Function of C1A barley peptidases and their inhibitors (cystatins) in barley seed germination : Funcion de las peptidasas C1A de cebada y sus inhibidores (cistatinas) en la germinacion de la semilla

Plant proteolysis is a metabolic process where specific enzymes called peptidases degrade proteins. In plants, this complex process involves broad metabolic networks and different sub-cellular compartments. Several types of peptidases take part in the proteolytic process, mainly cysteine-, serine-, aspartyl- and metallo- peptidases. Among the cysteine-peptidases, the papain-like or C1A peptidases (family C1, clan CA) are extensively present in land plants and are classified into catepsins L-, B-, H- and Flike. The catalytic mechanism of these C1A peptidases is highly conserved and involves the three amino acids Cys, His and Asn in the catalytic triad, and a Gln residue which seems essential for maintaining an active enzyme conformation. These proteins are synthesized as inactive precursors, which comprise an N-terminal signal peptide, a propeptide, and the mature protein. In barley, we have identified 33 cysteine-peptidases from the papain-like family, classifying them into 8 different groups. Five of them corresponded to cathepsins L-like (5 subgroups), 1 cathepsin B-like group, 1 cathepsin F-like group and 1 cathepsin H-like group. Besides, C1A peptidases are the specific targets of the plant proteinaceous inhibitors known as phytocystatins (PhyCys). The cystatin inhibitory mechanism is produced by a tight and reversible interaction with their target enzymes. In barley, the cystatin gene family is comprised by 13 members. In this work we have tried to elucidate the role of the C1A cysteine-peptidases and their specific inhibitors (cystatins) in the germination process of the barley grain. Therefore, we selected a representative member of each group/subgroup of C1A peptidases (1 cathepsin B-like, 1 cathepsin F-like, 1 cathepsin H-like and 5 cathepsins L-like). The molecular characterization of the cysteine-peptidases was done and the peptidase-inhibitor interaction was analyzed in vitro and in vivo. A study in the structural basis for specificity of pro-peptide/enzyme interaction in barley C1A cysteine-peptidases has been also carried out by inhibitory assays and the modeling of the three-dimensional structures. The barley grain maturation produces the accumulation of storage proteins (prolamins) in the endosperm which are mobilized during germination to supply the required nutrients until the photosynthesis is fully established. In this work, we have demonstrated the participation of the cysteine-peptidases and their inhibitors in the degradation of the different storage protein fractions (hordeins, albumins and globulins) present in the barley grain. Besides, transgenic barley plants overexpressing or silencing cysteine-peptidases or cystatins were obtained by Agrobacterium-mediated transformation of barley immature embryos to analyze their physiological function in vivo. Preliminary assays were carried out with the T1 grains of several transgenic lines. Comparing the knock-out and the overexpressing lines with the WT, alterations in the germination process were detected and were correlated with their grain hordein content. These data will be validated with the homozygous grains that are being produced through the double haploid technique by microspore culture. Resumen La proteólisis es un proceso metabólico por el cual se lleva a cabo la degradación de las proteínas de un organismo a través de enzimas específicas llamadas proteasas. En plantas, este complejo proceso comprende un entramado de rutas metabólicas que implican, además, diferentes compartimentos subcelulares. En la proteólisis participan numerosas proteasas, principalmente cisteín-, serín-, aspartil-, y metalo-proteasas. Dentro de las cisteín-proteasas, las proteasas tipo papaína o C1A (familia C1, clan CA) están extensamente representadas en plantas terrestres, y se clasifican en catepsinas tipo L, B, H y F. El mecanismo catalítico de estas proteasas está altamente conservado y la triada catalítica formada por los aminoácidos Cys, His y Asn, y a un aminoácido Gln, que parece esencial para el mantenimiento de la conformación activa de la proteína. Las proteasas C1A se sintetizan como precursores inactivos y comprenden un péptido señal en el extremo N-terminal, un pro-péptido y la proteína madura. En cebada hemos identificado 33 cisteín-proteasas de tipo papaína y las hemos clasificado filogenéticamente en 8 grupos diferentes. Cinco de ellos pertenecen a las catepsinas tipo L (5 subgrupos), un grupo a las catepsinas tipo-B, otro a las catepsinas tipo-F y un último a las catepsinas tipo-H. Las proteasas C1A son además las dianas específicas de los inhibidores protéicos de plantas denominados fitocistatinas. El mecanismo de inhibición de las cistatinas está basado en una fuerte interacción reversible. En cebada, se conoce la familia génica completa de las cistatinas, que está formada por 13 miembros. En el presente trabajo se ha investigado el papel de las cisteín-proteasas de cebada y sus inhibidores específicos en el proceso de la germinación de la semilla. Para ello, se seleccionó una proteasa representante de cada grupo/subgrupo (1 catepsina tipo- B, 1 tipo-F, 1 tipo-H, y 5 tipo-L, una por cada subgrupo). Se ha llevado a cabo su caracterización molecular y se ha analizado la interacción enzima-inhibidor tanto in vivo como in vitro. También se han realizado estudios sobre las bases estructurales que demuestran la especificidad en la interacción enzima/propéptido en las proteasas C1A de cebada, mediante ensayos de inhibición y la predicción de modelos estructurales de la interacción. Finalmente, y dado que durante la maduración de la semilla se almacenan proteínas de reserva (prolaminas) en el endospermo que son movilizadas durante la germinación para suministrar los nutrientes necesarios hasta que la nueva planta pueda realizar la fotosíntesis, en este trabajo se ha demostrado la participación de las cisteínproteasas y sus inhibidores en la degradación de las diferentes tipos de proteínas de reserva (hordeinas, albúmins y globulinas) presentes en el grano de cebada. Además, se han obtenido plantas transgénicas de cebada que sobre-expresan o silencian cistatinas y cisteín-proteasas con el fin de analizar la función fisiológica in vivo. Se han realizado análisis preliminares en las semillas T1 de varias líneas tránsgenicas de cebada y al comparar las líneas knock-out y las líneas de sobre-expresión con las silvestres, se han detectado alteraciones en la germinación que están además correlacionadas con el contenido de hordeinas de las semillas. Estos datos serán validados en las semillas homocigotas que se están generando mediante la técnica de dobles haploides a partir del cultivo de microesporas.

Influencia de los fármacos presentes en el agua residual sobre la resistencia de la bacteria Escherichia coli y su eliminación por oxidación avanzada

Los fármacos en el agua han sido considerados en los últimos años un problema medioambiental grave, y se ha incrementado el interés por los efectos que pueden producirse en el medio acuático. Aunado a este problema se encuentra el consumo excesivo de medicamentos no controlados, los cuales pueden ser desechados sin tener el tratamiento adecuado; por lo que se ingresan a los cursos de agua. Estos contaminantes emergentes son compuestos cuyo vertido supone un problema sanitario y ambiental. Se trata de contaminantes solubles en agua por lo que son capaces de estar presentes en todas las etapas del ciclo del agua. Han sido numerosos estudios los que se han realizado en diferentes países, ya que su presencia se ha convertido en un tema emergente en la química del medio ambiente, debido a que en las investigaciones realizadas muestran que no hay una eliminación completa a pesar de los distintos procesos que se aplican en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Esta contaminación, incrementa la necesidad de conocer cuál es el efecto toxicológico sobre los organismos acuáticos y, en consecuencia, en las personas. La bacteria Escherichia Coli, es un organismo muy estudiado, debido a que se encuentra en los intestinos de los animales y humanos y por lo consiguiente en las aguas negras. Teniendo en cuenta la crítica situación, se planteó estudiar el efecto sobre la bacteria E. coli de 4 fármacos: Atenolol, Azitromicina, Estradiol e Ibuprofeno, para conocer cual era su comportamiento y el efecto que podían producir la presencia de los fármacos en la eliminación por procesos de oxidación. Así también, los efectos producidos sobre E. Coli, después de estar en contacto con los fármacos 1, 3 y 7 días. Se observó que los fármacos tienen efectos en el aumento o eliminación de los microrganismos dependiendo de los tiempos de exposición y la concentración del fármaco. Así mismo se observó que los microorganismos asimilan mejor las concentraciones menores de fármacos, a tiempos de contacto mayores de 24 horas. Con todos los desinfectantes de estudio se observaron ligeras resistencias de la bacteria ante la presencia de los fármacos. Drugs in water have been considered in recent years a serious environmental problem, and has increased interest in the effects that may occur in the aquatic environment. Added to this problem is the excessive consumption of non-controlled drugs, which can be disposed of without proper treatment, so they enter waterways. These are compounds emerging contaminants being discharged is a health and environmental problem. It is water soluble contaminants and are therefore able to be present in all stages of the water cycle. There have been numerous studies conducted in different countries, since their presence has become an emerging issue in environmental chemistry, because in the research shows that there isn’t a removal despite the different processes used in wastewater treatment plants. This contamination, increases the need to know what is the toxicological effects on aquatic organisms and, consequently, in people. The bacterium Escherichia coli, is a well-studied organism because it is found in the intestines of animals and humans and is therefore in the wastewater. Given the critical situation, was proposed to study the effect on the bacterium E. coli of 4 drugs: Atenolol, Azithromycin, Estradiol and Ibuprofen, to know what his behavior and the effect it could produce the presence of drugs in the removal by oxidation processes. Also, the effects on E. Coli, after being in contact with the drug 1, 3 and 7 days. It was noted that the drugs have effects on the growth or elimination of microorganisms depending on exposure time and the drug concentration. Also it was observed that the microorganisms assimilate lower concentrations of drug better over 24 hours. With all disinfectants study were observed resistances of the bacteria in the presence of the drugs.

Estudio cuantitativo del efecto de los inhibidores de la nitrificación y de la actividad ureasa sobre el rendimiento de los cultivos

Mitigación de GEI en sistemas agrícolas