Все дороги ведут в Рим: комплексный физиологический и транскриптомный анализ ответа какао на засуху выявил различные пути достижения толерантности у двух гибридных клонов.
All roads lead to Rome: integrated physiological and transcriptomic analysis of cacao drought response reveals different ways to achieve tolerance in two hybrid clones.
Mayra Andreina Osorio Zambrano, Loyla Rodríguez Pérez, Irene Papatheodorou, Wilson Terán
Аннотация (перевод)
ВВЕДЕНИЕ: Глобальное потепление создает серьезные проблемы для сельского хозяйства из-за участившихся экстремальных погодных явлений, таких как дефицит воды, что негативно сказывается на приживаемости и урожайности таких культур, как какао, а также на всей цепочке создания стоимости. Понимание сложных механизмов ответа какао на засуху с помощью комплексных методологий имеет решающее значение для разработки стратегий повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к этому стрессу. МЕТОДЫ: В данной работе мы оценили ответ на 52-дневный стресс, вызванный дефицитом воды, у трех коммерческих гибридных клонов какао: EET8, ICS60 и TSH565, объединив ростовые и физиологические параметры с транскриптомными профилями. РЕЗУЛЬТАТЫ: Клоны TSH565 и EET8 продемонстрировали наивысшую толерантность к стрессу от засухи за счет различных стратегий, оказавшись способными справляться со стрессом и лучше восстанавливаться после возобновления полива. TSH565 продемонстрировал устьичное ограничение, но сохранил ненарушенный фотосинтез в условиях засухи. Этот клон также показал эффективность использования воды и уровни относительного содержания воды, сопоставимые с поливаемой контрольной группой, а его общая сухая масса превышала показатели EET8 и ICS60 в условиях стресса. Транскриптомное профилирование TSH565 выявило повышающую регуляцию генов, кодирующих аквапорины, белки PSII, белки антиоксидантной системы и ряд ферментов, участвующих в синтезе осмопротекторных вторичных метаболитов, что, по-видимому, способствовало его толерантности. Напротив, EET8 при том же стрессе испытывал как устьичное ограничение, так и нарушение фотосинтетического аппарата. Его более высокая устьичная проводимость привела к сопутствующей повышенной потере воды со значительным снижением водного потенциала листьев. Транскриптомное профилирование выявило активацию многочисленных биологических процессов и метаболических путей, включая ключевые узловые факторы транскрипции, вероятно, ответственные за индукцию ряда нижележащих эффекторных генов, что в конечном итоге обусловило его стрессоустойчивость. Индукция генов, связанных с акклиматизацией к низкому водному потенциалу и фотозащитой, имела жизненно важное значение для выживания этого клона. ОБСУЖДЕНИЕ: Несмотря на эти различия, метаболизм ABA и сигнальные пути играли существенную роль в толерантности обоих клонов к стрессу от засухи. Осмопротекция, осмотическая регуляция и антиоксидантный ответ, по-видимому, являются частью ключевой стратегии толерантности к стрессу от дефицита воды. Данное исследование дает ценную информацию о различных молекулярных механизмах, лежащих в основе толерантности к стрессу от засухи у растений какао. В частности, в нем определены гены-кандидаты стрессоустойчивости, представляющие ценность для селекции, а также для характеристики, сохранения и отбора гермоплазмы.
Оригинальная аннотация
INTRODUCTION: Global warming poses significant challenges to agriculture through increased extreme weather events, such as the water deficit, affecting the establishment and yield of crops like cacao and all its value chain. Understanding the complex drought response mechanisms in cacao through integrated methodologies is crucial for developing strategies to enhance crop resilience to this stress. METHODS: Here, we evaluated the response to a 52 days-long water deficit stress of three commercial cacao hybrid clones: EET8, ICS60 and TSH565 combining growth and physiological parameters with transcriptomic profiles. RESULTS: TSH565 and EET8 clones exhibited the highest drought-stress tolerance through different strategies, being able to cope with stress and to better recovery after rewatering. TSH565 showed stomatal limitation but maintained unimpaired photosynthesis under drought. This clone also displayed water use efficiency and relative water content levels comparable to the watered control group, and its total dry weight exceeded that of EET8 and ICS60 under stress. Transcriptomic profiling of TSH565 indicated upregulation of genes encoding aquaporins, PSII proteins, proteins of the antioxidant system and several enzymes participating in the synthesis of osmo-protective secondary metabolites, seemingly contributing to its tolerance. In contrast, EET8 experienced both stomatal limitation and impaired photosynthetic machinery upon the same stress. Its higher stomatal conductance led to a concomitant increased water loss with a significant decrease in leaf water potential. Transcriptomic profiling revealed the activation of numerous biological processes and metabolic pathways, including key hub transcription factors probably responsible for inducing several downstream effector genes, ultimately driving to its stress tolerance. The induction of genes related to acclimation to low water potential and photoprotection was vital for the survival of this clone. DISCUSSION: Despite these differences, ABA metabolism and signaling pathways played a significant role in the drought stress tolerance of both clones. Osmoprotection, osmotic adjustment, and antioxidant response appear to be part of the core strategy of's tolerance to water deficit stress. This research provides valuable insights into the distinct molecular mechanisms underlying drought-stress tolerance in cacao plants. Specifically, it identifies stress-tolerance candidate genes of breeding value, as well as forgermplasm characterization, conservation and selection.
Идентификаторы
Canonical: https://research.holos.house/w/327018c9-57a3-4fc3-a61c-4b7820c7c802
DOI: 10.3389/fpls.2026.1764400