Een geïntegreerde benadering om de diversiteit in moleculaire mechanismen van zouttolerantie in tropische maïs te bestuderen

Mais is een van ’s werelds meest geteelde gewas en wordt gebruikt voor voeder, biobrandstof en als voedsel. Het biedt voor vele ontwikkelingslanden een belangrijke voedselbron en onderzoek naar gewasverbetering is van cruciaal belang. Helaas gebeurt er nog veel te weinig onderzoek naar tropische maissoorten omdat de private sector voornamelijk investeert in de maissoorten die groeien in gematigde contreien. De maisproductie staat voortdurend onder druk van zowel biotische als abiotisch factoren. De kwaliteit van het irrigatiewater heeft een grote invloed op de gronden en reeds 19.5% van het geïrrigeerde land heeft een te hoog zoutgehalte. Een te hoog zoutgehalte heeft een negatieve invloed op zowel ieder ontwikkelingsstadium van de maisplant maar sommige stadia zijn gevoeliger dan andere. Tolerantie is complex en is het resultaat van zowel fysiologische aanpassingen op weefselniveau als van biochemische aanpassing op cellulair niveau. Het is dus van cruciaal belang om inzicht te krijgen in deze mechanismen. Wanneer mais onderzocht wordt tijdens de blootstelling aan zout doorheen de tijd kunnen cruciale momenten in kaart gebracht worden om de cellulaire biochemische reacties te karakteriseren. Het algemeen doel van ons onderzoek was om de kostbare tropische biodiversiteit te onderzoeken en zo zaadbanken vooruit te helpen om de juiste variëteit bij e juiste boer te brengen. Hiervoor hebben wij een onderzoeksmethode ontwikkeld om de tolerantie naar zoutstress te onderzoeken, tolerante variëteiten te identificeren en beter te begrijpen. We hebben een protocol op punt gesteld dat simpel en goedkoop is om de groei en de zout gerelateerde groeivertraging van de verschillende variëteiten objectief in kaart te brengen en ze te rangschikken.

Om ons fenotyperingsprotocol te realiseren, hebben we in hoofdstuk 3 toegespitst op het vinden van een methode die de meest geschikte eigenschappen van een plant in kaart brengen. Dit op een manier die efficiënt, objectief maar toch goedkoop is, zodat die overgeleverd kan worden naar landen die minder middelen ter beschikking hebben voor onderzoek. Om deze methode op punt te stellen, hebben we de groei van  3 genotypes bestudeerd in een serre (de referentie varieteit B73 en 2 tropische variëteiten Across8023 en Across8024). Vervolgens hebben we ervoor gezocht dat we de planten blootgesteld hebben aan een relevant zoutgehalte. Twee concentraties werden hiervoor uitgetest: 0.6% NaCl en 1.2%. Wanneer de plant vanuit de hoogte gefotografeerd wordt, krijgen we een betrouwbaar beeld van de plant. Deze geprojecteerde plantoppervlakte is samen met de planthoogte een zeer krachtige niet-destructieve variabele en kan de groei en dus de groeivertraging van iedere individuele plant opvolgen in de tijd. We hebben vastgesteld dat 0.6% NaCl het meest geschikt was om de diversiteit aan reacties goed in kaart te brengen en deze 3 verschillende variëteiten te rangschikken.

In hoofdstuk 4 hebben we deze fenotyperingsmethode toegepast op meerdere variëteiten. We hebben samen met de gematigde B73 referentie 3 tropische variëteiten succesvol bestudeerd gedurende 4 weken: CML421, CML448 en CML451. De combinatie van het geprojecteerde plantoppervlak, het versgewicht en de zoutopstapeling in de bladeren stelden ons in staat om de interessante tijdstippen aan te duiden om de biochemische cellulaire reacties te bestuderen in de wortels (proteomics). De veranderingen in het proteoom wezen op een verschuiving van eiwitten betrokken in celrespiratie, en het neutraliseren van oxidatieve stress.

In hoofdstuk 5 hebben we ons toegespitst op de analyse van zowel de wortels als van de bladeren van 3 extra variëteiten: CML465, CML488 and CML491. Opnieuw heeft fenotyperen ons geleid naar interessante tijdstippen om de cellulaire reacties te bestuderen.  De veranderingen in het proteoom waren 3 keer meer intensief in de wortels als in het blad. De accumulatie van zoutionen in het blad hebben een negatieve invloed op de fotosynthese terwijl in de wortels veranderingen in energie- en eiwitsynthese  plaatsvinden alsook verdedigingsmechanismen tegen oxidatie.

Wij besluiten dat onze aanpak om eerst planten te observeren hoe hun groei beïnvloed wordt tijdens de blootstelling aan zoutstress en dan op cruciale tijdstippen de biochemische reacties in kaart te brengen geschikt is om de verschillende genotypes te rangschikken en een inzicht te verkrijgen in de verschillende tolerantiemechanismen. Van alle genotypes die we onderzocht hebben kunnen we de volgende rangschikking opstellen: Across8023 > Across8024 > CML465 > CML488 >B73 >CML 448> CML451 CML491 > CML421. De genotypes Across8023, Across8024, CML465 en CML488 beschouwen we als tolerant. De fenotypering is een efficiënte objectieve en goedkope manier om de maisbiodiversiteit in kaart te brengen.