Mecanismos de regulación de la respuesta de las plantas a compuestos volátiles de origen microbiano

Abstract

Las plantas son metaorganismos que regulan su desarrollo y metabolismo en respuesta a diferentes estímulos externos. Conviven con microorganismos emisores de compuestos que difunden a través del suelo tales como azúcares, proteínas, exopolisacáridos, sideróforos, ácidos grasos, ácidos orgánicos, aminoácidos y hormonas que modifican la fotosíntesis, el metabolismo y el crecimiento de las plantas (Philippot et al., 2013; De-la-Peña and Loyola-Vargas, 2014; Backer et al., 2018). Los microorganismos beneficiosos también emiten compuestos volátiles (VCs) que fomentan el crecimiento, la captación de nutrientes y la fotosíntesis, modulan la arquitectura de la raíz, activan la respuesta de defensa de la planta e incrementan su resistencia al estrés salino y la sequía (Ryu et al., 2003; Zhang et al., 2008; Splivallo et al., 2009; Zhang et al., 2009; Gutiérrez-Luna et al., 2010; Kanchiswamy et al., 2015; Park et al., 2015; Ledger et al., 2016). Estudios llevados a cabo por el grupo de investigación en el que he realizado mi tesis doctoral demostraron que las bacterias y los hongos fitopatógenos también emiten VCs con propiedades bioestimulantes (Sánchez-López et al., 2016b). Cambios en el crecimiento, la fotosíntesis, el desarrollo y el metabolismo de la planta inducidos por VCs microbianos están asociados a grandes variaciones en el transcriptoma, el proteoma y el redox-proteoma de la planta (Sánchez- López et al., 2016b; Ameztoy et al., 2019, 2021). Tales variaciones sugieren que la respuesta de la planta a los VCs microbianos está regulada tanto a nivel transcripcional como no-transcripcional. Con el fin de profundizar en los mecanismos que median la relación entre la planta y los microorganismos, en este trabajo investigué el papel que juega el transportador de hexosas fosfato plastidial (GPT2) inducible por VCs en la respuesta de la planta modelo de laboratorio Arabidopsis thaliana a VCs emitidos por el hongo fitopatógeno Altenaria alternata. Además, investigué el papel que juega en dicha respuesta el residuo de cisteína 95 de la fructosa bifosfatasa plastidial (cFBP1), un enzima del ciclo de Calvin-Benson cuya actividad está sujeta a cambios en el estado redox inducibles por la luz. En el capítulo 1 de esta tesis presento los resultados de mi investigación sobre el papel que juega GPT2 en la respuesta de las plantas a VCs microbianos. Para realizar esta investigación, analicé y comparé el crecimiento, la fotosíntesis y el proteoma de plantas wild type (WT), mutantes carentes GPT2 (gpt2-1), mutantes carentes PGI1 (pgi1-2) y doble mutante pgi1-2gpt2-1 cultivadas en presencia o ausencia de VCs fúngicos. Además, caractericé la respuesta a estos compuestos de plantas pgi1-2/gpt2-1 que expresan GPT2 bajo el control de un promotor específico de haces vasculares. Finalmente, caractericé el patrón de expresión de GPT2 en plantas que expresan el gen reportero GUS bajo la acción de la secuencia promotora de GPT2. Los resultados obtenidos mostraron que, de manera similar a lo que ocurre en plantas WT, los VCs fomentan el crecimiento, la fotosíntesis y la acumulación de citoquininas activas y almidón en plantas pgi1-2 y gpt2-1. Tal respuesta fue reducida en plantas pgi1-2gpt2-1 y se revirtió a WT al expresar GPT2 en haces vasculares.

Estudios comparativos de los proteomas de plantas pgi1-2 y pgi1-2gpt2-1 mostraron que GPT2 regula la expresión de proteínas relacionadas con la fotosíntesis. Es más, los estudios de expresión mostraron que GPT2 se expresa en haces vasculares y está sujeto a complejos mecanismos de regulación. Globalmente, los resultados presentados en este capítulo indican que en condiciones en las cuales la actividad de PGI está reducida, la respuesta de la planta a VCs microbianos conlleva una regulación de la expresión de proteínas relacionadas con la fotosíntesis a través de mecanismos en los que GPT2 juega un papel importante en la provisión de sustrato necesario para la producción de citoquininas en haces vasculares. Trabajos llevados a cabo en el grupo de investigación en el que he realizado este mi tesis mostraron que la exposición a VCs microbianos conlleva cambios globales en el redox-proteoma de las plantas (Ameztoy et al., 2019). Tales cambios incluían la reducción de residuos de cisteína altamente conservados a lo largo de la evolución de enzimas del ciclo de Calvin-Benson. En el capítulo 2 presento los resultados de mi investigación sobre el papel que juega el residuo de cisteína 95 de la cFBP1 en su actividad, en la fotosíntesis y en la respuesta de las plantas a VCs microbianos. Para realizar esta investigación, comparé las propiedades electroforéticas y cinéticas de cFBP1 WT y una forma mutada en la que el residuo de cisteína 95 fue sustituido por un residuo de serina (C95S). Además, comparé la fotosíntesis y el crecimiento de plantas de Arabidopsis cfbp1 carentes de cFBP1 endógena que expresan ectópicamente formas WT o C95S de cFBP1. Los resultados mostraron que el residuo de cisteína 95 juega un papel importante en la actividad de cFBP1 y en la fotosíntesis, pero no en el crecimiento de Arabidopsis.