Efectos genéticos y medioambientales en la estructura fenotípica de antirrhinum

Resum

Resumen de la tesis: El desarrollo de plantas está altamente afectado por las condiciones ambientales. El interés por mejorar la tolerancia de los cultivos al estrés abiótico como temperatura, espacio, luz y sombra ha aumentado en los últimos años y se buscan estrategias biotecnológicas para conseguirlo. El cambio climático va a tener un gran impacto en la actividad agrícola y en la productividad de los ecosistemas orgánicos (Rosenzweig et al., 2014). Las diferencias fenotípicas en Antirrhinum majus pueden revelar como se adapta y responde a un conjunto complejo de señales ambientales. Hoy nos enfrentamos a un desafío para mejorar las plantas y prepararnos para todos los cambios que ya se están produciendo, lo que exigirá multitud de esfuerzos de diferentes ciencias y conocimientos tradicionales y modernos. Dependiendo de las circunstancias, las plantas muestran variabilidad en el desarrollo vegetativo y reproductivo. El grado de variabilidad parece depender de la plasticidad fenotípica de la especie y del órgano. El objetivo de esta tesis fue el análisis del nivel de plasticidad fenotípica de la especie Antirrhinum majus bajo diversas condiciones ambientales y el examen de la base génica de estos cambios. El crecimiento de plantas en condición de hacinamiento resulta en una situación de competencia intra-específica. Observamos que, bajo estas condiciones, Antirrhinum majus muestra un desacoplamiento entre el tamaño y número de los órganos laterales con una disminución en el tamaño de la hoja y un aumento en el número de hojas, mientras que las flores mantuvieron un tamaño robusto pero una reducción en el número. A pesar de estos cambios, el hacinamiento no pareció afectar determinados aspectos del desarrollo de los meristemos apicales de inflorescencia según lo indicado por la expresión estable de los genes ROA, HIRZ (mantenimiento de meristemo), CYCD3a, CYCD3b, HISTONE H4 (ciclo celular) o GRAM (polaridad de órganos). Sin embargo, un análisis transcriptómico del tejido de meristemo de inflorescencia mostró una serie de genes sobre-expresados, pertenecientes a la ruta de síntesis y / o señalización de ácido jasmónico y abscísico (AmJAZ1, AmMYB21, AmOPCL1 y AmABA2) mientras que genes implicados en la síntesis de auxinas no se vieron afectados (AmTAR2, AmANT). Basado en los resultados fenotípicos y transcriptómicos, proponemos la hipótesis de que el SAM robusto y una señalización de auxina estable permiten un tamaño floral homogéneo, mientras que los cambios en la señalización de JA y ABA pueden ser responsables de la disminución del tamaño de la hoja y del número de órganos laterales. Un tamaño robusto de la flor es de gran importancia con respecto a la reproducción de la especie ya que afecta a la interacción flor-polinizador. Otras características florales que juegan un papel para la atracción de polinizadores, la propagación y también para el valor ornamental, incluyen el tamaño, la arquitectura, el color, la fragancia y la viabilidad del polen. Analizamos la plasticidad de estos caracteres en Antirrhinum majus en respuesta a temperaturas variables, un aspecto especialmente importante considerando el cambio en el clima global. La mayoría de los rasgos cambiaron en dirección opuesta dependiendo de si se aplicó el régimen de frío o calor. Mientras temperaturas bajas (15/5 ºC) frente a temperaturas estándar (22/15 ºC) produjeron una mayor pigmentación de pétalos, un aumento en el tamaño floral, una reducción en el número de flores y una mayor viabilidad del polen, las temperaturas altas (30/23 ºC) resultaron en flores más pálidas y más pequeñas, un número de flores estable y una reducida viabilidad del polen. En ambos casos se observó tanto una reducción en la cantidad de compuestos orgánicos volátiles (VOCs, volatile organic compounds) emitidos como cambios en el perfil de VOCs durante la apertura floral. Los resultados muestran que el nivel de plasticidad fenotípica depende del tipo de cambio ambiental. Mientras la condición de hacinamiento provoca cambios en el número pero no en el tamaño de flores, los cambios en temperatura si afectan el tamaño floral y, en caso de temperaturas bajas, también el número de flores. Estos cambios pueden, en combinación con las otras características florales, tener consecuencias de gran alcance tanto con respecto a la interacción planta-polinizador como para el valor ornamental de Antirrhinum majus. Considerando los cambios en los caracteres florales anteriormente mencionados y teniendo en cuenta los resultados transcriptómicos bajo hacinamiento, analizamos la expresión de una serie de genes marcadores: del ciclo celular (AmCYCD3a y AmH4), de expansión celular (AmEXP y AmBP), señalización de auxinas (AmANT), síntesis de antocianinas (AmCHS), desarrollo de células cónicas (AmMIXTA) y síntesis del volátil metilbenzoato (AmBAMT). Mientras la expresión de genes que controlan la expansión no se alteró significativamente, AmH4, un marcador de síntesis de ADN, se regulaba negativamente a temperaturas más altas y más bajas, indicando un efecto de temperatura sobre la división celular y por lo tanto sobre el número de células. La producción de pétalos más grandes a temperaturas más bajas podría deberse a un mayor período de división celular. La pigmentación intensa de pétalos a bajas temperaturas se puede explicar por el aumento en la expresión de AmCHS, mientras que la reducida pigmentación a altas temperaturas no se vio relacionada con cambios en la expresión de AmCHS, señalando a un efecto sobre enzimas de degradación de antocianinas. Las temperaturas adversas provocaron una disminución significativa en la expresión de AmMIXTA, un gen que controla la formación de células cónicas. Éstas juegan un papel en la atracción de polinizadores y en la producción de volátiles. El gen BAMT (Benzoic acid Carboxymethyl Transferase), involucrado en la síntesis de metil benzoato, uno de los principales compuestos de VOCs en A. majus, se expresa en células cónicas. Sin embargo, la expresión de BAMT no se alteró significativamente, indicando posibles cambios al nivel pos-traduccional de BAMT o en el flujo metabólico. Summary: Plant development is highly affected by environmental conditions. The interest in improving the tolerance of crops to abiotic stress such as temperature, space, light and shade has increased in recent years and biotechnological strategies are sought to achieve it. Climate change will have a great impact on agricultural activity and the productivity of organic ecosystems (Rosenzweig et al., 2014). Phenotypic differences in Antirrhinum majus can reveal how it adapts and responds to a complex set of environmental signals. Today we face a challenge to improve plants and prepare for all the changes that are already taking place, which will require a multitude of efforts from different traditional and modern sciences and knowledge. Depending on the circumstances, plants show variability in the vegetative and reproductive development. The degree of variability seems to depend on the phenotypic plasticity of the species and / or the organ. The objective of this thesis was to analyze the level of phenotypic plasticity of the species Antirrhinum majus under various environmental conditions and the examination of the genetic basis of these changes. The growth of plants under crowding conditions results in a situation of intraspecific competition. We observed that under these conditions, Antirrhinum majus shows a decoupling between the size and number of the lateral organs with a decrease in the size of the leaf and an increase in the number of leaves, while the flowers maintained a robust size but showed a reduction in the number. Despite these changes, crowding did not appear to affect certain aspects of the development of the apical meristems as indicated by the stable expression of the genes ROA, HIRZ (meristem maintenance), CYCD3a, CYCD3b, HISTONE H4 (cell cycle) or GRAM (organ polarity). However, a transcriptomic analysis of the inflorescence meristem tissue showed a series of overexpressed genes, belonging to the routes of synthesis and / or signaling of jasmonic and abscisic acid (AmJAZ1, AmMYB21, AmOPCL1 y AmABA2) while genes involved in the synthesis of auxins were not affected (AmTAR2, AmANT). Based on the phenotypic and transcriptomic results, we propose the hypothesis that robust SAM and stable auxin signaling allows a homogeneous floral size, while changes in the signaling of JA and ABA may be responsible for the decrease in leaf size and the number of lateral organs. A robust flower size is of great importance with respect to the reproduction of the species since it affects the flower-pollinator interaction. Other floral characteristics, which play a role for pollinator attraction, propagation and also as ornamental value, include the size, architecture, color, fragrance and viability of the pollen. We analyzed the plasticity of these characters in Antirrhinum majus in response to variable temperatures, an especially important aspect considering the change in the global climate. Most features changed in the opposite direction depending on whether a cold or heat regime was applied. While low temperatures (15/5 ºC) versus standard temperatures (22/15 ºC) produced a stronger petal pigmentation, an increase in floral size, a reduction in the number of flowers and an increased pollen viability, high temperatures (30/23 ° C) resulted in paler and smaller flowers, reduced pollen viability, while flower number was stable. In both cases, a reduction in the amount of emitted volatile organic compounds (VOCs) was observed as well as changes in the VOC profile during the floral opening. The results show that phenotypic plasticity depends on the type of environmental change. While the crowding condition caused changes in the number but not in the size of flowers, changes in temperature affected the floral size and, in case of low temperatures, also the number of flowers. These changes may, in combination with the other floral traits, have far-reaching consequences both with respect to the plant-pollinator interaction and for the ornamental value of Antirrhinum majus. Considering the changes in the floral characters mentioned above and taking into account the transcriptomic results under crowding condition, we analyzed the expression of a series of marker genes of the cell cycle (AmCYCD3a y AmH4), cell expansion (AmEXP y AmBP), auxin signaling (AmANT), anthocyanin synthesis (AmCHS), conical cell development (AmMIXTA) and the synthesis of the volatile methylbenzoate (AmBAMT). While the expression of genes that control cell expansion was not significantly altered, AmH4, a DNA synthesis marker, was downregulated at higher and lower temperatures, indicating a temperature effect on cell division and therefore on the number of cells. The production of larger petals at lower temperatures might be due to a longer period of cell division. Intense pigmentation of petals at low temperatures can be explained by the increase in AmCHS expression, while reduced pigmentation at high temperatures was not correlated with changes in AmCHS expression, pointing to a temperature control over anthocyanin degradating enzymes or other enzymes in the pathway. Adverse temperatures caused a significant decrease in the expression of AmMIXTA, a gene that controls the formation of conical cells, which play a role in the attraction of pollinators and in the production of volatiles. The BAMT (Benzoic acid Carboxymethyl Transferase) gene, involved in the synthesis of methyl benzoate, one of the main VOC compound in A. majus, is expressed in conical cells. However, the expression of BAMT was not significantly altered, indicating possible changes on the post-translational level of BAMT.