Date of Award

11-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Horticulture Science

Department

Integrative Agriculture

First Advisor

Prof. Khaled Masmoudi

Second Advisor

Dr. Shyam Sreedhara Kurup

Abstract

Sustainable agriculture in arid and semi-arid regions depends on managing soil salinity, which is a major environmental issue and a critical component of sustainable food production. Salinity has a significant impact on date palm growth and physiological functions. Plant growth promoting microbiota has become a viable option to improve plant growth and performance under salt stress. Piriformospora indica is a highly versatile root endophyte in agricultural fields capable of coping with salinity. Its role in increasing abiotic stress tolerance has been reported in several plant species, but not in date palms. This research study investigated the growth, biochemical and molecular properties of Phoenix dactylifera colonized with the mutualistic fungus P. indica under control and salinity stress. The research findings indicated enhanced levels of antioxidant enzymes such as catalase, superoxide dismutase, and peroxidase, decreased Na+/K+ ratio in leaves and roots, increased ion content, and improved physiological parameters in date palm plants colonized with P. indica under salinity stress conditions. Transcriptome profiling of date palm roots grown under salt stress (250 mM) with or without inoculation of P. indica revealed that 6,836 genes were differentially expressed, with 3,153 up-regulated genes and 3,683 down-regulated genes. The DEGs were specifically involved in phenylpropanoid biosynthesis, plant-pathogen interaction, plant hormone signal transduction, metabolic pathway, ABC transporters, MAPK signaling pathway, cutin, Suberin and wax biosynthesis, and glutathione metabolism, as revealed by Gene Ontology (GO) and EuKaryotic Orthologous Groups (KOG) enrichment analysis in colonized date palms exposed to salt stress. There are 62 LEA2 genes in date palms that are speculated to retain water molecules and prevent crystallization of cellular components under conditions of drought, heat, and high salinity. The second part of the examination functionally characterized three date palm LEA2 genes, PdLEA2.2, PdLEA2.3, and PdLEA2.4, with respect to their effects on the thermostability of two different enzymes, Lactate Dehydrogenase (LDH) and β-glucosidase (bglG), in vitro. Under heat stress, the purified recombinant PdLEA2 proteins showed elevated LDH activity and reduced aggregate formation, as well as the ability to maintain and stabilize the enzymatic activity of bglG. Finally, the study investigated the role of the PdLEA2.2 gene by analyzing its ectopic pattern (overexpression) in Arabidopsis thaliana plants under salinity stress. Transgenic Arabidopsis plants showed higher salt tolerance with respect to the optimal Na+/K+ ratio and increased antioxidant activity. Based on these findings, date palm production can be improved by exploiting the P. indica fungus as a plant symbiont, increasing its economic sustainability in marginal environments. In addition to demonstrating that date palm LEA2 proteins can act as molecular chaperones for the development of new thermoresistant enzymes with better reaction rates and specificities, PdLEA2 genes would provide the basis for the development of salt stress tolerant plants that are more resilient and productive.

Arabic Abstract


استخدام الفطريات الداخلية المفيدة (P. indica) لتحسين تحمل اجهاد الملوحة: المقاربات الجينية النسخية والوظيفية لنخيل التمر

هدف هذه الأطروحة هو دراسة الزراعة المستدامة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة على إدارة ملوحة التربة، التي تمثل مصدر قلق بيئي رئيسي وعنصرا حاسما في الإنتاج الغذائي المستدام. هناك تأثير كبير للملوحة على نمو نخيل التمر ووظائفه الفسيولوجية. أصبحت الكائنات الحية الدقيقة المعززة لنمو النبات خيارًا ممكنًا لتحسين نمو النبات وأدائه تحت ضغط الملح. لقد تم التعرف عن دوره في زيادة تحمل الإجهاد اللاأحيائي في أنواع نباتية مختلفة ولكن ليس في أشجار النخيل. هنا، قمنا بدراسة النمو والخصائص البيوكيميائية والجزيئية لنخيل التمر المستعمرة مع الفطريات المتبادلة تحت ضغط الملوحة. أشارت النتائج التي توصلنا إليها إلى مستويات معززة من الإنزيمات المضادة للأكسدة مثل الكاتالاز، وديسموتاز الفائق أكسيد، والبيروكسيديز، وانخفاض نسبة Na+/K+في الأوراق والجذور وزيادة المحتوى الأيوني وتحسين المعلمات الفسيولوجية في نباتات نخيل التمر المستعمرة بواسطة P. indica تحت ظروف الإجهاد الملحي. علاوة على ذلك، كشف التنميط النسخي باستخدام تحليل RNA-seq لجذور نخيل التمر المزروعة تحت ضغط الملح (250 ملم)، مع أو بدون P. indica، أنه تم التعبيرعن 6,836 جينًا بشكل تفاضلي مع 3,153 جينًا منظمًا ايجابيا و3,683 جينًا منظمًا سفليًا. أظهر تحليل الأنطولوجيا الجينية (GO) والمجموعات المتعامدة حقيقية النواة (KOG) أن DEGs في نخيل التمر المستعمر المعرض للإجهاد الملحي كانت متورطة بشكل خاص في التخليق الحيوي للفينيل بروبانويد، وتفاعل مسببات الأمراض النباتية، ونقل إشارة الهرمونات النباتية، والمسار الأيضي، وناقلات ABC، ومسار إشارات MAPK، كوتين، السوبرين والشمع الحيوي، استقلا ب الجلوتاثيون. تتواجد جينات LEA2 بشكل خاص في نخيل التمر حيث يبلغ عددها 62 عضوًا ويُعتقد أنها تحتفظ بجزيئات الماء وتمنع تبلور المكونات الخلوية في ظل نقص المياه الناتج عن الجفاف والحرارة وضغوط الملوحة العالية. قمنا بتمييز ثلاثة جينات LEA2 من نخيل التمر، PdLEA2.2، PdLEA2.3، PdLEA2.4، لتأثيراتها على الثبات الحراري لاثنين من الإنزيمات المتميزة، وهما هيدروجين اللاكتات (LDH) و(bglG) β-glucosidase في المختبر. تحت الضغط الحراري، أظهرت بروتينات PdLEA2 المؤتلفة المنقية نشاط LDH معززًا وتكوينًا إجماليًا منخفضًا، بالإضافة إلى عرض قدرتها على الحفاظ على النشاط الأنزيمي bglG واستقراره. أخيرًا، قمنا بدراسة دور جين PdLEA2.2 من خلال تحليل نمطه (التعبير الزائد) في نباتات Arabidopsis thaliana تحت ضغط الملوحة. أظهرت نباتات الأرابيدوبسيس المعدلة وراثيا مستويات أعلى من تحمل الملوحة مقارنة Na+/K+المثالية بالإضافة إلى زيادة نشاط مضادات الأكسدة. وبناءً على هذه النتائج، يمكن تحسين إنتاج نخيل التمر من خلال استغلال فطر P. indica كنبات متعايش يزيد من استدامته الاقتصادية في البيئات الهامشية. بالإضافة إلى إثبات أن بروتينات LEA2 من نخيل التمر يمكن أن تعمل كمرافق جزيئي لتطوير إنزيمات جديدة مقاومة للحرارة مع معدلات تفاعل وخصوصيات أفضل، فإن جينات PdLEA2 ستوفر الأساس لتطوير نباتات تتحمل الإجهاد الملحي وتكون أكثر مرونة وإنتاجية.

Download

Share

COinS