Unraveling the resilience of $Salicornia~europaea$ : physiological and molecular responses to combined environmental stresses

Jordine, Angelina Maria Katharina; van Dongen, Joost Thomas; Fürtauer, Lisa Maria

doi:HT031373329

Unraveling the resilience of $Salicornia~europaea$ : physiological and molecular responses to combined environmental stresses

Jordine, Angelina Maria Katharina^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Angelina Jordine, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Fürtauer, Lisa Maria (Thesis advisor)^RWTH* ; van Dongen, Joost Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-11026
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024166/files/1024166.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Pflanzen sind sessile Organismen, die mit wechselnden und oft extremen Umweltbedingungen durch adaptive physiologische und molekulare Mechanismen umgehen müssen. Der Klimawandel führt zu einer Zunahme abiotischer Stressereignisse wie Überflutung (Hypoxie) und Salinität, die in natürlichen Lebensräumen häufig gleichzeitig auftreten. Das Verständnis der pflanzlichen Reaktionen auf kombinierte Stressoren ist entscheidend, um die Mechanismen der Stresstoleranz aufzuklären. Die meisten bisherigen Studien konzentrierten sich auf stresssensitive Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana, die vor allem Schadensreaktionen aufzeigen, während natürlich angepasste Halophyten Einblicke in Überlebensstrategien ermöglichen. Salicornia europaea, ein sukkulenter Halophyt europäischer Salzwiesen, zeigt eine hohe Toleranz gegenüber Salinität und periodischer Überflutung. In dieser Studie nutzte ich S. europaea, um die physiologischen, molekularen und transkriptionellen Reaktionen auf Salz, Hypoxie und gleichzeitigen Hypoxie-Salz-Stress zu untersuchen, um diese Art als Modell für Studien zu kombiniertem Stress zu etablieren. Pflanzen, die hohen NaCl-Konzentrationen (bis zu 2,5 M) oder einer längeren Überflutung (6 Wochen) ausgesetzt waren, bestätigten die hohe Widerstandsfähigkeit von S. europaea gegenüber diesen Stressbedingungen. Zusätzlich zeigte eine quantitative PCR-Analyse, dass hypoxieinduzierbare Gene unter Sauerstoffmangelbedingungen aktiviert wurden, jedoch nicht während natürlicher Gezeitenüberflutung, was auf eine effiziente Anpassung hinweist. Die sequentielle Exposition gegenüber Salz und Hypoxie veränderte die Expression mehrerer hypoxieinduzierbarer Gene, was auf ein möglichen Crosstalk zwischen Stressantwortwegen hindeutet und die Eignung von S. europaea als Modellsystem zur Untersuchung adaptiver Mechanismen unter kombiniertem Stress unterstreicht. Zur Untersuchung der regulatorischen Mechanismen konzentrierte ich mich auf die Gruppe VII der ethylen-responsiven Transkriptionsfaktoren (ERFVII), die Substrate des sauerstoffabhängigen N-degron pathway sind und in Arabidopsis thaliana die Salinitäts- und Hypoxieresponse integrieren. Ich untersuchte die Rolle der ERFVIIs unter gleichzeitigem Stress, indem ich Arabidopsis-Mutanten Salz- und Anoxiebehandlungen aussetzte. ERFVII-defiziente Mutanten zeigten ein besseres Überleben im Vergleich zu Pflanzen, denen nur HRE-Gene fehlten, was auf eine spezifische Rolle bei der Anpassung hindeutet. Die Genex- pressionsanalyse mittels RT-qPCR zeigte eine differentielle Regulation von RAP- und HRE-Genen unter gleichzeitiger Hypoxie-Salz-Behandlung. Im Vergleich dazu zeigte S. europaea eine stärkere Aktivierung von ERFVIIs sowie von hypoxie- und salzas- soziierten Genen, was auf artspezifische Regulationsstrategien hindeutet. Schließlich offenbarte eine transkriptomweite Analyse mittels RNA-Sequenzierung, dass kombinierter Hypoxie-Salz-Stress eine komplexe transkriptionelle Reprogrammierung in S. europaea auslöst. Im Vergleich zu Einzelstressbedingungen führte gleichzeitiger Stress zu etwa 10 % mehr differentiell exprimierten Genen (DEGs), wobei bis zu 16 % dieser DEGs spezifisch für die kombinierte Bedingung waren. Eine vergleichende Analyse beider Gruppen wurde durchgeführt, wobei der Anteil synergistisch und antagonistisch regulierter Gene als Indikator für ihren Beitrag zur gleichzeitigen Stressantwort diente. Mit diesem Ansatz konnten Prozesse wie der SUS-vermittelte Sucrose-Abbau sowie die Prolinbiosynthese und GABA-Synthese als spezifisch reguliert identifiziert werden, was die Wechselwirkungen zwischen metabolischen und regulatorischen Signalwegen bei der Pflanzenanpassung an multiple Stressoren hervorhebt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass S. europaea ein wertvolles Modellsystem zur Untersuchung adaptiver Mechanismen unter kombiniertem Hypoxie-Salz-Stress darstellt. Sie unter- streicht die Bedeutung transkriptioneller Reprogrammierung und ERFVII-vermittelter Signaltransduktion bei der Integration beider Stressantworten. Insgesamt liefert diese Studie eine solide Grundlage für zukünftige Forschung zu kombiniertem Hypoxie-Salz- Stress, indem sie einen geeigneten Modellorganismus identifiziert, erste Einblicke in die molekularen Verknüpfungen zwischen den beiden Stressfaktoren gibt und Signalwege der gleichzeitigen Stressantwort für weitere detaillierte Analysen präsentiert.

Plants are sessile organisms that must cope with fluctuating and often extreme environ- mental conditions through adaptive physiological and molecular mechanisms. Climate change is increasing the frequency of abiotic stress events, such as flooding (hypoxia) and salinity, which often occur simultaneously in natural habitats. Understanding how plants respond to combinations of stressors is crucial for unraveling the mechanisms underlying stress tolerance. Most previous studies have focused on stress-sensitive model plants like Arabidopsis thaliana, which mainly reveal damage responses, whereas naturally adapted halophytes offer insights into survival strategies. Salicornia europaea, a succulent halophyte of European salt marshes, exhibits high tolerance to salinity and periodic flooding. In this study, I used S. europaea to investigate the physiological, molecular, and transcriptional responses to salt, hypoxia, and simultaneous hypoxia-salt stress, to establish it as a model for simultaneous stress studies. Plants exposed to high salt concentrations (up to 2.5 M) or prolonged submergence (6 weeks) confirmed the high resilience of S. europaea under these stresses. Additionally, quantitative polymerase chain reaction (PCR) analysis revealed that hypoxia-responsive genes were induced under low oxygen conditions, but not during natural tidal flooding, suggesting efficient adaptation. Sequential exposure to salt and hypoxia altered the expression of several hypoxia-responsive genes, indicating potential crosstalk between stress response path- ways and highlighting the suitability of S. europaea as a model system for studying adaptive mechanisms under combined stresses. To investigate regulatory mechanisms, I focused on the group VII ethylene-responsive transcription factors (ERFVIIs), which are substrates of the oxygen-dependent PRT6-mediated N-degron pathway integrating salinity and hypoxia responses in A. thaliana. I assessed the involvement of ERFVIIs under simultaneous stress by exposing Arabidopsis thaliana mutants to salt and anoxia treatments. ERFVII-deficient mutants displayed better survival compared to plants lacking only HREs (Hypoxia responsive ERFVII), suggesting a specific role in adaptation. Gene expression analysis via RT-qPCR revealed differential regulation of RAPs (Related to APETALA2) and HREs under simultaneous hypoxia-salt treatment. In comparison, S. europaea displayed stronger activation of ERFVIIs as well as hypoxia- and salt-related genes, pointing to species-specific regulatory strategies. Finally, transcriptome-wide analysis using RNA sequencing revealed that combined hypoxia-salt stress induces complex transcriptional reprogramming in S. europaea. Compared to single stresses, simultaneous stress triggered about 10% more differentially expressed genes (DEGs), with up to 16% of these DEGs being unique to the combined condition. A comparative analysis of both groups was conducted, using the proportion of synergistically and antagonistically regulated genes as an indicator of their contribution to the simultaneous stress response. Using this approach, processes such as SUS-mediated sucrose degradation (Sucrose synthase) as well as proline and GABA (Gamma-Aminobutyric Acid) synthesis were found to be specifically regulated, highlighting the interplay between metabolic and regulatory pathways in plant adaptation to multiple stressors. Taken together, this work demonstrates that S. europaea represents a valuable model for investigating adaptive mechanisms to simultaneous hypoxia-salt stress. It highlights the importance of transcriptional reprogramming and ERFVII-mediated signal transduction in the integration of both stress responses. Overall, this study provides a solid foundation for future research on combined hypoxia-salt stress, by identifying a suitable model organism, delivering first insights into the molecular connections between the two stress factors, and presenting simultaneous stress response pathways for further in-depth analyses.

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