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Mecanismos de regulación de la respuesta de las plantas a compuestos volátiles de origen microbiano
(2023) Gámez Arcas, Samuel; Muñoz Pérez, Francisco José; Pozueta Romero, Javier; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
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.
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Plastidial phosphoglucose isomerase is an important determinant of seed yield through its involvement in gibberellin-mediated reproductive development and storage reserve biosynthesis in arabidopsis
(American Society of Plant Biologists, 2018) Bahaji, Abdellatif; Almagro Zabalza, Goizeder; Ezquer, Ignacio; Gámez Arcas, Samuel; Sánchez López, Ángela María; Muñoz Pérez, Francisco José; Barrio, Ramón José; Sampedro, M. Carmen; Diego, Nuria de; Spíchal, Lukás; Dolezal, Karel; Tarkowská, Danuse; Caporali, Elisabetta; Mendes, Marta Adelina; Baroja Fernández, Edurne; Pozueta Romero, Javier; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, ref. P1004 PROMEBIO
The plastid-localized phosphoglucose isomerase isoform PGI1 is an important determinant of growth in Arabidopsis thaliana, likely due to its involvement in the biosynthesis of plastidial isoprenoid-derived hormones. Here, we investigated whether PGI1 also influences seed yields. PGI1 is strongly expressed in maturing seed embryos and vascular tissues. PGI1-null pgi1-2 plants had ∼60% lower seed yields than wild-type plants, with reduced numbers of inflorescences and thus fewer siliques and seeds per plant. These traits were associated with low bioactive gibberellin (GA) contents. Accordingly, wild-type phe-notypes were restored by exogenous GA application. pgi1-2 seeds were lighter and accumulated ∼50% less fatty acids (FAs) and ∼35% less protein than wild-type seeds. Seeds of cytokinin-deficient plants overexpressing CYTOKININ OXIDASE/DE-HYDROGENASE1 (35S:AtCKX1) and GA-deficient ga20ox1 ga20ox2 mutants did not accumulate low levels of FAs, and exogenous application of the cytokinin 6-benzylaminopurine and GAs did not rescue the reduced weight and FA content of pgi1-2 seeds. Seeds from reciprocal crosses between pgi1-2 and wild-type plants accumulated wild-type levels of FAs and proteins. Therefore, PGI1 is an important determinant of Arabidopsis seed yield due to its involvement in two processes: GA-mediated reproductive development and the metabolic conversion of plastidial glucose-6-phosphate to storage reserves in the embryo.
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Hongos entomopatógenos: de la agricultura a la conservación del patrimonio histórico
(Junta de Andalucía: Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico, 2018) Crespo Martín, Eva; Roncel Gil, Mercedes; Pérez-Castiñeira, José Román; Pérez Camacho, Inmaculada Concepción; Gallego Sánchez, Luis Miguel; Gámez Arcas, Samuel; Mozo Mulero, Marta; Nevado Berzosa, María Patricia; Soriano Bermúdez, Jesús José; Téllez Pueblas, Elan Alexis; Molina Heredia, Fernando Publio; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua
Los métodos tradicionales utilizados en la conservación del patrimonio histórico incluyen principalmente el uso de insecticidas sintéticos, que presentan las desventajas de su toxicidad y de su falta de inocuidad sobre el sustrato a tratar. En este artículo se presenta una alternativa a estos métodos basada en el empleo de sustancias biocidas extraídas o provenientes de hongos entomopatógenos, como son Beauveria bassianay Metarhizium anisopliae. La presente propuesta incluye dos variantes no excluyentes como son el uso de conidios y la aplicación de geles con enzimas y toxinas provenientes de dichas especies. Esta metodología aporta ventajas con respecto a los métodos tradicionales, como la no toxicidad para el manipulador, la aplicabilidad a diferentes sustratos independientemente de su tamaño y localización, y su prácticamente nula reactividad frente al sustrato.
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Enhanced yield of pepper plants promoted by soil application of volatiles from cell-free fungal culture filtrates is associated with activation of the beneficial soil microbiota
(Frontiers Media, 2021) Baroja Fernández, Edurne; Almagro Zabalza, Goizeder; Sánchez López, Ángela María; Bahaji, Abdellatif; Gámez Arcas, Samuel; Diego, Nuria de; Dolezal, Karel; Muñoz Pérez, Francisco José; Climent Sanz, Eric; Pozueta Romero, Javier; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Plants communicate with microorganisms by exchanging chemical signals throughout the phytosphere. Such interactions are important not only for plant productivity and fitness, but also for terrestrial ecosystem functioning. It is known that beneficial microorganisms emit diffusible substances including volatile organic compounds (VOCs) that promote growth. Consistently, soil application of cell-free culture filtrates (CF) of beneficial soil and plant-associated microorganisms enhances plant growth and yield. However, how this treatment acts in plants and whether it alters the resident soil microbiota, are largely unknown. In this work we characterized the responses of pepper (Capsicum annuum L.) plants cultured under both greenhouse and open field conditions and of soil microbiota to soil application of CFs of beneficial and phytopathogenic fungi. To evaluate the contribution of VOCs occurring in the CFs to these responses, we characterized the responses of plants and of soil microbiota to application of distillates (DE) of the fungal CFs. CFs and their respective DEs contained the same potentially biogenic VOCs, and application of these extracts enhanced root growth and fruit yield, and altered the nutritional characteristics of fruits. High-throughput amplicon sequencing of bacterial 16S and fungal ITS rRNA genes of the soil microbiota revealed that the CF and DE treatments altered the microbial community compositions, and led to strong enrichment of the populations of the same beneficial bacterial and fungal taxa. Our findings show that CFs of both beneficial and phytopathogenic fungi can be used as biostimulants, and provide evidence that VOCs occurring in the fungal CFs act as mediators of the plants’ responses to soil application of fungal CFs through stimulation of the beneficial soil microbiota.
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Glucose-6-P/phosphate translocator2 mediates the phosphoglucose-isomerase1-independent response to microbial volatiles
(Oxford University Press, 2022) Gámez Arcas, Samuel; Muñoz, Francisco José; Ricarte Bermejo, Adriana; Sánchez López, Ángela María; Baslam, Marouane; Baroja Fernández, Edurne; Bahaji, Abdellatif; Almagro Zabalza, Goizeder; Diego, Nuria de; Dolezal, Karel; Novák, Ondrej; Leal-López, Jesús; León Morcillo, Rafael Jorge; Castillo, Araceli G.; Pozueta Romero, Javier; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura
In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the plastidial isoform of phosphoglucose isomerase (PGI1) mediates photosynthesis, metabolism, and development, probably due to its involvement in the synthesis of isoprenoid-derived signals in vascular tissues. Microbial volatile compounds (VCs) with molecular masses of 545 Da promote photosynthesis, growth, and starch overaccumulation in leaves through PGI1-independent mechanisms. Exposure to these compounds in leaves enhances the levels of GLUCOSE-6-PHOSPHATE/PHOSPHATE TRANSLOCATOR2 (GPT2) transcripts. We hypothesized that the PGI1-independent response to microbial volatile emissions involves GPT2 action. To test this hypothesis, we characterized the responses of wild-type (WT), GPT2-null gpt2-1, PGI1-null pgi1-2, and pgi1-2gpt2-1 plants to small fungal VCs. In addition, we characterized the responses of pgi1-2gpt2-1 plants expressing GPT2 under the control of a vascular tissue- and root tip-specific promoter to small fungal VCs. Fungal VCs promoted increases in growth, starch content, and photosynthesis in WT and gpt2-1 plants. These changes were substantially weaker in VC-exposed pgi1-2gpt2-1 plants but reverted to WT levels with vascular and root tip-specific GPT2 expression. Proteomic analyses did not detect enhanced levels of GPT2 protein in VC-exposed leaves and showed that knocking out GPT2 reduced the expression of photosynthesis-related proteins in pgi1-2 plants. Histochemical analyses of GUS activity in plants expressing GPT2-GUS under the control of the GPT2 promoter showed that GPT2 is mainly expressed in root tips and vascular tissues around hydathodes. Overall, the data indicated that the PGI1-independent response to microbial VCs involves resetting of the photosynthesis-related proteome in leaves through long-distance GPT2 action.