Bases moleculares de la interacción virus-planta : relación entre genes de defensa, ARNs pequeños y sintomatología

Los virus fitopatógenos producen alteraciones en el metabolismo y la fisiología de sus huéspedes provocadas principalmente por alteraciones en la expresión génica durante las infecciones. Numerosos cambios están asociados a respuestas de estrés y defensa y sus efectos secundarios son probablemente causantes de los síntomas. El uso de plantas transgénicas que expresan proteínas virales constituye un sistema útil para estudiar la complejidad de la interacción planta-virus. Con el fin de determinar patrones de expresión génica alterados, se emplearon líneas que expresan proteínas del TMV sin función supresora del silenciamiento: la proteína de cápside mutada (CPT42W), la proteína de movimiento (MP) y una línea co-expresante (MPxCPT42W) que mostró alteraciones morfológicas (semejantes a síntomas) y de acumulación de miARNs. Se realizó un microarreglo para detectar cambios transcripcionales asociados a la coexpresión de CPT42W y MP, utilizando como control una línea isogénica con ambos transgenes silenciados y fenotipo normal (mpxcpT42W*). Se estudiaron procesos biológicos cuyos genes mostraron alteraciones por la co-expresión de CPT42W y MP, focalizando en vías relacionadas a estrés oxidativo, inmunidad innata y vías degradación de ARN. Se demostró que CPT42W y MP modularon la defensa innata de un modo complejo: MP parecería actuar como inductor de defensa, alterando los niveles de ERO y SA mientras que CP jugaría un rol antagónico, inhibiendo la expresión de PR-1 y RDR1. Por otro lado, estudios funcionales en vías de degradación de ARN, demostraron que genes componentes del ARN exosoma, inducidos por la expresión de MP y CPT42W, estarían implicados en la alteración de miARNs y constituirían mecanismos alternativos subyacentes a la generación de síntomas en infecciones virales. Este trabajo constituye un importante aporte al entendimiento de los mecanismos de defensa antiviral y de producción de síntomas, proporcionando herramientas para diseñar nuevas estrategias biotecnológicas de control de virosis en cultivos de interés agronómico.

Mecanismos fisiológicos y moleculares involucrados en la terminación de la dormición de semillas expuestas a las temperaturas alternadas

Esta tesis determina los mecanismos fisiológicos intervinientes en la terminación de la dormición en semillas de Cynara cardunculus y otras especies no domesticadas a las temperaturas alternadas. La comprensión de los mecanismos fisiológicos, se inicio a partir de la comparación de los parámetros resultantes de la aplicación del modelo de hidrotiempo. Se observó que las temperaturas alternadas redujeron el potencial agua base para la germinación (ƒÕ(b) 50). Este hecho denota que las temperaturas alternadas incrementan la capacidad del embrión para superar aquellas restricciones de origen físico y/o endógeno que impiden su crecimiento. El incremento del potencial de crecimiento del embrión esta regulado hormonalmente donde las fitohormonas ácido abscisico (ABA) y giberelinas (GAs) ejercen respectivamente, roles antagonicos en el mantenimiento de la dormición y en la promoción de la germinación. En las semillas expuestas a las temperaturas alternadas, se observó un menor contenido y una pérdida de la sensibilidad al ABA. Por el contrario, no se observaron cambios en el contenido y/o en la sensibilidad a las GAs de las semillas entre ambos regímenes térmicos de incubación. Además, se observó que el mantenimiento de la dormición en las semillas expuestas a temperaturas de incubación constantes fue producto del incremento en la biosintesis de novo del ABA. Los mecanismos hormonales por los cuales las temperaturas alternadas terminan con la dormición, se encontrarían regulados a nivel de la expresión de genes, siendo posible destacar la correspondencia observada entre la reducción en el contenido y en la sensibilidad al ABA bajo temperaturas alternadas y la menor abundancia de los transcriptos de NCED y de ABI5 involucrados en la sintesis y en la senalizacion del ABA.

Identificación de QTL para dormición y análisis molecular de la interacción ABA-GAs en cariopses de sorgo granífero

El objetivo de esta tesis fue contribuir a la dilucidación de los mecanismos moleculares y genéticos que participan en la expresión de la dormición de semillas de cereales, utilizando Sorghum bicolor (L.) Moench como sistema modelo. Para ello se utilizaron dos aproximaciones complementarias: la identificación de QTL para el carácter dormición y la evaluación de la ocurrencia de interacciones in vitro entre componentes de la señalización del ácido abscísico (ABA) y el catabolismo de las giberelinas (GAs), candidatos a tener un rol importante durante la expresión de la dormición en granos de sorgo inmaduros (i.e. antes de madurez fisiológica). Los resultados obtenidos permitieron identificar tres QTL (qDOR-5; qDOR-9 y qDOR-10) que explican una proporción de la variabilidad que se observa en el patrón de expresión de dormición de granos de sorgo maduros (i.e. después de madurez fisiológica). Un análisis in silico de las secuencias abarcadas por estos QTL mostró que ninguno ellos incluye genes considerados como candidatos para dormición de sorgo. En ese sentido, esta tesis aportó nuevas regiones genómicas que contienen genes hasta ahora desconocidos, que serían importantes en la expresión del carácter dormición en granos maduros. Por otra parte, los análisis de unión in vitro realizados mostraron que las proteínas SbABI4 y SbABI5 (componentes de la señalización del ABA) pueden interactuar de manera específica con el ABRC (complejo de respuesta al ABA) del promotor del gen SbGA2ox3, responsable de la degradación de giberelinas activas. Este mecanismo de cross-talk ABA-GAs podría ser uno de los responsables del mantenimiento de la dormición en cariopses inmaduros resistentes al brotado pre-cosecha. Más aún, el ABRC del promotor de SbGA2ox3, involucrado en las interacciones, se encontró además en los promotores de genes GA2ox de otras especies monocotiledóneas como Brachypodium y arroz (Oryza sativa), pero no así en las dicotiledóneas analizadas, sugiriendo que el cross-talk ABA-GAs podría tener lugar en otras especies además de sorgo. Los resultados de esta tesis en forma conjunta aportaron nuevas evidencias acerca del rol preponderante que tienen ciertas regiones del genoma o genes puntuales en la expresión de la dormición tanto en granos maduros como inmaduros de sorgo granífero.

Rendimiento potencial en trigo : identificación de atributos ecofisiológicos favorables en líneas doble haploide

La demanda mundial de trigo crece a tasas mayores que las actuales ganancias geneticas, indicando una perdida de eficiencia en el mejoramiento tradicional que utiliza como estrategia la seleccion empírica por rendimiento per se. Para complementar dicha estrategia, se ha propuesto la utilización de atributos ecofisiológicos simples ligados funcionalmente al rendimiento como criterio de seleccion indirecto. Sin embargo, el actual cuello de botella., tanto para identificar estos atributos como para comprender sus bases geneticas, es una detallada y correcta caracterización fenotípica de poblaciones de mapeo. Esta informacion, combinada con las herramientas moleculares disponibles, permitiría establecer un modelo mas completo de la relación genotipo-fenotipo y de la interacción genotipo-ambiente. En este contexto, el objetivo de la tesis fue caracterizar fenotípicamente una población de líneas doble haploide de trigo, obtenida a partir de cultivares que generan alto rendimiento potencial a traves de una combinación diferente de número y peso de grano, e identificar atributos ecofisiológicos ligados funcionalmente con el rendimiento. La población utilizada se evaluó en dos ambientes contrastantes bajo condiciones potenciales de campo, donde se uniformó el tiempo a floración y la altura de planta, a fin de evitar las posibles confusiones en la identificacion de otros atributos claves asociados al rendimiento. Las variaciones en rendimiento fueron explicadas principalmente por cambios en la biomasa acumulada durante todo el ciclo (r2 menor a 0.80 en cada ambiente), producto de diferencias en la eficiencia en el uso de la radiacion (EUR), manteniendose el indice de cosecha relativamente contante. El número de granos por unidad de superficie, que tendió a asociarse mejor con el coeficiente de fertilidad de espiga (CFE) que con el peso seco de espigas a floración, fue el principal componente del rendimiento. Mejoras en la EUR durante el período de crecimiento de la espiga (produciría espigas más pesadas) y un mayor CFE (no asociado a reducciones en el peso potencial de grano) serían dos atributos clave para incrementar el rendimiento potencial en trigo

Clonado posicional del gen VRN-D4 en trigo hexaploide (Triticum aestivum)

Las variedades de trigo con hábito de crecimiento invernal requieren una prolongada exposición a bajas temperaturas para acelerar la floración. Este requerimiento se denomina 'vernalización' y la variación natural en los genes que controlan este proceso ha favorecido la adaptación del trigo a diferentes ambientes. Los principales loci que controlan el requerimiento de vernalización en trigo se denominan VRN1, VRN2, VRN3 y VRN-D4. Los primeros tres genes han sido aislados y caracterizados pero VRN-D4 no ha sido identificado aún a nivel molecular. El objetivo de esta tesis es la identificación de VRN-D4 mediante clonado posicional, lo que incluyó la construcción de un mapa genético de alta densidad, un mapa físico, el estudio de los genes candidatos y su validación. Usando esta estrategia se encontró que VRN-D4 está localizado en la región centromérica del brazo corto del cromosoma 5D. En esta región se identificó la inserción un fragmento cromosómico de ~290Kb del cromosoma 5A incluyendo una copia del gen de floración VRN-A1. Usando mutantes inducidos por EMS este estudio demuestra que esta segunda copia de VRN-A1 es VRN-D4. VRN-D4 fue encontrado en muy alta frecuencia en la sub-especie T. aestivum ssp. sphaerococcum predominante en el sur del continente Asiático. Esta sub-especie carece de otros genes para hábito de crecimiento primaveral, lo que sugiere que VRN-D4 jugó un rol importante en la adaptación del trigo a esta región. Este estudio también identificó mutaciones en una región regulatoria de VRN-D4 asociadas a su expresión temprana. Mutaciones similares identificadas en alelos de VRN-A1 también estuvieron asociadas con un reducido requerimiento de vernalización. Los alelos de VRN-A1 y VRN-D4 identificados en este estudio representan una herramienta útil para regular la fecha de floración de trigo. Este estudio contribuye también al conocimiento básico de los mecanismos moleculares involucrados en la respuesta a la vernalización.

La constitución de la pared celular durante la madurez en planta de peras Bartlett, y sus modificaciones por la incidencia de luz : consecuencias sobre la eficacia de los tratamientos con 1-metilciclopropeno

La firmeza es el atributo más importante en las peras y está determinada en parte, por la estructura de la pared celular (PC) y por su desintegración. No han sido completamente identificadas las modificaciones que ocurren en los polisacáridos de la PC de pulpa y piel ni las anomalías bioquímicas que se asociarían a la aparición de texturas atípicas provocada por una cosecha tardía de peras Bartlett. Tampoco se ha analizado a la fecha la influencia de los factores precosecha sobre la composición de la PC, el ablandamiento de los frutos y la eficacia de tratamientos de poscosecha como los realizados con 1-metilciclopropeno (1- MCP), inhibidor de la acción del etileno. A fin de estudiar estos aspectos se muestrearon peras Bartlett que maduraron en planta para los estudios de ontogenia en pulpa y piel; al mismo tiempo se trabajó con peras que crecieron bajo diferentes condiciones de radiación a campo y luego fueron almacenadas a 20 ºC por 13 y 23 d con y sin tratamiento de 1-MCP. Se determinó la firmeza, el color, los sólidos solubles, la acidez titulable, el porcentaje de almidón, la producción de etileno, el jugo libre, se realizó análisis sensorial y luego se efectuó la extracción y fraccionamiento de la PC. Sobre esta última se determinó la solubilidad, composición y distribución de tamaños moleculares. Los resultados demostraron que los frutos que maduraron en planta presentaron anomalías texturales asociadas a una menor solubilización de pectinas y de arabinosa. Asimismo se determinó que la composición y el metabolismo de PC de peras Bartlett difieren en el tejido de pulpa y piel. Se estableció que la mayor exposición solar resultó en un aumento de la firmeza de los frutos. Esto se relacionó con una mayor proporción de pectinas solubles en álcali y hemicelulosas de mayor tamaño molecular a cosecha. Por último, la eficacia del 1-MCP se vio incrementada por condiciones de mayor radiación-temperatura en precosecha, siendo la radiación UVB poco relevantes.

Variabilidad genética de poblaciones de Melampsora spp. agente causal de la roya del álamo, en la zona del Delta Inferior del río Paraná

En la zona del Delta del Paraná, Argentina, el cultivo de álamo constituye el principal recurso productivo y económico. La roya del álamo, producida por especies de Melampsora spp., es la enfermedad fúngica de mayor importancia económica por su carácter epidemiológico. El cultivo de un limitado número de clones, altamente especializados y ecológicamente inestables, provocan la evolución de distintos patosistemas generando el reemplazo de ciertos clones por otros más resistentes. El objetivo de este trabajo fue estudiar la variabilidad genética molecular de la especie Melampsora, sobre 32 aislamientos de ejemplares pertenecientes a clones de Populus spp. durante los años 2007, 2008 y 2009, utilizando las técnicas de AFLPs y SSRs. La utilización de AFLPs permitió diferenciar 32 fenotipos moleculares, mostrando variabilidad genética en la población, mientras que a partir de la utilización de SSRs se confirmó la presencia de M. medusae y M. larici-populina en la zona de estudio. El análisis de agrupamientos (UPGMA) a partir de AFLPs permitió distinguir la cepa de Populus nigra del resto quedando como unidad aislada, a su vez se pudieron identificaron tres clusters de aislamientos provenientes de Populus deltoides, con tendencia a agruparse por origen genético y origen geográfico. El análisis de AMOVA confirmó las diferencias significativas para dichos agrupamientos. Los resultados del presente estudio confirman la existencia de variabilidad genética para los marcadores

Identificación de QTL para dormición y análisis molecular de la interacción ABA-GAs en cariopses de sorgo granífero

El objetivo de esta tesis fue contribuir a la dilucidación de los mecanismos moleculares y genéticos que participan en la expresión de la dormición de semillas de cereales, utilizando Sorghum bicolor (L.)Moench como sistema modelo. Para ello se utilizaron dos aproximaciones complementarias: la identificación de QTL para el carácter dormición y la evaluación de la ocurrencia de interacciones in vitro entre componentes de la señalización del ácido abscísico (ABA)y el catabolismo de las giberelinas (GAs), candidatos a tener un rol importante durante la expresión de la dormición en granos de sorgo inmaduros (i.e. antes de madurez fisiológica). Los resultados obtenidos permitieron identificar tres QTL (qDOR-5; qDOR-9 y qDOR-10)que explican una proporción de la variabilidad que se observa en el patrón de expresión de dormición de granos de sorgo maduros (i.e. después de madurez fisiológica). Un análisis in silico de las secuencias abarcadas por estos QTL mostró que ninguno ellos incluye genes considerados como candidatos para dormición de sorgo. En ese sentido, esta tesis aportó nuevas regiones genómicas que contienen genes hasta ahora desconocidos, que serían importantes en la expresión del carácter dormición en granos maduros. Por otra parte, los análisis de unión in vitro realizados mostraron que las proteínas SbABI4 y SbABI5 (componentes de la señalización del ABA)pueden interactuar de manera específica con el ABRC (complejo de respuesta al ABA)del promotor del gen SbGA2ox3, responsable de la degradación de giberelinas activas. Este mecanismo de cross-talk ABA-GAs podría ser uno de los responsables del mantenimiento de la dormición en cariopses inmaduros resistentes al brotado pre-cosecha. Más aún, el ABRC del promotor de SbGA2ox3, involucrado en las interacciones, se encontró además en los promotores de genes GA2ox de otras especies monocotiledóneas como Brachypodium y arroz (Oryza sativa), pero no así en las dicotiledóneas analizadas, sugiriendo que el cross-talk ABA-GAs podría tener lugar en otras especies además de sorgo. Los resultados de esta tesis en forma conjunta aportaron nuevas evidencias acerca del rol preponderante que tienen ciertas regiones del genoma o genes puntuales en la expresión de la dormición tanto en granos maduros como inmaduros de sorgo granífero.

Clonado posicional del gen VRN-D4 en trigo hexaploide (Triticum aestivum)

Las variedades de trigo con hábito de crecimiento invernal requieren una prolongada exposición a bajas temperaturas para acelerar la floración. Este requerimiento se denomina 'vernalización' y la variación natural en los genes que controlan este proceso ha favorecido la adaptación del trigo a diferentes ambientes. Los principales loci que controlan el requerimiento de vernalización en trigo se denominan VRN1, VRN2, VRN3 y VRN-D4. Los primeros tres genes han sido aislados y caracterizados pero VRN-D4 no ha sido identificado aún a nivel molecular. El objetivo de esta tesis es la identificación de VRN-D4 mediante clonado posicional, lo que incluyó la construcción de un mapa genético de alta densidad, un mapa físico, el estudio de los genes candidatos y su validación. Usando esta estrategia se encontró que VRN-D4 está localizado en la región centromérica del brazo corto del cromosoma 5D. En esta región se identificó la inserción un fragmento cromosómico de ~290Kb del cromosoma 5A incluyendo una copia del gen de floración VRN-A1. Usando mutantes inducidos por EMS este estudio demuestra que esta segunda copia de VRN-A1 es VRN-D4. VRN-D4 fue encontrado en muy alta frecuencia en la sub-especie T. aestivum ssp. sphaerococcum predominante en el sur del continente Asiático. Esta sub-especie carece de otros genes para hábito de crecimiento primaveral, lo que sugiere que VRN-D4 jugó un rol importante en la adaptación del trigo a esta región. Este estudio también identificó mutaciones en una región regulatoria de VRN-D4 asociadas a su expresión temprana. Mutaciones similares identificadas en alelos de VRN-A1 también estuvieron asociadas con un reducido requerimiento de vernalización. Los alelos de VRN-A1 y VRN-D4 identificados en este estudio representan una herramienta útil para regular la fecha de floración de trigo. Este estudio contribuye también al conocimiento básico de los mecanismos moleculares involucrados en la respuesta a la vernalización.

Rendimiento potencial en trigo : identificación de atributos ecofisiológicos favorables en líneas doble haploide

La demanda mundial de trigo crece a tasas mayores que las actuales ganancias geneticas, indicando una perdida de eficiencia en el mejoramiento tradicional que utiliza como estrategia la seleccion empírica por rendimiento per se. Para complementar dicha estrategia, se ha propuesto la utilización de atributos ecofisiológicos simples ligados funcionalmente al rendimiento como criterio de seleccion indirecto. Sin embargo, el actual cuello de botella., tanto para identificar estos atributos como para comprender sus bases geneticas, es una detallada y correcta caracterización fenotípica de poblaciones de mapeo. Esta informacion, combinada con las herramientas moleculares disponibles, permitiría establecer un modelo mas completo de la relación genotipo-fenotipo y de la interacción genotipo-ambiente. En este contexto, el objetivo de la tesis fue caracterizar fenotípicamente una población de líneas doble haploide de trigo, obtenida a partir de cultivares que generan alto rendimiento potencial a traves de una combinación diferente de número y peso de grano, e identificar atributos ecofisiológicos ligados funcionalmente con el rendimiento. La población utilizada se evaluó en dos ambientes contrastantes bajo condiciones potenciales de campo, donde se uniformó el tiempo a floración y la altura de planta, a fin de evitar las posibles confusiones en la identificacion de otros atributos claves asociados al rendimiento. Las variaciones en rendimiento fueron explicadas principalmente por cambios en la biomasa acumulada durante todo el ciclo (r2 menor a 0.80 en cada ambiente), producto de diferencias en la eficiencia en el uso de la radiacion (EUR), manteniendose el indice de cosecha relativamente contante. El número de granos por unidad de superficie, que tendió a asociarse mejor con el coeficiente de fertilidad de espiga (CFE)que con el peso seco de espigas a floración, fue el principal componente del rendimiento. Mejoras en la EUR durante el período de crecimiento de la espiga (produciría espigas más pesadas)y un mayor CFE (no asociado a reducciones en el peso potencial de grano)serían dos atributos clave para incrementar el rendimiento potencial en trigo