Investigación
Desarrollo de las raíces: papel de los flavonoles, un antioxidante que regula la división y diferenciación celular.
En nuestro laboratorio estamos interesados en la identificación de nuevos genes y compuestos naturales que mejoren el crecimiento del sistema radicular en condiciones de baja disponibilidad de nutrientes, específicamente bajo contenido de
fosfato (Pi) o nitrato (N), dos macronutrientes cuya escasez limita severamente la producción agrícola. Uno de los problemas/limitaciones en el estudio de la biología radicular ha sido que, en los análisis
in vitro, las raíces se crecían en presencia de luz, lo que condiciona su desarrollo y respuestas a estímulos. Para identificar la variabilidad de las raíces y los genes asociados a las respuestas a diferentes estímulos, hemos desarrollado un nuevo sistema de cultivo llamado
D-Root (Fig.1, patente de utilidad INIA), que nos permite cultivar plantas con las raíces en la oscuridad mientras que la parte aérea crece con un fotoperiodo determinado, simulando así condiciones naturales (Silva-Navas et al., 2015). El D-Root es una caja de metacrilato diseñada para adaptarse a una placa in vitro (12x12 cm o 24x24 cm). También tiene un inserto de metacrilato para bloquear parcialmente la luz que llega desde la parte superior (ver
Fig. 1, video 1). Usando este sistema, hemos demostrado que el desarrollo y la huida de las raíces a la luz está mediada por
flavonoles. Estos compuestos también actúan como moléculas integradoras en el meristemo de la raíz para equilibrar la proliferación y diferenciación celular mediada por las
hormonas auxina y citoquinina y por las
especies reactivas de oxígeno H2O2 /O2-, para establecer una correcta zonación en el ápice de la raíz (Fig. 2) (Silva-Navas et al., 2016).
Identificación de sustancias naturales que regulan el crecimiento de las raíces
Otra línea de investigación en el laboratorio está centrada en identificar la función de
BiAux, un nuevo metabolito de base indólica. Hemos sintetizado químicamente BiAux, y la aplicación de este compuesto a las plantas (Arabidopsis o tomate)
aumenta significativamente el tamaño del sistema radicular, generando más y mayores raíces laterales y
acelera el crecimiento y la floración. El tratamiento con BiAux aumenta la expresión de SKP2B:GUS, un marcador de raíz lateral, y de DR5:GUS, un marcador de respuesta a auxina (Fig. 3). Los resultados preliminares parecen indicar que BiAux actúa como
modulador de la sensibilidad del receptor de auxina, principalmente de los co-receptores TIR1, AFB1 y AFB3. En la actualidad, estamos explorando el modo de acción molecular de BiAux mediante el modelado de proteína-ligando y la mutagénesis dirigida de correceptores.
Respuestas de la raíz a la deficiencia de fosfato
Usando el dispositivo D-Root, hemos encontrado que la
iluminación de las raíces altera drásticamente las respuestas a la deficiencia de Pi, siendo muy diferentes a las descritas anteriormente por varios grupos (Fig. 4). Estas diferencias nos llevaron a estudiar tanto a nivel morfológico como molecular esta respuesta utilizando el D-Root. Un análisis transcriptómico por RNA-seq identificó un alto número de genes que están desregulados en respuesta a la deficiencia de Pi y que no habían sido identificados previamente, probablemente por la influencia negativa de la luz. Hemos encontrado que la respuesta a la deficiencia de Pi en las raíces está controlada por el equilibrio de diferentes hormonas (Fig. 5). En este sentido, encontramos que diferentes isómeros de citoquinina (cis y transZeatina) tienen roles específicos, controlando diferencialmente la expresión génica, la división celular y el crecimiento de las raíces.
Las plantas modulan las respuestas moleculares para adaptar el desarrollo al entorno circundante. Las respuestas a estímulos /estreses a nivel de organismos es el resultado de la suma de las diferentes respuestas a nivel celular. Por ello, estamos analizando la expresión génica (transcriptoma) y la traducción (traductoma) durante la respuesta a la deficiencia de Pi a
nivel de tipo celular. Estos datos nos permitirán reconstruir posteriormente una red funcional de adaptación celular/órgano/organismo y nos permitirá identificar reguladores implicados en el mantenimiento del crecimiento de las plantas y la absorción de Pi. Esta información se utilizará para generar un
mapa de transcripción / traducción de la respuesta a la deficiencia de Pi en las raíces.
Finalmente, utilizando el D-Root, estamos llevando a cabo un
cribado de diferentes ecotipos de Arabidopsis en base a la acumulación de Pi. Por el momento hemos identificado un ecotipo que parece acumularse más de 5 veces que el Columbia. También estamos intentando identificar nuevos microrganismos beneficiosos que mejoren el crecimiento de las plantas durante la inanición de Pi, principalmente enfocandomos en hongos endófitos.
Efecto del cambio climático en la nutrición y la productividad de las plantas
Recientemente hemos iniciado una nueva línea de investigación destinada a estudiar el efecto del
cambio climático en el crecimiento y la función de las raíces. Hemos diseñado un
dispositivo novedoso
para simular las condiciones del suelo en un ambiente de altas temperaturas atmosféricas para analizar tanto plantas
in vitro o en invernadero. Los datos preliminares mostraron que el suelo (nutrientes, comunidad de microorganismos, humedad, etc.) es importante para la adaptación de toda la planta al estrés por calor. Así, estamos evaluando el efecto de las
altas temperaturas sobre la absorción de nutrientes y su correlación con la productividad.
