Please use this identifier to cite or link to this item:
http://hdl.handle.net/1942/41416
Title: | The interaction of calcium and uranium during uranium stress in Arabidopsis thaliana: uptake, distribution and stress responses | Authors: | MERTENS, Amber | Advisors: | Cuypers, Ann Saenen, Eline |
Issue Date: | 2023 | Abstract: | Uranium (U) is a naturally occurring heavy metal, yet anthropogenic sources of U
are omnipresent. Uranium mining, milling and the use of phosphate fertilizers
contaminate many areas and ecosystems. Plants in these ecosystems exposed to
U can encounter toxic effects. As such, U disturbs the nutrient balance, inhibits
plants growth and induces oxidative stress. Uranium uptake and toxicity are
largely dependent on its speciation. Uranium speciation can be influenced by
environmental factors such as the pH of the nutrient solution and the presence of
other elements for example calcium (Ca) in the nutrient solution. Previous
research has suggested that Ca influences U uptake, while another study found
that additional Ca in the nutrient medium alters U toxicity. However, further
knowledge is needed to get an in-depth understanding of the influence of the
interaction between Ca and U on both U uptake and toxicity. In this work, we
integrated the effects of the external as well as the internal Ca levels on U uptake,
distribution and toxicity in Arabidopsis thaliana.
First, we assessed the effects of external Ca levels on U uptake, distribution and
toxicity in A. thaliana (Chapter 3). For this purpose, plants were grown in nutrient
solutions with a low (30 µM), normal (300 µM) or high (3 mM) Ca concentration
and then exposed to U (50 µM) for 24 or 72 h. The results showed a clear
distinction in U response between roots and shoots. Whilst low Ca partially
alleviated growth inhibition induced by U in roots, it did not influence oxidative
stress levels or U uptake. A stronger growth inhibition was observed in U-exposed
roots grown on medium with a high Ca concentration. On the contrary, in shoots,
a low Ca concentration in the nutrient medium decreased the Ca shoot
concentration, as well as the oxidative stress levels and growth inhibition after U
exposure. The opposite was seen in U-exposed shoots supplied with a high Ca
concentration in the nutrient solution. Since a relatively low amount of U (about
0.01%) reaches the shoots, the influence of Ca on the U-affected parameters
(oxidative stress hallmark gene expression and shoot growth) in the shoots
suggested that Ca signalling might be important in the U response in this organ. Furthermore, U exposure decreased the gene expression of CATION/PROTON
EXCHANGER (CAX) 1 in shoots and increased CAX3 and CAX4 expression in roots.
Therefore, in a next experiment, mutant plants deficient in one or more of these
CAX transporters were exposed to U (25 or 50 µM) for 24 or 72 h. Again, a clear
difference in involvement of the CAX transporters in roots versus shoots was
observed. In roots (Chapter 4), it was suggested that CAX4 might play a role in
regulating U transport in the root tissue towards the stele, without an influence of
CAX1 or CAX4 on U toxicity. In contrast, in shoots (Chapter 5), CAX1 seemed to
stimulate oxidative signalling, whereas a lower CAX4 expression resulted in higher
shoot potassium levels. The results suggested that CAX transporters play a role
in U responses in shoots, each in a different way.
To get a broader insight in the response of plants to U, the proteome (mass
spectrometry) and transcriptome (RNA sequencing) of shoots exposed to U
(25 µM, 72 h) were compared to those of control shoots (0 µM U). These results
showed that in U-exposed shoots, besides oxidative stress levels, the antioxidative
defence is also stimulated. Furthermore, the jasmonic acid (JA) biosynthesis
enzymes were upregulated, supporting the previously suggested role for JA, a
well-known stress-induced phytohormone in root-to-shoot signalling during U
exposure. Several up- and downregulated processes also implied potential
involvement of the target of rapamycin complex 1 (TORC1) in the growth
inhibition that is observed during U exposure.
In conclusion, the results show the interplay of Ca (external and internal) and U
in terms of U uptake, distribution and toxicity in A. thaliana and that this
interaction manifests very differently in roots versus shoots. Furthermore, TORC1
might be involved in regulating the growth inhibition instigated by U. Also,
signalling during U exposure involves Ca signalling (and potentially JA). The
results of this work can contribute to a better understanding of the involvement
of Ca and U in the responses of plants to U and aid in improving ways to clean up
and/or safely utilize U-contaminated soils for example for the production of
biofuel. Uranium (U) is een natuurlijk voorkomend zwaar metaal, hoewel antropogene bronnen van U alomtegenwoordig zijn. Het winnen en zuiveren van U en het gebruik van fosfaatkunstmeststoffen vervuilen vele gebieden. Planten in deze gebieden nemen U op en worden blootgesteld aan de toxische effecten ervan. Uranium verstoort de nutriëntenbalans, inhibeert plantengroei en induceert oxidatieve stress. De opname en toxiciteit van U zijn grotendeels afhankelijk van de speciatie, die beïnvloed kan worden door omgevingsfactoren zoals de pH van de voedingsoplossing en de aanwezigheid van bijvoorbeeld calcium (Ca) in de voedingsoplossing. Voorgaande onderzoeken hebben vastgesteld dat Ca U opname beïnvloedt, terwijl in een andere studie werd vastgesteld dat een toevoeging van Ca aan het voedingsmedium U toxiciteit verandert. Er is echter meer kennis nodig om de invloed van de interactie tussen Ca en U op zowel U opname als toxiciteit beter te begrijpen. In dit werk integreerden we de effecten van de externe en interne Ca niveaus op U opname, distributie en toxiciteit in Arabidopsis thaliana. Eerst hebben we gekeken naar de effecten van externe Ca niveaus op U opname, distributie en toxiciteit in A. thaliana (Hoofdstuk 3). Voor dit doeleinde werden planten opgegroeid in voedingsoplossingen met een lage (30 µM), normale (300 µM) en hoge (3 mM) Ca concentratie en vervolgens blootgesteld aan U (50 µM) gedurende 24 of 72 u. De resultaten toonden een duidelijk onderscheid in U respons tussen wortels en blaadjes. Terwijl lage Ca concentraties de groeiinhibitie geïnduceerd door U deels verlichtten in de wortels, beïnvloedden deze de oxidatieve stress niveaus of U opname niet. In medium met een hoge Ca concentratie daarentegen, werd een sterkere groei-inhibitie geobserveerd in wortels blootgesteld aan U. Aan de andere kant, deed een lage Ca concentratie in het voedingsmedium de Ca concentratie afnemen in de blaadjes van planten blootgesteld aan U; hetzelfde gold ook voor de inductie van oxidatieve stress niveaus en de inhibitie van de groei. Het omgekeerde werd geobserveerd in blaadjes van planten blootgesteld aan U en gegroeid in een voedingsoplossing met een hoge Ca concentratie. Aangezien er slechts een kleine hoeveelheid U (ongeveer 0.01%) de blaadjes bereikt, suggereerde de invloed van Ca op de parameters beïnvloed door U (expressie van oxidatieve stress hallmark genen en groei van de blaadjes) dat Ca signaaltransductie belangrijk zou kunnen zijn in de U respons in dit orgaan. Verder deed U de genexpressie van CATION/PROTON EXCHANGER (CAX) 1 afnemen in blaadjes en de expressie van CAX3 en CAX4 toenemen in wortels. Daarom werden in een volgend experiment mutanten, deficiënt in één of meerdere van deze CAX transporters, blootgesteld aan U (25 of 50 µM) gedurende 24 of 72 u. Een duidelijk verschil in de betrokkenheid van de CAX transporters in wortels versus blaadjes werd opgemerkt. In wortels (Hoofdstuk 4) werd een rol voor CAX4 naar voren geschoven in het reguleren van het U transport in het wortelweefsel richting de centrale cilinder, zonder een invloed van CAX1 of CAX4 op U toxiciteit. In de blaadjes (Hoofdstuk 5) leek CAX1 oxidatieve signaaltransductie te stimuleren, terwijl een lagere CAX4 expressie resulteerde in hogere kaliumniveaus in de blaadjes. Deze resultaten suggereerden dat CAX transporters een rol spelen in U responsen in de blaadjes, elk op een andere manier. Om een breder inzicht te verwerven in de responsen van planten op U werd het proteoom (massaspectrometrie) en transcriptoom (RNA sequenering) van de blaadjes van planten blootgesteld aan U (25 µM, 72 u) vergeleken met die van de controle planten (0 µM). Deze resultaten toonden dat in blaadjes van aan U blootgestelde planten, naast oxidatieve stress niveaus, de antioxidatieve verdediging ook gestimuleerd werd. Verder waren ook de enzymen voor de biosynthese van jasmonaat (JA) opgereguleerd, wat de rol van JA in wortel-naarblad (root-to-shoot) signaaltransductie tijdens U blootstelling, gesuggereerd door voorgaand onderzoek, ondersteunt. Verschillende up- en downgereguleerde processen wezen ook op een mogelijke betrokkenheid van het target of rapamycin complex 1 (TORC1) in de groei-inhibitie die wordt gezien tijdens U blootstelling. Samengevat tonen de resultaten de interactie van (interne en externe) Ca en U concentraties wanneer we U opname, distributie en toxiciteit in A. thaliana beschouwen en dat deze interactie zich op een heel andere manier manifesteert in wortels dan in blaadjes. Bovendien is TORC1 mogelijks betrokken bij het reguleren van de groei-inhibitie die door U wordt aangezet. Ook is Ca-gemedieerde signaaltransductie (en mogelijks ook JA) betrokken bij de signaaltransductie tijdens U blootstelling. De resultaten van dit werk kunnen bijdragen aan een beter begrip van de betrokkenheid van Ca en U in de responsen van planten op U en kunnen helpen om het saneren van met U gecontamineerde bodems en/of veilig inzetten van deze bodems voor de productie van bijvoorbeeld biobrandstoffen. |
Document URI: | http://hdl.handle.net/1942/41416 | Category: | T1 | Type: | Theses and Dissertations |
Appears in Collections: | Research publications |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
20230907 Doctoraat FINAAL- Amber MERTENS.pdf Until 2028-09-22 | 5.85 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Google ScholarTM
Check
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.