Roles of C1A peptidases during barley leaf senescence mediated by abiotic stresses

  1. Velasco Arroyo, Blanca
Dirigida por:
  1. Manuel Martínez Muñoz Director/a
  2. Isabel Díaz de la Torre Director/a

Universidad de defensa: Universidad Politécnica de Madrid

Fecha de defensa: 16 de febrero de 2017

Tribunal:
  1. Francisco Barro Losada Presidente/a
  2. Pablo González-Melendi de León Secretario/a
  3. Luisa María Sandalio González Vocal
  4. Edwin R. Hancock Vocal
  5. Begoña Benito Casado Vocal

Tipo: Tesis

Resumen

La degradación y movilización de proteínas desde tejidos maduros o sometidos a estrés, como las hojas, hasta los órganos en desarrollo o sumidero, como los granos de los cereales, son procesos metabólicos inherentes a la senescencia foliar. Los programas de senescencia se activan tanto en respuesta a señales endógenas como a estreses abióticos y bióticos como estrategia de supervivencia. La proteólisis en hojas senescentes implica multitud de proteasas de origen nuclear y plastidial, reguladores, diversas localizaciones subcelulares, así como un tráfico dinámico cuyo fin es asegurar la transformación de proteínas de alto peso molecular en productos hidrolizados que puedan transportarse y reutilizarse. La familia C1A de cisteín-proteasas engloba un buen número de enzimas responsables de la actividad proteolítica asociada a la senescencia foliar. Además, las cistatinas, inhibidores específicos de dichas proteasas, ejercen un papel regulador durante este proceso fisiológico. En cebada (Hordeum vulgare), las familias completas de proteasas C1A y cistatinas han sido identificadas. Dilucidar el papel funcional de las proteasas C1A de cebada en respuesta a estreses abióticos es esencial, debido a su impacto sobre el crecimiento de las plantas y la alteración del rendimiento y calidad del grano. Los tratamientos de oscuridad y de carencia de nitrógeno se utilizaron para inducir senescencia foliar en cebada. Ambos estreses indujeron claramente la expresión del gen HvPap-1, que codifica una proteasa tipo catepsina F. Cuando se compararon plantas control frente a líneas transgénicas de sobrexpresión y de silenciamiento para este gen en oscuridad, se observaron alteraciones significativas en parámetros bioquímicos, en patrones de expresión de genes de proteasas C1A, así como en el contenido proteico. Por otro lado, el fenotipo “stay-green” de las líneas de silenciamiento evidenció una vida útil más prolongada en estas plantas, demostrando la implicación funcional de esta proteasa a lo largo del proceso de senescencia. La proteólisis es asimismo esencial para la movilización de proteínas de reserva del grano durante la germinación. La manipulación de la maquinaria proteolítica durante este proceso fisiológico podría tener un efecto de mejora sobre la calidad del grano y el rendimiento del cultivo. Las líneas transgénicas de sobreexpresión y silenciamiento del gen HvPap-1 mostraron una acumulación diferencial de almidón, proteínas y amino ácidos en la semilla. El fenotipo de los granos de las líneas silenciadas evidenció un claro retraso en el proceso germinativo. También se observaron alteraciones en las actividades proteolíticas, asociadas a las variaciones en los niveles de expresión de genes C1A. De forma paralela, al silenciarse el gen Icy-2 que codifica uno de los inhibidores de la catepsina F estudiada, se observaron efectos en relación con el llenado y calidad del grano. La interacción y la implicación funcional de cisteín-proteasas y cistatinas en cebada se ha constatado en este estudio, tal y como se infiere de la tolerancia alterada frente a sequía en las líneas de silenciamiento de cistatinas. Dos fitocistatinas, HvCPI-2 y HvCPI-4, se indujeron específicamente por dicho estrés. Las alteraciones en los patrones proteolíticos al silenciar estas cistatinas fueron paralelas a las variaciones en la expresión de genes de sus proteasas diana. En función de la cistatina silenciada, se apreció un retraso o una aceleración en la senescencia. Estos resultados apoyan el uso de estas líneas con el objetivo de modular las respuestas a estreses diversos y mantener, o incluso incrementar, los rendimientos en el marco evidente del cambio climático. De acuerdo con los resultados obtenidos, la manipulación de las interacciones entre proteasas C1A y cistatinas en cebada permitiría modular la sensibilidad frente a estreses abióticos concretos en base a modificaciones sobre los programas de senescencia endógenos. Se confirma asimismo, la importancia in vivo de esta compleja red proteolítica durante la germinación. Como observación general, cuando se diseñen estrategias biotecnológicas basadas en estos mecanismos moleculares se han de considerar los efectos de compensación derivados de la expresión de otros inhibidores y/o proteasas de la planta.