Antarctic endophytic fungi enhance strawberry resilience to drought and heat stress by modulating aquaporins and dehydrins

Resumo

As mudanças climáticas globais estão associadas ao aumento da ocorrência de ondas de calor e secas, que alteram o crescimento e o desenvolvimento das plantas e, assim, ameaçam a segurança alimentar. Ao se associarem a fungos endofíticos radiculares generalistas adaptados a ambientes adversos, as plantas cultivadas podem melhorar sua produtividade sob condições desfavoráveis. Neste trabalho, examinamos os efeitos de dois endofíticos radiculares isolados de plantas da Antártica (Penicillium chrysogenum e P. brevicompactum) sobre os mecanismos de tolerância ao calor e à seca no morangueiro (Fragaria x ananassa). Verificamos que as plantas inoculadas apresentaram melhor retenção de água, aumento da fotossíntese, redução do teor de prolina e da peroxidação lipídica e modulação da atividade enzimática antioxidante. Análises transcriptômicas e de elementos cis/fatores de transcrição revelaram que os genes diferencialmente expressos (DEGs) estavam associados à sinalização do ácido abscísico (ABA), incluindo desidrinas, bem como à homeostase hídrica celular, como as aquaporinas. Esses DEGs revelam mecanismos que melhoram o desempenho fisiológico das plantas inoculadas com endofíticos sob seca e altas temperaturas. Este estudo destaca o papel inédito dos fungos antárticos na modulação da sinalização por ABA e da expressão de aquaporinas, oferecendo potenciais aplicações agrícolas para aumentar a tolerância das plantas ao estresse, o que é crucial para a melhoria da segurança alimentar.

Abstract

Global climate change is linked to an increased occurrence of heat waves and droughts, which alter plant growth and development, and thus threaten food security. By associating with generalist root fungal endophytes that are adapted to harsh environments, crop plants can improve productivity under adverse conditions. Here, we examined the effects of two root endophytes isolated from Antarctica plants (Penicillium chrysogenum and P. brevicompactum) on mechanisms of tolerance to heat and drought in strawberry (Fragaria x ananassa). We found that inoculated plants exhibited better water retention, increased photosynthesis, reduced proline content and lipid peroxidation, and modulated antioxidative enzymatic activity. Transcriptomic and cis-element/transcription factor analyses revealed that differentially expressed genes (DEGs) were associated with abscisic acid (ABA) signaling, including dehydrins, as well as with cellular water homeostasis, such as aquaporins. These DEGs reveal mechanisms that enhance the physiological performance of endophyte-inoculated plants under drought and high-temperatures. This study highlights the novel role of Antarctic fungi in modulating ABA signaling and aquaporin expression, offering potential agricultural applications to enhance plant stress tolerance, which is crucial for improving food security.