Elecidation of selenium tolerance mechanisms in Puccinellia distans (Jacq.) Parl, using a transcriptomic approach

Abstract

Selenium (Se) has a versatile chemistry. Therefore, it is present in a wide variety of materials on Earth. Although it is not an essential element for plants, Se provides several survival and ecological advantages. Puccinellia distans (P.distans) is weeping alkali grass which has a relatively fast growth rate and produces a large biomass. It can also hyperaccumulate extreme concentrations of boron and tolerate high levels of salinity. It is known that some plant species can tolerate high concentrations of soil salts and boron while hyperaccumulating Se in their leaves. Therefore, in this study, the Se accumulation and tolerance capacity of P. distans were investigated, and the plant’s Se tolerance mechanism was elucidated using a transcriptomic approach. The results of this study indicated that P. distans accumulated more than 100 mg Se kg-1 in its shoots. Therefore, P. distans was discovered to be a novel Se accumulator plant. Biochemical analyses and RNA sequencing results helped us to decipher the Se tolerance and accumulation mechanism of P. distans. Accordingly, the tolerance mechanism was found to be associated with the upregulation of genes involved in sulfate, selenocompound and antioxidant pathways. Here, we suggest that upregulation of Se assimilation and stress responses genes may have been due to induction of jasmonic acid signaling. In addition, we propose that the cell wall may play an important role in restriction of Se movement to the cytoplasm. Also, we put forward that sequestration of selenate inside the vacuole may be a way that Se accumulates in cells.

Selenyum (Se), farklı durumlara adapte olabilen bir kimyaya sahiptir. Bu nedenle, dünya üzerinde birçok materyal içinde bulunabilir. Se bitkiler için gerekli bir element olmamasına karşın, bitkilere yaşamını sürdürme konusunda ve ekolojik anlamda birçok avantaj sağlar. Puccinellia distans (P. distans) nispeten hızlı büyüyen ve geniş biyokütle üreten bir çorak çimidir. Ayrıca, son derece yüksek konsantrasyonlarda boru biriktirebilir ve yüksek tuz konsantrasyonlarına dayanabilir. Günümüzde bazı bitki çeşitlerinin yüksek bor ve tuz konsantrasyonlarına dayanabilirken, selenyumu da yapraklarında hiperakümüle edebildiği bilinmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada P. distans bitkisinin Se akümülasyon ve tolerans kapasitesi araştırılıp, tolerans mekanizması transkriptomik yaklaşım kullanılarak aydınlatılmaya çalışılmıştır. Çalışmanın sonuçları P. distans’ın >100 mg kg-1 ‘dan fazla selenyumu yapraklarında biriktirdiğini göstermiştir. Bu nedenle, P. distans’ın yeni bir Se akümülatör bitki olduğu keşfedilmiştir. Biyokimyasal analizler ve RNA sekanslama sonuçları P. distans bitkisinin Se tolerans ve akümülasyon mekanizmasını açığa çıkarmak konusunda yardımcı olmuştur. Buna göre, tolerans mekanizmasının sülfat, selenyum bileşiği ve antioksidan yolaklarının upregulasyonuyla alakalı olduğu bulunmuştur. Burada, Se asimilasyon ve antioksidan yolaklarının ve stres cevap yolaklarının upregulasyonunun, jasmonik asit sinyalizasyonundan kaynaklanabileceğini, buna ek olarak hücre duvarının selenyumun sitoplazmaya geçişinin engellenmesinde önemli bir rolü olduğunu önerdik. Ayrıca, selenatın koful içeresinde tutulmasının da bir çeşit Se akümülasyon yolu olabileceğini ileri sürdük.