Increased glutamine in leaves of poplar transgenic with pine GS1a caused greater anthranilate synthetase a-subunit (ASA1) transcript and protein abundances: an auxin-related mechanism for enhanced growth in GS transgenics?

The initial reaction in the pathway leading to the production of indole-3-acetic acid (IAA) in plants is the reaction between chorismate and glutamine to produce anthranilate, catalysed by the enzyme anthranilate synthase (ASA; EC 4.1.3.27). Compared with non-transgenic controls, leaves of transgenic poplar with ectopic expression of the pine cytosolic glutamine synthetase (GS1a; EC 6.3.1.2) produced significantly greater glutamine and significantly enhanced ASA a-subunit (ASA1) transcript and protein (approximately 130% and 120% higher than in the untransformed controls, respectively). Similarly, tobacco leaves fed with 30 mM glutamine and 2 mM chorismate showed enhanced ASA1 transcript and protein (175% and 90% higher than controls, respectively). Furthermore, free IAA was significantly elevated both in leaves of GS1a transgenic poplar and in tobacco leaves fed with 30 mM glutamine and 2 mM chorismate. These results indicated that enhanced cellular glutamine may account for the enhanced growth in GS transgenic poplars through the regulation of auxin biosynthesis

Uncovering cold disruption of the circadian clock in poplar

Dormancy is an adaptive mechanism that allows woody plants to survive at low temperatures during the winter. Disruption of circadian clock genes in winter or under low temperatures, both in long days as in short days, were described in our group few years ago (Ramos et al., 2005). Basic mechanisms of the circadian clock function are similar in herbaceous as well as in woody plants although there are differences in their response to low temperatures (Bieniawska et al., 2008). Woody plants growing in daylight conditions should have a specific transcriptional control above the circadian clock genes, which is responsible of their constitutive transcriptional activation observed under low temperatures conditions. In order to understand this regulatory process, we are analyzing the behavior of a circadian clock gene in poplar. To this aim, we have isolated its promoter region and fused to the luciferase reporter gene. This construct has been transformed into Populus tremula x P. alba 717-1B4 INRA clone. Here we present the characterization of these transgenic lines under different conditions of light and temperature.

Chaperonas moleculares y tolerancia a estrés abiótico en especies arbóreas

Las temperaturas extremas, la sequía y otros estreses abióticos limitan la producción forestal de forma significativa, causando grandes pérdidas económicas en el sector. Los árboles, al ser organismos sésiles, han desarrollado una serie de estrategias para percibir dichos factores, activando respuestas defensivas apropiadas. Entre ellas ocupa un lugar preeminente la síntesis de proteínas con actividad chaperona molecular. Las chaperonas moleculares interaccionan con proteínas desnaturalizadas total o parcialmente, promoviendo su correcto plegamiento y ensamblaje. Las chaperonas moleculares que se sintetizan de forma predominante en plantas, pero no en otros eucariotas, pertenecen a la familia sHSP (small heat-shock proteins). Se trata de una familia inusualmente compleja y heterogénea, cuyos miembros son de pequeño tamaño (16-42 kD) y poseen un dominio “alfa-cristalina” muy conservado. Estas proteínas están implicadas en protección frente a estrés abiótico mediante la estabilización de proteínas y membranas, si bien su mecanismo de acción se conoce de forma incompleta. A pesar del evidente potencial aplicado de las proteínas sHSP, son muy escasos los estudios realizados hasta el momento con un enfoque netamente biotecnológico. Por otra parte, casi todos ellos se han llevado a cabo en especies herbáceas de interés agronómico o en especies modelo, como Arabidopsis thaliana. De ahí que las sHSP de arbóreas hayan sido mucho menos caracterizadas estructural y funcionalmente, y ello a pesar del interés económico y ecológico de los árboles y de su prolongada exposición vital a múltiples factores estresantes. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de sHSP de varias especies arbóreas de interés económico. El escrutinio exhaustivo de genotecas de cDNA de órganos vegetativos nos ha permitido identificar y caracterizar los componentes mayoritarios de tallo en dos especies productoras de madera noble: nogal y cerezo. También hemos caracterizado la familia completa en chopo, a partir de su secuencia genómica completa. Mediante expresión heteróloga en bacterias, hemos analizado el efecto protector de estas proteínas in vivo frente a distintos tipos de estrés abiótico, relevantes para el sector productivo. Los resultados demuestran que las proteínas sHSP-CI: (i) aumentan la viabilidad celular de E.coli frente a casi todos estos factores, aplicados de forma individual o combinada; (ii) ejercen un rol estabilizador de las membranas celulares frente a condiciones adversas; (iii) sirven para mejorar la producción de otras proteínas recombinantes de interés comercial. El efecto protector de las proteínas sHSP-CI también ha sido analizado in planta, mediante la expresión ectópica de CsHSP17.5-CI en chopos. En condiciones normales de crecimiento no se han observado diferencias fenotípicas entre las líneas transgénicas y los controles, lo que demuestra que se pueden sobre-expresar estas proteínas sin efectos pleiotrópicos deletéreos. En condiciones de estrés térmico, por el contrario, los chopos transgénicos mostraron menos daños y un mejor crecimiento neto. En línea con lo anterior, las actividades biológicas de varias enzimas resultaron más protegidas frente a la inactivación por calor, corroborando la actividad chaperona propuesta para la familia sHSP y su conexión con la tolerancia al estrés abiótico. En lo que respecta a la multiplicación y propagación de chopo in vitro, una forma de cultivo que comporta estrés para las plantas, todas las líneas transgénicas se comportaron mejor que los controles en términos de producción de biomasa (callos) y regeneración de brotes, incluso en ausencia de estrés térmico. También se comportaron mejor durante su cultivo ex vitro. Estos resultados tienen gran potencial aplicado, dada la recalcitrancia de muchas especies vegetales de interés económico a la micropropagación y a la manipulación in vitro en general. Los resultados derivados de esta Tesis, aparte de aportar datos nuevos sobre el efecto protector de las proteínas sHSP citosólicas mayoritarias (clase CI), demuestran por vez primera que la termotolerancia de los árboles puede ser manipulada racionalmente, incrementando los niveles de sHSP mediante técnicas de ingeniería genética. Su interés aplicado es evidente, especialmente en un escenario de calentamiento global. ABSTRACT Abiotic stress produces considerable economic losses in the forest sector, with extreme temperature and drought being amongst the most relevant factors. As sessile organisms, plants have acquired molecular strategies to detect and recognize stressful factors and activate appropriate responses. A wealth of evidence has correlated such responses with the massive induction of proteins belonging to the molecular chaperone family. Molecular chaperones are proteins which interact with incorrectly folded proteins to help them refold to their native state. In contrast to other eukaryotes, the most prominent stress-induced molecular chaperones of plants belong to the sHSP (small Heat Shock Protein) family. sHSPs are a widespread and diverse class of molecular chaperones that range in size from 16 to 42k Da, and whose members have a highly conserved “alpha-crystallin” domain. sHSP proteins play an important role in abiotic stress tolerance, membrane stabilization and developmental processes. Yet, their mechanism of action remains largely unknown. Despite the applied potential of these proteins, only a few studies have addressed so far the biotechnological implications of this protein family. Most studies have focused on herbaceous species of agronomic interest or on model species such as Arabidopsis thaliana. Hence, sHSP are poorly characterized in long-lived woody species, despite their economic and ecological relevance. This Thesis studies sHSPs from several woody species of economic interest. The most prominent components, namely cytosolic class I sHSPs, have been identified and characterized, either by cDNA library screening (walnut, cherry) or by searching the complete genomic sequence (poplar). Through heterologous bacterial expression, we analyzed the in vivo protective effects of selected components against abiotic stress. Our results demonstrate that sHSP-CI proteins: (i) protect E. coli cells against different stressful conditions, alone or combined; (ii) stabilize cell membranes; (iii) improve the production of other recombinant proteins with commercial interest. The effects of CsHSP17.5-CI overexpression have also been studied in hybrid poplar. Interestingly, the accumulation of this protein does not have any appreciable phenotypic effects under normal growth conditions. However, the transgenic poplar lines showed enhanced net growth and reduced injury under heat-stress conditions compared to vector controls. Biochemical analysis of leaf extracts revealed that important enzyme activities were more protected in such lines against heat-induced inactivation than in control lines, lending further support to the chaperone mode of action proposed for the sHSP family. All transgenic lines showed improved in vitro and ex vitro performance (calli biomass, bud induction, shoot regeneration) compared to controls, even in the absence of thermal stress. Besides providing new insights on the protective role of HSP-CI proteins, our results bolster the notion that heat stress tolerance can be readily manipulated in trees through genetic engineering. The applied value of these results is evident, especially under a global warming scenario.

CsRAV1: a candidate gene for improving lignocellulosic biomass yield

Fast-growing tree species of Populus spp.,Salix spp. and Eucalyptus spp. are cultivated to produce wood in a short time. Poplars are cultivated with cycles of 15-18 years to obtain saw timber and peeler logs, but when grown as short -rotation coppice(SRC) to produce biomass, planting density increases and rotation is considerably reduced (3-5 years). In this regard, research efforts are focused in the identification of traits and loci that allow the generation of improved SRC biomass-yielding genotypes. Biomass yield is a highly complex trait as it is the combined outcome of many other complex traits, each under separate polygenic control. Among profitable biomass yield-related traits are the amount of sylleptic branching and the length of winter dormancy. In poplar and in a few other Salicaceae species some lateral buds grow out sylleptically, the same season in which they form without the need of an intervening rest period. Sylleptic branching in poplar increases branch number, leaf area and general growth of the tree in its early years, and is a reasonable predictor of coppice yield. On the other hand, the length of winter dormancy determines the extent of the growth period. Our group has characterized the RAV1 gene of Castanea sativa (CsRAV1), encoding a transcription factor of the subfamily RAV (Related to ABI3/VP1). CsRAV1 expression shows a marked seasonal pattern, being higher in autumn and winter both in stems and buds. We generated transgenic lines of the hybrid clone Populus tremulax P. alba INRA 717 1B4 constitutively expressing CsRAV 1. These CsRAV1-expressing poplars develop sylleptic branches only a few weeks after potting. In addition to the sylleptic branching phenotype, these trees show phenological features that could give rise to an extended growth period. We are currently assessing the phenotype and behavior of these transgenic trees in a field trial, and ultimately, we will evaluate the impact on lignocellulosic biomass quality and production.

Characterization of a glycosylase family gene specifically expressed during winter dormancy in woody plants

Winter dormancy is the strategy used by perennial plants to survive the harsh conditions of winter in temperate and cold regions. This complex mechanism is characterized by cessation of the meristems activity, which is accompanied by the budset, the acquisition of a high tolerance to the cold temperatures and, in the case of deciduous trees, by the senescence and leaf abscission. In long-lived forest species, the length of the dormancy period limits the growing season, affecting wood production and quality. A Suppression Subtractive Hybridization (SSH) enriched in genes overexpressed during the process of winter dormancy in chesnut stems identified a DNA glycosylase gene. In order to study its role in the establishment and maintenance of the winter dormancy, a molecular characterization and seasonal expression were performed. Furthermore, we have obtained poplar transgenic plantlets overexpressing the chesnut gene.

Ultrastructure of Plant Leaf Cuticles in relation to Sample Preparation as Observed by Transmission Electron Microscopy

The leaf cuticular ultrastructure of some plant species has been examined by transmission electron microscopy (TEM) in only few studies. Attending to the different cuticle layers and inner structure, plant cuticles have been grouped into six general morphological types. With the aim of critically examining the effect of cuticle isolation and preparation for TEM analysis on cuticular ultrastructure, adaxial leaf cuticles of blue-gum eucalypt, grey poplar, and European pear were assessed, following a membrane science approach. The embedding and staining protocols affected the ultrastructure of the cuticles analysed. The solubility parameter, surface tension, and contact angles with water of pure Spurr's and LR-White resins were within a similar range. Differences were however estimated for resin : solvent mixtures, since Spurr’s resin is combined with acetone and LR-White resin is mixed with ethanol. Given the composite hydrophilic and lipophilic nature of plant cuticles, the particular TEM tissue embedding and staining procedures employed may affect sample ultrastructure and the interpretation of the results in physicochemical and biological terms. It is concluded that tissue preparation procedures may be optimised to facilitate the observation of the micro- and nanostructure of cuticular layers and components with different degrees of polarity and hydrophobicity.

Estudio de un modelo multicriterio para estudiar la viabilidad de un cultivo energético en la Península Ibérica. Aplicación a la comarca de Navalmoral de la Mata

En el presente estudio se propone una metodología para la evaluación de proyectos de implantación de cultivos energéticos, integrando una serie de factores de interés en un modelo de decisión, basado en un enfoque multicriterio. Mediante este modelo se pretende evaluar tanto los territorios más adecuados para la introducción un cultivo energético, como la especie más apropiada a los condicionantes que presenta el lugar elegido. Para este estudio se ha realizado una selección previa de cuatro especies forestales, cuyas características de crecimiento y producción las hace adecuadas para su aplicación en un proyecto de este tipo. Las cuatro especies escogidas han sido chopo, sauce, eucalipto y paulonia. La metodología propuesta ha consistido primero en un estudio ecológico en el ámbito de la Península Ibérica y Baleares, con el fin de identificar aquellas regiones óptimas para cada una de las cuatro especies estudiadas. En este proceso se han seleccionado una serie de factores climáticos, que vendrán definidos a partir de los condicionantes ecológicos de dichas especies. Posteriormente se ha propuesto un modelo multicriterio, basado en técnicas conocidas y de aplicación sencilla, donde se integran aspectos ambientales, económicos y sociales, que vendrán a completar la información ecológica trabajada previamente. Este modelo incluye la técnica de comparación por pares propuesta por el Dr. Saaty en el año 1980, para la ponderación de los factores o criterios seleccionados. Posteriormente, y tras su valoración, se utiliza la suma lineal ponderada como técnica de decisión final. Una vez definido el modelo, se ha aplicado a una comarca en particular, la comarca agraria de Navalmoral de la Mata. A partir de la información recopilada referente a todos los criterios seleccionados previamente en el modelo, se ha procedido a valorar cada uno de ellos. Con estos valores y tras la ponderación de criterios, se ha aplicado el modelo, para obtener finalmente los territorios dentro de la comarca, y las especies forestales con mayor aptitud para el desarrollo de un proyecto de implantación de cultivos energéticos. ABSTRACT A methodology has been proposed for the evaluation of projects to implement energy crops; this includes a number of factors of interest in a decision model based on a multi-criteria approach. This model is to evaluate both the most suitable territories for introducing an energy crop, as the most appropriate species to the conditions presented by the place chosen For this study has made a preliminary selection of four species, with characteristics of growth and production, what making them suitable for use in a project of this type. The four species selected were poplar, willow, eucalyptus and paulownia. The proposed methodology consists first in an ecological study in the context of the Iberian Peninsula and the Balearic Islands, in order to identify those best regions for each of the four species studied. In this process has selected a series of climatic factors, which will be defined from the ecological conditions of these species. Then we have proposed a multi-criteria model based on known techniques and simple application where are integrated environmental, economic and social aspects, which will complement the ecological information previous. This model includes the technique proposed by Dr. Saaty in 1980, the weighting by pairs of factors or criteria selected. Then, after valuation, the weighted linear sum as final decision technique is used. After defining the model has been applied to a particular region, the agrarian region of Navalmoral de la Mata. From the information collected concerning to the criteria previously selected in the model, we proceeded to value each. With these values and assigned weights, the model has been applied to finally get the territories and forest species with greater aptitude for the development of a project to implement energy crops.

Nuevos mecanismos moleculares de tolerancia a sequía y otros tipos de estrés abiótico en especies arbóreas de interés económico

Las masas forestales tienen una importancia colosal para nuestra sociedad y el conjunto de la biosfera. Estudios recientes a escala mundial indican que la sequía es el factor abiótico que más afecta a su crecimiento y supervivencia, seguida por las temperaturas extremas y la salinidad. Aunque comprender los mecanismos con que las especies arbóreas toleran estas formas de estrés tiene un interés aplicado evidente, dichos mecanismos se han estudiado mucho más en especies herbáceas modelo o de interés agronómico. Existen sin embargo diferencias notables entre ellas, como se demuestra en esta tesis y en otros trabajos recientes. Nuestro estudio se centra concretamente en la respuesta molecular del chopo –el sistema modelo forestal más desarrollado– al estrés abiótico, con particular énfasis en la sequía. Utilizando una estrategia proteómica y tratamientos controlados, hemos identificado componentes mayoritarios de dicha respuesta. Su participación en la misma se ha validado mediante análisis transcripcionales detallados utilizando tecnología qRT-PCR (PCR cuantitativa en tiempo real). Hemos identificado proteínas cuyo nexo funcional con mecanismos de tolerancia ya era conocido, como chaperonas moleculares sHSP o enzimas que atenúan el estrés oxidativo, pero también proteínas cuya relación funcional con el estrés es menos clara o incluso novedosa, como polifenol oxidasas (PPO), deshidrogenasas/reductasas de cadena corta (SDR), o bicupinas (BIC), entre otras. El cuerpo central de la tesis consiste en la caracterización detallada de una PPO inusual, cuya inducción por estrés hídrico se describe por vez primera. Estas enzimas están ampliamente distribuidas en plantas, si bien su número es muy variable de unas especies a otras. Algunas, como nogal, tienen un único gen, mientras que Arabidopsis no tiene ninguno. En la última versión del genoma de chopo hemos identificado un total de 12 miembros bona fide, corrigiendo trabajos previos, y hemos caracterizado su expresión individual ante diferentes situaciones de estrés controlado y tratamientos hormonales. La isoforma antedicha es el único miembro de la familia que responde claramente a la deshidratación. También responde a salinidad y a la mayor parte de tratamientos hormonales ensayados, pero no a daño mecánico o tratamientos con metil jasmonato. Esto la diferencia de enzimas homólogas presentes en otras especies de plantas, que se han relacionado experimentalmente con estrés biótico. Los patrones de acumulación de transcritos en árboles adultos son compatibles con un papel protector frente a la sequía. La integración de nuestros estudios funcionales y filogenéticos sugiere que la familia ha sufrido un proceso reciente de diversificación y neofuncionalización, siendo la protección frente a deshidratación su papel primigenio. Aunque se conoce la actividad bioquímica in vitro de este tipo de enzimas, sus sustratos naturales son esencialmente una incógnita. Mediante expresión heteróloga en Escherichia coli BL21(DE3) hemos detectado que la enzima de chopo es capaz de oxidar L-DOPA a dopaquinona, siendo menos activa frente a otros sustratos. Por otra parte, hemos demostrado su localización cloroplástica mediante transformación transitoria de protoplastos con fusiones a la proteína fluorescente YFP. Mediante la obtención de plantas transgénicas de A. thaliana hemos demostrado que la enzima de chopo aumenta considerablemente la tolerancia in vivo frente a la deshidratación y al estrés salino. El análisis fenotípico detallado de las líneas transgénicas, combinando múltiples metodologías, nos ha permitido sustanciar que la tolerancia tiene una base compleja. Esta incluye una mayor protección del sistema fotosintético, una capacidad antioxidante muy incrementada y la acumulación de solutos osmoprotectores como la prolina. Los análisis metabolómicos nos han permitido asociar la expresión de la proteína a la síntesis de un flavano no descrito previamente en A. thaliana, vinculando la enzima de chopo con la síntesis de fenilpropanoides. También hemos observado alteraciones en los niveles hormonales que podrían subyacer a efectos pleiotrópicos con interés aplicado, como un aumento consistente del tamaño de la planta o el acortamiento del ciclo de crecimiento. Además de aportar datos novedosos sobre la funcionalidad in vivo de esta familia de oxidasas, los resultados de esta tesis demuestran que los árboles son sistemas de estudio interesantes para caracterizar nuevas estrategias de tolerancia al estrés abiótico con potencial aplicado. ABSTRACT Forests masses have an extraordinary importance for our society and the biosphere. Recent worldwide studies indicate that drought is the abiotic factor that affects more their growing and survival, followed by extreme temperatures and salinity. The understanding of how the arboreal species tolerate the stress has an evident practical interest, but their mechanisms have been studied much more in herbaceous species or with agronomic interest. However, considerable differences exist between them, as this thesis and recent studies show. Our study is focused on the molecular response of the poplar –the more developed forestry model system- to abiotic stress, specifically focused in the drought. Using a proteomic strategy and controlled treatments, we have identified main components in such response. Its participation has been validated through transcriptional analysis using qRT-PCR technology. We have identified proteins whose functional connection with tolerance mechanisms were already known, as molecular chaperones sHSP or enzymes that attenuate the oxidative stress, but also some proteins whose functional relationship with the stress is less clear or even novel, as polifenol oxidases (PPO), short chain deshidrogenases/reductases (SDR), or bicupines (BIC), among others. The central body of the thesis consists of the detailed characterization of an unsual PPO, whose induction due to drought stress is first described. These enzymes are thoroughly distributed in plants, but their number of members is very variable among species. Some of them, as the walnut tree, have a single gene, while Arabidopsis has none. We have identified a total of 12 members in the last version of the poplar genome, correcting previous works, and have characterized their individual expression against different situations of controlled stress and hormone treatments. The aforementioned isoform is the only member of the family that responds clearly to the drought. It also reacts to salinity and the majority of hormonal treatments tested, but it does not respond to mechanical damage or treatments with methyl jasmonate. This is the difference with homologue enzymes present in other plant species, which have been related experimentally with abiotic stress. The accumulation patterns of transcripts in adult trees are compatible with a protector role against drought. The integration of our functional and phylogenetic studies suggests that the family has suffered a recent process of diversification and neofunctionalization, being the protection against drought their original role. Although the in vitro biochemistry activity of this kind of enzymes is already known, their natural substracts are essentially a mystery. By means of heterologous expression of Escherichia coli BL21(DE3) we have detected that the enzyme of poplar is able to oxidize L-DOPA to dopaquinone, being less active against other substrates. Additionally, we have proven its chloroplastic location with transitory transformation of protoplasts with YFP protein fusion. By means of getting transgenic plants of A. thaliana, we have demonstrated that the poplar enzyme increases notably the in vivo tolerance against the drought and salinity stresses. The phenotypic analysis of the transgenic lines, and the use of multiple methodologies, allowed us to test the complexity of the tolerance. This includes a major protection of the photosynthetic system, a very increased antioxidant capacity and the accumulation of osmoprotectant solutes as the proline. The metabolic analysis has allowed to associate the protein expression with the synthesis of a Flavan non described previously in A. thalaiana, linking the enzyme of poplar with the synthesis of phenylpropanoids. We have observed alterations in the hormonal levels that could underlie pleiotropic effects with applied interest, as a consistent increase of the size of the plant and the reduction of the growth cycle. The results of this thesis, in addition to provide novel data about the in vivo functionality of the oxidase family, demonstrate that the trees are interesting systems of study to characterize new strategies of tolerance against abiotic stress with applied potential.

Respuestas anatómico fisiológicas frente a estrés hídrico en plantaciones de especies de crecimiento rápido para la producción de biomasa

El objetivo general de la presente Tesis es identificar algunas de las características anatómico-fisiológicas que confieren la capacidad de alcanzar una mejor productividad bajo clima mediterráneo a plantas de diversos genotipos de los géneros Populus y Eucalyptus, caracterizados por su carácter pionero, elevado crecimiento y vulnerabilidad a la cavitación. En los dos primeros capítulos se hace un seguimiento de la conductancia estomática a una selección de clones de eucalipto cultivados en invernadero, sometidos a diferentes dotaciones hídricas. Se realizaron además mediciones periódicas del pH de la savia del tallo y de la pérdida de conductividad hidráulica para investigar su implicación en la regulación química e hidraúlica del cierre estomático. Las variaciones en el pH de la savia obtenidas parecen responder a cambios en el déficit de presión de vapor de agua atmosférico y no a diferencias en la disponibilidad de agua en el suelo. La conductancia estomática presentó una correlación positiva significativa con el pH de la savia, pero no con la conductividad hidráulica. La variabilidad de la conductividad hidráulica máxima se discute a la luz de recientes investigaciones sobre los materiales constituyentes de las membranas de las punteaduras. Los clones que mostraron mayores conductancias hidráulicas y estomáticas presentaron valores más altos de producción y supervivencia, poniendo de manifiesto la utilidad del estudio de estas variables. Por el contrario, los valores más bajos de conductancia estomática e hidraúlica se encontraron en clones que han resultado un fracaso en plantaciones comerciales, en particular, fue destacable el mal resultado de un clon procedente de autocruzamiento respecto de otros híbridos. En el tercer capítulo de la tesis se estudian características anatómicas y funcionales del xilema relacionadas con la eficiencia en el transporte de agua a las hojas, y que pueden afectar directa o indirectamente a la transpiración y al crecimiento. Los estudios anatómicos fueron realizados sobre brotes anuales de chopo en una plantación situada en Granada, en condiciones de riego limitante. La combinación de rasgos anatómicos más favorable de cara a la producción de biomasa fue una densidad alta de vasos de diámetro intermedio. Los clones más productivos figuraron entre los más resistentes a la cavitación. Para estudiar el crecimiento de masas arboladas se utilizan frecuentemente parámetros fisiológicos como el índice de area foliar (LAI). La estimación del LAI a partir de fotografías hemisféricas aplicada a tallares de chopo plantados a alta densidad y a turno corto para biomasa se lleva a cabo mediante una metodología reciente empleada y discutida en el cuarto capítulo de la Tesis. Los resultados muestran que las diferencias de producción existentes entre genotipos, localidades de medición con diferentes dosis de riego, y años, pueden predecirse a partir de la determinación del índice de área foliar tanto por métodos directos como indirectos de estimación. Tanto los estudios realizados en eucalipto como en chopo han mostrado que los genotipos con menores producciones de biomasa en campo alcanzaron los menores valores de conductancia estomática en las condiciones más favorables así como el menor número de vasos en el xilema. La estrecha relación entre crecimiento y LAI confirma una vez más la importancia del desarrollo de la copa para sostener un buen crecimiento. El mayor desarrollo de la copa y rendimiento en biomasa se midieron en uno de los clones con un número de vasos más elevado, y menor vulnerabilidad a la cavitación en condiciones de estrés. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de las características anatómicas y funcionales del xilema como condicionantes del patrón de crecimiento de las plantas y el comportamiento de los estomas. ABSTRACT A number of anatomical xylem traits and physiological variables were analyzed in genotypes of both the Populus and Eucalyptus genera with the main aim of identifying traits in the genotypes which confer the ability to produce an acceptable biomass yield under Mediterranean climatic conditions. In the first two chapters of this PhD, the results of two experiments carried out on several clones of the species Eucalyptus globulus Labill. are presented. Chapters three and four include the results of another two trials on four poplar hybrid genotypes. One of the initial plant responses to water stress is stomatal closure, which can be triggered by hydraulic and/or chemical signals. The two first chapters of this PhD deal with trials in which stomatal conductance and percentage loss of hydraulic conductivity were monitored on a set of eucalyptus clones supplied by ENCE (former National Cellulose Company) and currently used in the company’s own commercial plantings. The experimental trials were carried out in greenhouses and the plants were submitted to two different watering regimes. The pH of the stem sap was periodically measured as the greenhouse temperature and humidity changed. The aim of these measurements was to investigate the role of both sap pH and percentage loss of hydraulic conductivity on stomatal regulation. The results obtained suggest that changes in sap pH are a response to vapor pressure deficit changes rather than to differences in soil water availability. We found significant correlation between stomatal conductance and sap pH, although no significant relationship was found between stomatal conductance and hydraulic conductivity. Variability in maximum hydraulic conductivity is discussed based on recent pit membrane constituent research. The study of hydraulic conductivity proved helpful in order to detect the clones with both higher growth and greater chance of survival, since clones displaying the lowest hydraulic conductivities were those that failed in commercial plantings. Anatomical xylem traits define the water transport efficiency to leaves and can therefore limit transpiration and growth. The third chapter of this PhD addresses anatomical xylem traits in poplar. One year old stem samples were taken from a water-stressed trial in Granada. The anatomical xylem study proved useful for detecting the lowest yielding genotypes. Clones with intermediate vessel size and high vessel densities were found to be those with the highest biomass yield. Differences in cavitation resistance depending on the clone tested and the water treatment applied were also found. The clones with the highest biomass yield were found to be among the most cavitation resistant clones in each watering regime. Xylem and physiological traits along with stomatal behavior are useful tools to determine plant growth. In order to study plantings or forests, it is more common to employ other physiological variables such as leaf area index (LAI). LAI estimation from hemispherical photographs applied to short rotation woody crops is a recently developed method that still requires fine tuning through further investigation. In the fourth chapter, data from LAI monitoring over two consecutive years were analyzed in two different locations where different irrigation treatments were applied. The results showed that differences in yield between genotypes, different irrigation regimes and years could be predicted by using the LAI estimates, either through direct or indirect estimation methods. Our studies of poplar and eucalyptus have shown that the field-grown genotypes with the lowest biomass yield displayed the lowest values of stomatal conductance under the most favorable environmental conditions and also had a low number of xylem conduits. The close relationship between LAI and growth highlights the importance of crown development in biomass growth. The highest LAI and biomass yield were recorded in one of the clones with higher vessel density and the lowest vulnerability to cavitation under stress conditions. These results underline the importance of research into anatomical and functional traits as factors influencing plant growth patterns and stomatal behavior.

Respuesta transcripcional de Populus a bifenilos policlorados: Aspectos aplicados a la fitorremediación

La degradación del suelo ha adquirido una magnitud preocupante. Los métodos tradicionales de descontaminación, son costosos e insuficientes. La fitorremediación representa una alternativa eficaz, de bajo coste, respetuosa con el medio ambiente, que además mejora las propiedades del suelo, si bien ha habido desarrollos relevantes en la última década. Desde el punto de vida científico, el reto principal es descifrar las rutas metabólicas implicadas en respuesta a contaminantes y comprender su regulación. Esta información es imprescindible si aspiramos a mejorar las capacidades naturales de algunas especies vegetales para remediar los suelos contaminados. Los estudios de esta Tesis se han centrado en Populus, el mejor modelo forestal disponible a raíz de la secuenciación de su genoma completo. Por otra parte, Populus tiene una gran capacidad natural para la degradación de contaminantes orgánicos, lo que explica su predominio en los programas forestales de fitorremediación que se desarrollan actualmente. Hemos elegido en concreto al híbrido Populus tremula x P. alba, por la facilidad con que se cultiva y su particular interés biotecnológico. La presente Tesis plantea un estudio comprehensivo de la respuesta molecular a bifenilos policlorados (PCBs), una familia de contaminantes orgánicos persistentes de particular relevancia a escala mundial. Se ha utilizado para ello una aproximación transcriptómica, basada en tecnología RNA-seq, para identificar los genes implicados en el metabolismo de los compuestos in planta y cuantificar sus niveles de activación en distintas situaciones controladas. La tesis pretende asimismo definir el control transcripcional subyacente a la respuesta bioquímica frente a este tipo de contaminantes. Resulta sorprendente que dicha respuesta sea prácticamente desconocida a nivel molecular, a pesar de su gran potencial aplicado en el contexto de la tecnología fitorremediadora. Para desarrollar este proyecto aplicamos a nuestros cultivos de chopo híbridos concentraciones diferentes de Aroclor 1221, una mezcla de PCBs muy utilizada a nivel comercial durante décadas, su uso está prohibido hoy internacionalmente. Y tomamos muestras de RNA a dos concentraciones y dos momentos distintos de exposición al contaminante, generando así una matriz de cuatro elementos con sus controles correspondientes. Con el fin de incrementar la especificidad de nuestro análisis, consideramos sobre todo los genes diferencialmente expresados más significativos según cuatro algoritmos estadísticos distintos. Por otra parte, realizamos análisis funcionales con herramientas bioinformáticas basadas en comparaciones de secuencias y en redes de co-expresión génica. La respuesta de los genes de particular interés fue validada mediante tecnología qRT-PCR (reacción de la polimerasa en cadena cuantitativa en tiempo real). Se trata del primer estudio comprehensivo de la respuesta de un organismo vegetal ante la presencia de PCBs. Este estudio nos ha permitido identificar una cantidad considerable de genes estructurales y reguladores, definiendo nuevos factores de transcripción cuya expresión es proporcional a la concentración de contaminante en el medio o al tiempo de exposición al mismo. Los análisis de correlación nos permiten afirmar en que la respuesta metabólica a PCBs, incluyendo posibles rutas degradadoras, participan en al menos quince factores de transcripción y unas cuarenta proteínas o enzimas que resultan particularmente inducidas. Entre las familias implicadas destacan los citocromos P450, la glutatión transferasas, las deshidrogenasas reductasas (short-chain dehydrogenase reductase) y las proteínas MDR (multi-drug resistance). Mientras que los factores de transcripción encontrados pertenecen a la familia de ZF-TF, MYBs, WRKYs entre otros. También identificamos proteínas de función desconocida que no se habían vinculado previamente a este tipo de respuestas en plantas, como la CSP (cold-shock domain proteins). Para estudiar su posible relación con la presencia de PCBs, se caracterizó un gen de esta familia detectado mediante espectrometría de masas en tándem (MS/MS) a partir de mapas IEF x SDS-PAGE (isoelectro focusing x sodium dodecyl sulphate- polyacrylamide gel electrophoresis) de alta resolución. Mediante qRT-PCR pudimos confirmar la inducción del gen correspondiente, ortólogo a PtCSP4 de P. trichocarpa (Potri.004g172600), en respuesta a Aroclor 1221. El análisis fenotípico de las líneas transgénicas de Arabidopsis thaliana que sobre-expresaba la proteína CSP de chopo híbrido confirmó un papel para la misma tolerancia a PCBs, posiblemente a través de mecanismos reguladores que activan proteínas MDR. Este trabajo, además de aportar datos novedosos sobre los mecanismos moleculares desencadenados por la presencia de un PCB en Populus, utilizado aquí como sistema modelo. Con ello se demuestra el potencial de las especies arbóreas no solo como agentes descontaminantes, ya explotado comercialmente, sino también como fuente potencial de genes interesantes. Entre los genes identificados en esta Tesis hay candidatos evidentes a participar en mecanismos de tolerancia al estrés inducido por la contaminación y también rutas metabólicas degradadores de PCBs. Precisamente la posibilidad de degradar al contaminante confiere particular interés a este tipo de estudios frente a la fitorremediación de metales pesados y otros contaminantes elementales. La comparación de los datos generados en este estudio con estudios análogos que se realicen en el futuro con otras especies y xenobióticos, contribuirán a definir mejor la respuesta de las plantas ante la contaminación orgánica y mejorar su potencial descontaminante. ABSTRACT Soil degradation has acquired a disturbing magnitude. Traditional methods of decontamination are expensive and insufficient. Phytoremediation represent an effective alternative, low cost, respectful of the environment, that also improves soil properties, although there have been relevant developments in the last decade. From a life scientist, the challenge is to decipher the major metabolic pathways involved in response to pollutants and understand their regulation. This information is essential if we desire to enhance the natural abilities of some plant species to remediate contaminated soils. This thesis studies have focused on Populus, the best available forestry model following the sequencing of the entire genome. Moreover, Populus has a natural ability to degrade organic pollutants, which explains its predominance in phytoremediation forestry programs currently being developed. We have chosen specifically to hybrid Populus tremula x P. alba, the ease with which it is grown and its particular biotechnological interest. This thesis presents a comprehensive study of the molecular response to polychlorinated biphenyls (PCBs), a family of persistent organic pollutants of particular relevance worldwide. It has been used for a transcriptomic approach using RNA-seq technology, to identify genes involved in the metabolism of compounds in plant and quantify their levels of activation in different controlled situations. The thesis also aims to define the underlying transcriptional control the biochemical response to these pollutants. It is surprising that the response is virtually unknown at the molecular level, despite its great potential applied in the context of phytoremediation technology. To develop this project we applied our hybrid poplar crops different concentrations of Aroclor 1221, a mixture of PCBs widely used commercially for decades, its use is now banned internationally. And we RNA samples at two different concentrations and times of exposure to the pollutant, generating an array of four elements with their corresponding controls. In order to increase the specificity of our analysis, we consider mainly the most significant differentially expressed genes in four different statistical algorithms. Moreover, functional analyzes conducted with bioinformatics tools based on sequence comparisons and networks gene co-expression. The response of genes of particular interest was validated by qRT-PCR (polymerase reaction chain in real-time quantitative. This is the first comprehensive study of the response of a plant organism in the presence of PCBs. This study allowed us to identify a considerable amount of structural and regulatory genes, defining new transcription factors whose expression is proportional to the concentration of contaminant in the middle or at the time of exposure. Correlation analyzes allow us to affirm that the metabolic response to PCBs, including possible degradative pathways, at least fifteen involved in transcription factors and forty proteins or enzymes which are particularly induced. Among the families involved include cytochromes P450, the glutathione transferases, dehydrogenases reductases (short -chain dehydrogenase reductase) and MDR proteins (multi - drug resistance). While transcription factors belong to the family found ZF-TF, MYBs, WRKYs among others. We also identify proteins of unknown function that had not been previously linked to such responses in plants such as CSP (cold- shock domain proteins). To study their possible relationship with the presence of PCBs, a gene in this family was characterized and was detected by tandem mass spectrometry (MS/MS) from maps IEF x SDS -PAGE (sodium dodecyl isoelectro x sulphate- polyacrylamide gel electrophoresis) of high resolution. By qRT -PCR could confirm the induction of the corresponding gene, ortholog to PtCSP4 of P. trichocarpa (Potri.004g172600), in response to Aroclor 1221. Phenotypic analysis of transgenic Arabidopsis thaliana lines over- expressing the protein CSP poplar hybrid confirmed a role for PCBs same tolerance, possibly through regulatory mechanisms activated MDR proteins. This work, in addition to providing new data on the molecular mechanisms triggered by the presence of PCBs in Populus, used here as a model system. Thus the potential of tree species not only as decontamination agents, and commercially exploited, but also as a potential source of interesting genes is shown. Among the genes identified in this thesis there are evident candidates to participate in tolerance mechanisms to stress induced by pollution and degrading metabolic pathways of PCBs. Precisely the possibility of degrading the pollutant attaches particular interest to this type of study off the phytoremediation of heavy metals and other elemental pollutants. The comparison of the data generated in this study with similar studies carried out in the future with other species and xenobiotics contribute to better define the response of plants to organic pollution and improve their decontamination potential.

Evaluación de Ulmus pumila L. y Populus spp. como cultivos energéticos en corta rotación

El presente trabajo estudia el empleo del olmo de Siberia (Ulmus Pumila L.) y el chopo (Populus spp.) en corta rotación y alta densidad para la producción de biomasa con fines energéticos. En el área mediterránea las disponibilidades hídricas son limitadas, por lo que la mayoría de los cultivos energéticos utilizados hasta el momento requieren el aporte de agua de riego; por ello resulta fundamental encontrar especies con bajos requerimientos hídricos, analizar la eficiencia en el uso del agua de diferentes materiales genéticos y optimizar la dosis de riego. Las parcelas experimentales se ubicaron en la provincia de Soria. En el ensayo llevado a cabo con olmo de Siberia se ha analizado el efecto en la producción de la disponibilidad de agua mediante el establecimiento de parcelas en secano y con dos dosis de riego (2000 m3 ha-1 año-1 y 4000 m3 ha-1 año-1 aproximadamente); además, al ser una especie poco estudiada hasta el momento, se ha estudiado también el efecto que tiene sobre el rendimiento la densidad de plantación (3.333 plantas ha-1 y 6.666 plantas ha-1), el tipo de suelo (2 calidades diferentes) y el turno de corta (3 y 4 años). En el caso del chopo, se han evaluado cuatro clones (AF-2, I-214, Monviso y Pegaso) establecidos con una densidad de 20.000 plantas por hectárea. Durante el primer ciclo de tres años se aportó el mismo volumen de riego a todas las parcelas, mientras que durante el segundo ciclo se establecieron 8 regímenes hídricos diferentes. Por otra parte, se ha investigado sobre el uso del potencial hídrico de las plantas para evaluar el estrés hídrico de las mismas y se ha estimado la producción de biomasa foliar y el Índice de Área Foliar (LAI) de ambas especies, relacionando los valores obtenidos con la dosis de riego y la producción de biomasa. Los resultados muestran que los suelos inundados reducen la tasa de supervivencia de los olmos durante el periodo de implantación, sin embargo la mortalidad durante los siguientes periodos vegetativos es baja y muestra buena capacidad de rebrote. La productividad (kg ha-1 año-1) obtenida fue mayor con un turno de corta de cuatro años que con turno de tres años. El área basal y la altura fueron variables eficaces para predecir la producción de biomasa del olmo de Siberia, obteniendo una variabilidad explicada de más del 80%. En cuanto a los parámetros que mayor influencia tuvieron sobre el crecimiento, el tipo de suelo resulto ser el más relevante, obteniéndose en un suelo agrícola considerado de buena calidad una producción en condiciones de secano de unos 8.000 kg ha-1 año-1. En condiciones de regadío el rendimiento del olmo de Siberia fue al menos el doble que en secano, pero la diferencia entre las dos dosis de riego estudiadas fue pequeña. La producción de biomasa fue mayor en la densidad de plantación más alta (6.666 plantas ha–1) en las parcelas de regadío, sin embargo no se encontraron diferencias significativas entre las dos densidades en secano. El clon de chopo que presentó un mayor rendimiento durante el primer ciclo fue AF-2, alcanzando los 14.000 kg ha-1 año-1, sin embargo la producción de este clon bajó sustancialmente durante el segundo ciclo debido a su mala capacidad de rebrote, pasando a ser I-214 el clon más productivo llegando también a los 14.000 kg ha-1 año-1. Un aporte adicional de agua proporcionó un incremento de la biomasa recogida, pero a partir de unos 6.500 m3 ha-1 año-1 de agua la producción se mantiene constante. El potencial hídrico foliar ha resultado ser una herramienta útil para conocer el estrés hídrico de las plantas. Los olmos de regadío apenas sufrieron estrés hídrico, mientras que los implantados en condiciones de secano padecieron un acusado estrés durante buena parte del periodo vegetativo, que se acentuó en la parte final del mismo. Los chopos regados con las dosis más altas no sufrieron estrés hídrico o fue muy pequeño, en las dosis intermedias sufrieron un estrés moderado ocasionalmente y únicamente en las dosis más bajas sufrieron puntualmente un estrés severo. El LAI aumenta con la edad de los brotes y oscila entre 2 y 4 m2 m−2 en los chopos y entre 2 y 7 m2 m−2 en los olmos. Se encontró una buena relación entre este índice y la producción de biomasa del olmo de Siberia. En general, puede decirse que el olmo de Siberia podría ser una buena alternativa para producir biomasa leñosa en condiciones de secano, mientras que el chopo podría emplearse en regadío siempre que se haga una buena elección del clon y de la dosis de riego. ABSTRACT This work explores the possibilities of biomass production, for energy purposes, of Siberian elm (Ulmus Pumila L.) and poplar (Populus spp.) in Spain. Irrigation is required for the viable cultivation of many energy crops in Mediterranean areas because of low water availability, for this reason species with low water requirements should be a good alternative for biomass production. Moreover, the optimal amount of irrigation water and the performance of the different genetic material in terms of production and water use efficiency should be studied in order to use water wisely. The experimental plots were established in the province of Soria in Spain. Given the small amount of information available about Siberian elm, besides studying the influence of water availability (rain-fed and two different irrigation doses) on biomass production, two different plantation densities (3,333 plants ha-1 and 6,666 plants ha-1), two different soil type and two cutting cycles (three years and four years) were assessed. In the case of poplar, four clones belonging to different hybrids (I-214, AF2, Pegaso, and Monviso) were included in a high density plantation (20,000 plants ha-1). During the first cycle, the water supplied in all plots was the same, while 8 different watering regimes were used during the second cycle. The suitability of the use of the leaf water potential to assess the water stress situations has also been investigated. Moreover, leaf biomass production and leaf area index (LAI) were estimated in both species in order to analyze the relationship between these parameters, irrigation dose and biomass production. The results shows that flooded soils have an adverse effect on elm survival in the implantation period, but the percentage of mortality is very low during the following vegetative periods and it shows a good ability of regrowth. The annual yield from a four-year cutting cycle was significantly greater than that from the three-year cutting cycle. Basal diameter and height are effective variables for predicting the production of total biomass; equations with R squared higher than 80% were obtained. The analysis of parameters having an influence on elm growth shows that soil type is the most important factor to obtain a good yield. In soils with enough nutrients and higher waterholding capacity, biomass productions of 8,000 kg ha-1 yr-1 were achieved even under rain-fed conditions. In irrigated plots, Siberian elm production was double than the production of biomass under rain-fed conditions; however, small differences were obtained between the 2 different irrigation doses under study. Biomass yield was greater for the highest planting density (6,666 plants ha–1) in irrigated plots, but significant differences were not found between the 2 densities in rain-fed plots. The clone AF-2 showed the highest production (14,000 kg ha-1 yr-1) during the first cycle, however during the second cycle its growth was lower because of a high mortality rate after regrowth and I-214 achieves the greatest production (14,000 kg ha-1 yr-1). An additional water supply provided a greater amount of biomass, but over about 6500 m3 ha-1 yr-1 of water the production is constant. Leaf water potential has been shown to be a useful tool for finding out plant water status. Irrigated elms hardly suffered water stress, while rain-fed elms suffered a pronounced water stress, which was more marked at the end of the vegetative period. Most of poplars did not show water stress; leaf water potentials only showed an important water stress in the plots irrigated with the lowest doses. LAI increases with shoot age and it ranges from 2 to 4 m2 m−2 in poplars and from 2 to 7 m2 m−2 in elms. A good relationship has been found between this index and Siberian elm production. In general, Siberian elm could be a good alternative to produce woody biomass in rainfed plots, while poplar could be used in irrigated plots if a suitable clone and irrigation dose are chosen.