doctoralThesis
Tolerancia aumentada a estrés ambiental en cultivos de interés agronómico mediante la expresión de una proteína cianobacteriana
Autor
Arce, Rocío C.
Institución
Resumen
Desde el punto de vista agronómico, el estrés ambiental representa el factor más crítico
que limita el rendimiento de los cultivos. Por otra parte, los microorganismos
fotosintéticos de los que las plantas derivan (algas y cianobacterias) enfrentan desafíos
equivalentes en sus correspondientes hábitats. Sin embargo, sus respuestas difieren
sustancialmente: son unigénicas, rápidas, e incluyen la sustitución de blancos sensibles
al estrés por alternativas isofuncionales y resistentes. Esta estrategia permite
restablecer las vías productivas perturbadas por el estrés, y en particular el balance
redox del proceso fotosintético, el cual ha sido identificado como un punto de
intervención clave que afecta de manera decisiva la viabilidad del organismo estresado.
Aunque muchos de estos genes y sus correspondientes productos han desaparecido de
las plantas, se ha demostrado que la introducción de una flavodoxina (Fld)
cianobacteriana dirigida a cloroplastos resultó en la generación de líneas transgénicas
con tolerancia aumentada a múltiples fuentes de estrés ambiental. Esta observación no
solo abre una perspectiva tecnológica completamente nueva para el desarrollo de
cultivos tolerantes a estrés, sino que representa una herramienta biológica muy potente
para investigar el rol que juga el metabolismo redox plastídico en procesos biológicos.
En este trabajo de Tesis se ha evaluado la aplicación de esta tecnología en plantas de
tomate y papa, y su potencial utilidad en el área agrícola. Además, se han utilizado
plantas de tabaco transgénicas como una herramienta para el estudio del desarrollo
foliar y la implicancia del estado redox cloroplástico en el tamaño final de la hoja.
En cuanto a las plantas de tomate, la expresión de Fld afectó tanto el desarrollo
vegetativo como el reproductivo en condiciones normales de crecimiento. Plantas de
tomate que expresan Fld dirigida a cloroplastos exhibieron una reducción general del
tamaño de las hojas y de los frutos con respecto a las plantas salvajes. Sin embargo,
las líneas transgénicas mostraron un aumento moderado de la producción de tomates,
y la combinación resultante de un rendimiento similar por planta con una biomasa
vegetativa más baja condujo a un aumento de ~30% en el índice de cosecha de estas
líneas en comparación con los genotipos salvaje y control, expresando Fld dirigida a
citosol. Esto demuestra que, más allá de su rol ante condiciones adversas, la aplicación
de la tecnología de Fld modificó la fisiología de la planta de tomate, mejorando la
característica agronómica de mayor interés que es la producción por superficie
cultivada.
Por otro lado, plantas de papa que expresan Fld dirigida a plástidos mostraron tolerancia
aumentada a sequía. Debido a la importancia del impacto de la sequía en este cultivo a nivel mundial, se realizaron dos protocolos de limitación de agua: extremo, es decir,
interrupción total de riego; y crónico, donde se limitó el suministro de agua a lo largo del
tiempo hasta la cosecha final de tubérculos. La acumulación de especies reactivas del
oxígeno (EROs) y actividad fotosintética (fluorescencia de clorofila a), procesos
principalmente afectados por la sequía, fueron mejorados significativamente mediante
la expresión de Fld en comparación a las plantas salvajes, evidenciando una mayor
tolerancia a estrés en este cultivo. Por otro lado, análisis transcriptómicos en hojas de
papa en condiciones control y en un estadío pre-sintomático de la sequía demostraron
una inducción de las vías metabólicas relacionadas con estrés previo a la exposición a
la situación adversa en las líneas que expresan Fld dirigida a cloroplastos. Esto
evidencia una preparación previa de las plantas transgénicas debido a la presencia de
Fld en condiciones control, poniendo en manifiesto la importancia del estado redox de
cloroplastos y su interacción con el núcleo en la respuesta al estrés.
El efecto del estado redox de cloroplastos sobre el desarrollo vegetal fue estudiado
durante diferentes estadíos de crecimiento de hojas de tabaco que expresan Fld dirigida
a plástidos en paralelo a plantas salvajes. La expresión de Fld produjo una disminución
significativa del tamaño foliar, donde las diferencias se manifiestan en la etapa de
expansión. Se evaluaron los niveles de EROs y rendimientos fotosintéticos a lo largo del
desarrollo, donde los primeros fueron significativamente disminuidos en las plantas
transgénicas en todos los estadíos, y la fotosíntesis fue mayor a partir de la fase de
expansión foliar. Además, teniendo en cuenta resultados transcriptómicos previos que
mostraban una inducción generalizada de componentes del proteasoma en plantas
crecidas en condiciones óptimas debido a la presencia de Fld, se caracterizó este
sistema a lo largo del desarrollo de la hoja, observándose un aumento en la actividad
proteasómica específicamente durante la fase de expansión foliar en las plantas
transgénicas. Relacionado a esto, se determinó una menor endorreduplicación en las
estas líneas en comparación a las plantas salvajes, evidenciando una potencial vía de
regulación del menor tamaño foliar resultante en las plantas transgénicas. Fil: Arce, Rocio C. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina.