Morphological, physiological and molecular characterization of root senescence in barley

Abstract

Pflanzenwurzelalterung ist immer noch ein uncharakterisierter biologischer Prozess. In dieser Studie wurden hydroponisch kultivierte Gerstenpflanzen wöchentlich über einen Zeitraum von 53 Tagen für strukturelle, physiologische und molekulare Analysen geerntet. Wir identifizierten Tag 39 als einen wichtigen Übergangspunkt, da mehrere Ereignisse zusammenfielen: i) die Samenwurzeln hörten auf sich zu verlängern und das Wurzelepidermium und das kortikale Gewebe begannen zu verfallen, ii) die Nitrataufnahmefähigkeit nahm ab, iii) die Remobilisierung von Phosphor und Zink wurde eingeleitet. Dies stimmte genau mit einem plötzlichen Anstieg der Abscisinsäure (ABA) in Samenwurzeln überein, was durch erhöhte Transkriptmengen von ABA-Biosynthesegenen bestätigt wurde. Um mögliche Regulatoren der Wurzelseneszenz zu identifizieren, wurden 60K Gerstenmikroarrays für die Transkriptomanalyse der apikalen und basalen Wurzelzone verwendet. Mehrere NAC-, WRKY- und AP2-Typ-Transkriptionsfaktoren (TFs) wurden identifiziert, die eine starke Hochregulation zeigten, kurz bevor die Wurzelseneszenz einsetzte. Die vorliegende Studie zeigt, dass Wurzelseneszenz ein hochkoordinierter Entwicklungsprozess ist, der ein Zusammenspiel von TFs und Phytohormonen beinhaltet.

Plant root senescence is still an uncharacterized biological process. In this study, hydroponically cultivated barley plants were harvested weekly over a period of 53 days for structural, physiological and molecular analyses. We identified day 39 as an important transition point, as several events fell together: i) seminal roots stopped elongating and root epidermal and cortical tissues started decaying, ii) nitrate uptake capacity started decreasing, iii) remobilization of phosphorus and zinc was initiated. This coincided exactly with a sudden increase in abscisic acid (ABA) levels in seminal roots, which was confirmed by enhanced transcript levels of ABA biosynthesis genes. To identify possible regulators of root senescence, 60K barley microarrays were used for transcriptome analysis of the apical and basal root zone. Several NAC-, WRKY- and AP2-type transcription factors (TFs) were identified, which showed strong up-regulation just before root senescence set in. The present study indicates that root senescence is a highly coordinated developmental process, which involves an interplay of TFs and phytohormones.