Molecular markers for the assessment of genetic variability in threatened plant species

La variabilità genetica è un importante strumento per lo studio e la conservazione della biodiversità in specie rare e minacciate di estinzione. Durante il mio dottorato mi sono quindi occupata di mettere a punto diverse metodologie molecolari al fine di valutare la diversità genetica in due specie rare della flora italiana che presentano problematiche diverse e specifiche. I marcatori arbitrari RAPD e i marcatori semi-arbitrari ISSR sono stati utilizzati per valutare la diversità genetica in Quercus crenata Lam. e per confermare l’ipotesi della sua origine ibridogena dalle due specie presunte parentali Quercus cerris L. e Quercus suber L., essendo Q. crenata presente in Italia settentrionale dove Q. suber è attualmente assente. I marcatori SSR o microsatelliti sono invece stati messi a punto su una specie a rischio di estinzione, endemica dell’Appennino Tosco-Emiliano, Primula apennina Widmer, applicando una metodologia specifica, basata sulla costruzione di una libreria genomica arricchita per l’isolamento di primer specifici. I marcatori RAPD e ISSR, utilizzati su un totale di 85 campioni, hanno mostrato alti livelli di diversità molecolare entro le specie studiate, eccetto per Q. suber le cui popolazioni rappresentano il margine orientale di distribuzione della specie, per questo più sottoposte ad impoverimento genetico. Oltre alla cluster analysis (UPGMA) e alla Analisi delle Componenti Principali effettuate per entrambi i marcatori, che confermano l’ipotesi dell’origine ibrida degli individui di Q. crenata diffusi in Italia Settentrionale, sono stati calcolati l’indice di ibridità basato sul maximum likelihood, che dimostra una introgressione asimmetrica di Q. crenata verso il parentale caratterizzato da superiorità demografica (Q. cerris) e il test di Mantel. Quest’ultimo ha permesso di confrontare i due marcatori RAPD e ISSR utilizzati ottenendo una bassa correlazione, a conferma del fatto che, amplificando tratti differenti del DNA nucleare, i dati non sono sovrapponibili, sebbene forniscano risultati analoghi. Per l’isolamento di loci microsatelliti ipervariabili ho utilizzato il protocolllo FIASCO (Fast isolation by AFLP of sequences containing repeats- Zane et al. 2002) che permette di costruire una libreria genomica arricchita partendo dal DNA estratto da P. apennina. Tale procedura ha previsto la digestione del DNA genomico per la produzione di una miscela di frammenti di DNA. Tramite ibridazione con opportune sonde sono stati isolati i frammenti contenenti i microsatelliti. Sequenziando i cloni ricombinanti, ho ottenuto sequenze contenenti repeats sulle cui regioni fiancheggianti sono stati costruiti 15 coppie di primer che potranno, in seguito, essere utilizzate per definire la quota di riproduzione clonale in P. apennina e per valutare la diversità genetica delle popolazioni che coprono l’areale di distribuzione della specie. Data la loro natura altamente variabile e la loro abbondanza nel DNA, gli SSR saranno, come i marcatori RAPD e gli ISSR, ugualmente validi per lo studio della variabilità genetica e per l’analisi di problematiche specifiche legate alle specie rare.

Somatic embryogenesis as a regeneration method for clonal propagation of Mediterranean forest species

La mejora y conservación de recursos genéticos en especies forestales lleva siglos de retraso con respecto a las especies agrícolas. Los recursos forestales se han considerado tradicionalmente como recursos �mineros�, en los que primaba la mera extracción dejando exclusivamente a la regeneración natural la labor de sostenibilidad en los montes y dehesas o montados. Hoy en día, el necesario desarrollo del medio rural obliga a la explotación racional de los recursos como medio de garantizar su sostenibilidad. Por ello se está empezando a extender el criterio de que las especies forestales se pueden y deben �cultivar� en determinados espacios. Las características biológicas de las especies forestales las hacen, a menudo, recalcitrantes a las técnicas de mejora y conservación de recursos genéticos tradicionalmente aplicadas a especies agrícolas. En particular, la propagación vegetativa se ha utilizado ampliamente en muchos cultivos leñosos como una herramienta muy poderosa para capturar todo el potencial genético de combinaciones genéticas valiosas. En especies forestales, en particular en las mediterráneas, esta posibilidad raramente se ha podido aplicar debido a la baja capacidad morfogénica de estas especies y la fuerte influencia de la maduración o cambio de fase. En los últimos años la biotecnología forestal ha tenido un desarrollo espectacular. En particular las técnicas de regeneración clonal de plantas basadas en técnicas de cultivo in vitro, fundamentalmente vía embriogénesis somática, se están ya aplicando por muchas empresas privadas e instituciones públicas a nivel semi-operativo con diversas especies, para la conservación de material selecto y el establecimiento de ensayos clonales. Nuestros grupos de trabajo están desarrollando protocolos de regeneración por embriogénesis somática en distintas especies forestales. En esta comunicación se presenta el estado actual de los conocimientos en dos especies típicamente mediterráneas, el alcornoque (Quercus suber L.) y el pino piñonero (Pinus pinea L.), destacando los principales cuellos de botella para su aplicación a gran escala.

CorkClass 1.0: Aplicación informática para la clasificación del corcho

El documento es una aplicación informática, programada en Visual Basic® para Microsoft Excel®, y contiene un programa denominado CorkClass 1.0. Es un software de clasificación de corcho en plancha por calidades a partir de su calibre – grosor – y de las anomalías o singularidades apreciables en su sección transversal. CorkClass 1.0 trabaja con dos clases de calidad: corcho taponable y refugo. A partir de la valoración de las variables obtenida por el usuario, la aplicación decide a qué clase pertenece la pieza. Esta clasificación se realiza en base a dos modelos. Cuando disponemos de medida del coeficiente de porosidad (mediante métodos de análisis de imagen), podemos clasificar en base al modelo completo (2TC) o al reducido (2TR), aunque los resultados generales se mostrarán tomando la clasificación del modelo completo para cada pieza. En caso de no disponer de medida del coeficiente de porosidad, la clasificación se realizará únicamente en base al modelo reducido (2TR), cuya clasificación para cada pieza será tomada para el cálculo de los resultados generales . El programa ha sido desarrollado por la UPM y el INIA-CIFOR y validado para muestras procedentes tanto de las distintas regiones de España como del resto de regiones de procedencia del alcornoque (Quercus suber L.), por lo que su ámbito de aplicación es universal.

CorkClass 1.1: Aplicación informática para la clasificación del corcho

El documento es una aplicación informática, programada en Visual Basic® para Microsoft Excel®, y contiene un programa denominado CorkClass 1.1. Es un software de clasificación de corcho en plancha por calidades a partir de su calibre – grosor – y de las anomalías o singularidades apreciables en su sección transversal. CorkClass 1.1 trabaja con dos clases de calidad: corcho taponable y refugo. A partir de la valoración de las variables obtenida por el usuario, la aplicación decide a qué clase pertenece la pieza. Esta clasificación se realiza en base a dos modelos. Cuando disponemos de medida del coeficiente de porosidad (mediante métodos de análisis de imagen), podemos clasificar en base al modelo completo (2TC) o al reducido (2TR), aunque los resultados generales se mostrarán tomando la clasificación del modelo completo para cada pieza. En caso de no disponer de medida del coeficiente de porosidad, la clasificación se realizará únicamente en base al modelo reducido (2TR), cuya clasificación para cada pieza será tomada para el cálculo de los resultados generales . El programa ha sido desarrollado por la UPM y el INIA-CIFOR y validado para muestras procedentes tanto de las distintas regiones de España como del resto de regiones de procedencia del alcornoque (Quercus suber L.), por lo que su ámbito de aplicación es universal.

Alleviation of Zn toxicity by low water availability

Heavy metal contamination and drought are expected to increase in large areas worldwide. However, their combined effect on plant performance has been scantly analyzed. This study examines the effect of Zn supply at different water availabilities on morpho-physiological traits of Quercus suber L. in order to analyze the combined effects of both stresses. Seedlings were treated with four levels of zinc from 3 to 150 µM and exposed to low watering (LW) or high watering (HW) frequency in hydroponic culture, using a growth chamber. Under both watering regimes, Zn concentration in leaves and roots increased with Zn increment in nutrient solution. Nevertheless, at the highest Zn doses, Zn tissue concentrations were almost twice in HW than in LW seedlings. Functional traits as leaf photosynthetic rate and root hydraulic conductivity, and morphological traits as root length and root biomass decreased significantly in response to Zn supply. Auxin levels increased with Zn concentrations, suggesting the involvement of this phytohormone in the seedling response to this element. LW seedlings exposed to 150 µM Zn showed higher root length and root biomass than HW seedlings exposed to the same Zn dose. Our results suggest that low water availability could mitigate Zn toxicity by limiting internal accumulation. Morphological traits involved in the response to both stresses probably contributed to this response.

Ferulates and lignin structural composition in cork

The structure of lignin and suberin, and ferulic acid (FA) content in cork from Quercus suber L. were studied. Extractive-free cork (Cork), suberin, desuberized cork (Cork(sap)), and milled-cork lignins (MCL) from Cork and Cork(sap) were isolated. Suberin composition was determined by GC-MS/FID, whereas the polymers structure in Cork, Corksap, and MCL was studied by Py-TMAH and 2D-HSQC-NMR. Suberin contained 94.4% of aliphatics and 3.2% of phenolics, with 90% of omega-hydroxyacids and alpha,omega-diacids. FA represented 2.7% of the suberin monomers, overwhelmingly esterified to the cork matrix. Py-TMAH revealed significant FA amounts in all samples, with about 3% and 6% in cork and cork lignins, respectively. Py-TMAH and 2D-HSQC-NMR demonstrated that cork lignin is a G-lignin (>96% G units), with a structure dominated by beta-O-4' alkyl-aryl ether linkages (80% and 77% of all linkages in MCL and MCLsap, respectively), followed by phenylcoumarans (18% and 20% in MCL and MCLsap, respectively), and smaller amounts of resinols (ca. 2%) and dibenzodioxocins (1%). HSQC also revealed that cork lignin is heavily acylated (ca. 50%) exclusively at the side-chain gamma-position. Ferulates possibly have an important function in the chemical assembly of cork cell walls with a cross-linking role between suberin, lignin and carbohydrates.

Cork oak transplant: A new reality? A Physiological Approach to maximize sucess rate.

Cork oak tree (Quercus suber L.), in Portugal, is considered the national tree and have special demands and legal protection when dealing with silviculture management (pruning, debarking, thinning). Being a species of slow growth, cork oak transplanting procedures can be a valuable asset either from the economic or ecological rationales to relocate trees, re-populate areas affected by high tree mortality, increase tree density to control erosion on montado ecosystems or landscape design. This study focuses the impacts and physiological responses of ten juvenile rain fed cork oak trees (with diameter at breast height between 6 and 16cm), when subjected to transplant operations. The work was conducted in a cork oak woodland experimental plot at the campus of the University of Évora (SW Portugal), during the year of 2015. Tree’s transplants were performed with a truck-mounted hydraulic spade transplanter coupled with a proposed methodology to maximize tree survival rates, addressing techniques to limit canopy transpiration and to improve root systems prior to transplant. Tree ecophysiological indicators (sap flow, leaf water potentials and stomatal conductance) were monitored comprising the periods before and after transplant operations, and water stress avoidance practices were established to promote post-transplant tree status recovery, including irrigation to match average daily accumulated sap flow. Transplant operations were considered successful when the tree's water uptake inferred from sap flow exhibited a high correlation with solar radiation and returned to its undisturbed or pre-transplant water potential gradients in the following 2 to 3 weeks. The post-transplant tree nourishment follow up included permanent sap flow measurements and identified the time elapsed after transplantation from which the tree recovers its normal transpiration thresholds and response. Our results suggest that by following the proposed methodology the sampled cork oak trees exhibited a transplant success rate of 90%.

The influence of forest management on bird communities of portuguese montados

The world distribution of cork oak Quercus suber and holm oak Q. rotundifolia is basically restricted to the western Mediterranean basin. These two evergreen oaks are the base of the Portuguese montado and the Spanish dehesa. This thesis aims to analyse how bird communities of the montado are influenced by management practices. We used different approaches to study this relationship, and to evaluate which features are responsible for species distribution in different typologies of montado. First, we reviewed the concept of montado in order to better understand the system and to set thresholds on what can be considered as montado. Afterwards, we studied the elements that promote higher species diversity and individual species, or group of species, that can act as indicators of High Nature Value for montados. Finally, we evaluated how the bird communities are structured, and the influence of the main management actions (e.g. cattle and cork exploitation) on those communities; Resumo: A distribuição mundial do sobreiro Quercus suber e da azinheira Quercus rotundifolia é praticamente restrita à bacia do Mediterrâneo. Estas duas espécies de carvalhos são a base dos montados em Portugal e das dehesas em Espanha. No âmbito desta tese analisamos como as comunidades de aves do montado são influenciadas pela gestão florestal. Para este efeito usámos diferentes abordagens e avaliámos quais as características do montado responsáveis pela distribuição das espécies ao longo das suas diferentes tipologias. Fizemos uma revisão do conceito de montado e proposemos uma definição para o sistema, englobando a sua multifuncionalidade. Estudámos os elementos singulares que promovem a diversidade de aves e que podem ser simultaneamente indicadores de áreas de Alto Valor Natural (HNV). Por fim, avaliámos qual a influência da gestão (p. ex. pastoreio e descortiçamento) na estruturação das comunidades de aves.

Evaluation of the protective effect of Phlomis purpurea against Phytophthora cinnamomi in Fagaceae and of root metabolites involved

Tese de doutoramento, Ciências Agrárias (Proteção de Plantas), Faculdade de Ciência e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Les sHsps en surera: capacitat protectora enfront l'estrés i variabilitat genètica

Els organismes responen a la temperatura i a molts altres estressos sintetitzant un grup de proteïnes anomenat proteïnes de xoc de calor (HSPs). En plantes les sHsps, d'entre 15 i 30 kDa formen el grup més abundant i divers, classificat en funció de la seva localització subcel.lular i homologia en: mitocondrials, cloroplàstiques, de reticle endoplasmàtic i citoplàsmiques de classe I i II. Les sHsps-CI s'ha descrit que s'indueixen per estrès tèrmic, hídric i oxidatiu (peròxid d'hidrògen, llum UV, ozó) i en resposta a algunes hormones. També s'expressen durant el desenvolupament, per exemple durant l'embriogènesi, on es creu que podrien tenir un paper protector de l'embrió enfront la dessecació. Tot i que hi ha abundants treballs que correlacionen la resistència a l'estrès i l'acumulació de sHsps-CI, els mecanismes moleculars d'aquesta activitat són poc conguts. Tot i això, per diverses sHsps-CI ha estat descrita una activitat xaperona in vitro i, més recentment, que la seva sobreexpressió augmenta la viabilitat de cèl.lules d'E.coli en condicions d'estrès tèrmic. L'estudi de l'acumulació de sHsps-CI en surera (Quercus suber) mitjançant immunodetecció en electroforesi bidimensional mostra uns patrons d'acumulació complexos i formats per dos grups d'espècies proteiques principals, a l'entorn dels 10 i 17 kDa respectivament, que mostren una inducció diferencial en funció del teixit i l'estrès. Mentre que les espècies proteiques de 17 kDa s'indueixen per temperatura però no per estrès oxidatiu, les de ca. 10 kDa ho fan per estrès oxidatiu i no per temperatura. Ambdós grups d'espècies proteiques s'acumulen conjuntament en fel.lema. Assajos de PCR i RT-PCR han permès clonar parcialment tres noves sHsps-CI en surera: Qshsp10-CI, QshspC-CI i QshspD-CI. Aquest fet confirma la multigeneïcitat de les sHsps-CI en surera que apuntava el patró bidimensional. Dels nous clons obtinguts destaca especialment Qshsp10-CI, un gen que presenta un codó stop enmig del domini -cristal.lí que fa que a la proteïna que se'n dedueix li manqui un 55% del domini -cristal.lí i tota l'extensió C-terminal. Es tractaria de la sHsp més petita i més truncada descrita fins al moment. L'anàlisi de l'expressió de Qshsp10-CI mitjançant RT-PCR mostra expressió en plantes tractades amb H2O2 però no en les que han estat sotmeses a un xoc de calor. Aprofitant l'oportunitat que oferia aquesta sHsp-CI de ser utilitzada com a model per l'estudi de la importància del domini -cristal.lí i l'extensió C-terminal en l'activitat protectora enfront l'estrès, es va voler determinar la capacitat que tenia d'augmentar la viabilitat de cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i oxidatiu. Els resultats mostren que la proteïna recombinant QsHsp10-CI, tot i la important truncació que té, és capaç de protegir cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i, remarcablement, en condicions d'estrès oxidatiu. Tots aquests resultats indiquen que les espècies proteiques de ca. 10 kDa podrien correspondre a Qshsp10-CI i tenir un paper en les cèl.lules del fel.lema en la protecció enfront l'estrès oxidatiu. L'estrès oxidatiu provoca lesions al DNA que poden produir errors en la replicació, transcripció o traducció i generar proteïnes aberrants. Donades les condicions d'estrès oxidatiu a les quals es troben sotmeses les cèl.lules del fel.lema, s'ha volgut estudiar la variabilitat dels seus àcids nucleics. La determinació de la taxa de mutació de la regió codificant del gen Qshsp17.4-CI en mRNA i DNA de fel.lema i àpex radicular, un teixit jove i en creixement actiu va mostrar unes taxes sorprenentment elevades en l'mRNA (1/1784 pb) i el DNA genòmic (1/1520 pb) del fel.lema. Aquestes taxes són les més altes descrites en un genoma nuclear eucariota i són similars a les dels virus d'RNA d'evolució ràpida com el virus de l'Hepatitis C. Amb aquestes taxes de mutació, un terç dels mRNAs del fel.lema de la surera contindrien missatges aberrants i la supervivència de les cel.lules es veuria compromesa. Això implica que el fel.lema hauria de ser considerat com un mosaic de cèl.lules genèticament heterogènies i, per tant, una sola seqüència no defineix en tota la seva amplitud un gen en aquest teixit. No es va detectar cap mutació en àpex de rel. Amb l'objectiu d'aprofundir en el coneixement de les mutacions que es donen en aquests dos teixits i per tal de poder fer una anàlisi qualitativa més completa que permetés especular sobre el seu origen, es va aplicar un mètode de selecció de seqüències mutants en base a la utilització d'enzims de restricció. Les mutacions detectades en fel.lema es corresponen amb les relacionades, en altres sistemes no nuclears (plasmidis, fags i DNA bacterià), amb l'estrès oxidatiu. En conseqüència, l'estrès oxidatiu al qual estan sotmeses les cèl.lules del fel.lema podria ser el causant de l'elevada taxa de mutació detectada. D'acord amb això, el tipus majoritari de productes d'oxidació de les bases del DNA que s'acumulen en brots de plàntules de surera en resposta al peròxid d'hidrògen produeixen el mateix tipus de mutacions detectades en l'mRNA del fel.lema de la surera. La major sensibilitat d'aquest nou mètode ha permès, a més, detectar mutacions en molècules d'mRNA de rel, un teixit en el qual no s'havia trobat cap mutació utilitzant el mètode de clonatge i seqüenciació directa. Tot i això, el tipus de mutacions predominants no estan relacionades amb l'estrès oxidatiu sinó amb erros en la reparació dels àcids nucleics.

Molecular genetics of cork formation

La peridermis és una estructura complexa que protegeix els òrgans vegetals madurs (secundaris) i les zones que han sofert ferides de la pèrdua d'aigua i dels patògens. Aquesta funció barrera és deguda al fel·lema o súber, un teixit format per cèl·lules suberificades. Tant el fel·lema com la suberina són crucials per la vida de les plantes terrestres, però pràcticament no es coneix res dels processos moleculars que regulen la seva formació, probablement degut a la manca de models adequats. En aquesta tesi s'han identificat i caracteritzat gens induïts al fel·lema mitjançant la combinació de dues plantes models. L'escorça d'alzina surera (Quercus suber) s'ha utilitzat per aïllar gens candidats de la formació del fel·lema i per investigar el comportament d'alguns d'aquests gens durant l'estació de creixement, mentre que la pela de la patata (Solanum tuberosum) s'ha utilitzat en estudis de genètica reversa per demostrar la funció d'alguns gens reguladors al fel·lema.