Identificación de las acuaporinas de Brassica oleracea L. var. italica y su potencial uso como marcadores de estrés abiótico

Abstract

La tesis "Identificación de las acuaporinas de Brassica oleracea L. var. italica y su potencial uso como marcadores de estrés abiótico" investiga las acuaporinas (AQPs) en el brócoli, un cultivo importante en la agricultura española, especialmente en la región de Murcia. El estudio surge de la necesidad de mejorar la productividad de cultivos en áreas afectadas por estreses abióticos, como la salinidad y la sequía, que se ven agravados por el cambio climático. Las acuaporinas, proteínas que facilitan el transporte de agua y solutos, son clave en la adaptación de las plantas a estos factores de estrés. El objetivo principal de la tesis es identificar y caracterizar las acuaporinas en el brócoli y estudiar su función bajo estreses abióticos como la salinidad y la variación de los niveles de boro. Además, se investiga su implicación en la fisiopatía conocida como "ceguera del brócoli", que afecta el desarrollo de la planta y reduce su productividad. Para ello, la investigación se divide en tres objetivos específicos: identificar y analizar la evolución de todas las acuaporinas en Brassica oleracea, estudiar el papel de estas proteínas bajo condiciones de estrés por salinidad y déficit o toxicidad de boro, y examinar su rol en la ceguera del brócoli mediante análisis ómicos, como la transcriptómica y la metabolómica. Los resultados obtenidos son significativos. Se identificaron 65 genes de acuaporinas en Brassica oleracea, lo que resalta la diversidad de estas proteínas en el brócoli. El análisis evolutivo reveló que las proteínas NIP (Proteínas Intrínsecas Nodulina-26) tienden a duplicarse, lo que sugiere su importancia en la respuesta de las plantas a los estreses abióticos. Entre las acuaporinas más expresadas en los tejidos se destacan las proteínas BoiPIP1-2a y BoiPIP1-2b. En cuanto al estudio del papel de las acuaporinas frente a la salinidad y el boro, se observó que el estrés combinado de salinidad y deficiencia de boro redujo significativamente la biomasa de las plantas, lo que indica una respuesta específica a esta combinación de estreses. Además, los patrones de expresión de las acuaporinas variaron según el tipo de estrés, lo que subraya su importancia en los mecanismos de adaptación. Se observó también que estas proteínas interactúan con los lípidos de las membranas celulares, lo que facilita la adaptación a la salinidad y los cambios en los niveles de boro. Respecto a la ceguera del brócoli, una fisiopatía caracterizada por el aborto del meristemo apical, los análisis transcriptómicos y metabolómicos revelaron alteraciones importantes en la expresión de genes relacionados con el transporte de agua y nutrientes, así como con el metabolismo de compuestos secundarios. Varias isoformas de acuaporinas y transportadores de potasio fueron identificadas como claves en las plantas afectadas por la ceguera. Estas alteraciones en la expresión de acuaporinas y la disminución en la síntesis de glucosinolatos y fenoles, compuestos esenciales para la defensa frente a estreses, sugieren que las acuaporinas están directamente relacionadas con la aparición de esta fisiopatía. En conclusión, esta tesis demuestra que las acuaporinas desempeñan un papel crucial en la adaptación del brócoli a estreses abióticos como la salinidad y el déficit de boro. Además, su implicación en la ceguera del brócoli abre nuevas oportunidades para utilizarlas como marcadores moleculares o dianas para la mejora genética de cultivos. Estos resultados ofrecen nuevas perspectivas para desarrollar estrategias que mejoren la resiliencia del brócoli a condiciones ambientales adversas, contribuyendo así a una agricultura más sostenible y eficiente, particularmente en regiones afectadas por el cambio climático.

The doctoral thesis titled "Identification of the Aquaporins in Brassica oleracea L. var. italica and Their Potential Use as Markers of Abiotic Stress" investigates aquaporins (AQPs) in broccoli, an important crop in Spanish agriculture, particularly in the Region of Murcia. The study arises from the need to improve crop productivity in areas affected by abiotic stresses, such as salinity and drought, which are exacerbated by climate change. Aquaporins, proteins that facilitate the transport of water and solutes, play a key role in plant adaptation to these stress factors. The main objective of the thesis is to identify and characterize aquaporins in broccoli and to study their function under abiotic stresses such as salinity and variations in boron levels. Additionally, their involvement in the physiopathy known as "broccoli blindness," which affects plant development and reduces productivity, is investigated. To achieve this, the research is divided into three specific objectives: identifying and analyzing the evolution of all aquaporins in Brassica oleracea, studying the role of these proteins under stress conditions of salinity and boron deficiency or toxicity, and examining their role in broccoli blindness using omics analyses such as transcriptomics and metabolomics. The results obtained are significant. Sixty-five aquaporin genes were identified in Brassica oleracea, highlighting the diversity of these proteins in broccoli. Evolutionary analysis revealed that NIP proteins (Nodulin-26-like Intrinsic Proteins) tend to duplicate, suggesting their importance in plant responses to abiotic stresses. Among the most highly expressed aquaporins in tissues, BoiPIP1-2a and BoiPIP1-2b stand out. Regarding the study of aquaporins' role in salinity and boron stress, it was observed that combined salinity and boron deficiency significantly reduced plant biomass, indicating a specific response to this combination of stresses. Furthermore, aquaporin expression patterns varied depending on the type of stress, underscoring their importance in adaptation mechanisms. It was also found that these proteins interact with lipids in cell membranes, facilitating adaptation to salinity and changes in boron levels. Concerning broccoli blindness, a physiopathy characterized by the abortion of the apical meristem, transcriptomic and metabolomic analyses revealed significant alterations in the expression of genes related to water and nutrient transport, as well as the metabolism of secondary compounds. Several aquaporin isoforms and potassium transporters were identified as key factors in plants affected by blindness. These alterations in aquaporin expression, along with the decreased synthesis of glucosinolates and phenols, compounds essential for stress defense, suggest that aquaporins are directly related to the onset of this disorder. In conclusion, this thesis demonstrates that aquaporins play a crucial role in broccoli’s adaptation to abiotic stresses such as salinity and boron deficiency. Furthermore, their involvement in broccoli blindness opens new opportunities for using them as molecular markers or targets for crop improvement. These findings offer new perspectives for developing strategies to enhance broccoli’s resilience to adverse environmental conditions, thus contributing to more sustainable and efficient agriculture, especially in regions affected by climate change.