Papel de los genes "Calcineurin b-like protein 10 (SLCBL10)" y "Respiratory burst oxidase g (SlRBOHG)" en la respuesta de tomate a estreses abióticos

Resumen

El cambio climático está teniendo dramáticas consecuencias en la agricultura a nivel mundial debido a los múltiples estreses abióticos. En Europa, el área Mediterránea es la más afectada por el cambio climático, donde se han intensifico los diferentes estreses abióticos como salinidad debido a la escasez de aguas de buena calidad, sequía y la frecuencia e intensidad de altas temperaturas. Ante los efectos negativos del cambio climático sobre la productividad de los cultivos de interés agronómico como tomate (Solanum lycopersicum) y las predicciones del aumento de la población a nivel mundial con el consiguiente incremento de la demanda de alimentos, un objetivo prioritario en la actualidad es avanzar en el conocimiento de los mecanismos y genes implicados en la tolerancia a estreses abióticos. Los objetivos propuestos en este trabajo son avanzar en el conocimiento sobre el papel de dos genes claves de tomate involucrados en la tolerancia a estreses abióticos a lo largo del ciclo de desarrollo de las plantas: CALCINEURIN B-LIKE PROTEIN CBL10 (SlCBL10) y RESPIRATORY BURST OXIDASE G (SLRBOHG). Para el logro de estos objetivos, se han combinado análisis fenotípicos y agronómicos de plantas cultivadas en diferentes condiciones experimentales, incluyendo condiciones controladas, semi-controladas y no controladas, así como análisis a niveles anatómicos, fisiológicos y moleculares. El gen SlCBL10 tiene un papel importante en el desarrollo reproductivo de tomate, ya que la anulación del gen reducía significativamente el rendimiento en fruto cuando el cultivo se realizaba en condiciones óptimas. Además, también está involucrado en la incidencia de Blossom End Rot (BER); los efectos del silenciamiento del gen SlCBL10 sobre esta fisiopatia están relacionados con las alteraciones en la homeostasis del Ca2+ ya que se observa una reducción en el transporte de Ca2+ hacía los órganos sumidero que necesitan este nutriente para su desarrollo. Una característica muy interesante del gen SlCBL10 es el papel opuesto en parte aérea y raíz cuando el cultivo se realiza en condiciones salinas. El silenciamiento de SlCBL10 induce hipersensibilidad a la sal en parte aérea, y por tanto es un regulador positivo de la tolerancia en esta parte de la planta, mientras que es un regulador negativo de la tolerancia a salinidad en raíz puesto que la pérdida de función del gen confiere tolerancia a la sal cuando se utiliza como portainjerto. Interesantemente, los portainjertos que tienen silenciado el gen SlCBL10 son capaces de aumentar el rendimiento en fruto de las plantas sin transformar (WT) utilizadas como genotipo parte aérea, y la tolerancia a la salinidad de las plantas injertadas está relacionada con cambios en la homeostasis de Na+ y K+ y en la expresión de los principales genes implicados en el transporte de ambos iones claves en la tolerancia. Además, los primeros resultados sobre et papel de SlCBL10 en la tolerancia del tomate a otros estreses abióticos, como sequía y estrés por altas temperaturas, muestran que la sobreexpresión del gen induce sensibilidad al estrés térmico, contrariamente a la respuesta observada para estrés salino. Estos resultados son de gran interés para avanzar en el conocimiento sobre los mecanismos predominantes en una combinación de estreses abióticos, lo que es clave dados los multiples estreses abióticos que afectan al desarrollo de la plantas en condiciones mediterraneas. Los avances en el conocimiento sobre el papel del gen SlRBOHG involucrado en la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) se han llevado a cabo mediante la caracterización de dos mutantes que tienen anulada la expresión del gen, denominados sodgat1-2 (del inglés sodium gatherer) por el transporte masivo de Na+ desde la raíz hasta la parte aérea. La anulación del gen SlRBOHG provoca una alta sensibilidad a la salinidad asociada con un alto transporte de agua y Na+ desde la raíz a la parte aérea, respuesta observada tanto en condiciones no transpirantes (in vitro) como transpirantes (in vivo). Estas alteraciones fisiológicas están principalmente asociadas a los cambios de expresión de los transportadores iónicos en las raíces de los mutantes y, especialmente, a la reducción de la expresión de SlHKT1;2, el más importante gen implicado en 24 el control de la homeostasis de Na+ en tomate. Esta respuesta es dependiente de la producción de H2O2 en condiciones salinas, como los mutantes no acumulan H2O2 con la salinidad, contrariamente a la mayor producción de H2O2 en plantas WT. Interesantemente, la alta sensibilidad a la salinidad provocada por la disrupción del gen SlRBOHG se mantiene a lo largo del ciclo de cultivo y en diferentes condiciones ambientales, lo que demuestra que SlRBOHG es un gen clave en el desarrollo vegetativo y, especialmente, reproductivo donde la pérdida de función provoca importantes pérdidas de producción. Además, por primea vez se demuestra que el principal efecto provocado por la disrupción del gen SlRBOHG a nivel reproductivo es el alto porcentaje de abscisión de flores inducido por la salinidad, donde se producen importantes cambios en la zona de abscisión (ZA) del pedicelo de la flor. Entre los procesos afectados en la abscisión, se observan alteraciones hormonales inducidas por la disrupción del gen SlRBOHG, como los niveles reducidos de auxina y ABA en hoja y flor del mutante, y alteraciones en los metabolitos primarios, especialmente los azúcares que reducen su transporte desde la hoja fuente hacia la flor y fruto bajo salinidad. Pero la abscisión parece estar principalmente relacionada con el alto transporte de Na+ a la ZA del mutante, puesto que la acumulación de Na+ en la ZA es incluso mayor que los valores encontrados en las flores. Estos resultados servirán como base para avanzar en la identificación de los procesos implicados en la abscisión prematura de órganos reproductivos, ya que la abscisión es un carácter agronómico de gran importancia para mantener la producción frente a las condiciones de cambio climático. Finalmente, ensayos de coexpresión simultánea de los genes SlCBL10 y SlRBOHG con diferentes CIPKs en cultivos celulares HEK, mostraron que el módulo SlCBL10-SlCIPK23 es capaz de activar a SlRBOHG, dando un lugar a un aumento significativo de ROS en presencia de Ca2+, lo que pone de manifiesto, que los dos genes de estudio de esta tesis doctoral, SlCBL10 y SlRBOHG, pueden tener una función conjunta clave en el diálogo cruzado entre Ca2+ y ROS para la señalización del estrés en tomate. 25