Physiological and metabolic adaptation of Beta vulgaris and Suaeda maritima to salinity and hypoxia

Abstract

Soils with high salinity are often also affected by waterlogging with hypoxic conditions in the root zone, which severely reduces plant growth and crop yield. The combination of salinity and hypoxia generates an intense stress for the plant: On the one hand, hypoxic conditions at the root level cause a severe energy deficit due to the inhibition of oxidative phosphorylation, on the other hand, energy-consuming tolerance mechanisms have to be maintained to cope with salt stress. To better understand the tolerance mechanisms to combined saline and hypoxic conditions, the metabolic and physiological adaptation capacity of the model halophyte Suaeda maritima, typically found in flooded saline soils, and the closely related sugar beet (Beta vulgaris L.) were analysed. Salt tolerant plants are characterised by their ability to tolerate high Na+ and Cl- concentrations without being damaged by ion toxicity. The basis of this tolerance is primarily osmotic adaptation, the compartmentalisation of ions in cell organelles and the ability to replace K+ with Na+ in important cellular processes. Li+ has similar physico-chemical properties to Na+ and K+, but forms complexes with organic and inorganic anions more readily than other alkali metals. Therefore, Li+ can displace metals during the uptake and translocation by the plant and at enzymatic binding sites, which impairs enzyme activity and can lead to toxic effects. The effects of different cations with similar physicochemical properties on their accumulation pattern at high and low osmolarity were investigated to determine whether Li+ toxicity could be mitigated by competitive uptake of K+ and Na+. Hydroponic culture experiments with increasing salt concentration demonstrated the ability of S. maritima and B. vulgaris to tolerate high salt concentrations by maintaining ion homeostasis and high tissue tolerance to Na+ accumulation. An increased Na+/K+ ratio under hypoxic conditions indicates that an energy shortage caused by oxygen depletion in the root impairs Na+ exclusion and K+ uptake, thereby increasing the ionic imbalance under hypoxic conditions. The metabolic profile showed a tissue-specific response to salinity and hypoxia: The root metabolism is mainly influenced by hypoxia, inhibiting oxidative phosphorylation, while at the same time glycolysis is enhanced to maintain ATP production. The enhanced accumulation of amino acids and TCA cycle intermediates suggests that a partial flow of the TCA cycle fuelled by the GABA shunt may play a crucial role in the recovery of reduction equivalents for ATP production by glycolysis, thereby sustaining energy-intensive cellular processes under hypoxic conditions. As a consequence to the high Na+ accumulation in the shoots, the metabolic profile of young and mature leaves is mainly influenced by salt stress, which triggers the accumulation of compatible solutes for osmotic adjustment and ROS scavenging mechanisms. To achieve tolerance to high salinity, energy consumption rises. Hence, the biomass increase of B. vulgaris stagnates at 200 mM NaCl. In contrast, S. maritima shows its optimal growth at the same salinity range, which reflects the higher adaptability of the halophyte to saline conditions. Different mechanisms in the shoot and root lead to an accumulation of proline, which contributes to the increased tolerance to combined salinity and hypoxia, as proline stabilises membranes and proteins under salt stress and scavenges increased ROS formation induced by hypoxia. High ion accumulation in combination with hypoxic conditions enhances ROS formation in the shoots, leading to light-induced pigment degradation in S. maritima, which is mitigated by enhanced proline biosynthesis in the chloroplasts. In contrast, proline accumulation in the root is not exclusively the result of enhanced proline biosynthesis, but of inhibited proline degradation due to the low availability of reduction equivalents when salinity and hypoxia are combined. The accumulation of Li+ is relatively low in comparison to Na+ and K+, as B. vulgaris strongly limits the Li+ uptake via the transpiration stream to avoid toxic Li+ concentrations in the leaves. High concentrations of Li+ combined with Na+/K+, increase Li+ accumulation in leaves and cause growth inhibition as well as the formation of necrotic tissue, indicating low tissue tolerance to Li+ and severe stress. The application of equimolar concentrations of Na+ and K+ has no effect on Li+ accumulation and ion toxicity, suggesting that Li+ uptake is independent of Na+ and K+ cation channels and that Li+ toxicity is not mainly caused by the displacement of K+ at enzymatic binding sites.

Dieser Arbeit befasst sich mit den metabolische und physiologische Anpassungsfähigkeit des Modellhalophyten Suaeda maritima, der typischerweise in überfluteten salzhaltigen Böden vorkommt, und der eng verwandten Zuckerrübe (Beta vulgaris). Salztolerante Pflanzen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, hohe Na+ und Cl- Konzentrationen zu tolerieren, ohne durch Ionentoxizität geschädigt zu werden. Die Grundlage dieser Toleranz ist in erster Linie die osmotische Anpassung, die Kompartimentierung von Ionen in Zellorganellen und die Fähigkeit K+ durch Na+ bei wichtigen zellulären Vorgängen zu ersetzen. Li+ hat ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie Na+ und K+, reagiert aber leichter als andere Alkalimetalle mit organischen und anorganischen Anionen. Daher kann Li+ andere Metalle bei der Aufnahme und Verlagerung in die Pflanze und an enzymatischen Bindungsstellen verdrängen, was die Enzymaktivität beeinträchtigt und toxisch wirken kann. In einer weiteren Studie wurden die Auswirkungen verschiedener Kationen mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften auf ihr Akkumulationsmuster bei hoher und niedriger Osmolarität untersucht, um festzustellen, ob die Toxizität von Li+ durch die konkurrierende Aufnahme von K+ und Na+ abgeschwächt werden kann. Experimente in Hydrokulturen mit steigender Salzkonzentration zeigten die Fähigkeit von S. maritima und B. vulgaris, hohe Salzkonzentrationen zu tolerieren, indem sie die Ionenhomöostase aufrechterhalten und eine hohe Gewebetoleranz gegenüber Na+-Akkumulation aufweisen. Ein erhöhtes Na+/K+-Verhältnis unter hypoxischen Bedingungen deutet darauf hin, dass der durch die Reduzierung des Sauerstoffs in der Wurzel verursachte Energiemangel den Na+ Ausschluss und die K+ Aufnahme beeinträchtigt, wodurch das ionische Ungleichgewicht unter hypoxischen Bedingungen verstärkt wird. Das Stoffwechselprofil zeigte eine gewebespezifische Reaktion auf Salinität und Hypoxie: In den Wurzeln wird der Stoffwechsel hauptsächlich von Hypoxie beeinflusst, bei der die oxidative Phosphorylierung gehemmt wird, während gleichzeitig eine höhere Aktivität der Glykolyse zur Aufrechterhaltung der ATP-Produktion stattfindet. Die verstärkte Anhäufung von Aminosäuren und Zwischenprodukten des TCA-Zyklus deutet darauf hin, dass ein Teilfluss des TCA-Zyklus, der durch den GABA-Shunt gespeist wird, eine entscheidende Rolle bei der Wiedergewinnung von Reduktionsäquivalenten für die ATP-Produktion durch die Glykolyse spielen könnte, wodurch energieintensive zelluläre Prozesse unter hypoxischen Bedingungen aufrechterhalten werden können. Als Folge der hohen Na+ Akkumulation im Spross wird das Stoffwechselprofil junger und voll entwickelte Blätter hauptsächlich durch Salzstress beeinflusst. Kompatible Osmolyte werden zur osmotischen Anpassung und ROS Abwehr akkumuliert. Diese Toleranzmechanismen führen zu einem erhöhten Energieverbrauch, welcher zu einer Stagnation der Zunahme der Biomasse von B. vulgaris bei 200 mM NaCl führt. Bei einem identischen Salzgehalt zeigt hingegen S. maritima ihr Wachstumsoptimum, was die höhere Anpassungsfähigkeit des Halophyten an salzige Bedingungen widerspiegelt. Unterschiedliche Mechanismen in Spross und Wurzel führen zu einer Anhäufung von Prolin, was zur erhöhten Toleranz gegenüber einer Kombination aus Salinität und Hypoxie beiträgt, da Prolin die Membranen und Proteine unter Salzstress stabilisiert und die durch Hypoxie induzierte erhöhte ROS-Bildung abfängt. Eine hohe Akkumulation von Ionen in Kombination mit hypoxischen Bedingungen erhöht die ROS-Bildung im Spross, was zu einem lichtinduzierten Pigmentabbau bei S. maritima führt. Dies wird durch eine verstärkte Prolin Biosynthese in den Chloroplasten abgemildert. In der Wurzel hingegen, wird der Abbau von Prolin durch die geringe Verfügbarkeit von Reduktionsäquivalenten gehemmt, wodurch Prolin in der Wurzel bei der Kombination von Salinität und Hypoxie anreichert wird. Im Vergleich zu Na+ und K+ ist die Akkumulation von Li+ relativ gering, da B. vulgaris die Li+ Aufnahme über den Transpirationsstrom stark begrenzt, um toxische Li+ Konzentrationen in den Blättern zu vermeiden. Hohe Li+-Konzentrationen in Kombination mit Na+/K+ erhöhen die Li+-Akkumulation in den Blättern und bewirken eine Wachstumshemmung sowie die Bildung von nekrotischem Gewebe, was auf eine geringe Gewebetoleranz gegenüber Li+ und schweren Stress hinweist. Die Anwendung äquimolarer Konzentrationen von Na+ und K+ hatte keine Auswirkungen auf die Li+ Akkumulation und die Ionentoxizität, was darauf hindeutet, dass die Li+ Aufnahme unabhängig von Na+ und K+ Kationenkanälen abläuft und dass Li+ Toxizität nicht durch die Verdrängung von K+ an enzymatischen Bindungsstellen verursacht wird.