Efectos de la toxicidad de boro en los genotipos silvestre y mutante nced3 de Arabidopsis Thaliana

Resumen

Título: EFECTOS DE LA TOXICIDAD DE BORO EN LOS GENOTIPOS SILVESTRE Y MUTANTE nced3 DE Arabidopsis thaliana. Doctorando: Miguel Ángel Macho Rivero Directores de la tesis doctoral: Agustín González Fontes de Albornoz, Juan José Camacho Cristóbal y María Begoña Herrera Rodríguez. Las primeras pruebas de la esencialidad del boro para el normal desarrollo de las plantas vasculares datan de los estudios de Warington (1923), quien observó que las plantas deficientes en boro presentaban raíces y tallos cortos de aspecto achaparrado. El boro, tanto en su forma de ácido bórico como de borato, puede formar complejos con una amplia variedad de compuestos biológicos que contienen dos grupos hidroxilo en configuración cis. En esta propiedad radica la principal función de este elemento en los sistemas biológicos (Bolaños et al., 2004). Hasta la fecha, la principal función conocida del boro en las plantas es el establecimiento de enlaces éster entre el anión borato y los residuos de apiosa de dos moléculas de ramnogalacturonano II (RGII) (Kobayashi et al., 1996). La formación de este complejo es esencial para la función y la estructura de la pared celular (O'Neill et al. 2004). El boro es un micronutriente que se caracteriza por tener un intervalo de concentraciones óptimas muy estrecho (Gupta, 1979). Los altos niveles de boro están presentes de forma natural debido a la composición química del suelo, o pueden ser incorporados al medio mediante diversas fuentes de origen antropogénico (Nable et al., 1997). La toxicidad de boro es un problema importante que puede afectar al rendimiento de los cultivos en las zonas áridas y semiáridas del planeta, como las regiones andinas del norte de Chile, sur de Australia, norte de África y el oeste de California (Tariq y Mott, 2007). La cantidad de boro disponible para las plantas depende de las características físico-químicas del suelo, como son el pH, la textura, los ciclos de humedad/sequía, la temperatura, el contenido de materia orgánica y el de arcillas (Goldberg, 1997). El pH del suelo es el principal parámetro que va influir en la disponibilidad de boro para las plantas (Gupta, 1979). Dependiendo de la disponibilidad de boro en el suelo, este puede ser absorbido por las raíces mediante tres mecanismos diferentes: a) difusión pasiva a través de la membrana plasmática, b) transporte facilitado a través de canales, o c) transporte activo de alta afinidad inducido en respuesta a la baja concentración de boro en el medio (transportadores BOR) (Tanaka y Fujiwara, 2008; Miwa y Fujiwara, 2010). En las plantas vasculares, el transporte de boro desde la raíz hacia los distintos órganos del vástago se realiza a través del xilema y viene determinado, en gran medida, por la tasa de transpiración de la planta (Eichert y Goldbach, 2010). El exceso de boro en el medio afecta de formar negativa al desarrollo y crecimiento de las plantas. Así, los principales síntomas visibles de las plantas expuestas a una alta concentración de boro se manifiestan en forma de necrosis en la región marginal de las hojas maduras (Miwa et al., 2007). Además, la toxicidad de boro produce un retraso en el desarrollo y una reducción del tamaño de las plantas, así como del número, tamaño y peso de los frutos (Paull et al., 1992; Nable et al., 1997). El exceso de boro en el medio causa una disminución en la tasa fotosintética neta y modifica el contenido de pigmentos de las hojas (Landi et al. 2013). También se ha de mostrado que los altos niveles de boro afectan de manera negativa a la mitosis y la división de las células de las raíces (2000; Aquea, 2012). Los objetivos principales de esta tesis doctoral fueron estudiar el efecto de la toxicidad de boro en el desarrollo del sistema radical y los mecanismos de respuesta en Arabidopsis thaliana para hacer frente a este tipo de estrés abiótico. En concreto, se han perseguido tres objetivos principales que se describen a continuación. 1. Análisis de genes afectados por la toxicidad de boro en las raíces de A. thaliana Para identificar los genes de la raíz cuya expresión se modifica por la toxicidad de boro, se llevó a cabo un análisis transcriptómico en las plantas cultivadas con toxicidad en comparación con el del tratamiento control. Con la finalidad de confirmar los resultados obtenidos por los microarrays se realizaron estudios de expresión génica utilizando las técnicas de la PCR semicuantitativa y PCR cuantitativa a tiempo real. 2. Posible implicación del ácido abscísico en la respuesta a la toxicidad de boro Dado que esta hormona está implicada en la respuesta a diferentes estreses abióticos, para este objetivo se utilizó el mutante nced3 de A. thaliana, el cual no expresa el gen NCED3 que codifica una enzima clave en la biosíntesis de ABA. Se analizaron diferentes parámetros ecofisiológicos y bioquímicos en las plantas de los genotipos silvestre y mutante nced3 de arabidopsis. 3. Análisis del transporte de agua en plantas estresadas por toxicidad de boro En relación con lo anterior, se estudió en ambos genotipos el efecto de la toxicidad de boro sobre el transporte de agua y la posible relación con los niveles de acuaporinas en las raíces. Para ello se llevó a cabo un análisis del flujo relativo de agua, así como un estudio de la expresión génica y del contenido proteico de las acuaporinas más abundantes en las raíces de arabidopsis. Bibliografía Aquea F., Federici F., Moscoso C., Vega A., Jullian P., Haseloff J., Arce-Johnson P. (2012). A molecular framework for the inhibition of Arabidopsis root growth in response to boron toxicity. Plant Cell Environ. 35(4): 719-34. Bolaños L., Lukaszewski K., Bonilla I., Blevins D. (2004). Why boron? Plant Physiol. Biochem. 42: 907-912. Brown P.H., Shelp B.J. (1997). Boron mobility in plants. Plant Soil 193: 85-101. Eichert T., Goldbach H.E. (2010). Transpiration rate affects the mobility of foliar- applied boron in Ricinus communis L. cv. Impala. Plant Soil 328: 165-174. Gupta U.C. (1979). Boron nutrition of crops. Adv. Agron. 31: 273-307. Kobayashi M., Matoh T., Azuma J. (1996). 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