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Salinity is a challenge for crop productivity. Hence, plants exposed to saline environments reduce their vegetative and reproductive growth due to adverse effects of specific ions on metabolism and water relations. In order to cope with salinity, plants display physiological mechanisms based on three main aspects: i) source-sink relationships, ii) resource allocation and iii) alterations in endogenous hormone levels. The roles of developmental and hormonal mechanisms in salt response were investigated here. We employed mutants and transgenic tomato plants affecting different aspects of plant development and hormone response in the same genetic background (cultivar Micro-Tom). The following genotypes were used: Galapagos dwarf (Gdw), Lanata (Ln), lutescent (l), single flower truss (sft), sft heterozygous (sft/+), diageotropica (dgt), entire (e), Never ripe (Nr), epinastic (epi), procera (pro), notabilis (not), anti sense Chloroplastic carotenoid cleavage dioxygenase 7 (35S::asCCD7) and Salicylate hydroxylase (35S::nahG). Among the developmental genotypes studied, sft and l, involved in flower induction and senescence, respectively, were less affected when exposed to salt stress. Although l is considered deleterious due to its precocious senescence, it presented greater shoot biomass and leaf area during salinity. The heterozygous sft/+, whose high productivity was recently linked to an improved vegetative-to-reproductive balance, changed this balance and lowered its yield more than the control MT upon salt treatment. In the analysis of genotypes affecting hormonal status/signaling four kinds of salt responses among the genotypes were observed: i) High shoot growth in spite of high Na:K ratio presented by the strigolactone deficient and high branching CCD7 transgene; ii) High shoot growth and reduced accumulation of Na in tissues (probably due to dilution) presented by the auxin constitutive response e mutant; iii) The opposite response observed in \"ii\" presented by the low auxin sensitivity dgt mutant and iv) growth inhibition combined with reduced levels of Na and higher accumulation of K presented by the not mutant, which produces less ABA. Taken together, the results presented here points to novel developmental mechanisms, such as the promotion of moderate senescence and vegetative growth, and hormonal imbalances to be explored in the pursuing of crops resistant to salt stress. / A salinidade é um desafio para a produtividade agrícola, uma vez que plantas expostas à salinidade tem o crescimento vegetativo e reprodutivo reduzido devido aos efeitos adversos de íons específicos no metabolismo e nas relações hídricas. A fim de lidar com a salinidade, as plantas desempenham mecanismos fisiológicos baseados em três principais características: i) relações fonte-dreno; ii) alocação de reservas e iii) alterações nos níveis endógenos de hormônios. Nesse trabalho, investigamos a relação entre os processos de desenvolvimento e de regulação hormonal com a resposta à salinidade. Para tanto foram usados genótipos de tomateiro com alteração em diferentes vias de desenvolvimento e de produção ou sinalização de hormônios vegetais. Os seguintes genótipos foram usados: Galapagos dwarf (Gdw), Lanata (Ln), lutescent (l), single flower truss (sft), sft heterozygous (sft/+), diageotropica (dgt), entire (e), Never ripe (Nr), epinastic (epi), procera (pro), notabilis (not), anti sense Dioxigenase cloroplastídica de carotenoide 7 (35S::asCCD7) e Salicilato hidroxilase (35S::nahG). Entre os genótipos de desenvolvimento estudados, sft e l, relacionados à menor indução floral e senescência respectivamente, foram os menos afetados quando expostos à salinidade. O genótipo l acumulou maior biomassa e área foliar, apesar de ser considerado deletério devido à senescência precoce. As plantas heterozigotas, sft/+, cuja maior produtividade foi recentemente relacionada a um melhor balanço vegetativo/reprodutivo, alteraram esse balanço sob salinidade e reduziram sua produtividade mais que o controle MT sob estresse salino. Na análise dos genótipos com alteração hormonais foram observados quatro tipos de respostas à salinidade: i) elevado crescimento da parte aérea, apesar da razão Na:K ser alta no genótipo CCD7 cujo transgene induz deficiência de estrigolactona e excessiva ramificação; ii) elevado crescimento e acúmulo reduzido de Na nos tecidos (devido provavelmente a diluição) apresentada pelo mutante de resposta constitutiva a auxina e; iii) o oposto da resposta anterior foi apresentado pelo mutante pouco sensível à auxina , dgt; iv) inibição do crescimento combinado com nível reduzido de Na e alto acúmulo de K apresentada pelo mutante not que produz menos ácido abscísico. Considerados em conjunto, os resultados apresentaram temas para novos mecanismos de desenvolvimento, como a promoção moderada de senescência e do crescimento vegetativo além dos desbalanços hormonais, para serem explorados na busca de culturas resistentes ao estresse salino.

Biologische Diversität existiert sowohl zwischen mehreren Arten als auch innerhalb einer Art, innerhalb von Populationen und Individuen einer Population. Die intraspezifische Diversität wurde bislang ausgiebig auf der Ebene des Genoms untersucht. Sie ist im Kontext metabolischer Zusammenhänge in Pflanzen bisher kaum untersucht und es existieren nur wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema. Uns sind bisher keine Publikationen zu Phytohormonen in Sesam bekannt. Neben dem wissenschaftlichen Interesse an der metabolischen Diversität in Sesam, spielen Stresshormone eine wichtige Rolle in der pflanzlichen Abwehr. Der Phytohormonspiegel im Samen ist unter agronomischen Gesichtspunkten relevant, da es vorkommen kann, dass Sesamsamen spontan auskeimen, während sie sich noch an der grünen Pflanze befinden. Diese Eigenschaft ist unerwünscht, da der wertvolle Samen auf diese Weise verloren geht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Variation im Phytohormonniveau in 16 Akzessionen mit unterschiedlicher geographischer Herkunft untersucht. In Blättern und Wurzeln konnten ABA, JA, SA und SAG nachgewiesen werden, während GA4 lediglich in Blättern vorkam. Eine der Akzessionen aus Japan („Japan 2“) produzierte JA, SA und SAG in hohem Ausmaß. Hier konnten außerdem hohe Gehalte an Chitinasen festgestellt werden. Chitinasen sind für den Abbau von Chitin, dem Hauptbestandteil der pilzlichen Zellwand, verantwortlich. Eine Charakterisierung der Akzessionen mittels AFLP-Analyse zeigte, dass sich „Japan 2“ genetisch nicht mehr von anderen Akzessionen unterschied, als das Mittel der Unterschiede innerhalb aller gesammelten Proben. Bereits in früheren Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe im Rahmen einer ungerichteten Metabolitenanalyse, konnte eine hohe Variabilität bei Sesamakzessionen gezeigt werden (Laurentin et al. 2006). Darüber hinaus, stimmen die Unterschiede im metabolischen Profil der Akzessionen nicht mit dem Grad ihrer genetischen Verwandtschaft überein. Es ist bekannt, dass tageszeitliche Unterschiede viele biologische Prozesse kontrollieren. Wir haben die tageszeitlichen Effekte auf den Phytohormonstatus untersucht und dabei die Unterschiede in Pflanzenorganen berücksichtigt. Tageszeitliche Konzentrationen von ABA, JA, IAA, SA und SAG wurden zu 8 unterschiedlichen Tageszeitpunkten in 3 unabhängigen Replikaten mittels HPLC untersucht. Wir konnten keine statistisch signifikanten Unterschiede erkennen. Die Untersuchungen zeigten jedoch eine Variation in den Phytohormonkonzentrationen in unterschiedlichen pflanzlichen Organen. Sekundäre pflanzliche Metabolite spielen als Resistenzfaktoren gegen Mikroorganismen eine wichtige Rolle. Sesamakzessionen, die diese Substanzen im hohen Ausmaß produzieren, stellen eine wichtige züchterische Ressource da. Um die Variation innerhalb der Akzessionen zu untersuchen, die ein hohes Niveau an sekundären Inhaltsstoffen aufweisen, haben wir die Effekte von 32 Pflanzenextrakten aus Sesamakzessionen gegen phytopathogene Pilze untersucht. Darunter befand sich ein Wurzelpathogen mit Spezialisierung auf Sesam (Macrophomina phaseolina), ein Blattpathogen mit breitem Wirtspflanzenkreis (Alternaria alternata) und Gefäßpathogen (Fusarium oxysporum). Die Diversität der Effekte, die für die unterschiedlichen Akzessionen beobachtet werden konnten, führt zu der Annahme, dass die Resistenzeigenschaften der Pflanzen durch gezielte züchterische Beeinflussung der metabolischen Aktivität verbessert werden können. In weiterführenden Untersuchungen zur Aufreinigung der Substanzen mit inhibitorischer Wirkung wurden Pflanzenextrakte in 80% Ethanol mit verschiedenen organischen Lösungsmitteln fraktioniert. Die meisten inhibitorischen Effekte konnten der Diethylether-Fraktion zugeschrieben werden. Im ersten Schritt wurden 4L des Extraktes hergestellt. Zwei aufgereinigte Lignane aus Sesam wurden gegen M. phaseolina, A. alternata und F. oxysporum getestet. Sesamin zeigte keinen Effekt bis zu einer Konzentration von 5mg/ml, während Sesamol (und 2,4-Dinitrophenol als Kontrolle) einen starken inhibitorischen Effekt aufwies. Für diese Substanzen wurden IC50 Werte ermittelt. Man kann festhalten, dass Sesamol dazu dienen kann, das Wachstum invasiver Pathogene einzuschränken. Durch die Kreuzung von zwei Elternlinien, die in der AFLP-Analyse einen signifikanten Polymorphismus aufwiesen, wurden Inzuchtlinien erzeugt. Die Nachkommen dieser Kreuzung wurden in 5 Generationen selbstbefruchtet. Das so entstandene Set aus RILs wurde mittels AFLP charakterisiert. Alle untersuchten RILs waren Hybride. Dies zeigt, dass während der ersten Kreuzung der Elternlinien keine Selbstung erfolgte. Wie erwartet, spalteten polymorphe AFLP-Marker der Elternlinien in den RILs zufällig auf. Monomorphe Marker fehlten in einigen RILs. Des Weiteren traten neue Marker auf, die zuvor nicht in den Elternlinien festgestellt werden konnten. Das Auftreten neuer Marker kann durch Rekombination zwischen Restriktionsfragmenten erklärt werden, welche die AFLP-Marker begrenzen. Die RILs werden nun von unseren Kooperationspartnern zum Aufbau einer genetischen Karte verwendet (Prof. Sami Doganlar und seine Arbeitsgruppe, Universität Antalya, Türkei).

El objetivo de esta Tesis Doctoral es estudiar diferentes herramientas para el manejo de plagas y enfermedades del cultivo de la platanera. Entre las herramientas que vamos a desarrollar, se van a analizar los compuestos orgánicos volátiles (COVs) fúngicos derivados de hongos entomopatógenos (HE) y nematófagos, como fuente de metabolitos con actividad antagónica contra el picudo negro (PN) de la platanera, Cosmopolites sordidus, para su control y manejo en el campo. Así mismo, vamos a estudiar las respuestas de cultivares de plataneras a quitosano, un polisacárido biodegradable, para evaluar su posible uso en el campo como estimulante y protector de las plantas frente a plagas y patógenos, como Fusarium oxysporum f. sp. cubense. El conjunto de capítulos de esta tesis pretende sentar las bases de una estrategia de manejo sostenible de plagas y enfermedades del cultivo de la platanera, basada en el uso de COVs derivados de hongos presentes de forma natural en los cultivos, en combinación con la suplementación de quitosano en el riego, para un efecto de protección y activación de las defensas de las plataneras antes de cualquier infección de plagas y/o enfermedades. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es encontrar nuevas fórmulas para la gestión integrada de plagas como Cosmopolites sordidus y enfermedades de la platanera en condiciones de campo. En esta Tesis Doctoral hemos ideado enfoques sostenibles para la gestión de las plagas y enfermedades de las plataneras. Nuestros objetivos son: a) Cosmopolites sordidus (picudo negro de la platanera, PN), la principal plaga de los cultivos de plátano y, b) el hongo del marchitamiento Fusarium oxysporum f. sp. cubense Raza Tropical 4 (FocTR4), agente causante de una nueva variante extremadamente virulenta de la enfermedad del “Mal de Panamá”, que se está extendiendo rápidamente por todo el mundo. Nuestras herramientas de gestión sostenible son: a) los hongos entomopatógenos (HE, conocidos por su uso como agentes de control biológico, ACBs) aislados de campos comerciales de plátanos, b) sus compuestos orgánicos volátiles (COVs) y, c) el quitosano, un compuesto biodegradable y elicitor de la inmunidad de las plantas con actividad antimicrobiana. Damos evidencia de que los COVs de los hongos agentes de control biológico son repelentes del PN. Pueden utilizarse en los cultivos de platanera mediante estrategias de push and pull para gestionar la plaga de forma sostenible. El quitosano puede utilizarse en el riego para prevenir las defensas de la platanera local y sistémicamente. Por lo tanto, este polímero, con probada actividad antimicrobiana frente a otros patógenos de marchitamiento de Fusarium spp., podría utilizarse contra la actual pandemia en las plataneras causada por FocTR4. La capacidad de inducir reguladores del crecimiento de las plantas sostiene también el papel fertilizante del quitosano. La inducción de compuestos relacionados con la respuesta sistémica adquirida (RSA) hace que el riego con quitosano sea una herramienta para manejar también las plagas de las plataneras sobre el suelo (PN) y las enfermedades (Sigatoka). De esta manera, los COVs y el quitosano podrían ayudar a reducir el uso de agroquímicos tóxicos en los cultivos de platanera en todo el mundo.

Le H2O2 est reconnu comme un signal dans l’activation des mécanismes de défense en réponse à divers stress, et son accumulation est donc régulée étroitement par le système antioxydant des plantes. Puisque la signalisation par le H2O2 peut être transmise par des processus thiol-dépendants, le statut du glutathion pourrait jouer un rôle important. Le rôle de ce composé en tant que molécule antioxydante est bien établi; cependant, son importance en tant que signal reste à élucider. Afin d’étudier cette question, ce travail a utilisé un mutant, cat2, ayant un défaut dans son métabolisme du H2O2 peroxysomal qui engendre, d’une manière conditionnelle, une oxydation et une accumulation du glutathion. Les modifications du glutathion dans cat2 sont accompagnées par l’activation à la fois de réponses dépendantes de l’acide salicylique (SA) ainsi que l’expression de gènes associés à l’acide jasmonique (JA). L’activation des deux voies phytohormonales par le stress oxydant intracellulaire est largement empêchée en bloquant génétiquement l’accumulation du glutathion dans un double mutant, cat2 cad2, qui porte une mutation additionnelle dans la voie de synthèse du glutathion. Les phénotypes contrastants de cat2 cad2 et cat2 gr1, dans lequel la perte de l’activité GR1 aggrave le stress oxydant, suggèrent que des processus glutathion-dépendants relient le H2O2 et l’activation des réponses de pathogenèse SA-dépendantes par un effet qui est additionnel aux fonctions antioxydantes du glutathion. Des comparaisons directes de cat2 cad2 et cat2 npr1 indiquent que les effets de bloquer l’accumulation du glutathion sur l’induction des voies SA et JA chez cat2 ne sont pas causés par une déficience dans la fonction de la NPR1. L’autophagie a été impliquée dans des processus comme la sénescence, et interagirait à la fois avec le stress oxydant et avec la signalisation par le SA. Afin d’explorer des relations entre autophagie et stress oxydant, des mutants atg ont été sélectionnés et croisés avec le cat2. Des analyses phénotypiques ont révélé que l’étendue de lésions SA-dépendantes observée chez cat2 cultivé en jours longs est similaire chez trois double mutants cat2 atg, alors que l’augmentation de la disponibilité en H2O2 peroxysomal liée à la mutation cat2 retarde la sénescence précoce observée chez les mutants atg. Dans son ensemble, le travail suggère que (1) des nouvelles fonctions glutathion-dépendantes sont importantes pour relier la disponibilité en H2O2 intracellulaire et activation des voies de signalisation SA et JA, et (2) que le H2O2 produit par la photorespiration pourrait jouer un rôle antagoniste dans les phénotypes de sénescence précoce observée chez les mutants atg. / H2O2 is a recognized signal in activation of defence mechanisms in response to various stresses, and its accumulation is thus tightly controlled by plant antioxidant systems. Because H2O2 signals may be transmitted by thiol-dependent processes, glutathione status could play an important role. While the antioxidant role of this compound is long established, the importance of glutathione in signaling remains unclear. To study this question, this work exploited a stress mimic mutant, cat2, which has a defect in metabolism of peroxisomal H2O2 that conditionally leads to oxidation and accumulation of glutathione. In cat2, changes in glutathione are accompanied by activation of both salicylic acid (SA)-dependent responses and jasmonic acid (JA)-associated genes in a time-dependent manner. This up-regulation of both phytohormone signaling pathway by intracellular oxidative stress can be largely prevented by genetically blocking glutathione accumulation in a double mutant, cat2 cad2, that additionally carries a mutation in the pathway of glutathione synthesis. Contrasting phenotypes between cat2 cad2 and cat2 gr1, in which loss of GR1 activity exacerbates oxidative stress, suggest that glutathione-dependent processes couple H2O2 to activation of SA-dependent pathogenesis responses through an effect that is additional to glutathione antioxidant functions. Direct comparison of cat2 cad2 and cat2 npr1 double mutants suggests that the effects of blocking glutathione accumulation on cat2-triggered up-regulation of both SA and JA pathways are not mediated by defective NPR1 function. Autophagy has been implicated in processes such as senescence, and may interact with oxidative stress and SA signaling. To explore relationships between autophagy and oxidative stress, selected atg mutants were crossed with cat2. Phenotypic analysis revealed that SA-dependent lesion spread observed in cat2 grown in long days is similar in three cat2 atg double mutants, whereas increased peroxisomal H2O2 availability in cat2 delays an oxidative stress related-senescence triggered by atg in short days. Overall, the work suggests that (1) novel glutathione-dependent functions are important to couple intracellular H2O2 availability to the activation of both SA and JA signaling pathways and (2) H2O2 produced through photorespiration may play an antagonistic role in the early senescence phenotype observed in atg mutants.