Effects of atmospheric carbon dioxide fertilization on biomass and secondary metabolites of some plant species with pharmacological interes under greenhouse conditions

RESUMEN El aumento del CO2 atmosférico debido al cambio global y/o a las prácticas hortícolas promueve efectos directos sobre crecimiento vegetal y el desarrollo. Estas respuestas pueden ocurrir en ecosistemas naturales, pero también se pueden utilizar para aumentar la producción de algunas plantas y de algunos compuestos secundarios. El actual trabajo intenta estudiar los efectos del enriquecimiento atmosférico del CO2 bajo condiciones de invernadero en el crecimiento y la concentración y la composición de metabolitos secundarios de Taxus bacatta, Hypericum perforatum y Echinacea purpurea en condiciones ambientales mediterráneas. La fertilización del CO2 muestra perspectivas interesantes para la mejorara y aplicabilidad de técnicas hortícolas para aumentar productividad de plantas medicinales, a pesar de diferencias claras entre la especie. En general esta técnica promueve aumentos importantes y significativos en producción primaria y, en algunos casos, también en compuestos secundarios. Esto tiene una gran importancia hortícola porque la productividad a nivel de cosecha total aumenta, directamente porque se aumenta la concentración e indirectamente porque se aumenta la biomasa. SUMMARY The increase of atmospheric CO2 due to global change and/or horticultural practices promotes direct effects on plant growth and development. These responses may occur in natural ecosystems, but also can be used to increase the production of some plants and some secondary compounds. Present work tries to study the effects of atmospheric CO2 enrichment under greenhouse conditions on growth and in the concentration and composition of secondary metabolites of Taxus bacatta, Hypericum perforatum and Echinacea purpurea under Mediterranean environmental conditions. CO2 fertilization shows interesting perspectives to increase and improve horticultural techniques in order to increase plant medicinal productivity, in spite of clear differences among the species. In general this technique promotes important and significant increases in primary productivity and, in some cases, also in secondary compounds. This has a great horticultural relevance because the total productivity of this kind of products increase at crop level, directly because concentration is increased and /or indirectly because biomass is increased. RESUM L'augment del CO2 atmosfèric a causa del canvi global i/o a les pràctiques hortícoles promou efectes directes sobre creixement vegetal i el desenvolupament. Aquestes respostes poden ocórrer en ecosistemes naturals, però també es poden utilitzar per a augmentar la producció d'algunes plantes i d'alguns compostos secundaris. L'actual treball intenta estudiar els efectes de l'enriquiment atmosfèric del CO2 sota condicions d'hivernacle en el creixement i la concentració i la composició de metabòlits secundaris de Taxus bacatta, Hypericum perforatum i Echinacea purpurea en condicions ambientals mediterrànies. La fertilització del CO2 mostra perspectives interessants per a la millora i aplicabilitat de tècniques hortícoles per a augmentar productivitat de plantes medicinals, a pesar de diferències clares entre l'espècie. En general aquesta tècnica promou augments importants i significatius en producció primària i, en alguns casos, també en compostos secundaris. Això té una gran importància hortícola perquè la productivitat a nivell de collita total augmenta, directament perquè s'augmenta la concentració i indirectament perquè s'augmenta la biomassa.

Paper del sulfur d'hidrogen com a neurotransmissor a nivell dels sistema nerviòs entèric

Al llarg dels últims anys l’òxid nítric (NO) i el monòxid de carboni (CO) han estat investigats com dos neurotransmissors gasosos del tracte gastrointestinal. Algunes dades demostren que el sulfur d’hidrogen (H2S) podria ser el tercer neurotransmissor gasos a nivell central i perifèric. Objectiu: valorar si el H2S compleix els requisits per ser considerat com el tercer neurotransmissor gasos a nivell del sistema nerviós entèric. Mètodes: la motilitat espontània de preparacions de múscul llis circular de mostres de còlon sigma humà i còlon mig de rata es van determinar in vitro mitjançant la tècnica de banys d’òrgans. El hidrogensulfur de sodi (NaHS) va ser utilitzat com donador de H2S. Resultats: 1- El NaHS va inhibir de forma concentració depenent la motilitat espontània en presència de bloqueig neural amb Tetrodotoxina (TTX 1 μM) (IC50 101±18 μM rata n=10; 329±86 μM humà n=18). 2- Aquesta relaxació es va veure reduïda per ODQ 10 μM, un inhibidor de la guanilat ciclasa, en còlon mig de rata (n=5). En humà a més de ser reduïda per ODQ 10μM (n=6), també ho va ser per SQ 22,536 100 μM (n=10), un inhibidor de l’adenilat ciclasa, i per L-NNA 1 mM (n=8), un inhibidor de la sintesi de NO. 3- En còlon de rata la incubació amb D,L-Propargilglicina 2 mM (PAG), un inhibidor de la síntesi de H2S, va incrementar la motilitat tant en situació control (10,05±2,06 vs 17,46±3,37 g•min-1 AUC, P&0,001, n=10) com en presència de TTX 1μM (14,45±7,28 vs 21,67±10,05 g•min-1 AUC, P&0,01, n=7). Conclusió: el H2S compleix part dels criteris per ser considerat un neurotransmissor gasos inhibitori en el tracte gastrointestinal: la inhibició de la seva síntesi incrementa la motilitat intestinal i la seva addició exògena produeix relaxació de la musculatura llisa intestinal.

Síntesi i estudi de les propietats de fotoluminescència de nanoestructures de sulfur de cadmi

S’han sintetitzat estructures de CdS a partir de sílice mesoporosa (SBA-15, SBA-16 i KIT-6) pel mètode del motlle rígid i s’han caracteritzat mitjançant TEM i XRD, i se n’han estudiat les seves propietats de fotoluminescència mitjançant CSLM. Els resultats obtinguts s’han comparat amb una mostra de CdS comercial. El CdS SBA-15 ha conservat l’estructura mesoporosa del motlle, mentre que en els altres dos casos s’ha mantingut només de manera parcial. Per a totes les mostres, la mida de partícula es troba en el rang dels 3-10 nm. Pel que fa a l’estructura, s’ha detectat fase wurtzita i zinc-blenda, en diferents percentatges entre elles. La formació de wurtzita pot ser en part responsable del col·lapse parcial de la mesostructura. El pic de màxima emissió en l’espectre de fotoluminescència es desplaça entre les diferents estructures segons la mida de partícula. L’amplada del pic varia en funció del grau de dispersió de partícula, de manera que s’observa que aquesta és inferior en les mostres sintetitzades respecte de la comercial.

Carbon and nitrogen partitioning during post-anthesis is conditioned by N fertilization and sink strength in three cereals

Further knowledge of the processes conditioning nitrogen use efficiency (NUE) is of great relevance to crop productivity. The aim of this paper was characterise C and N partitioning during grain filling and their implications for NUE. Cereals such as bread wheat (Triticum aestivum L. cv Califa sur), triticale (× Triticosecale Wittmack cv. Imperioso) and tritordeum (× Tritordeum Asch. & Graebn line HT 621) were grown under low (LN, 5 mm NH4NO3) and high (HN, 15 mm NH4NO3) N conditions. We conducted simultaneous double labelling (12CO2 and 15NH415NO3) in order to characterise C and N partitioning during grain filling. Although triticale plants showed the largest total and ear dry matter values in HN conditions, the large investment in shoot and root biomass negatively affected ear NUE. Tritordeum was the only genotype that increased NUE in both N treatments (NUEtotal), whereas in wheat, no significant effect was detected. N labelling revealed that N fertilisation during post-anthesis was more relevant for wheat and tritordeum grain filling than for triticale. The study also revealed that the investments of C and N in flag leaves and shoots, together with the"waste" of photoassimilates in respiration, conditioned the NUE of plants, and especially under LN. These results suggest that C and N use by these plants needs to be improved in order to increase ear C and N sinks, especially under LN. It is also remarkable that even though tritordeum shows the largest increase in NUE, the low yield of this cereal limits its agronomic value.

In silico pathway reconstruction: Iron-sulfur cluster biogenesis in Saccharomyces cerevisiae

Background: Current advances in genomics, proteomics and other areas of molecular biology make the identification and reconstruction of novel pathways an emerging area of great interest. One such class of pathways is involved in the biogenesis of Iron-Sulfur Clusters (ISC). Results: Our goal is the development of a new approach based on the use and combination of mathematical, theoretical and computational methods to identify the topology of a target network. In this approach, mathematical models play a central role for the evaluation of the alternative network structures that arise from literature data-mining, phylogenetic profiling, structural methods, and human curation. As a test case, we reconstruct the topology of the reaction and regulatory network for the mitochondrial ISC biogenesis pathway in S. cerevisiae. Predictions regarding how proteins act in ISC biogenesis are validated by comparison with published experimental results. For example, the predicted role of Arh1 and Yah1 and some of the interactions we predict for Grx5 both matches experimental evidence. A putative role for frataxin in directly regulating mitochondrial iron import is discarded from our analysis, which agrees with also published experimental results. Additionally, we propose a number of experiments for testing other predictions and further improve the identification of the network structure. Conclusion: We propose and apply an iterative in silico procedure for predictive reconstruction of the network topology of metabolic pathways. The procedure combines structural bioinformatics tools and mathematical modeling techniques that allow the reconstruction of biochemical networks. Using the Iron Sulfur cluster biogenesis in S. cerevisiae as a test case we indicate how this procedure can be used to analyze and validate the network model against experimental results. Critical evaluation of the obtained results through this procedure allows devising new wet lab experiments to confirm its predictions or provide alternative explanations for further improving the models.

Grx5 is a mitochondrial glutaredoxin required for the activity of iron/sulfur enzymes

Yeast cells contain a family of three monothiol glutaredoxins: Grx3, 4, and 5. Absence of Grx5 leads to constitutive oxidative damage, exacerbating that caused by external oxidants. Phenotypic defects associated with the absence of Grx5 are suppressed by overexpression ofSSQ1 and ISA2, two genes involved in the synthesis and assembly of iron/sulfur clusters into proteins. Grx5 localizes at the mitochondrial matrix, like other proteins involved in the synthesis of these clusters, and the mature form lacks the first 29 amino acids of the translation product. Absence of Grx5 causes: 1) iron accumulation in the cell, which in turn could promote oxidative damage, and 2) inactivation of enzymes requiring iron/sulfur clusters for their activity. Reduction of iron levels in grx5 null mutants does not restore the activity of iron/sulfur enzymes, and cell growth defects are not suppressed in anaerobiosis or in the presence of disulfide reductants. Hence, Grx5 forms part of the mitochondrial machinery involved in the synthesis and assembly of iron/sulfur centers.

A peroxisomal glutathione transferase of Saccharomyces cerevisiae is functionally related to sulfur amino acid metabolism

Saccharomyces cerevisiae cells contain three omega-class glutathione transferases with glutaredoxin activity (Gto1, Gto2, and Gto3), in addition to two glutathione transferases (Gtt1 and Gtt2) not classifiable into standard classes. Gto1 is located at the peroxisomes, where it is targeted through a PTS1-type sequence, whereas Gto2 and Gto3 are in the cytosol. Among the GTO genes, GTO2 shows the strongest induction of expression by agents such as diamide, 1-chloro-2,4-dinitrobenzene, tert-butyl hydroperoxide or cadmium, in a manner that is dependent on transcriptional factors Yap1 and/or Msn2/4. Diamide and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (causing depletion of reduced glutathione) also induce expression of GTO1 over basal levels. Phenotypic analyses with single and multiple mutants in the S. cerevisiae glutathione transferase genes show that, in the absence of Gto1 and the two Gtt proteins, cells display increased sensitivity to cadmium. A gto1-null mutant also shows growth defects on oleic acid-based medium, which is indicative of abnormal peroxisomal functions, and altered expression of genes related to sulfur amino acid metabolism. As a consequence, growth of the gto1 mutant is delayed in growth medium without lysine, serine, or threonine, and the mutant cells have low levels of reduced glutathione. The role of Gto1 at the S. cerevisiae peroxisomes could be related to the redox regulation of the Str3 cystathionine -lyase protein. This protein is also located at the peroxisomes in S. cerevisiae, where it is involved in transulfuration of cysteine into homocysteine, and requires a conserved cysteine residue for its biological activity.

Yield in double cropping system as affected by N fertilization rate with pig slurry in a Catalonia dryland region

Intensive swine production is an important agricultural and economical activity in Europe. The high availability of pig slurry (PS) lead to attractive fertilization strategy to reduce costs, therefore is mainly applied as fertilizer in agricultural systems. The optimization N fertilization in these areas should be taken in into to avoid nitrates losses by lixiviation and to achieve maximum efficiency in crop nutrition. Many studies have shown that PS applications can achieve satisfactory yields in different crops by partially or completely replacing synthetic fertilizers. In addition, for the last years, in Northeast Spain (Catalonia) has been widely extended the double-cropping forage system.

Preparació de nous sulfurs quirals i aplicació d’aquests en síntesi asimètrica

Estudi realitzat a partir d’una estada al School of Chemistry de la University of Bristol, Gran Bretanya, entre 2006 i 2008. L’epoxidació asimètrica mediada per ilurs de sofre és actualment un mètode ben establert i complementari a les epoxidacions asimètriques d’alquens. Els ilurs de sofre han estat utilitzats també en reaccions d’aziridinació. Aquestes reaccions es poden dur a terme utilitzant tant quantitats subestequiomètriques d’un sulfur en processos catalítics com en quantitats estequiomètriques en forma de sal de sulfoni. Aquest últim procés permet la utilització d’un ventall més ample de substrats. Des de fa anys, s’han desenvolupat una sèrie de sulfurs quirals per aquest tipus de reaccions, alguns dels quals han permès d’obtenir als nivells d’enantioselectivitat. No obstant, la disponibiltat de sulfurs quirals, especialment en les reaccions estequiomètriques, resta com el taló d’Aquiles del procés i ha fet que la seva utilització en síntesi s’hagi quedat relegada tan sols a aquells grups de recerca que han estat pioners en la seva obtenció. Idealment, els sulfurs quirals s’haurien de poder obtenir en poques etapes sintètiques a partir de reactius barats i fàcilment assequibles del « pool quiral » ( les dues formes enantiomèriques accessibles, preferiblement). La seva arquitectura ben definida hauria de permetre d’obtenir alts nivells d’enantioselectivitat. Seguint aquestes premises, durant els dos anys de gaudi de beca s’han sintetitzat dos nous sulfurs quirals i han estat provats en diverses reaccions d’epoxidació i d’aziridinació. Inicialment la recerca es va centar en la síntesi de tiomorfolines, utilitzant limonè com a reactiu. Es va obtenir una tiomorfolina que dóna bons resultats en reaccions d’epoxidació i que es pot recuperar fàcilment, un cop la reacció ha acabat, mitjançant un rentat àcid/base. A més, el material recuperat pot ser reciclat i utilitzat en noves reaccions. A continuació, s’ha sintetitzat un nou sulfur quiral en una sola etapa de reacció a partir de dos dels reactius més barats: limonè i sofre. Aquest nou sulfur ha donat resultats excel•lents tant en termes de rendiments com d’enantio- i de diastereoselectivitat en reaccions d’epoxidació i d’aziridinació. Aquest sulfur quiral es pot recuperar fàcilment mitjançant una destil.lació i pot tornar a ser utilitzat.

Desequilibri 234Th/238U per a l'estudi del cicle de partícules al Mediterrani nord-occidental

El desequilibri 238U/234Th s’utilitza per traçar el cicle de les partícules a la part més superficial dels oceans. Això és possible degut a les diferències entre els seus períodes de semidesintegració (T1/2 (234Th)=24,1 d; T1/2 (238U)=4,5 10 9 anys) i a les seves característiques biogeoquímiques: el Th presenta una gran afinitat per les partícules mentre que l’U és conservatiu en aigua de mar. En absència de partícules s’esperaria tenir equilibri secular entre ambdós radionúclids, però com que l’oceà no està lliure de partícules, el 234Th és exportat des de les capes més superficials produint-se un dèficit respecte el seu pare, l’238U. El període de semidesintegració del 234Th és molt adequat per traçar processos d’escales temporals de dies a setmanes, del mateix ordre que el desenvolupament de la floració del fitoplàncton i a la posterior exportació de partícules. En aquest treball es presenten dades obtingudes durant dues campanyes oceanogràfiques realitzades en el marc del Projecte FAMOSO (2009) en el Mediterrani nordoccidental, abans i després de la floració de fitoplàncton de primavera a la zona. Una de les peculiaritats d’aquesta regió és el procés de convecció profunda d’hivern, el qual suposa un important mecanisme de fertilització. A partir dels fluxos de 234Th obtinguts a la columna d’aigua es poden establir les pautes temporals que ha seguit el fitoplàncton en les setmanes prèvies al mostreig. Aquesta informació es compara amb els fluxos obtinguts utilitzant trampes de sediment a la deriva instal·lades durant ambdues campanyes.