Modulación del ácido abscísico en plantas de tomate: respuesta integral a la combinación de estreses abióticos

Abstract

La presente tesis doctoral aborda la complejidad de las respuestas de las plantas a múltiples estreses abióticos y destaca cómo las combinaciones de estos factores ambientales generan respuestas únicas que no pueden deducirse a partir del estudio de estreses individuales. En este contexto, el ácido abscísico (ABA) actúa como un regulador clave en la respuesta de las plantas al estrés abiótico. En este trabajo nos focalizamos en entender las respuestas tanto dependientes como independientes de ABA, ya que este conocimiento es necesario para la identificación de marcadores directamente implicados en la adaptación de las plantas a situaciones complejas como el cambio climático. En primera instancia, en el Capítulo I, se utilizaron las hojas del mutante de tomate deficiente en ABA, flacca (flc), para evaluar la respuesta de las plantas a salinidad, altas temperaturas y su combinación. Un análisis profundo del transcriptoma reveló que la combinación de salinidad y altas temperaturas indujo una reprogramación significativa de la expresión génica. Entre estos genes, se identificaron varios factores de transcripción independientes de ABA que pertenecen a la familia R2R3-MYB y directamente relacionados con la biosíntesis de flavonoles, sugiriendo su papel en la adaptación de las plantas a estreses combinados. Por otra parte, en el Capítulo II se demuestra cómo los análisis multiómicos realizados en las hojas de mutantes flc bajo las mismas condiciones estresantes daban lugar a cambios significativos en la fenómica (biomasa y fotosíntesis), la ionómica, la metabolómica y la transcriptómica y permitió la identificación de marcadores exclusivos de cada condición de estrés que no se detectaron cuando cada ómica fue estudiada por separado. Además, en el Capítulo III se estudiaron como las raíces de los mutantes flc respondían a condiciones control, salinidad, altas temperatura y salinidad + altas temperaturas a nivel ionómico y metabolómico y se demostró que el ABA juega un papel fundamental en la regulación de la homeostasis iónica y el metabolismo de compuestos secundarios, como los fenilpropanoides y los terpenoides. Asimismo, se observó que la combinación de salinidad y altas temperaturas intensificaba la vulnerabilidad de los mutantes flc, con alteraciones significativas en la acumulación de iones y metabolitos que no se presentaron en las plantas sometidas a estreses simples. Esto resalta la complejidad de la respuesta de las plantas a estreses simultáneos y la importancia de ABA en la modulación de estas respuestas. Paralelamente se realizó un estudio para evaluar si la aplicación exógena de ABA a mutantes flc producía su recuperación a nivel fenotípico y molecular (transcritos, metabolitos e iones). Nuestros resultados demostraron que estos mutantes no recuperaban por completo el fenotipo silvestre, pero sí desencadenó una reprogramación celular específica a nivel transcriptómico, metabolómico e iónico. Por último, en el Capítulo IV exploramos cómo el ABA regula la respuesta de plantas de tomate (variedad comercial Rheinlands Ruhm) a estreses abióticos (salinidad, déficit hídrico y su combinación) en condiciones de campo y en distintas estaciones (otoño-invierno y primavera-verano). Se evaluó el rendimiento y el metabolismo de frutos de tomate en plantas silvestres y en los mutantes flc. Los resultados mostraron que las respuestas metabólicas variaron según la estación y el estrés aplicado. Además, la deficiencia de ABA provocó cambios significativos en la síntesis de compuestos fenólicos. En resumen, estudiamos las respuestas de la interacción multifactorial entre el ABA, las condiciones ambientales y el metabolismo de la planta. En conjunto, esta tesis doctoral destaca la importancia de estudiar factores de estrés combinados para identificar marcadores y rutas dependientes e independientes de ABA que fortalezcan la resistencia de las plantas al cambio climático, promoviendo así una agricultura sostenible y resiliente para escenarios futuros.

This PhD thesis addresses the complexity of plant responses to multiple abiotic stresses and highlights how combinations of these environmental factors generate unique responses that cannot be deduced from the study of individual stresses. In this context, abscisic acid (ABA) acts as a key regulator in the response of plants to abiotic stresses. In this work we focus on understanding both ABA-dependent and ABA-independent responses, as this knowledge is necessary for the identification of markers directly involved in plant adaptation to complex situations such as climate change. In the first instance, in Chapter I, leaves of the ABA-deficient tomato mutant flacca (flc) were used to evaluate the response of plants to salinity, high temperature and their combination. An in-depth transcriptome analysis revealed that the combination of salinity and high temperature induced a significant reprogramming of gene expression. Among these genes, several ABA-independent transcription factors belonging to the R2R3-MYB family and directly related to flavonol biosynthesis were identified, suggesting their role in plant adaptation to combined stresses. Moreover, Chapter II demonstrates how multi-omics analyses performed on flc mutant leaves under the same stress conditions resulted in significant changes in phenomics (biomass and photosynthesis), ionomics, metabolomics and transcriptomics and allowed the identification of markers unique to each stress condition that were not detected when each omics was studied separately. In addition, Chapter III studied how the roots of flc mutants responded to control conditions, salinity, high temperature and salinity + high temperature at the ionomic and metabolomic level and showed that ABA plays a fundamental role in the regulation of ion homeostasis and the metabolism of secondary compounds, such as phenylpropanoids and terpenoids. It was also observed that the combination of salinity and high temperature intensified the vulnerability of flc mutants, with significant alterations in ion and metabolite accumulation that were not present in plants under single stresses. This highlights the complexity of plant responses to simultaneous stresses and the importance of ABA in modulating these responses. In parallel, a study was performed to assess whether exogenous application of ABA to flc mutants resulted in their recovery at the phenotypic and molecular level (transcripts, metabolites and ions). Our results showed that these mutants did not fully recover the wild-type phenotype, but did trigger specific cellular reprogramming at the transcriptomic, metabolomic and ionic levels. Finally, in Chapter IV we explored how ABA regulates the response of tomato plants (commercial variety Rheinlands Ruhm) to abiotic stresses (salinity, water deficit and their combination) under field conditions and in different seasons (autumn-winter and spring-summer). Tomato yield and fruit metabolism were evaluated in wild-type plants and flc mutants. Results showed that metabolic responses varied according to season and applied stress. In addition, ABA deficiency caused significant changes in the synthesis of phenolic compounds. In summary, we studied the multifactorial interaction responses between ABA, environmental conditions and plant metabolism. Overall, this PhD thesis highlights the importance of studying combined stress factors to identify ABA-dependent and ABA-independent markers and pathways that strengthen plant resistance to climate change, thus promoting sustainable and resilient agriculture for future scenarios.