Elucidation of boron tolerance mechanisms in Puccinellia distans (Jacp.) Parl. using a transcriptomic approach

Abstract

The amount of boron in soil is important for agronomic plants. As an abiotic stress condition, boron toxicity causes significant decreases in crop yields. Puccinellia distans (Jacq.) Parl. (P. distans), common alkali grass, is found throughout the world and can survive in soils with boron concentrations that are lethal for other plant species. Indeed, P. distans accumulates very high levels of this element. Despite these interesting features, very little research has been performed to elucidate the boron tolerance mechanism in this species. In this study, P. distans samples were analyzed by RNA sequencing to identify genes and miRNAs related to boron tolerance and hyperaccumulation. The results indicated that the hyperaccumulation mechanism of P. distans involves many transcriptomic changes including: alterations in the malate pathway, changes in cell wall components that may allow sequestration of excess boron without toxic effects, and increased expression of at least one putative boron transporter and two putative aquaporins. MiRNAs are also altered under stress conditions. The presence of miRNAs as stress regulator elements is an example of post-transcriptional regulation of stress related mechanisms. Additionally these small RNAs could affect their target genes by positive or negative regulation. Therefore, changes not only in miRNAs but also in their targets are important to understand their roles in hyperaccumulation. For example, downregulation of miRNA under stress could cause target accumulation. These mechanisms could be key in plant adaptation to new conditions. Elucidation of the boron accumulation mechanism is important in developing approaches for bioremediation of boron contaminated soils.

Topraktaki bor miktarı tarımı yapılan bitkiler için önemlidir. Abiyotik stres durumu oluşturması nedeniyle bor toksisitesi ürün verimliliğini önemli ölçüde azaltır. Puccinellia distans (Jacq.) Parl. (P. distans), çorak çimi, tüm dünyada yaygın olarak bulunur ve diğer bitki türleri için öldürücü olabilen dozlarda bor barındıran topraklarda yaşayabilir. Hatta P. distans, bu elementi çok yüksek oranda biriktirme özelliğine sahiptir. Bu kadar ilginç özelliklerine rağmen, P. distans’daki bor tolerans mekanizmalarının aydınlatılmasına yönelik yapılmış çalışma çok azdır. Bu çalışmada, P. distans bor toleransı ve hiperakümülasyonuyla ilişkili genler ve miRNA’ların RNA dizileme yöntemiyle tanımlanmasına yönelik analizler yapılmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki, P. distans’daki hiperakümülasyon mekanizması malat yolağında değişimlere, borun toksik etki göstermeden biriktirmesine izin veren hücre duvarı değişimlerine ve en az bir bor transport proteini ile iki potansiyel aquaporinin yer aldığı pek çok transkriptomik değişime neden olmuştur. Stres koşullarında miRNA’larda da değişimler olmaktadır. MiRNA’ların stres düzenleyici element olarak bulunmaları, stresle ilişkili mekanizmalardaki post-transkripsiyonel düzenlemeye bir örnektir. Ayrıca bu küçük RNA’lar hedef genlerini de pozitif ya da negatif düzenlemeyle etkileyebilirler. Bu nedenle bu RNA’ların hiperakümülasyondaki rollerini anlamak için sadece miRNA değişimlerinin değil, onların hedef genlerindeki değişimlerin de anlaşılması önemlidir. Örneğin, bir miRNA’nın stres altında miktarındaki azalma, onun hedef geninin miktarında artışa neden olabilir. Bu mekanizmalar, bitkilerin yeni bir ortama alışmasındaki/uyum sağlamasındaki anahtar mekanizma olabilirler. Bor biriktirme özelliğinin aydınlatılması, bor bakımından kirlenmiş toprakların arındırılması (biyoremediyasyon) için yaklaşım geliştirmede önemlidir.