Physiological, agronomic and molecular changes for early and late senescence maize inbred lines under abiotic stresses

Abstract

La senescencia es la etapa final del desarrollo de la hoja y conduce a la muerte. La senescencia puede ser inducida prematuramente por estrés abiótico. La senescencia temprana o la senescencia inducida por estrés abiótico pueden ser indeseables y pueden afectar el crecimiento y rendimiento de las plantas. Existe una variación genética considerable en los patrones de senescencia del maíz. La senescencia tardía o “stay-green” (SG) es un rasgo secundario que permite a las plantas de cultivo mantener sus hojas verdes y su capacidad de fotosíntesis durante más tiempo después de la floración. Los objetivos de esta tesis se dividieron en dos importantes estudios, en primer lugar, la evaluación del efecto del fenotipo SG en los caracteres fenológicos, fisiológicos y agronómicos del maíz (Zea mays L.); y evaluar cómo los estreses abióticos afectan estos caracteres. El segundo objetivo fue identificar genes diferencialmente expresados (DEGs) durante la senescencia para líneas puras de maíz contrastante para el fenotipo SG, y mostrar cómo cambia su expresión bajo estrés abiótico. El primer objetivo consiste a una evaluación de ocho líneas puras de maíz con diversa expresión de fenotipo SG. El experimento se realizó por dos años consecutivos 2018 y 2019. La evaluación se realizó en dos ambientes, con dos repeticiones en cada ambiente para cada año de experimento. Los ocho genotipos evaluados bajo dos niveles de agua, con estrés hídrico y condiciones hídricas óptimas; tres niveles de nitrógeno, N1 (0U), N2 (30U) y N3 (90U). El último factor estudiado fue la densidad de plantas, con dos niveles de densidad, alta densidad de plantas (80000 plant ha-1) y baja densidad de plantas (50000 plant ha-1). Además, para el segundo objeto utilizamos dos genotipos representativos de los genotipos utilizados en el primer objetivo, uno con fenotipo SG y otro con senescencia temprana. Para responder a este objetivo, se realizó un análisis de RNAseq para diferentes muestras recolectadas durante diferentes tiempos de senescencia, a partir de la floración. Para el primer objetivo, el resultado muestra que los genotipos SG tienen un mejor comportamiento para la mayoría de los caracteres medidos. La sequía y el nitrógeno son los factores estresantes más importantes que afectan negativamente la actividad fisiológica de la planta y el rendimiento y promueven la senescencia de las hojas. La densidad de la planta tiene un efecto positivo para la biomasa máxima y el rendimiento de grano, sin embargo, puede reducir el rendimiento de la planta individual y afectar la calidad del grano. Para el segundo objetivo de la expresión de genes, el resultado revela que varios genes se activan o reprimen durante el período de senescencia. Estos genes fueron activados o reprimidos antes para el genotipo de senescencia temprana, y retrasaron esta expresión para el genotipo con senescencia tardía. También identificamos la expresión de algunos genes específicos correspondientes a cada estrés abiótico o estreses combinados. Los genes que retrasan su expresión estaban involucrados principalmente en la fotosíntesis, diferentes procesos de biosíntesis y metabolismo. Mientras que los genes que incrementaron su expresión participan en el proceso de degradación y catabolismo, y en diferentes procesos de estímulo bajo estrés abiótico. Además, durante el proceso de senescencia y bajo diferentes estreses abióticos, mostramos la expresión de diferentes factores de transcripción relacionados con la senescencia y la respuesta al estrés abiótico. Del resultado anterior de estos estudios, podemos concluir que la senescencia foliar estaba bajo control genético. Puede verse afectada por diferentes estreses abióticos, que pueden afectar negativamente la fisiología y el rendimiento de la planta.

Senescence is the final stage of leaf development and leads to death. Senescence can be induced prematurely by abiotic stresses. Early senescence or induced senescence by abiotic stresses can be undesirable, affecting the growth and yield of plants. There is considerable genetic variation in the patterns of senescence in maize. The stay-green (SG) is a secondary trait that enables crop plants to maintain their green leaves and photosynthesis capacity for a longer time after silking. The objectives of this thesis were divided into two essential studies. Firstly, evaluate the effect of SG phenotype for maize (Zea mays L.) phenological, physiological, and agronomic characters; and assess how abiotic stresses affect these traits. The second objective was to identify genes differentially expressed (DEGs) during senescence for contrasting SG phenotype in inbred lines and to show how their expression changes under abiotic stresses. The first objective was made with eight inbred lines with contrasting SG phenotypes. The experiments were carried out for two successive years experiment 2018 and 2019. The evaluation was made in two locations, with two repetitions in each location for each year trial. The eight genotypes were evaluated under two water levels, with water stress and optimum water conditions; three nitrogen levels, N1 (0U), N2 (30U), and N3 (90U). The last factor studied was plant density, with two levels of high plant density (80000 plant ha-1) and low plant density (50000 plant ha-1). For the second objective, we used two representative genotypes from the complete set of genotypes used in the first objective, one with SG phenotype and the other with early senescence rate. RNA-seq analysis was made for different samples collected during different senescence stages, starting from silking to support the objective. For the first objective, the result shows that SG genotypes have better performance for most measured traits. Drought and nitrogen are the most critical stresses that negatively affect plant physiological activity and yield and promote leaf senescence. Plant density has a positive effect on maximal biomass and grain yield. However, it can reduce the individual plant yield and affect grain quality. For the second objective of genes’ expression, the results reveal that several genes are activated or repressed during the senescence period. Those genes were activated or repressed earlier for early senescence genotype, and these expressions were delayed for the stay-green line. We also identified the expression of some specific genes corresponding to each abiotic stress or combined stress. Down-regulated genes were mainly involved in photosynthesis, different processes of biosynthesis and metabolism. In contrast, the upregulated genes are involved in the degradation and catabolism process and different stimulus processes under abiotic stress. Furthermore, during the senescence process and under different abiotic stresses, we showed the expression of different transcription factors related to senescence and response to abiotic stress. From the previous result of these studies, we conclude that leaf senescence was under genetic control.