Metabolic changes induced by the combination of abiotic stresses and identification of tolerance mechanisms in tomato plants.

Abstract

Las predicciones actuales referentes al cambio climático indican un incremento en las temperaturas y una importante reducción de la calidad de las aguas de riego, que, junto con las estimaciones en el incremento de la población mundial, hacen urgente la necesidad de buscar alternativas en la generación de cultivos con una mayor tolerancia a los distintos estreses abióticos. Frente a esta situación, en esta Tesis Doctoral se realizaron tres experimentos cuyo objetivo principal es ahondar en el conocimiento sobre el comportamiento que presentan las plantas de tomate al ser sometidas a la combinación de salinidad y altas temperaturas. En un primer experimento se realizó un estudio en una selección de plantas RILs (Recombinant inbred lines) obtenidas mediante el cruzamiento de una línea silvestre (S. pimpinellifollium L.), tolerante a condiciones abióticas extremas, y una línea comercial (S. lycopersicum L.), ya que estas plantas son una herramienta muy útil para el análisis de rasgos cualitativos de una especie. Una línea seleccionada como tolerante (RIL-76) y otra como sensible (RIL-66) fueron sometidas a la combinación de los estreses de salinidad y alta temperatura para determinar cómo esta situación afecta a la vía de absorción y asimilación de nitrógeno (N). La combinación de salinidad y alta temperatura afectó de diferente manera a la línea sensible y a la tolerante, mostrando en la tolerante un mayor crecimiento y rendimiento fotosintético. De igual manera, la línea tolerante también mostró una mayor actividad enzimática de las enzimas nitrato reductasa (NR), glutamato sintasa (GOGAT) y glutamato deshidrogenasa (GDH) que podría guardar relación con los altos niveles encontrados de glutamina (Gln), ácido glutámico (Glu), asparagina (Asn), ácido γ-aminobutírico (GABA), valina (Val), prolina (Pro) e isoleucina (Isoleu). Por otro lado, la línea sensible manifestó un déficit de los nutrientes K+, Mg2+ y contenido en N orgánico. Posteriormente, se realizó un experimento agronómico en condiciones reales de campo para determinar cómo afectaban los estreses de salinidad y alta temperatura combinados al metabolismo de los azúcares en los frutos de dos líneas RILs seleccionadas nuevamente como tolerante (RIL-76) y como sensible (RIL-18) y en dos estadios de maduración (fruto rojo y verde). La línea tolerante mostró un aumento significativo en la actividad de las enzimas fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPsa), sacarosa fosfato sintasa (SPS), sacarosa sintasa 3 (SUS3), glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH) e invertasa ácida (AI) en comparación con la línea sensible, lo que resultó en una mayor acumulación de fructosa, glucosa y UDP-glucosa. Finalmente, con el objetivo de integrar todos los datos y obtener una caracterización general de cómo afecta la combinación de salinidad y alta temperatura a plantas de una variedad comercial de tomate, se realizó un análisis de todo el perfil transcripcional y postranscripcional, así como análisis bioquímicos y fisiológicos. Los resultados mostraron que, bajo estas condiciones de estrés, se producía una reprogramación única de las vías metabólicas con cambios en la expresión diferencial de 1388 genes y la acumulación de 568 compuestos moleculares. La integración de los datos mostró una sincronización entre las vías de la prolina y el ascorbato para mantener la homeostasis celular. También se identificaron factores de transcripción de las familias Leucine Zipper Domain (bZIP), Zinc Finger Cysteine-2 / Histidine-2 (C2H2) y Trihelix que podrían ser reguladores de los genes diferencialmente expresados bajo la combinación de salinidad y alta temperatura. Estos ensayos demuestran la relevancia del estudio los estreses abióticos en combinación y sirven de base para la identificación de mecanismos de señalización de tolerancia al estrés.

Current predictions regarding climate change indicate an increase in the global temperature and a significant reduction in the irrigation water quality, which, together with the estimations in world population increases, make urgent the need to seek for new alternatives in the generation of crops with greater tolerance to different abiotic stresses. Taking these premises into account, in this doctoral thesis, three experiments were carried out with the main objective to delve into the response of tomato plants to the combination of salinity and heat. In a first experiment, a study in a selection of RILs (Recombinant inbred lines) obtained by crossing a wild line (S. pimpinellifollium L.), tolerant to extreme abiotic conditions, and a commercial line (S. lycopersicum L.) was carried out. These plants are a very useful tool for the analysis of qualitative traits of plant species. One line selected as tolerant (RIL-76) and another as sensitive (RIL-66) were subjected to the combination of salinity and heat stresses to determine nitrogen (N) absorption and assimilation pathway were affected. The combination of salinity and heat hit the sensitive and tolerant lines differently, with the tolerant line showing a greater growth and a better photosynthetic performance. Similarly, the tolerant line also showed a higher enzymatic activity of the enzymes nitrate reductase (NR), glutamate synthase (GOGAT) and glutamate dehydrogenase (GDH) that could be related to the high levels of glutamine (Gln), glutamic acid (Glu), asparagine (Asn), γ-aminobutyric acid (GABA), valine (Val), proline (Pro) and isoleucine (Isoleu) found in these plants. On the other hand, the sensitive line showed a deficit of the nutrients K+, Mg2 + and organic N content. Subsequently, an agronomic experiment was carried out under real field conditions to determine how salinity and heat stresses combined affected fruit sugar metabolism in a tolerant (RIL-76) and a sensitive (RIL -18) tomato lines. Two fruit maturation stages (red and green fruit) were analyzed. The tolerant line showed a significant increase in the activity of the enzymes fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), sucrose phosphate synthase (SPS), sucrose synthase 3 (SUS3), glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and acid invertase (AI) compared to the sensitive line, which resulted in a higher accumulation of fructose, glucose and UDP-glucose. Finally, in order to integrate all the data and obtain a general characterization of how the combination of salinity and heat affects plants of a commercial tomato variety, an analysis of the entire transcriptional profile, together with a post-transcriptional, metabolomic biochemical and physiological exhaustive analyses were performed. The results showed that, under these stress conditions, a unique reprogramming of metabolic pathways occurred with changes in the differential expression of 1,388 genes and the accumulation of 568 molecular compounds. The integration of the data showed a synchronization between the proline and ascorbate pathways to maintain cellular homeostasis. Transcription factors of the Leucine Zipper Domain (bZIP), Zinc Finger Cysteine-2 / Histidine-2 (C2H2) and Trihelix families were also identified as putative regulators of the differentially expressed genes identified under the combination of salinity and high temperature. These experiments demonstrate the relevance of the study of abiotic stresses in combination and serve as the basis for the identification of stress tolerance signaling mechanisms.