Surviving dehydration: shutdown–restart dynamics in Physcomitrium patens avoids the metabolic collapse seen in Arabidopsis

脱落酸 光合作用 脱水 萎蔫 生物 拟南芥 拟南芥 转录组 耐旱性 限制 植物 苔藓 干燥 渗透调节剂 蒸腾作用 作物生产力 作物 干燥耐受性 干旱胁迫 植物生理学 农学 细胞生物学 普氏藻 含水量 叶绿素荧光 光合能力 抗冻性 叶绿素 转基因作物 蕨类植物 植物进化 转基因 转录因子 基因 适应性 园艺
作者
L Hong Xiao,Luyi Zhao,Xu-bing Cao,Xuan Li,Qinqin Niu,Yuxi Dang,Melvin J. Oliver,Yikun He
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
卷期号:249 (3): 1283-1302 被引量:1
标识
DOI:10.1111/nph.70703
摘要

Crop productivity and food security faces an ever-increasing challenge from drought events world-wide and to establish more drought tolerant crops requires deeper insights into plant dehydration tolerance. We compared the inducible vegetative dehydration tolerance (IVDT) of the moss Physcomitrium patens and the vegetative dehydration sensitivity (VDS) of the dicot Arabidopsis thaliana, using a combination of structural, physiological and transcriptomic analyses. Key components in the IVDT response of P. patens, ELIPs and bZIP transcription factors, were functionally investigated using both transient and stable transformation. Physcomitrium patens exhibited survival after c. 98% water loss, with reversible cellular changes, and a 'shutdown-restart' physiological and transcriptomic program. By contrast, A. thaliana perished below 25% relative water content and suffered irreversible cellular damage. Physcomitrium patens's accumulated protective gene transcripts (e.g. ELIPs, SODs, and bZIPs) during dehydration, whereas Arabidopsis prioritized stress avoidance over protection. Functional validation indicted PpELIPs stabilized photosynthetic pigments in transgenic plants, while PpbZIP transcription factors enhanced water retention via abscisic acid-independent pathways. The comparison of divergent response mechanisms, IVDT and VDS, to dehydration revealed components that protect photosynthesis and alter plant water relations to delay wilting and maintain productivity during water limiting conditions thus offering bryophyte-based strategies for crop improvement for drought tolerance.
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