Characterization of genes related to oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) drought stress responses

Abstract

Palma de aceite (Elaeis guineensis Jacq.) es la primera planta oleaginosa con la producción de más aceite con menos precio. El déficit hídrico reduce la producción de palma de aceite. Es necesario entender las respuestas de plantas al déficit hídrico para obtener plantas más tolerantes. Se usó RNA-Seq para diferenciar dos genotipos de palma de aceite en relación con las respuestas a estrés hídrico. Usando la tecnología de Illumina HiSeq2000 para obtener 1.27 billones de lecturas cortas de 101bp y usando Bowtie2 y SOAPdenovo-Trans para mapear y ensamblar de novo, se generó un transcriptoma foliar con 111614711 bp y 115598 transcritos. Utilizando DESeq para análisis expresión diferencial los resultados comparativos entre condiciones de control y déficit hídrico mostraron que el genotipo tolerante (IRHO7010) mostró 2123 genes (2860 transcritos) diferencialmente expresados bajo condiciones de déficit hídrico mientras que el genotipo susceptible (IRHO1001) mostró 112 genes (212 transcritos). Había 93 genes (126 transcritos) comunes involucrados en procesos relacionados con ABA, cierre de estomas, estrés oxidativo y osmótico, muerte celular programada, etc. Los genes involucrados en regulación y señalización fueron los más abundantes en el tolerante. Los genes funcionales codificantes de, ej. metabolitos secundarios; osmoprotectantes; fitohormonas como etileno, jasmonato y auxinas fueron expresados diferencialmente en el tolerante. Los resultados de RNA-Seq se validaron con RT-qPCR con una regresión de R2=0.88. Dos genotipos de palma de aceite se discriminaron como tolerante (IRHO7010) y susceptible (IRHO1001) por los parámetros fisiológicos y técnicas molecular de RNA-Seq y RT-qPCR. El genotipo tolerante mostró más genes expresados diferencialmente en regulación y señalización como factores de transcripción, modificación y degradación de proteínas, quinasas, regulación de calcio, proteínas-G que se sugiere que estos procesos y mecanismos pueden ser más importantes en su tolerancia a déficit hídrico según las funciones reportadas en la literatura.

Abstract. Oil palm is the first oleaginous plant in terms of more oil production with less expense. Water deficit decreases oil palm production. It is necessary to understand plant drought responses to obtain more tolerant plants. RNA-Seq was used to differentiate two oil palm genotypes in relation with water deficit responses. Using Illumina® HiSeq 2000™ technology, obtaining 1.27 billion short reads of 101 bp, mapping and de novo assembly with Bowtie2 and SOAPdenovo-Trans, a foliar transcriptome with 111614711 bp and 115598 transcripts was generated. Utilizing DESeq for gene expression analyses, the comparative results of drought and control conditions showed that the tolerant genotype possessed 2860 transcripts of 2123 genes differentially expressed under prolonged drought condition while the susceptible genotype showed 212 transcripts of 112 genes. The 93 common genes between two genotypes distributed in 126 transcripts were found mainly involved in ABA-related processes, closure/aperture stomata, oxidative/osmotic stress, and programmed cellular death. The genes involved in regulation and signaling were the most abundant in the tolerant genotype. The functional genes encoding e.g. secondary metabolites; osmoprotectant; plant hormones like ethylene, jasmonic acid and auxins were differentially expressed in the tolerant genotype. They function in water potential balance and regulatory processes like signaling. RT-qPCR validated RNA-Seq results by regression value of R2=0.88.Two oil palm genotypes were determined as tolerant (IRHO7010) and susceptible (IRHO1001) by physiological parameters and molecular techniques including RNA-Seq and RT-qPCR. The tolerant genotype showed more differentially expressed genes in regulation and signaling genes including, but not limited to, transcription factors, protein modification, protein degradation, kinases, Ca regulation and G-proteins, suggesting these processes and mechanisms can be of more importance in its tolerance to drought according to their functions reported in the literature.