomática são ainda desconhecidas, mas sabe-se que este problema está fortemente relacionado com o genótipo, o que viabiliza o melhoramento genético para esta característica. Esta tese tem como objetivo analisar os mecanismos fisiológicos e moleculares relacionados com o mau funcionamento estomático em plantas cultivadas em HR elevada, abordando a regulação do ácido abscísico (ABA) e os seus efeitos no fecho dos estomas. Paralelamente, pretendeu-se ainda identificar as regiões genéticas associadas ao controlo da perda de água. A rosa foi utilizada como espécie modelo devido à existência de cultivares com sensibilidade contrastante à HR elevada. O funcionamento dos estomas é regulado pela concentração de ABA ([ABA]), a qual é determinada pelo seu metabolismo na folha, bem como pela sua importação das raízes. Investigámos o papel do ABA transportado das raízes até às folhas no fecho dos estomas e na determinação das diferenças genotípicas em dez genótipos cultivados em condições contrastantes de HR. A [ABA] estimada no exsudado do xilema das raízes, a taxa de transporte de ABA das raízes para as folhas, e a [ABA] no exsudado do xilema do pecíolo foliar foram semelhantes entre genótipos sensíveis e tolerantes, indicando que a [ABA] na seiva xilémica não explica as diferenças genotípicas na sensibilidade dos estomas à HR elevada. Um acentuado movimento do ar (MOV) e a salinidade moderada são dois fatores de stresse ambiental que induzem o fecho dos estomas. Em dois estudos distintos, combinámos a HR elevada com MOV elevado ou a HR elevada com salinidade moderada, durante todo o crescimento das plantas, de modo a testar se esses stresses fisiológicos poderiam contrariar os efeitos negativos da HR elevada no funcionamento dos estomas devido a um aumento na [ABA]. De facto, estomas desenvolvidos em HR elevada com MOV elevado ou salinidade moderada fecharam mais rapidamente em resposta à desidratação foliar quando comparados com estomas desenvolvidos em HR elevada na ausência desses stresses. Porém, enquanto a salinidade melhorou o funcionamento estomático devido a um aumento na [ABA] foliar, o MOV elevado aumentou a sensibilidade dos estomas ao ABA. A resposta fenotípica dos estomas à desidratação foliar dos dois progenitores e de 108 descendentes da população tetraploide de rosas K5 cultivada em HR elevada apresentou grandes diferenças entre genótipos, uma vez que o conteúdo relativo em água após 4 h de desidratação foliar (CRA_4h) variou entre 7 e 62%. Três QTLs (dois ‘major’ e um ‘putative minor’) explicaram 32% da variabilidade genotípica e o baixo CRA_4h mostrou ser um indicador fidedigno do funcionamento estomático, que poderá ser utilizado para excluir genótipos com baixa longevidade pós-colheita. Estes resultados contribuem para acelerar a seleção de genótipos, em programas de melhoramento usando seleção assistida por marcadores, para a obtenção de cultivares com estomas mais funcionais após o cultivo em HR elevada, minimizando os impactos negativos associados à perda de água excessiva durante a pós-colheita. A avaliação dos níveis de transcrição de nove genes relacionados com o metabolismo do ABA (biossíntese, oxidação e conjugação) e dois genes independentes do ABA (relacionados com a resposta ao stresse hídrico) em quatro genótipos contrastantes selecionados da população tetraploide K5 revelou que a resposta estomática à desidratação é uma característica poligénica formando um complexo sistema regulatório contribuindo para a tolerância à HR elevada. A grande maioria dos genes estudados teve um papel relevante no funcionamento estomático (NCED1, AAO3, UGT75B2, BG2, OST1, ABF3 and Rh-APX), enquanto três tiveram uma contribuição reduzida (CYP707A1, CYP707A3 and BG1) e DREB1B não contribuiu para a tolerância à HR elevada. Este estudo contribuiu para a identificação de fatores responsáveis pela redução da longevidade pós-colheita em rosas de corte devido à perda de água excessiva, e representa um passo importante no desenvolvimento de futuras ferramentas para mitigar este fenómeno. Em suma, esta tese destaca que: (1) as rosas apresentam uma larga variabilidade genotípica em termos de funcionamento estomático; (2) a [ABA] no exsudado do xilema não explica as diferenças no funcionamento estomático entre genótipos; (3) MOV elevado ou uma salinidade moderada melhoram o funcionamento estomático devido, respetivamente, a um aumento da sensibilidade ao ABA ou devido ao aumento da [ABA] foliar; (4) três QTLs explicam 32% da variabilidade genotípica do funcionamento dos estomas de uma população tetraploide de rosas K5 em resposta à desidratação; (5) vários genes formam um complexo sistema regulatório atuando em conjunto para a tolerância à HR elevada.