Physiological and transcriptomics analyses reveal that Ascophyllum nodosum extracts induce salinity tolerance in Arabidopsis by regulating the expression of stress responsive genes

Resumo

Extratos da alga marrom Ascophyllum nodosum são amplamente utilizados como bioestimulantes de plantas para melhorar o crescimento e conferir tolerância contra estresses abióticos. No entanto, os mecanismos moleculares pelos quais o extrato de A. nodosum (ANE) medeia a tolerância ao estresse ainda são amplamente desconhecidos. O objetivo deste estudo foi estudar mecanismos antiestresse selecionados no nível do transcriptoma. Mostramos que subfrações metanólicas de ANE melhoraram o crescimento de Arabidopsis thaliana sob estresse de NaCl; a biomassa aumentou aproximadamente 50% sob 100 mM e 150 mM de NaCl, em relação ao controle. O fracionamento guiado por bioensaio revelou que a subfração de acetato de etila de ANE (EAA) tinha a maioria dos componentes bioativos que aliviam o estresse. A análise de microarray mostrou que o EAA provocou mudanças substanciais no transcriptoma global no dia 1 e no dia 5, após o tratamento. No primeiro dia, 184 genes foram regulados positivamente, enquanto esse número aumentou para 257 genes no dia 5. Por outro lado, 91 e 262 genes foram regulados negativamente no dia 1 e no dia 5, respectivamente. No dia 1, 2,2% dos genes alterados foram regulados pelo estresse abiótico e aumentou para 6% no dia 5. EAA modula a expressão de vários genes envolvidos em respostas ao estresse, metabolismo de carboidratos e metabolismo de fenilpropanóides. Assim, nossos resultados sugerem que componentes bioativos na fração acetato de etila de A. nodosum induzem tolerância à salinidade em A. thaliana modulando a expressão de uma infinidade de genes responsivos ao estresse, fornecendo uma melhor compreensão dos mecanismos pelos quais o ANE medeia a tolerância por plantas ao estresse salino.

Abstract

Extracts of the brown alga, Ascophyllum nodosum, are widely used as plant biostimulants to improve growth and to impart tolerance against abiotic stresses. However, the molecular mechanisms by which A. nodosum extract (ANE) mediates stress tolerance are still largely unknown. The aim of this study was to study selected anti-stress mechanisms at the transcriptome level. We show that methanolic sub-fractions of ANE improved growth of Arabidopsis thaliana under NaCl stress; biomass increased by approximately 50% under 100 mM and 150 mM NaCl, relative to the control. Bioassay-guided fractionation revealed that the ethyl acetate sub-fraction of ANE (EAA) had the majority of stress alleviating, bioactive components. Microarray analysis showed that EAA elicited substantial changes in the global transcriptome on day 1 and day 5, after treatment. On day one, 184 genes were up-regulated while this number increased to 257 genes on day 5. On the other hand, 91 and 262 genes were down-regulated on day 1 and day 5, respectively. On day 1, 2.2% of the genes altered were abiotic stress regulated and this increased to 6% on day 5. EAA modulate the expression of number of the genes involved in stress responses, carbohydrate metabolism, and phenylpropanoid metabolism. Thus, our results suggested that bioactive components in the ethyl acetate fraction of A. nodosum induced salinity tolerance in A. thaliana by modulating the expression of a plethora of stress-responsive genes, providing a better understanding of the mechanisms through which ANE mediates tolerance by plants to salinity stress.