Altering ABA levels in leaf and seed tissue of barley to study the role of ABA on plant performance under post-anthesis drought stress using the transgenic approach

Abstract

Trockenheit ist einer der Hauptstressfaktoren, der Pflanzenwachstum und Entwicklung stark beeinträchtigt. Pflanzen nehmen jedoch den abiotischen Stress wahr und reagieren darauf mit adaptiven Prozessen, die hauptsächlich durch das Sequiterpen-Phytohormon Abscisinsäure (ABA) kontrolliert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die ABA-Gehalte in Gerstenpflanzen verändert, indem das AtNCED6-Gen unter Kontrolle des stress-induzierbaren SalT- (SN) bwz. samenspezifischen 1Ax1 Promotors (XN) in die Pflanzen eingebracht wurde. Damit sollte die Rolle von ABA bei Trockenstress während der Samenentwicklung untersucht werden. Physiologische, biochemische und molekulare Analysen der transgenen und nicht transformierten Wildtyp-Pflanzen unter Trockenstress- und Kontrollbedingungen enthüllten einen möglichen Mechanismus, wodurch ABA die Leistung der Pflanzen und den Ertrag bei Trockenstress beeinflusst. Wildtyp (WT), SN und XN-Pflanzen unterschieden sich in ihren ABA-Gehalten unter Kontroll- und Stressbedingungen. Ein früher Anstieg von ABA (2 Tage nach Stressbeginn, DAS = days after stress) in Blättern der SN-Pflanzen half wahrscheinlich dabei, die Expression von Gene mit einer Rolle beim Zellschutz auszulösen. Dies konnten durch einen höheren relativen Wassergehalt (RWC) in den Blättern der SN-Pflanzen unter Stress (4 DAS) belegt werden. Im Vergleich dazu reagierte der Wildtyp erst später mit einem ABA-Anstieg bei Stress. Dies nutzte zudem den SN-Pflanzen eine höhere Photosyntheserate bei Stress im Vergleich zum Wildtyp aufrecht zu erhalten. Zusätzlich waren die SN-Pflanzen in der Lage, den ABA-Gehalt im Zeitraum von 8/10 Tagen nach der Blüte (DAF) bis 16/20 DAF in den Samen nach einem frühzeitigen Anstieg (6 DAF) wieder auf nahezu Grundniveau zurück zu bringen, während dies den WT- und XN-Samen nicht gelang. Dieser Einfluss machte sich durch eine geringere Stärkeakkumulationsrate bei Stress in den sich entwickelnden Samen von WT und XN bemerkbar. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass hohe ABA-Gehalte während 8/10 DAF und 16/20 DAF, einer sehr sensitiven Phase hinsichtlich Änderungen im ABA-Gehalt, das Tausendkorngewicht beeinflussen, besonders wenn die Kornfüllungsphase aufgrund des Stresses limitierend ist.

Drought is one of the major abiotic stresses that largely impair plant growth and development. However, plants perceive and respond to abiotic stress with adaptive processes mainly controlled by sesquiterpene phytohormone abscisic acid (ABA). In current study, ABA levels in barley plants was altered, by transforming plants with AtNCED6 driven by a stress-inducible SalT promoter (SN) or seed specific 1AX1 promoter (XN), to study the role of ABA during post-anthesis drought. Physiological, biochemical and molecular analysis of untransformed and transgenic plants under control and post-anthesis drought revealed the probable mechanism by which ABA affects plant performance and yield under stress. WT, SN and XN plants differed in their ABA levels under control and stress condition. Early peaking of ABA (2 Days after stress; DAS) in leaves of SN plants under stress probably helped in triggering genes that play a role in cellular protection. This was evident by the maintenance of high percent leaf RWC content by SN plants under stress (4 DAS) compared to WT plants that had high ABA level relatively late. This also helped SN plants to maintain higher photosynthetic rate than WT plants, under stress. In addition, under stress, ABA levels reached basal levels (8/10 Days after flowering; DAF- 16/20 DAF) after an initial increase of ABA (6 DAF) in seeds of SN while in WT and XN seeds the ABA levels did not reach basal levels. The impact of this was seen in terms of low rate of starch accumulation in WT and XN under stress. It can be concluded that high levels of ABA during 8/10 DAF – 16/20 DAF, a phase most sensitive to alterations in basal ABA levels, affects thousand grain weights especially when grain filling period is limiting.