Caracterización fenotípica, fisiológica y molecular de la respuesta a salinidad y sequía en tomate cultivado (Solanum lycopersicum) y silvestre (S. pennellii)

Abstract

Un objetivo prioritario en biología vegetal es el desarrollo de variedades de interés agronómico, como tomate (Solanum lycopersicum L.), mejor adaptadas a estreses abióticos, entre ellos la sequía y la salinidad. Dos estrategias interesantes para abordar este objetivo son el estudio de especies silvestres relacionadas con el tomate cultivado, ya que poseen un alto grado de tolerancia a estreses abióticos, y el análisis de mutantes afectados en genes clave implicados en los mecanismos de tolerancia. En esta tesis doctoral se ha combinado el análisis fenotípico, fisiológico y molecular para la caracterización de tomate cultivado, la especie silvestre Solanum pennellii, y dos mutantes de ambas especies. En el primer capítulo de la tesis, se ha llevado a cabo un estudio comparativo entre tomate cultivado y S. pennellii en condiciones de sequía y salinidad. La tolerancia a sequía de S. pennellii está relacionada con la inducción de genes implicados en el metabolismo del nitrógeno, la homeostasis redox y el metabolismo/señalización de jasmonato y etileno. También se ha demostrado que el control de la pérdida de agua a través de las hojas es un mecanismo clave de la tolerancia de S. pennellii tanto a sequía como a salinidad. Para minimizar la pérdida de agua, las hojas de la especie silvestre poseen distintas características anatómicas, que incluyen la reducción de la densidad estomática y el engrosamiento de la pared celular. Además, el mantenimiento de un elevado contenido de agua en las hojas de S. pennellii está relacionado con la regulación de genes que codifican acuaporinas. En cuanto a los mecanismos que determinan la tolerancia de S. pennellii al estrés salino, nuestro estudio ha revelado que la acción coordinada de los genes SOS1 y HKT1;2 determinan el elevado transporte de Na+ hasta las hojas de la especie silvestre, donde es almacenado de forma eficiente en sus grandes vacuolas, favorecido por una mayor expresión de NHX3 y NHX4. Finalmente, en el primer capítulo de la tesis se ha avanzado en la caracterización del mutante pennellii salt hypersensitive (psh). Nuestros resultados sugieren que la acumulación masiva de agua y Na+ observada en la parte aérea del mutante se debe, por una parte, al co-transporte de ambos solutos mediado por acuaporinas, como PIP2;1 y, por otra, a la alteración de la expresión de HKT1;2, que también favorece la acumulación de Na+ en la parte aérea del mutante. En el segundo capítulo de la tesis, se ha analizado en primer lugar el transcriptoma del mutante de tomate res (restored cell structure by salinity) con el objetivo de indagar las bases moleculares de las alteraciones fenotípicas observadas en el mutante y su normalización en estrés salino. El elevado número de genes alterados constitutivamente, especialmente en raíz, indica que la inhibición del desarrollo del mutante res cuando las plantas se cultivan sin estrés es una consecuencia del desequilibrio del balance desarrollo-estrés. Además, se han identificado genes que podrían ser determinantes de la tolerancia del tomate a la salinidad, incluidos genes relacionados con la eficiencia de la fotosíntesis, homeostasis de proteínas y factores de transcripción. Posteriormente, se ha determinado que el fenotipo del mutante res está provocado por una mutación en el gen SlDEAD39, que codifica para un miembro de la familia de proteínas DEAD-box RNA helicasas. Además, nuestros análisis han revelado que SlDEAD39 está implicada en la maduración del rRNA 23S del ribosoma del cloroplasto, función que está alterada en el mutante res pero que se recupera parcialmente en salinidad. Finalmente, se ha discutido un posible mecanismo molecular para explicar la recuperación del procesamiento normal del rRNA 23S en el mutante durante el estrés salino. One priority objective for plant biologists is the development of new varieties better adapted to survive under abiotic stresses, such as salinity and drought, in economically-relevant agricultural crops, among them tomato (Solanum lycopersicum L.). To achieve this goal, one interesting approach is to study wild species related to cultivated tomato, as these generally show high levels of tolerance to abiotic stresses. Another promising approach is the identification and analysis of mutants affected in key genes involved in tolerance mechanisms. In this PhD thesis, phenotypical, physiological and molecular analyses were combined in order to characterize cultivated tomato, the wild species Solanum pennellii and two mutants obtained in both species. In the first chapter, a comparative study between cultivated tomato and S. pennellii was carried out under drought and salt stresses. The tolerance of S. pennellii to drought is related to the induction of genes involved in nitrogen metabolism, redox homeostasis and metabolism/signalling of jasmonate and ethylene. Moreover, we showed that the control of water loss through the leaves is a key determinant for drought and salinity tolerance in the wild species. In order to reduce water loss, the leaves of S. pennellii show several anatomical features, including the reduction of stomatal density and thickening of the cell wall. In addition, the maintenance of a high water content in S. pennellii leaves is related to the regulation of genes encoding aquaporins. Regarding the mechanisms controlling salinity tolerance, this study revealed that the coordinated role of SOS1 and HKT1;2 determine the high Na+ transport to the leaves of S. pennellii, where it is efficiently accumulated inside its huge vacuoles, as reflected by the higher expression of the genes NHX3 and NHX4. Finally, in the first chapter of this PhD work, we advanced in the characterization of the mutant pennellii salt hypersensitive (psh). The results suggest that the massive accumulation of water and Na+ observed in the shoot of the mutant is due, on the one hand, to the co-transport of both solutes mediated by aquaporins, such as PIP2;1, and on the other, to the alteration of HKT1;2 expression, which also contributes to the accumulation of Na+ in the aerial tissues of psh. In the second chapter of this PhD work, we first carried out the transcriptomic profiling of the res (restored cell structure by salinity) tomato mutant, in order to elucidate the molecular basis of the phenotypic alterations observed under non-stressful conditions and their recovery under salinity. The significant number of genes constitutively altered in res, especially in roots, revealed that the growth inhibition observed under non-stressful conditions is a consequence of an imbalance in the growth-defence trade-off. Moreover, several genes which may be important for salinity tolerance in tomato, including those related to photosynthetic efficiency, protein homeostasis and transcription factors, were identified. Subsequently, we discovered that the res phenotype is caused by a mutation in the gene SlDEAD39, which encodes for a member of the DEAD-box RNA helicase protein family. Moreover, our analyses revealed that SlDEAD39 is involved in the maturation of the rRNA 23S from the chloroplast ribosome, a function altered in the res mutant under control conditions but partially recovered under salt stress. Finally, a possible molecular mechanism to explain the recovery of 23S rRNA processing under salinity is discussed.