Biología del Estrés en Plantas

Resumen

En nuestro laboratorio investigamos los mecanismos de tolerancia en plantas frente a situaciones ambientales adversas, incluyendo estrés biótico y abiótico. Estos desafíos ambientales presentan como elemento común la imposición de un estrés oxidativo secundario debido a perturbaciones en la homeostasis redox, especialmente en cloroplastos. Con el propósito de intentar restablecer las condiciones redox mediante manipulación genética de componentes de la cadena fotosintética de transporte electrónico, hemos obtenido plantas transgénicas con tolerancia múltiple a diferentes fuentes de estrés ambiental (sequía, salinidad, alta irradiación, herbicidas y microorganismos patógenos). Estas plantas presentan alteraciones en el desarrollo y la senescencia foliar.

Líneas de Investigación

Desarrollo de cultivos de relevancia agronómica (tomate, papa, maíz) con mayor rendimiento y tolerancia aumentada a estrés ambiental por manipulación genética de la bioquímica redox de cloroplastos

Resultados en plantas modelo indican que la modificación del balance redox de cloroplastos mediante transportes electrónicos alternativos incrementa la tolerancia a estrés ambiental biótico y abiótico, y modifica la arquitectura de la planta reduciendo la biomasa vegetativa. En este proyecto se propone investigar el efecto de estas intervenciones en cultivos de interés agronómico con diferentes mecanismos fotosintéticos y características de explotación. Se estudiará de qué manera la introducción de transportes electrónicos alternativos en los distintos tipos de cloroplastos (mesófilo, vaina vascular) afecta la capacidad fotosintética de una planta C4 (maíz). También, se evaluará el impacto de estas modificaciones en el rendimiento de frutos (tomate), tubérculos (papa) y semillas (maíz). IR: Néstor Carrillo.

Modulación del estado redox mitocondrial y su rol en la tolerancia a estrés y reproducción en plantas

La principal función de los procesos redox es aportar energía y poder reductor, además de generar intermediarios que actúan en redes de señalización asociadas a múltiples respuestas ambientales y morfogenéticas de las plantas. En condiciones de iluminación, las señales provienen principalmente de los cloroplastos, y a pesar que la contribución de los sistemas redox mitocondriales a tales procesos es menos conocida que la cloroplástica, se ha demostrado que las mitocondrias cumplen un rol relevante en la respuesta a patógenos y la gametogénesis. En nuestro grupo de trabajo hemos desarrollado métodos de intervención génica que permiten alterar distintas rutas de óxido-reducción, y de este modo modificar de manera predecible los niveles de intermediarios redox, permitiendo estudiar su efecto sobre la morfogénesis y la tolerancia al estrés ambiental. Aunque el grueso del trabajo se ha centrado en cloroplastos, en este proyecto se utilizan plantas transgénicas con alteraciones en las vías redox mitocondriales con el fin de contribuir al conocimiento de estos sistemas. Las líneas son caracterizadas en términos de tolerancia a diversas fuentes de estrés abiótico y biótico, como así también en su rendimiento. Se estudiará el efecto de estas modificaciones en procesos vinculados a la gametogénesis, haciendo uso de mutantes con defectos en la gametogénesis masculina y femenina. IR: Anabella Lodeyro - @ana_lodeyro

Diseño de un biosensor no invasivo para detectar niveles de NADP+/NADPH en células vegetales

Diferentes cambios redox intracelulares modulan las principales transiciones en todos los organismos vivientes, incluyendo nutrición, proliferación, defensa, senescencia y muerte programada. En plantas existen al menos tres sistemas redox fundamentales: tiol-disulfuro, ascorbato y piridín nucleótidos, además del rol desempeñado por las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno. Es por lo tanto de vital importancia, contar con herramientas metodológicas no invasivas capaces de estimar los niveles y estado redox de estos sistemas in vivo, como determinar su distribución espacio-temporal de una manera dinámica. En nuestro grupo hemos desarrollado un biosensor sensible al estado redox. La sonda genéticamente codificada es específica para NADP(H) y está basada en un producto de fusión entre una enzima dependiente de NADP(H) y la proteína fluorescente sensible al estado redox roGFP2. La detección de los niveles NADP+/NADPH y su potencial redox in vivo permitirá estudiar la relación entre distribución electrónica y tolerancia a estrés, con vistas a comprender un mecanismo fundamental de regulación biológica y manipularlo con fines agronómicos. IR: Néstor Carrillo.

Bioquímica redox del cloroplasto en el desarrollo foliar

El desarrollo foliar constituye una etapa crucial en el crecimiento y reproducción de una planta, ya que en las hojas tiene lugar la asimilación primaria de carbono que permitirá al organismo completar el desarrollo vegetativo y la máxima producción de frutos y semillas. Las especies reactivas de oxígeno (EROS) contribuyen en distintas etapas de este proceso. La fotosíntesis afecta directa e indirectamente los procesos de desarrollo y crecimiento normales de las plantas, aclimatación y tolerancia a condiciones ambientales desfavorables y es uno de los determinantes de la productividad. Los cloroplastos representan la mayor fuente de EROS dependiente de luz y el proyecto se basa en la hipótesis de que el estado redox de los mismos genera señales que modulan el programa de desarrollo foliar. Utilizamos como herramienta para modificar el estado redox cloroplástico líneas de tabaco y Arabidopsis que tienen alterada su cadena fotosintética de transporte de electrones (CFTE) en distintos puntos por la expresión de distintas flavoproteínas cianobacterianas, las cuales siguen siendo funcionales en plantas a pesar de su divergencia evolutiva. Se determinará cómo influye el estado redox de cloroplastos sobre el tamaño y biomasa foliar en estas plantas, y en consecuencia sobre la producción de frutos y semillas, caracterizando especialmente la contribución de las EROS y del estado redox de cloroplastos sobre las distintas etapas del desarrollo de las hojas. IR: Anabella Lodeyro.

Publicaciones Seleccionadas

  • Expression of Flavodiiron Proteins Flv2-Flv4 in Chloroplasts of Arabidopsis and Tobacco Plants Provides Multiple Stress Tolerance. Int J Mol Sci. 22:1178. Vicino P, Carrillo J, Gómez R, Shahinnia F, Tula S, Melzer M, Rutten T, Carrillo N, Hajirezaei MR, Lodeyro AF. (2021) https://doi.org/10.1007/s11120-017-0449-9.
  • Photosynthetic characterization of flavodoxin-expressing tobacco plants reveals a high light acclimation-like phenotype. Biochim Biophys Acta Bioenerg. 1861:148211. Gómez R, Figueroa N, Melzer M, Hajirezaei MR, Carrillo N, Lodeyro AF. (2020). https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2020.148211
  • Transcriptional and Metabolic Profiling of Potato Plants Expressing a Plastid-Targeted Electron Shuttle Reveal Modulation of Genes Associated to Drought Tolerance by Chloroplast Redox Poise. Int J Mol Sci. 21:7199. Karlusich JJP, Arce RC, Shahinnia F, Sonnewald S, Sonnewald U, Zurbriggen MD, Hajirezaei MR, Carrillo N. (2020). https://doi.org/10.3390/ijms21197199.
  • Expression of a Chloroplast-Targeted Cyanobacterial Flavodoxin in Tomato Plants Increases Harvest Index by Altering Plant Size and Productivity. Front. Plant Sci. 10:1432.Mayta ML, Arce RC, Zurbriggen MD, Valle EM, Hajirezaei MR, Zanor MI, Carrillo N. (2019) https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01432.
  • Expression of a Plastid-Targeted Flavodoxin Decreases Chloroplast Reactive Oxygen Species Accumulation and Delays Senescence in Aging Tobacco Leaves. Front. Plant Sci. 9:1039. Mayta ML, Lodeyro AF, Guiamet JJ, Tognetti VB, Melzer M, Hajirezaei MR, Carrillo N. (2018). https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01039.
  • Faster photosynthetic induction in tobacco by expressing cyanobacterial flavodiiron proteins in chloroplasts. Photosynth. Res. 136:129-138. Gómez R, Carrillo N, Morelli MP, Tula S, Shahinnia F, Hajirezaei MR, Lodeyro AF. (2018). https://doi.org/10.1007/s11120-017-0449-9.
  • Reactive oxygen species generated in chloroplasts contribute to tobacco leaf infection by the necrotrophic fungus Botrytis cinerea. Plant J. 92:761-773. Rossi FR, Krapp AR, Bisaro F, Maiale SJ, Pieckenstain FL, Carrillo N. (2017). https://doi.org/10.1111/tpj.13718
  • Chloroplast Redox Status Modulates Genome-Wide Plant Responses during the Non-host Interaction of Tobacco with the Hemibiotrophic Bacterium Xanthomonas campestris pv. vesicatoria. Front. Plant Sci. 8:1158. Pierella Karlusich JJ, Zurbriggen MD, Shahinnia F, Sonnewald S, Sonnewald U, Hosseini SA, Hajirezaei MR, Carrillo N. (2017). https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01158.
  • Suppression of Reactive Oxygen Species Accumulation in Chloroplasts Prevents Leaf Damage but Not Growth Arrest in Salt-Stressed Tobacco Plants. PLoS One. 11:e0159588.Lodeyro AF, Giró M, Poli HO, Bettucci G, Cortadi A, Ferri AM, Carrillo N. (2016) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0159588.
  • Flavodoxin displays dose-dependent effects on photosynthesis and stress tolerance when expressed in transgenic tobacco plants. Planta. 236:1447-58. Ceccoli RD, Blanco NE, Segretin ME, Melzer M, Hanke GT, Scheibe R, Hajirezaei MR, Bravo-Almonacid FF, Carrillo N. (2012) https://doi.org/10.1007/s00425-012-1695-x.

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Patentes

  • Stress tolerant plants. Carrillo, N., Giró, M., Lodeyro, A.F., Zurbriggen, M.D. (2010), US patent WO2011/018662 A1.
  • Un método para el control de malezas en cultivos vegetales. Ceccarelli, E.A., Sosa, G., Carrillo, N., Useglio, M., Lagorio, S. (2008) Argentina Nº de registro: 80101113.
  • Stress tolerant plants. Tognetti, V., Palatnik, J., Fillat, M., Valle, E., Carrillo, N. (2002). EU patent Nº 02801941.2-2405-GB0204612.
  • Stress tolerant plants. Palatnik, J., Fillat, M., Carrillo, N., Valle, E., Tognetti, V. (2004) US patent Nº 6,781,034 B2