Estudio sobre la participación y función de moléculas señal en la regulación de la simbiosis micorriza arbuscular

Resumen

Uno de los principales retos de nuestra sociedad es la transformación del sistema de desarrollo actual en uno más sostenible y compatible con el medio ambiente. Un factor clave dentro de este sistema ideal de desarrollo social es la agricultura, necesitada también de un profundo cambio hacia un sistema productivo más acorde con el concepto de desarrollo sostenible. Actualmente el sistema de cultivo que prima en nuestros campos es de tipo intensivo, y utiliza grandes cantidades de abonos químicos y pesticidas, los cuales a su vez afectan al equilibrio tanto de los ecosistemas de los que forman parte, como de ecosistemas alejados. Esto es debido principalmente al transporte de los compuestos químicos disueltos en aguas superficiales o subterráneas, provocando, por ejemplo, la eutrofización de aguas cercanas. Una forma de evitar tal exceso de componentes químicos en la agricultura es la utilización de microorganismos que sustituyan los efectos positivos de tales agroquímicos, facilitando por ejemplo, la absorción de nutrientes por las plantas cultivadas, haciéndolas más competitivas respecto a otras plantas oportunistas e incrementando su resistencia a enfermedades o a estreses abióticos, como el estrés hídrico o el salino. En este sentido, los hongos micorrícico-arbusculares son uno de los microorganismos simbiontes que aporta una mayor diversidad de beneficios, sino el que mas, a la planta con la que se asocia. Entre otros beneficios, la simbiosis micorrícico arbuscular (MA) mejora el estado nutricional de la planta, haciéndola más vigorosa y mejor competidora respecto al resto de las plantas de su entorno. Además, se ha demostrado que esta asociación hace a la planta hospedadora más resistente a estreses de tipo abiótico, como la sequía o la contaminación por metales pesados, y de tipo biótico, como el ataque de diferentes organismos patógenos (hongos, nematodos y bacterias). Estas características convierten a las MA en una potente alternativa al uso de numerosos compuestos agroquímicos, lo cual ayudaría a la transformación del sistema de cultivo intensivo en otro más sostenible y satisfactoriamente productivo. Las MA también parecen tener una gran capacidad como estabilizadoras de suelos degradados, lo cual ha despertado el interés de muchos ecólogos, que a su vez están demostrando que juegan un importante papel como favorecedoras de los procesos de reforestación y estabilización de ecosistemas. Estos datos, junto con su potencial aplicabilidad en la agricultura, han convertido a las MA en uno de los objetivos primordiales de numerosas investigaciones dentro del área temática de la Biología Vegetal. Dichas investigaciones han estado encaminadas a la comprobación y comprensión del efecto que tienen en las plantas hospedadoras y en el suelo en el que crecen. Sin embargo, la información que se tiene sobre la fisiología de la simbiosis presenta demasiadas lagunas, siendo estos conocimientos básicos para intentar mejorar o controlar los efectos positivos del hongo, mediante una correcta manipulación de la asociación. Las señales, mecanismos y procesos moleculares que tienen lugar durante el establecimiento de la interacción son aún bastante desconocidos, si bien el resultado es una interacción compatible y mutualista. Una de las señales vegetales que participan de manera más activa en la compatibilidad y funcionamiento de la micorriza arbuscular son las hormonas vegetales, y son muchas las publicaciones científicas que apuntan a que los cambios en la homeostasis hormonal pueden ser un factor clave en la formación y funcionamiento de la simbiosis MA. Sin embargo, la mayoría de los estudios realizados al respecto están basados en medidas de concentración hormonal o en medidas del efecto sobre la micorrización ocasionado por el aporte exógeno de la hormona en cuestión, existiendo pocos datos sobre la función real de cada hormona y la importancia de cada una de ellas en las distintas etapas de la formación de la MA. En este sentido, son muchos los efectos descritos por hormonas vegetales u otras moléculas señal en interacciones patogénicas y mutualistas de microorganismos con plantas, destacando los debidos al etileno (ET), ácido jasmónico (JA) y ácido salicílico (SA; considerado como hormona vegetal por numerosos autores). Así, en ciertas respuestas de la planta en interacciones con microorganismos patógenos existe una coordinación de señales hormonales (principalmente ET, JA, SA) que pueden afectar la compatibilidad de la asociación, existiendo un papel diferencial de estas señales en función del microorganismo. Además, dado que el efecto bioprotector de las MA sobre la planta supone un importante beneficio para estas a nivel agrónomo y ecológico, y ya que estas moléculas están fuertemente relacionadas con diferentes procesos de defensa de la planta ante patógenos, posiblemente estas moléculas también formen parte del mecanismo de acción del efecto bioprotector que tiene la micorrización en plantas. El objetivo general de la investigación presentada en esta tesis, es avanzar en el conocimiento de los mecanismos moleculares implicados en la regulación y respuesta de la planta a la infección por hongos formadores de micorrizas arbusculares, con especial interés en la función que tienen las hormonas vegetales y el SA durante la formación y el desarrollo de la simbiosis MA. Con el fin de conseguir este objetivo general se planteron los siguientes objetivos parciales: -Determinar la participación del ácido salicílico (SA) en el proceso de micorrización, y su implicación en la inducción de la respuesta de defensa de la planta. -Determinar la participación de etileno, ácido jasmónico (JA) y ácido abscísico (ABA) en el proceso de micorrización. -Determinar la posible interacción entre las distintas moléculas señal, SA, etileno, JA y ABA durante la regulación de la micorrización. -Determinar la posible relación entre la regulación de la micorrización mediada por los niveles de fósforo y la regulación mediada por etileno y SA. Así, tras la realización de este poyecto de trabajo las principales conclusiones obtenidas han sido: 1.El grado y tipo de alteración de la micorrización, debido a la variación de los niveles endógenos de ácido salicílico de la planta, sugiere que este compuesto es importante en etapas iniciales de la micorrización, como la penetración del hongo arbuscular en la raíz. 2.Durante la micorrización de Pisum sativum por G. intraradices, la alteración en el programa simbiótico de la planta por mutación en los genes Sym30 y Sym19, cuya expresión se produce en etapas tempranas de la micorrización, conlleva la alteración de la respuesta de ciertos genes de defensa regulados por ácido salicílico. 3.La expresión constitutiva del gen de defensa PRms no incrementa la capacidad de resistencia de plantas de arroz y tabaco a la infección por hongos arbusculares, a diferencia de lo ocurre con hongos patógenos. Por el contrario, la sobre-expresión de PRms favorece la micorrización de las plantas, posiblemente como consecuencia de un incremento en la disponibilidad de azúcares para el hongo micorrícico. 4.El etileno participa en funciones múltiples y antagónicas que intervienen en la regulación de la simbiosis entre S. lycopersicum y G. intraradices: Por un lado, favorece el inicio de la micorrización, y por otro, inhibe el desarrollo de la simbiosis afectando a la funcionalidad de los arbúsculos, entre otros valores. En la acción del etileno durante la micorrización tienen un papel esencial y determinante los receptores de etileno, entre los cuales es probable que cada tipo influya de distinta forma en la micorrización. 5.El efecto del ácido jasmónico sobre el desarrollo de la simbiosis entre S. lycopersicum y G. intraradices es dosis-dependiente: La aplicación en raíz de bajas concentraciones de metil jasmonato favorece el desarrollo de la micorrización, incrementándose los puntos de infección; Sin embargo, tanto la aplicación en raíz de altas concentraciones de metil jasmonato, como la activación sistémica de la respuesta a metil jasmonato, inhiben la micorrización. La regulación de la micorrización es dependiente de la correcta funcionalidad de la ruta de señalización activada por el ácido jasmónico. 6.El ácido abscísico es necesario en la formación de la simbiosis entre S. lycopersicum y G. intraradices, participando en la formación completa de los arbúsculos y en su correcta funcionalidad. 7.La regulación de la simbiosis entre S. lycopersicum y G. intraradices no se debe solo a la acción independiente de las rutas de señalización de cada fitohormona, sino a combinación de distintas rutas hormonales en la planta que determina respuestas específicas para la micorrización. De este modo: los niveles de ácido salicílico afectan a la señalización de etileno y ácido jasmónico durante la micorrización; La respuesta al ácido jasmónico afecta a la señalización del etileno durante la micorrización, ya que parte de los efectos positivos o negativos del ácido jasmónico sobre la micorrización posiblemente se deban a la inhibición o inducción transitoria de la síntesis de etileno; Y parte del efecto del ácido abscísico durante la formación de los arbúsculos muy probablemente se deba a su acción antagonista sobre la síntesis de etileno. 8.El efecto inhibidor del fósforo sobre la micorrización de S. lycopersicum por G. intraradices es independiente de los niveles de ácido salicílico y de la capacidad de percepción de etileno de la planta.