The effect of beneficial microorganisms and of natural metabolites in plants' defense response under stress conditions

Abstract

Climate change and the increasing frequency of drought events threaten global food security, making the improvement of crop resilience a pressing necessity. Tomato (Solanum lycopersicum), one of the most important horticultural crops worldwide, is highly sensitive to water deficit. Beneficial plant-associated microorganisms, particularly fungal endophytes and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), are emerging as powerful allies to mitigate abiotic stresses, yet the mechanistic basis of their protective roles remains insufficiently understood. This thesis focuses on the endophytic fungus Fusarium solani strain K (FsK), isolated from tomato roots, as a central model for understanding microbial contributions to drought resilience. Using a multi-level approach that integrated physiology, transcriptomics, and metabolomics, it has been investigated how FsK reprograms host responses under both well-watered and water-limited conditions. In addition, complementary studies examined multipartite inoculations with AMF to evaluate the broader context of microbial synergies under drought and salinity. FsK colonization significantly enhanced plant performance under drought, increasing biomass, height, and relative water content. Transcriptome analysis revealed FsK-dependent modulation of WRKY and DREB transcription factors, MAPK signaling components, and ABA-related regulators. Metabolomic profiling identified priming-associated metabolites such as malic acid, kaempferol derivatives, and D-glucosamine, while hormonal analyses showed that FsK elevated abscisic acid (ABA) and jasmonic acid (JA) levels, reinforcing stress signal transduction. Using the ABA-deficient flacca mutant, it has been demonstrated that FsK does not rely on de novo ABA biosynthesis but instead reactivates stored conjugates and primes guard cell signaling pathways (OST1, CPKs, MAPKs, SLAC1), enabling efficient stomatal control under drought. Beyond single inoculations, multipartite experiments revealed that FsK interacts with AMF in a stress-specific manner: synergistic under drought, enhancing water status and nutrient balance, but more variable under salinity, where FsK remained the dominant driver of stress modulation. Collectively, this work establishes FsK as the primary focus and novel contributor to tomato drought tolerance by functioning as a systemic priming agent. It remodels transcriptional and metabolic networks, enhances hormonal crosstalk, and improves water-use efficiency, while also shaping the outcome of multi-partner microbial interactions. These findings provide a mechanistic basis for harnessing beneficial endophytes such as FsK in sustainable strategies to improve crop resilience under climate-induced water scarcity.

Η κλιματική αλλαγή και η αυξανόμενη συχνότητα εμφάνισης περιόδων ξηρασίας απειλούν την παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια, καθιστώντας την ενίσχυση της ανθεκτικότητας των καλλιεργειών επείγουσα ανάγκη. Η τομάτα (Solanum lycopersicum), ένα από τα σημαντικότερα κηπευτικά παγκοσμίως, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην έλλειψη νερού. Οι ευεργετικοί μικροοργανισμοί που σχετίζονται με τα φυτά, ιδιαίτερα οι ενδοφυτικοί μύκητες και οι μυκορριζικοί μύκητες (AMF), αναδεικνύονται σε ισχυρούς συμμάχους για την αντιμετώπιση των αβιοτικών στρες, ωστόσο οι μηχανισμοί στους οποίους βασίζεται η προστατευτική τους δράση παραμένουν ανεπαρκώς κατανοητοί. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στον ενδοφυτικό μύκητα Fusarium solani στέλεχος K (FsK), που απομονώθηκε από ρίζες τομάτας, ως κεντρικό μοντέλο για τη διερεύνηση της συμβολής των μικροοργανισμών στην ανθεκτικότητα έναντι της ξηρασίας. Μέσω μιας πολυεπίπεδης προσέγγισης που συνδύασε φυσιολογική ανάλυση, μεταγραφωματική και μεταβολωμική, διερευνήθηκε ο τρόπος με τον οποίο ο FsK επαναπρογραμματίζει τις αντιδράσεις του φυτού τόσο υπό κανονικές συνθήκες όσο και υπό περιορισμένη άρδευση. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν συμπληρωματικές μελέτες πολυμικροβιακών εμβολιασμών με AMF για την αξιολόγηση των μικροβιακών συνεργειών υπό συνθήκες ξηρασίας και αλατότητας. Ο αποικισμός από τον FsK βελτίωσε σημαντικά την απόδοση των φυτών υπό ξηρασία, αυξάνοντας τη βιομάζα, το ύψος και την περιεκτικότητα των φύλλων σε νερό. Η ανάλυση μεταγραφώματος αποκάλυψε ρύθμιση παραγόντων μεταγραφής τύπου WRKY και DREB, στοιχείων του μονοπατιού MAPK, καθώς και ρυθμιστών που σχετίζονται με το αμπσισικό οξύ (ABA). Η μεταβολωμική ανάλυση εντόπισε μεταβολίτες που σχετίζονται με φαινόμενα προετοιμασίας (priming), όπως το μηλικό οξύ, παράγωγα καμφερόλης και D-γλυκοζαμίνης, ενώ η ανάλυση ορμονών έδειξε ότι ο FsK αύξησε τα επίπεδα του ABA και του γιασμονικού οξέος (JA), ενισχύοντας τη μεταγωγή σημάτων καταπόνησης. Χρησιμοποιώντας τον ABA-ανεπαρκή μεταλλαγμένο γενότυπο flacca, αποδείχθηκε ότι ο FsK δεν βασίζεται στη de novo βιοσύνθεση ABA, αλλά αντιθέτως ενεργοποιεί εκ νέου αποθηκευμένες συζεύξεις και προετοιμάζει τα μονοπάτια σηματοδότησης των στοματικών κυττάρων (OST1, CPKs, MAPKs, SLAC1), επιτρέποντας αποτελεσματικό έλεγχο των στομάτων υπό συνθήκες ξηρασίας. Πέρα από τους μόνο- εμβολιασμούς, τα πειράματα πολυμικροβιακών αλληλεπιδράσεων έδειξαν ότι ο FsK αλληλεπιδρά με τους AMF αναλόγως από το είδος της καταπόνησης: παρουσιάζοντας συνεργιστική δράση υπό ξηρασία, με βελτίωση της υδατικής κατάστασης και της θρεπτικής ισορροπίας, αλλά με πιο μεταβλητή συμπεριφορά υπό αλατότητα, όπου ο FsK παρέμεινε ο κυρίαρχος ρυθμιστής της απόκρισης του φυτού. Συνολικά, η παρούσα εργασία αναδεικνύει τον FsK ως βασικό παράγοντα και ρυθμιστή της ανθεκτικότητας της τομάτας στην ξηρασία, λειτουργώντας ως συστηματικός παράγοντας προετοιμασίας (priming agent). Ο FsK αναδιαμορφώνει τα μεταγραφικά και μεταβολικά δίκτυα, ενισχύει τη διακυτταρική επικοινωνία των φυτικών ορμονών και βελτιώνει την αποδοτικότητα χρήσης νερού, ενώ παράλληλα καθορίζει την έκβαση των πολυμικροβιακών αλληλεπιδράσεων. Τα ευρήματα αυτά προσφέρουν μηχανιστική βάση για την αξιοποίηση ευεργετικών ενδοφύτων, όπως ο FsK, σε βιώσιμες στρατηγικές ενίσχυσης της ανθεκτικότητας των καλλιεργειών σε συνθήκες έλλειψης νερού που προκαλεί η κλιματική αλλαγή.