Characterization of the acclimation mechanism of olive (Olea europaea L.) tree to abiotic stress

Abstract

The current thesis investigates the physiological and molecular mechanisms underlying the responses of olive (Olea europaea L.) trees to environmental stresses, specifically focusing on salinity and cold temperatures, both of which significantly impact growth and productivity. Initially, the study explores the molecular mechanism of salt priming in olive trees, revealing that pre-exposure to low salinity conditions enhances olives’ resilience to subsequent high salinity stress. Specifically, olive trees (cv. ‘Chondrolia Chalkidikis’) were exposed to moderate salinity conditions (75 mM NaCl) and then transferred to higher salt concentrations (150 mM). Through a comprehensive proteogenomic analysis, which integrates transcriptomic and proteomic data with metabolic profiles, the research uncovered distinct salinity-responsive alterations in both olive roots and leaves. Notably, the findings highlighted substantial shifts in hormone signaling pathways and defense mechanisms between primed and non-primed tissues, suggesting that these adaptations play a critical role in stress mitigation. The study identified also multiple key genes and proteins that showed significant changes in abundance due to salinity stress, emphasizing the importance of protein post-translational modifications—such as phosphorylations, carbonylations, and S-nitrosylations—in facilitating salt priming. This study could ultimately provide a clear understanding of the molecular interactions involved in salt priming in olive trees, establishing a valuable resource for future proteogenomic studies in plant physiology. The second chapter delves into the responses of olive trees to low temperatures. Cold environmental conditions are proven to considerably impact the growth of olive trees during the winter months, yet the precise mechanisms through which these plants achieve environmental balance during cold acclimation remain unclear. This study investigates the responses of olive plants (cv. ‘Chondrolia Chalkidikis’) to cold conditions. One-year-old olive trees were gradually exposed to decreasing temperatures, from 15 to -3°C, in a controlled growth chamber. A control group of trees was kept under optimal temperature conditions (24°C) and consistent light. The physiological condition of both cold-stressed and control groups were evaluated through various physiological assays. Furthermore, detailed transcriptomic, proteomic, and metabolomic analyses were performed on leaves exposed to temperatures of 5, 0, and -3°C. Utilizing a Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA) approach on the proteogenomic data, putatively important molecular pathways activated during cold acclimation were identified, contributing to enhanced cold tolerance. Whole genome bisulfite sequencing (WGBS) further indicated epigenetic changes linked to cold stress that influence the transcriptional framework of olives. The interactions between hormone signaling pathways triggered by cold were described by integrating –omics data with specific hormone levels (IAA, ABA, SA) found in olive leaves during cold exposure. Notably, the current research identified putative transcription factors (TFs) that play significant roles in the cold acclimation process, particularly two ethylene response transcription factors (ERFs), ERF1-L and ERF5-L, which exhibited distinct behavior under cold stress. The expression of these factors in tomato protoplasts resulted in increased viability in response to a cold treatment, indicating a possible key role in tolerance to low temperatures. Additionally, it was demonstreated that olive ERF1-L and ERF5-L regulate the transcription of a cold-responsive cytokinin-response factor (CRF1-L) through genetic approaches. This research not only provided a thorough description of the molecular mechanisms enabling olive trees to adapt to cold temperatures but also highlighted putative biomarkers for improving olive resilience to cold stress through gene editing and biotechnological methods. Together, this thesis offers a comprehensive overview of the adaptive strategies employed by olive trees to cope with both salinity and cold stress, by enhancing our understanding of olive tree physiology. This thesis’ findings could contribute significantly to the field of plant stress biology as it could provide potential biomarkers and genetic targets, paving the way for future breeding research in the development of stress-resistant olive cultivars.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τους φυσιολογικούς και μοριακούς μηχανισμούς των ελαιόδεντρων (Olea europaea L.) σε συνθήκες αβιοτικής καταπόνησης, εστιάζοντας στην αλατότητα και τις χαμηλές θερμοκρασίες, παράγοντες που επιδρούν σημαντικά στην ανάπτυξη και την παραγωγικότητα τους. Αρχικά, η παρούσα διατριβή εξερευνά τους μοριακούς μηχανισμούς που διέπουν τον εγκλιματισμό στην αλατότητα στα ελαιόδεντρα, αποκαλύπτοντας ότι αποκαλύπτοντας ότι η προγενέστερη έκθεσή τους σε συνθήκες μέτριας αλατότητας ενισχύει την ανθεκτικότητα σε επακόλουθες καταπονήσεις υψηλής αλατότητας. Συγκεκριμένα, τα ελαιόδεντρα (ποικιλία ‘Χονδροελιά Χαλκιδικής’) εκτέθηκαν σε συνθήκες μέτριας αλατότητας (75 mM NaCl) και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν σε υψηλότερες συγκεντρώσεις (150 mM). Μέσω μιας ολοκληρωμένης πρωτεογονιδιωματικής ανάλυσης, η οποία ενσωματώνει μεταγραφικά και πρωτεομικά δεδομένα με μεταβολικά προφίλ, αποκαλύφθηκαν διακριτές μοριακές διαφοροποιήσεις εξαιτίας της έκθεσης στην αλατότητα, τόσο στις ρίζες όσο και στα φύλλα των δενδρυλλίων ελιάς. Ιδιαίτερα, τα ευρήματα ανέδειξαν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των εγκλιματισμένων και μη εγκλιματισμένων δενδρυλλίων, σε γονίδια και πρωτεΐνες που συμμετέχουν στη μεταγωγή σήματος μέσω ορμονών και σε μηχανισμούς άμυνας, υποδεικνύοντας ότι αυτές οι προσαρμογές διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην αντιμετώπιση της καταπόνησης. Η παρούσα μελέτη προσδιόρισε επίσης αρκετά γονίδια και πρωτεΐνες που παρουσίασαν σημαντικές αλλαγές στην έκφραση ή/και την αφθονία τους λόγω της άρδευσης με NaCl, τονίζοντας τη σημασία των μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων των πρωτεϊνών—όπως οι φωσφορυλιώσεις, οι καρβονυλιώσεις και οι S-νιτροσυλιώσεις—στο πλαίσιο του εγκλιματισμού. Αυτή η μελέτη θα μπορούσε τελικά να προσφέρει μια σαφή κατανόηση των μοριακών αλληλεπιδράσεων που εμπλέκονται στον εγκλιματισμό και την ανταπόκριση των ελαιόδεντρων στην αλατότητα, εδραιώνοντας μια πολύτιμη πηγή πληροφοριών για μελλοντικές πρωτεογενωμικές μελέτες στη φυσιολογία της ελιάς σε αβιοτικές καταπονήσεις. Το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής, εστιάζει στην ανταπόκριση των ελαιόδεντρων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Οι χαμηλές περιβαλλοντικές θερμοκρασίες επηρεάζουν σημαντικά την ανάπτυξη των ελαιόδεντρων κατά τους χειμερινούς μήνες, ωστόσο οι ακριβείς μηχανισμοί μέσω των οποίων αυτά τα φυτά επιτυγχάνουν αντοχή ειδικά κατά τη διάρκεια του εγκλιματισμού σε χαμηλές θερμοκρασίες παραμένουν ασαφείς. Στην παρούσα μελέτη δενδρύλλια ελιάς (ποικιλία ‘Χονδροελιά Χαλκιδικής’) ενός έτους εκτέθηκαν σταδιακά σε μειούμενες θερμοκρασίες, από 15 έως -3°C, σε ελεγχόμενο θάλαμο ανάπτυξης. Μια ομάδα δενδρυλλίων (μάρτυρας) παρέμεινε σε βέλτιστες θερμοκρασίες (24°C) και συνεχή φωτισμό καθ’ όλη την πειραματική διαδικασία. Η ανταπόκριση των δενδρυλλίων που εκτέθηκαν σε χαμηλές θερμοκρασίες προσδιορίστηκε μέσω φυσιολογικών παραμέτρων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις μεταγραφώματος, πρωτεώματος και μεταβολώματος στα φύλλα που εκτέθηκαν σε θερμοκρασίες 5, 0 και -3°C. Μέσω βιοπληροφορικής ανάλυσης (WGCNA) των πρωτεογενωμικών δεδομένων, προσδιορίστηκαν ειδικά μοριακά μονοπάτια που ενεργοποιούνται κατά τη διάρκεια του εγκλιματισμού στο ψύχος, συμβάλλοντας στην ενίσχυση της αντοχής των δενδρυλλίων ελιάς σε χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η ανάλυση της μεθυλίωσης του γονιδιωματικού DNA (WGBS) στα φύλλα ελιάς υπέδειξε επιγενετικές αλλαγές που σχετίζονται με την έκθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες και ρυθμίζουν το μεταγραφικό προφίλ των ελαιόδεντρων. Στη συνέχεια, η ενσωμάτωση των -ομικών δεδομένων με τα επίπεδα ορμονών (IAA, ABA, SA) που προσδιορίστηκαν στα φύλλα της ελιάς κατά την έκθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες, αποκάλυψε σημαντικούς παράγοντες που αλληλεπιδρούν κατά την επαγωγή σήματος σε συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών. Συγκεκριμένα, πρωταγωνιστικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις αυτές κατά τη διάρκεια της προσαρμογής στο ψύχος, διαδραματίζουν οι μεταγραφικοί παράγοντες (TFs), ιδίως δύο παράγοντες που σχετίζονται με το αιθυλένιο (ERFs), οι ERF1-L και ERF5-L. Λειτουργικές αναλύσεις αποκάλυψαν ότι αυτοί οι μεταγραφικοί παράγοντες ενισχύουν τη βιωσιμότητα των προτοπλαστών τομάτας (S. lycopersicum) σε συνθήκες ψύχους. Επιπλέον, αποκαλύφθηκε ότι οι ERF1-L και ERF5-L ρυθμίζουν την μεταγραφή ενός μεταγραφικού παράγοντα που σχετίζεται με την ανταπόκριση σε κυτοκινίνες (CRF1-L). Η παρούσα έρευνα στοχεύει στην εις βάθος περιγραφή των μοριακών μηχανισμών που επιτρέπουν στα ελαιόδεντρα να προσαρμοστούν σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά και στην ανάδειξη σημαντικών βιοδεικτών για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας της ελιάς σε χαμηλές θερμοκρασίες μέσω γενετικής επεξεργασίας και βιοτεχνολογικών μεθόδων. Συνοψίζοντας, στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη εικόνα των στρατηγικών προσαρμογής που χρησιμοποιούν τα ελαιόδεντρα για να ανταπεξέλθουν τόσο στην αλατότητα όσο και στις χαμηλές θερμοκρασίες. Μέσω της μελέτης των πολύπλοκων μοριακών μηχανισμών που ενεργοποιούνται σε κάθε αβιοτική καταπόνηση, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβή στοχεύουν στην ενίσχυση της κατανόησής της φυσιολογίας των ελαιόδεντρων σε αντίξοες συνθήκες, ενώ παράλληλα επιδιώκει να προσδιορίσει δυνητικούς βιοδείκτες που θα λειτουργήσουν ως γενετικοί στόχοι για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας της ελιάς απέναντι σε περιβαλλοντικές προκλήσεις. Τα ευρήματα της διατριβής συμβάλλουν σημαντικά στο πεδίο έρευνας της φυσιολογίας φυτών σε αβιοτικές καταπονήσεις, ανοίγοντας τον δρόμο για μελλοντικές πρακτικές εφαρμογές στη δημιουργία ανθεκτικών ποικιλιών ελιάς.