Estructura de una red esencial de señalización que regula la homeostasis iónica en plantas

Las plantas son organismos sésiles que han desarrollado la capacidad para detectar variaciones sutiles en su ambiente y producir respuestas adaptativas mediante rutas de señalización. Los estímulos causados por el estrés biótico y abiótico son numerosos y dependiendo del tiempo de exposición y su intensidad, pueden reducir la tasa de crecimiento de las plantas y la producción. Los cambios en la concentración del calcio citosólico libre constituyen una de las primeras reacciones intracelulares a las situaciones de estrés abiótico. En esta situación, el calcio actúa como segundo mensajero y las variaciones en su concentración son descodificadas por proteínas de unión a calcio. Las más conocidas son las manos-EF y los dominios C2. Los dominios C2 han sido descritos como dominios de unión a lípidos dependientes de calcio. Estos dominios se consideran proteínas periféricas solubles en agua que se asocian de manera reversible a los lípidos de la membrana mediante una o dos regiones funcionales: el sitio de unión a calcio y el sitio polibásico. A pesar de que se conoce la estructura molecular de algunos dominios C2, se desconocen aspectos relacionados como las reglas que dirigen su forma de interaccionar con los diferentes fosfolípidos y proteínas, la posición que ocupan en la bicapa lipídica y su papel en la transmisión de señales. En esta tesis se ha estudiado una proteína de Arabidopsis thaliana (At3g17980) representativa de una nueva familia de proteínas con dominios C2, que consiste únicamente de un dominio C2. Esta proteína, llamada AtC2.1, ha sido clonada en el vector pETM11, expresada en E. coli y purificada a homogeneidad en dos pasos cromatográficos. Se obtuvieron cristales de AtC2.1 de buena calidad mediante técnicas de difusión de vapor. La proteína fue co-cristalizada con calcio, fosfocolina (POC) y el fosfolípido 1,2-dihexanoil-sn-glicero-3-fosfo-L-serina (PSF). Se recogieron ocho conjuntos de datos de difracción de rayos X empleando radiación sincrotrón. Los cristales difractaron hasta 1.6 Å de resolución. Siete de ellos pertenecían al grupo ortorrómbico P212121, con las dimensiones de la celdilla unidad a = 35.3, b = 88.9, c = 110.6 Å, y un cristal pertenecía al grupo espacial monoclínico C2, con a = 124.84, b = 35.27, c = 92.32 Å y = 121.70º. La estructura se resolvió mediante la técnica MR-SAD utilizando el cinc como dispersor anómalo. La estructura cristalina mostró que la molécula forma un dímero en el que cada protómero se pliega como un dominio C2 típico, con la topología tipo II y presenta una inserción de 43 aminoácidos que la diferencia de los dominios C2 conocidos. El mapa de densidad electrónica mostró dos átomos de calcio por protómero. Se resolvieron las estructuras de AtC2.1 en complejo con POC o PSF. En ambos complejos, el análisis cristalográfico detectó máximos de densidad electrónica en la región correspondiente al sitio polibásico formado por las hebras 2, 3 5 y el lazo 3. Éstos se interpretaron correctamente como dos moléculas de POC y un átomo de cinc, en un complejo, y como la cabeza polar del PSF en el otro. AtC2.1 define un sitio de interacción con lípidos dependiente de cinc. En conclusión, en este trabajo se presenta la estructura tridimensional de AtC2.1, miembro representativo de una familia de proteínas de Arabidopsis thaliana, identificadas como proteínas que interaccionan con los receptores de ABA. Estas proteínas están constituidas únicamente por un dominio C2. El análisis conjunto de los datos biofísicos y cristalográficos muestra que AtC2.1 es un sensor de calcio que une lípidos usando dos sitios funcionales. Estos datos sugieren un mecanismo de inserción en membrana dependiente de calcio que trae consigo la disociación de la estructura dimérica y, por consiguiente, un cambio en las propiedades de superficie de la molécula. Este mecanismo proporciona las bases del reconocimiento y transporte de los receptores de ABA y/o otras moléculas a la membrana celular. Plants are sessile organisms that have developed the capacity to detect slight variations of their environment. They are able to perceive biotic and abiotic stress signals and to transduce them by signaling pathways in order to trigger adaptative responses. Stress factors are numerous and, depending on their exposition time and their concentration, can reduce plant growth rate, limiting the productivity of crop plants. Changes in the cytosolic free calcium concentration are observed as one of the earliest intracellular reactions to abiotic stress signals. Calcium plays a key role as a second messenger, and calcium concentration signatures, called calcium signals, are decodified by calcium binding proteins. The main calcium binding structures are the EF-hand motif and the C2 domains. C2 domain is a calcium dependent lipid-binding domain of approximately 130 amino acids. C2 domain displays two functional regions: the Ca-binding region and the polybasic cluster. Both of them can interact with the membrane phospholipids. Despite the number of C2 domain 3D structures currently available, questions about how they interact with the different target phospholipids, their precise spatial position in the lipid bilayer, interactions with other proteins and their role in transmitting signals downstream, have not yet been explored. In this work we have studied an uncharacterized protein from Arabidopsis thaliana (At3g17980) consisting of only a single C2 domain, as member of a new protein C2-domain family. This protein called AtC2.1 was cloned into the pETM11 vector and expressed in E. coli, allowing the purification to homogeneity in two chromatographic steps. Good quality diffracting crystals were obtained using vapor-diffusion techniques. Crystals were co-crystalized with calcium; phosphocholine (POC) and/or the phospholipid 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (PSF). Eight data set were collected with synchrotron radiation. Crystals diffracted up to 1.6 Å resolution and seven of them belong to the orthorhombic space group P212121, with unit-cell parameters a = 35.3, b = 88.9, c = 110.6 Å. Another crystal was monoclinic, space group C2, with a = 124.84, b = 35.27, c = 92.32 Å and = 121.70º. The structural model was solved by MR-SAD using Zn2+ as anomalous scatterer. The crystal structure shows that the molecule is a dimer. Each monomer was folded as a canonical C2 domain with the topology II with a 43 residues insertion. The electron density map reveals two calcium ions per molecule. Structures of AtC2.1, complexed with POC and PSF, have been solved. Well-defined extra electron densities were found, in both complexes, within the concave surface formed by strands 2, 3, 5 and loop 3 of AtC2.1. These densities were clearly explained by the presence of the two POC molecules, one zinc atom and head groups of PSF, occupying the cavity of the polybasic site. AtC2.1 defines a new metal dependent lipid-binding site into the polybasic site. In conclusion, in this thesis it is presented the molecular structure of AtC2.1, a representative member of a family of Arabidopsis thaliana C2 domain proteins, of unknown function, but identified as a molecular interacting unit of the ABA receptors. The joint analyses of the biophysical and crystallographic data show that AtC2.1 is a calcium sensor that binds lipids in two sites and suggest a model of calcium-dependent membrane insertion mechanism that will involve either dimer dissociation or a strong rearrangement of the dimeric structure. This mechanism may be the basis for the recognition and delivery of ABA receptors or other protein molecules to cell membranes.

Identificación y caracterización funcional de sistemas génicos implicados en la homeostasis de níquel en Rhizobium leguminosarum bv. viciae

La homeostasis de metales como níquel, cobalto, cobre o zinc es un proceso delicado en procariotas. Estos metales de transición son, por un lado imprescindibles para el mantenimiento del metabolismo celular, pero por otro muy tóxicos a elevadas concentraciones. Por este motivo, los microorganismos han desarrollado mecanismos para regular su concentración intracelular, tales como bombas de flujo de metales, secuestradores intra y extracelulares o enzimas detoxificadoras.

Thermodynamics of zinc insertion in CuGaS2:Ti, used as a modulator agent in an intermediate-band photovoltaic material

An intermediate-bandphotovoltaicmaterial, which has an isolated metallic band located between the top of the valence band and bottom of the conduction band of some semiconductors, has been proposed as third generation solar cell to be used in photovoltaic applications. Density functional theory calculations of Zn in CuGaS2:Ti have previously shown that, the intermediate-band position can be modulated in proportion of Zn insertion in such a way that increasing Zn concentration can lead to aband-gap reduction, and an adjustment of the intermediate-band position. This could be interesting in the formation of an intermediate-bandmaterial, that has the maximum efficiency theoretically predicted for the intermediate-band solar cell. In this work, the energetics of several reaction schemes that could lead to the decomposition of the modulated intermediate-bandphotovoltaicmaterial, CuGaS2:Ti:Zn, is studied in order to assess the thermodynamic stability of this material. Calculations of the total free energy and disorder entropy have been taken into account, to get the reaction energy and free energy of the compound decomposition, which is found to be thermodynamically favorable

Residual effect of natural and synthetic zinc chelates on zinc in a soil solution of a waterlogged acidic soil. Evolution of the pH and redox potential.

Zinc chelates have been widely used to correct deficiencies in this micronutrient in different soil types and under different moisture conditions. The aging of the metal in soil could cause a change in its availability. Over time the most labile forms of Zn could decrease in activity and extractability and change to more stable forms. Various soil parameters, such as redox conditions, time, soil type and moisture conditions, affect the aging process and modify the solubility of the metal. In general, redox conditions influence pH and also the chemical forms dissolved in the soil solution. Soil pH also affects Zn solubility; at high pH values, most of the Zn is present in forms that are not bioavailable to plants. The objective of this study was to determine the changes in Zn over time in a soil solution in a waterlogged acidic soil to which synthetic and natural chelates were applied

Importancia de una correcta fertilización de zinc en el cultivo de lino.

Almendros, P.; Alvarez, J.M.; Gonzalez, D.

Residual effect of organic zinc complexes in acid and calcareous soils on navy bean (phaseolus vulgaris l.) and flax (linum usitatissimum l.) crops under greenhouse conditions. Influence of the moisture conditions = Efecto residual de complejos orgánicos de zinc en suelos ácido y calizo en cultivos de judía (phaseolus vulgaris l.) y lino (linum usitatissimum l.) Realizados en condiciones de invernadero. Influencia de las diferentes condiciones de humedad

El Zn es un elemento esencial para el crecimiento saludable y reproducción de plantas, animales y humanos. La deficiencia de Zn es una de las carencias de micronutrientes más extendidas en muchos cultivos, afectando a grandes extensiones de suelos en diferentes áreas agrícolas. La biofortificación agronómica de diferentes cultivos, incrementando la concentración de micronutriente Zn en la planta, es un medio para evitar la deficiencia de Zn en animales y humanos. Tradicionalmente se han utilizado fertilizantes de Zn inorgánicos, como el ZnSO4, aunque en los últimos años se están utilizado complejos de Zn como fuentes de este micronutriente, obteniéndose altas concentraciones de Zn soluble y disponible en el suelo. Sin embargo, el envejecimiento de la fuente en el suelo puede causar cambios importantes en su disponibilidad para las plantas. Cuando se añaden al suelo fuentes de Zn inorgánicas, las formas de Zn más solubles pierden actividad y extractabilidad con el paso del tiempo, transformándose a formas más estables y menos biodisponibles. En esta tesis se estudia el efecto residual de diferentes complejos de Zn de origen natural y sintético, aplicados en cultivos previos de judía y lino, bajo dos condiciones de riego distintas (por encima y por debajo de la capacidad de campo, respectivamente) y en dos suelos diferentes (ácido y calizo). Los fertilizantes fueron aplicados al cultivo previo en tres dosis diferentes (0, 5 y 10 mg Zn kg-1 suelo). El Zn fácilmente lixiviable se estimó con la extracción con BaCl2 0,1M. Bajo condiciones de humedad por encima de la capacidad de campo se obtuvieron mayores porcentajes de Zn lixiviado en el suelo calizo que en el suelo ácido. En el caso del cultivo de judía realizado en condiciones de humedad por encima de la capacidad de campo se compararon las cantidades extraídas con el Zn lixiviado real. El análisis de correlación entre el Zn fácilmente lixiviable y el estimado sólo fue válido para complejos con alta movilidad y para cada suelo por separado. Bajo condiciones de humedad por debajo de la capacidad de campo, la concentración de Zn biodisponible fácilmente lixiviable presentó correlaciones positivas y altamente significativas con la concentración de Zn disponible en el suelo. El Zn disponible se estimó con varios métodos de extracción empleados habitualmente: DTPA-TEA, DTPA-AB, Mehlich-3 y LMWOAs. Estas concentraciones fueron mayores en el suelo ácido que en el calizo. Los diferentes métodos utilizados para estimar el Zn disponible presentaron correlaciones positivas y altamente significativas entre sí. La distribución del Zn en las distintas fracciones del suelo fue estimada con diferentes extracciones secuenciales. Las extracciones secuenciales mostraron un descenso entre los dos cultivos (el anterior y el actual) en la fracción de Zn más lábil y un aumento en la concentración de Zn asociado a fracciones menos lábiles, como carbonatos, óxidos y materia orgánica. Se obtuvieron correlaciones positivas y altamente significativas entre las concentraciones de Zn asociado a las fracciones más lábiles (WSEX y WS+EXC, experimento de la judía y lino, respectivamente) y las concentraciones de Zn disponible, estimadas por los diferentes métodos. Con respecto a la planta se determinaron el rendimiento en materia seca y la concentración de Zn en planta. Se observó un aumento del rendimiento y concentraciones con el efecto residual de la dosis mayores (10 mg Zn kg-1) con respecto a la dosis inferior (5 mg Zn 12 kg-1) y de ésta con respecto a la dosis 0 (control). El incremento de la concentración de Zn en todos los tratamientos fertilizantes, respecto al control, fue mayor en el suelo ácido que en el calizo. Las concentraciones de Zn en planta indicaron que, en el suelo calizo, serían convenientes nuevas aplicaciones de Zn en posteriores cultivos para mantener unas adecuadas concentraciones en planta. Las mayores concentraciones de Zn en la planta de judía, cultivada bajo condiciones de humedad por encima de la capacidad de campo, se obtuvieron en el suelo ácido con el efecto residual del Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (280,87 mg Zn kg-1) y en el suelo calizo con el efecto residual del Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (49,89 mg Zn kg-1). En el cultivo de lino, cultivado bajo condiciones de humedad por debajo de la capacidad de campo, las mayores concentraciones de Zn en planta ese obtuvieron con el efecto residual del Zn-AML a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (224,75 mg Zn kg-1) y en el suelo calizo con el efecto residual del Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (99,83 mg Zn kg-1). El Zn tomado por la planta fue determinado como combinación del rendimiento y de la concentración en planta. Bajo condiciones de humedad por encima de capacidad de campo, con lixiviación, el Zn tomado por la judía disminuyó en el cultivo actual con respecto al cultivo anterior. Sin embargo, en el cultivo de lino, bajo condiciones de humedad por debajo de la capacidad de campo, se obtuvieron cantidades de Zn tomado superiores en el cultivo actual con respecto al anterior. Esta tendencia también se observó, en ambos casos, con el porcentaje de Zn usado por la planta. Summary Zinc is essential for healthy growth and reproduction of plants, animals and humans. Zinc deficiency is one of the most widespread micronutrient deficiency in different crops, and affect different agricultural areas. Agronomic biofortification of crops produced by an increased of Zn in plant, is one way to avoid Zn deficiency in animals and humans Sources with inorganic Zn, such as ZnSO4, have been used traditionally. Although, in recent years, Zn complexes are used as sources of this micronutrient, the provide high concentrations of soluble and available Zn in soil. However, the aging of the source in the soil could cause significant changes in their availability to plants. When an inorganic source of Zn is added to soil, Zn forms more soluble and extractability lose activity over time, transforming into forms more stable and less bioavailable. This study examines the residual effect of different natural and synthetic Zn complexes on navy bean and flax crops, under two different moisture conditions (above and below field capacity, respectively) and in two different soils (acid and calcareous). Fertilizers were applied to the previous crop in three different doses (0, 5 y 10 mg Zn kg-1 soil). The easily leachable Zn was estimated by extraction with 0.1 M BaCl2. Under conditions of moisture above field capacity, the percentage of leachable Zn in the calcareous soil was higher than in acid soil. In the case of navy bean experiment, performed in moisture conditions of above field capacity, amounts extracted of easily leachable Zn were compared with the real leachable Zn. Correlation analysis between the leachable Zn and the estimate was only valid for complex with high mobility and for each soil separately. Under moisture conditions below field capacity, the concentration of bioavailable easily leachable Zn showed highly significant positive correlations with the concentration of available soil Zn. The available Zn was estimated with several commonly used extraction methods: DTPA-TEA, AB-DTPA, Mehlich-3 and LMWOAs. These concentrations were higher in acidic soil than in the calcareous. The different methods used to estimate the available Zn showed highly significant positive correlations with each other. The distribution of Zn in the different fractions of soil was estimated with different sequential extractions. The sequential extractions showed a decrease between the two crops (the previous and current) at the most labile Zn fraction and an increase in the concentration of Zn associated with the less labile fractions, such as carbonates, oxides and organic matter. A positive and highly significant correlation was obtained between the concentrations of Zn associated with more labile fractions (WSEX and WS + EXC, navy bean and flax experiments, respectively) and available Zn concentrations determined by the different methods. Dry matter yield and Zn concentration in plants were determined in plant. Yield and Zn concentration in plant were higher with the residual concentrations of the higher dose applied (10 mg Zn kg-1) than with the lower dose (5 mg Zn kg-1), also these parameters showed higher values with application of this dose than with not Zn application. The increase of Zn concentration in plant with Zn treatments, respect to the control, was greater in the acid soil than in the calcareous. The Zn concentrations in plant indicated that in the calcareous soil, new applications of Zn are desirable in subsequent crops to maintain suitable concentrations in plant. 15 The highest concentrations of Zn in navy bean plant, performed under moisture conditions above the field capacity, were obtained with the residual effect of Zn-HEDTA at the dose of 10 mg Zn kg-1 (280.87 mg Zn kg-1) in the acid soil, and with the residual effect of Zn- DTPA-HEDTA-EDTA at a dose of 10 mg Zn kg-1 (49.89 mg Zn kg-1) in the calcareous soil. In the flax crop, performed under moisture conditions below field capacity, the highest Zn concentrations in plant were obtained with the residual effect of Zn-AML at the dose of 10 mg Zn kg-1 (224.75 Zn mg kg-1) and with the residual effect of Zn-EDTA at a dose of 10 mg Zn kg-1 (99.83 mg Zn kg-1) in the calcareous soil. The Zn uptake was determined as a combination of yield and Zn concentration in plant. Under moisture conditions above field capacity, with leaching, Zn uptake by navy bean decreased in the current crop, respect to the previous crop. However, in the flax crop, under moisture conditions below field capacity, Zn uptake was higher in the current crop than in the previous. This trend is also observed in both cases, with the percentage of Zn used by the plant

Chemical speciation and mobilization of copper and zinc in naturally contaminated mine soils with citric and tartaric acids

A one-step extraction procedure and a leaching column experiment were performed to assess the effects of citric and tartaric acids on Cu and Zn mobilization in naturally contaminated mine soils to facilitate assisted phytoextraction. A speciation modeling of the soil solution and the metal fractionation of soils were performed to elucidate the chemical processes that affected metal desorption by organic acids. Different extracting solutions were prepared, all of which contained 0.01 M KNO3 and different concentrations of organic acids: control without organic acids, 0.5 mM citric, 0.5 mM tartaric, 10 mM citric, 10 mM tartaric, and 5 mM citric +5 mM tartaric. The results of the extraction procedure showed that higher concentrations of organic acids increased metal desorption, and citric acid was more effective at facilitating metal desorption than tartaric acid. Metal desorption was mainly influenced by the decreasing pH and the dissolution of Fe and Mn oxides, not by the formation of soluble metal–organic complexes as was predicted by the speciation modeling. The results of the column study reported that low concentrations of organic acids did not significantly increase metal mobilization and that higher doses were also not able to mobilize Zn. However, 5–10 mM citric acid significantly promoted Cu mobilization (from 1 mg kg−1 in the control to 42 mg kg−1 with 10 mM citric acid) and reduced the exchangeable (from 21 to 3 mg kg−1) and the Fe and Mn oxides (from 443 to 277 mg kg−1) fractions. Citric acid could efficiently facilitate assisted phytoextraction techniques.

Molecular basis of salt tolerance in Physcomitrella Patens model plant: potassium homeostasis and physiological roles of chx transporters

El suelo salino impone un estrés abiótico importante que causa graves problemas en la agricultura ya que la mayoría de los cultivos se ven afectados por la salinidad debido a efectos osmóticos y tóxicos. Por ello, la contaminación y la escasez de agua dulce, la salinización progresiva de tierras y el aumento exponencial de la población humana representan un grave problema que amenaza la seguridad alimentaria mundial para las generaciones futuras. Por lo tanto, aumentar la tolerancia a la salinidad de los cultivos es un objetivo estratégico e ineludible para garantizar el suministro de alimentos en el futuro. Mantener una óptima homeostasis de K+ en plantas que sufren estrés salino es un objetivo importante en el proceso de obtención de plantas tolerantes a la salinidad. Aunque el modelo de la homeostasis de K+ en las plantas está razonablemente bien descrito en términos de entrada de K+, muy poco se sabe acerca de los genes implicados en la salida de K+ o de su liberación desde la vacuola. En este trabajo se pretende aclarar algunos de los mecanismos implicados en la homeostasis de K+ en plantas. Para ello se eligió la briofita Physcomitrella patens, una planta no vascular de estructura simple y de fase haploide dominante que, entre muchas otras cualidades, hacen que sea un modelo ideal. Lo más importante es que no sólo P. patens es muy tolerante a altas concentraciones de Na+, sino que también su posición filogenética en la evolución de las plantas abre la posibilidad de estudiar los cambios claves que, durante el curso de la evolución, se produjeron en las diversas familias de los transportadores de K+. Se han propuesto varios transportadores de cationes como candidatos que podrían tener un papel en la salida de K+ o su liberación desde la vacuola, especialmente miembros de la familia CPA2 que contienen las familias de transportadores KEA y CHX. En este estudio se intenta aumentar nuestra comprensión de las funciones de los transportadores de CHX en las células de las plantas usando P. patens, como ya se ha dicho. En esta especie, se han identificado cuatro genes CHX, PpCHX1-4. Dos de estos genes, PpCHX1 y PpCHX2, se expresan aproximadamente al mismo nivel que el gen PpACT5, y los otros dos genes muestran una expresión muy baja. La expresión de PpCHX1 y PpCHX2 en mutantes de Escherichia coli defectivos en el transporte de K+ restauraron el crecimiento de esta cepa en medios con bajo contenido de K+, lo que viii sugiere que la entrada de K+ es energizada por un mecanismo de simporte con H+. Por otra parte, estos transportadores suprimieron el defecto asociado a la mutación kha1 en Saccharomyces cerevisiae, lo que sugiere que podrían mediar un antiporte en K+/H+. La proteína PpCHX1-GFP expresada transitoriamente en protoplastos de P. patens co-localizó con un marcador de Golgi. En experimentos similares, la proteína PpCHX2-GFP localizó aparentemente en la membrana plasmática y tonoplasto. Se construyeron las líneas mutantes simples de P. patens ΔPpchx1 y ΔPpchx2, y también el mutante doble ΔPpchx2 ΔPphak1. Los mutantes simples crecieron normalmente en todas las condiciones ensayadas y mostraron flujos de entrada normales de K+ y Rb+; la mutación ΔPpchx2 no aumentó el defecto de las plantas ΔPphak1. En experimentos a largo plazo, las plantas ΔPpchx2 mostraron una retención de Rb+ ligeramente superior que las plantas silvestres, lo que sugiere que PpCHX2 promueve la transferencia de Rb+ desde la vacuola al citosol o desde el citosol al medio externo, actuando en paralelo con otros transportadores. Sugerimos que transportadores de K+ de varias familias están involucrados en la homeostasis de pH de orgánulos ya sea mediante antiporte K+/H+ o simporte K+-H+.ix ABSTRACT Soil salinity is a major abiotic stress causing serious problems in agriculture as most crops are affected by it. Moreover, the contamination and shortage of freshwater, progressive land salinization and exponential increase of human population aggravates the problem implying that world food security may not be ensured for the next generations. Thus, a strategic and an unavoidable goal would be increasing salinity tolerance of plant crops to secure future food supply. Maintaining an optimum K+ homeostasis in plants under salinity stress is an important trait to pursue in the process of engineering salt tolerant plants. Although the model of K+ homeostasis in plants is reasonably well described in terms of K+ influx, very little is known about the genes implicated in K+ efflux or release from the vacuole. In this work, we aim to clarify some of the mechanisms involved in K+ homeostasis in plants. For this purpose, we chose the bryophyte plant Physcomitrella patens, a nonvascular plant of simple structure and dominant haploid phase that, among many other characteristics, makes it an ideal model. Most importantly, not only P. patens is very tolerant to high concentrations of Na+, but also its phylogenetic position in land plant evolution opens the possibility to study the key changes that occurred in K+ transporter families during the course of evolution. Several cation transporter candidates have been proposed to have a role in K+ efflux or release from the vacuole especially members of the CPA2 family which contains the KEA and CHX transporter families. We intended in this study to increase our understanding of the functions of CHX transporters in plant cells using P. patens, in which four CHX genes have been identified, PpCHX1-4. Two of these genes, PpCHX1 and PpCHX2, are expressed at approximately the same level as the PpACT5 gene, but the other two genes show an extremely low expression. PpCHX1 and PpCHX2 restored growth of Escherichia coli mutants on low K+-containing media, suggesting they mediated K+ uptake that may be energized by symport with H+. In contrast, these genes suppressed the defect associated to the kha1 mutation in Saccharomyces cerevisiae, which suggest that they might mediate K+/H+ antiport. PpCHX1-GFP protein transiently expressed in P. patens protoplasts co-localized with a Golgi marker. In similar experiments, the PpCHX2-GFP protein appeared to localize to tonoplast and plasma x membrane. We constructed the ΔPpchx1 and ΔPpchx2 single mutant lines, and the ΔPpchx2 ΔPphak1 double mutant. Single mutant plants grew normally under all the conditions tested and exhibited normal K+ and Rb+ influxes; the ΔPpchx2 mutation did not increase the defect of ΔPphak1 plants. In long-term experiments, ΔPpchx2 plants showed a slightly higher Rb+ retention than wild type plants, which suggests that PpCHX2 mediates the transfer of Rb+ from either the vacuole to the cytosol or from the cytosol to the external medium in parallel with other transporters. We suggest that K+ transporters of several families are involved in the pH homeostasis of organelles by mediating either K+/H+ antiport or K+-H+ symport.

Análisis molecular de sistemas génicos implicados en la homeostasis de níquel y eficiencia simbiótica en Rhizobium leguminosarum

Los suelos ultramáficos, que poseen elevadas concentraciones de níquel, cobalto y cromo de manera natural, son fuente de bacterias resistentes a altas concentraciones de metales. Se realizó la caracterización físico-química de seis suelos ultramáficos del suroeste europeo, seleccionándose un suelo de la región de Gorro, Italia, como el más adecuado para aislar bacterias endosimbióticas resistentes a metales. A partir de plantas-trampa de guisante y lenteja inoculados con suspensiones de ese suelo, se obtuvieron 58 aislados de Rhizobium leguminosarum bv. viciae (Rlv) que fueron clasificados en 13 grupos según análisis de PCR-RAPDs. Se determinó la resistencia a cationes metálicos [Ni(II), Co(II), Cu(II), Zn(II)] de una cepa representante de cada grupo, así como la secuencia de los genomas de las cepas que mostraron altos niveles (UPM1137 y UPM1280) y bajos niveles (UPM1131 y UPM1136) de tolerancia a metales. Para identificar mecanismos de resistencia a metales se realizó una mutagénesis al azar en dicha cepa mediante la inserción de un minitransposón. El análisis de 4313 transconjugantes permitió identificar 14 mutantes que mostraron una mayor sensibilidad a Ni(II) que la cepa silvestre. Se determinó el punto de inserción del minitransposón en todos ellos y se analizaron en más detalle dos de los mutantes (D2250 y D4239). En uno de los mutantes (D2250), el gen afectado codifica para una proteína que presenta un 44% de identidad con dmeF (divalent efflux protein) de Cupriavidus metallidurans. Cadena arriba de dmeF se identificó un gen que codifica una proteína con un 39% de identidad con el regulador RcnR de Escherichia coli. Se decidió nombrar a este sistema dmeRF, y se generó un mutante en ambos genes en la cepa Rlv SPF25 (Rlv D15). A partir de experimentos de análisis fenotípico y de regulación se pudo demostrar que el sistema dmeRF tiene un papel relevante en la resistencia a Ni(II) y sobre todo a Co(II) en células en vida libre y en simbiosis con plantas de guisante. Ambos genes forman un operón cuya expresión se induce en respuesta a la presencia de Ni(II) y Co(II). Este sistema se encuentra conservado en distintas especies del género Rhizobium como un mecanismo general de resistencia a níquel y cobalto. Otro de los mutantes identificados (D4239), tiene interrumpido un gen que codifica para un regulador transcripcional de la familia AraC. Aunque inicialmente fue identificado por su sensibilidad a níquel, experimentos posteriores demostraron que su elevada sensibilidad a metales era debida a su sensibilidad al medio TY, y más concretamente a la triptona presente en el medio. En otros medios de cultivo el mutante no está afectado específicamente en su tolerancia a metales. Este mutante presenta un fenotipo simbiótico inusual, siendo inefectivo en guisantes y efectivo en lentejas. Análisis de complementación y de mutagénesis dirigida sugieren que el fenotipo de la mutación podría depender de otros factores distintos del gen portador de la inserción del minitransposón. ABSTRACT Ultramafic soils, having naturally high concentrations of nickel, cobalt and chrome, are potential sources of highly metal-resistant bacteria. A physico-chemical characterization of six ultramafic soils from the European southwest was made. A soil from Gorro, Italy, was chosen as the most appropriated for the isolation of heavy-metal-resistant endosymbiotic bacteria. From pea and lentil trap plants inoculated with soil suspensions, 58 isolates of Rhizobium leguminosarum bv. viciae (Rlv) were obtained and classified into 13 groups based on PCR-RAPDs analysis. The resistance to metallic cations [Ni(II), Co(II), Cu(II), Zn(II)] was analyzed in a representative strain of each group. From the results obtained in the resistance assays, the Rlv UPM1137 strain was selected to identify metal resistance mechanism. A random mutagenesis was made in UPM1137 by using minitransposon insertion. Analysis of 4313 transconjugants allowed to identify 14 mutants with higher sensitivity to Ni(II) than the wild type strain. The insertion point of the minitransposon was determined in all of them, and two mutants (D2250 and D4239) were studied in more detail. In one of the mutants (D2250), the affected gene encodes a protein with 44% identity in compared with DmeF (divalent efflux protein) from Cupriavidus metallidurans. Upstream R. leguminosarum dmeF, a gene encoding a protein with 39% identity with RcnR regulator from E. coli was identified. This protein was named DmeR. A mutant with both genes in the dmeRF deleted was generated and characterized in Rlv SPF25 (Rlv D15). From phenotypic and regulation analysis it was concluded that the dmeRF system is relevant for Ni(II) and specially Co(II) tolerance in both free living and symbiotic forms of the bacteria. This system is conserved in different Rhizobium species like a general mechanism for nickel and cobalt resistance. Other of the identified mutants (D4239) contains the transposon insert on a gene that encodes for an AraC-like transcriptional regulator. Although initially this mutant was identified for its nickel sensitivity, futher experiments demonstrated that its high metal sensitivity is due to its sensitivity to the TY medium, specifically for the tryptone. In other media the mutant is not affected specifically in their tolerance to metals. This mutant showed an unusual symbiotic phenotype, being ineffective in pea and effective in lentil. Complementation analysis and directed mutagenesis suggest that the mutation phenotype could depend of other factors different from the insertion minitransposon gene.

Molecular physiology of nickel and cobalt homeostasis in Rhizobium leguminosarum.

Transition metals such as Fe, Cu, Mn, Ni, or Co are essential nutrients, as they are constitutive elements of a significant fraction of cell proteins. Such metals are present in the active site of many enzymes, and also participate as structural elements in different proteins. From a chemical point of view, metals have a defined order of affinity for binding, designated as the Irving-Williams series (Irving and Williams, 1948) Mg2+ menor que Mn2+ menor que Fe2+ menor que Co2+ menor que Ni2+ menor que Cu2+mayor queZn2+ Since cells contain a high number of different proteins harbouring different metal ions, a simplistic model in which proteins are synthesized and metals imported into a ?cytoplasmic soup? cannot explain the final product that we find in the cell. Instead we need to envisage a complex model in which specific ligands are present in definite amounts to leave the right amounts of available metals and protein binding sites, so specific pairs can bind appropriately. A critical control on the amount of ligands and metal present is exerted through specific metal-responsive regulators able to induce the synthesis of the right amount of ligands (essentially metal binding proteins), import and efflux proteins. These systems are adapted to establish the metal-protein equilibria compatible with the formation of the right metalloprotein complexes. Understanding this complex network of interactions is central to the understanding of metal metabolism for the synthesis of metalloenzymes, a key topic in the Rhizobium-legume symbiosis. In the case of the Rhizobium leguminosarum bv viciae (Rlv) UPM791 -Pisum sativum symbiotic system, the concentration of nickel in the plant nutrient solution is a limiting factor for hydrogenase expression, and provision of high amounts of this element to the plant nutrient solution is required to ensure optimal levels of enzyme synthesis (Brito et al., 1994).

Identificación y análisis funcional de genes implicados en la homeostasis de níquel en la bacteria endosimbiótica de leguminosas Rhizobium leguminosarum

La asociación Rhizobium-leguminosa constituye una interacción planta-microorganismo particularmente beneficiosa a nivel medioambiental debido a su capacidad promotora del crecimiento vegetal en condiciones de deficiencia de nitrógeno. Se ha demostrado que una excesiva concentración de metales pesados en el suelo afecta negativamente la competitividad bacteriana y al desarrollo de interacciones diazotróficas eficientes (Chaudri et al., 2000; Pereira et al., 2006). Por otro lado, el suministro de metales como Fe, Mo, Ni o Cu es fundamental para la biosíntesis de enzimas bacterianas relacionadas con el proceso de fijación de nitrógeno que ocurre en el interior de los nódulos de las leguminosas (Moreau et al., 1995). Con objeto de identificar sistemas génicos implicados en la homeostasis de níquel en bacterias endosimbióticas, se ha llevado a cabo una mutagénesis mediante inserción aleatoria de un minitransposón derivado de Tn5 en Rhizobium leguminosarum bv. viciae UPM1137, una cepa capaz de resistir elevadas concentraciones de níquel y cobalto. Como resultado de esta mutagénesis se han obtenido 14 mutantes incapaces de crecer en medios suplementados con NiCl2. La localización de la inserción en estos mutantes muestra que una elevada proporción de los genes afectados codifican proteínas de membrana o proteínas secretadas. En paralelo, se ha obtenido la secuencia del genoma de la cepa UPM1137, lo que permite realizar estudios in silico comparando los genomas disponibles de varias cepas de R. leguminosarum bv. viciae, que presentan una menor sensibilidad a metales. El análisis bioinformático de los genomas secuenciados y la caracterización fenotípica de los mutantes obtenidos permitirá identificar potenciales sistemas de resistencia y su contribución a la homeostasis de metales.

Identification and functional characterization of Rhizobium leguminosarum bv. viciae genetic systems involved in nickel homeostasis.

A collection of Rhizobium leguminosarum bv. viciae strains isolated from ultramafic and contaminated soils in Italy and Germany, respectively, was analyzed for resistance to nickel and cobalt ions. These assays led to the identification of strain UPM1137, which is able to grow at high concentrations of nickel and cobalt. In order to identify genetic systems involved in the homeostasis to these metals, a random mutagenesis was carried out in UPM1137 by inserting a Tn5-derivative minitransposon. As a result 4313 transconjugants were obtained, being 39 of them (0.90%) unable to grow at 1.5 mM NiCl2. The identification of the transposon insertion site in these mutants showed that the disrupted genes encode proteins belonging to different functional categories, where the secreted and membrane proteins were the most numerous. The analysis of heavy metal resistance and phenotypes in symbiotic and free –living cells will define the contribution of these genes to metal homeostasis.

Estudio de una fábrica para tratamiento de menas españolas de zinc : figuras y presupuesto para una producción dada

Estudio de una fábrica para tratamiento de menas españolas de zinc

Expedición a Asturias en 1897: La Felguera, fábrica de zinc en Arnao, alumbrado eléctrico en Oviedo y El Turón

Expedición a Asturias en 1897 : La Felguera, Fábrica de Zinc en Arnao, alumbrado eléctrico en Oviedo y El Turón

Efecto de la adición de una turba comercial en la asimilabilidad de cobre, zinc, hierro, manganeso de un suelo en el que se ha cultivado trigo

Se ha estudiado el efecto de la adición de diferentes cantidades de una turba comercial (con un 80 % de turba rubia y un 20% de turba negra) en la asimilabilidad de los elementos nutritivos en un suelo calcáreo en el que se cultivó trigo. Para ello se determinaron los contenidos en N, P y K, así como las concentraciones totales y potencialmente asimilables para las plantas de los micronutrientes Cu, Zn, Fe y Mn. También se determinó el rendimiento en grano y el índice de cosecha del cultivo de trigo realizado en función del tratamiento de turba aplicado. Los resultados estadísticos no mostraron diferencias significativas entre tratamientos en cuanto a la concentración total de N, K, Cu, Zn, Fe y Mn en el suelo de la rizosfera del cultivo. Sin embargo sí se obtuvieron diferencias significativas (P < 0,05) en las concentraciones de Cu, Zn, Fe y Mn potencialmente disponibles en el suelo, aumentando en general, dichas concentraciones con los incrementos de la dosis de turba. El aumento de la dosis de turba también afectó al valor de pH del suelo, disminuyendo el valor del mismo a medida que aumenta dicha dosis. El mayor rendimiento en grano del cultivo de trigo se obtuvo con el tratamiento con turba que consiguió en el suelo un contenido en materia orgánica del 2,5 %.