Metabolismo antioxidante y fluorescencia de clorofila durante la aclimatación a condiciones ex vitro de plantas micropropagadas de Stevia rebaudiana Bertoni

En un trabajo reciente, publicado por el grupo del Dr. José A. Hernández en cooperación con el Dr. Abel Piqueras, se ha comprobado que las enzimas antioxidantes, la fluorescencia de clorofila y los niveles de peroxidación lipídica (un parámetro de estrés oxidativo)  pueden ser herramientas adecuadas para la evaluación del estado fisiológico de plantas micropropagadas de stevia durante la aclimatación a condiciones ex vitro. Estos parámetros proporcionan información muy útil para monitorizar el estado de estrés de las plantas durante el proceso de aclimatación Este trabajo tiene implicaciones prácticas, ya que las plantas clonales de stevia con un perfil conocido y estable de esteviol glucósidos son una fuente adecuada para la producción de edulcorantes y antioxidantes naturales para la dieta.

Fases de la aclimatación de las plantas de stevia. A: Multiplicación; B: Enraizamiento: C: 2 dias aclimatación; D: 2 semanas aclimatación; E: 4 semanas aclimatación

Introducción

La aplicación de técnicas de cultivo in vitro es una poderosa herramienta de proliferación vegetativa para muchas especies vegetales [Van-Huylenbroeck et al 2000]. Sin embargo, este proceso puede limitarse debido a pérdidas significativas durante la aclimatación a condiciones ex vitro. La mejora de la actividad fotosintética es un paso crítico para alcanzar una alta tasa de supervivencia durante la aclimatación de las plántulas in vitro [Carvalho et al 2001]. En otras palabras, la activación adecuada de la fotosíntesis es el punto clave para cambiar la forma de adquirir carbono de fuentes heterotróficas o mixotróficas (condiciones in vitro) a fuentes autotróficas (condiciones ex vitro). Las plantas micropropagadas son muy susceptibles a las condiciones ambientales después de la transferencia a condiciones ex vitro. Por ejemplo, las plantas ex vitro normalmente están expuestas  a una mayor intensidad luminosa que las plantas cultivadas en condiciones in vitro. Además, la humedad relativa (HR) también es menor en condiciones ex vitro, por lo que las plantas son propensas a sufrir desecación durante la aclimatación. Ambos fenómenos, que contribuyen al daño por fotoinhibición y al estrés hídrico, pueden inducir la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Sin embargo, las plantas cuentan con un mecanismo eficiente de defensa antioxidante para defenderse de los efectos nocivos de ROS. Estas defensas incluyen las enzimas del ciclo ascorbato-glutatión (ASC-GSH) (ascorbato peroxidasa (APX), monodehidroascorbato reductasa (MDHAR), deshidroascorbato reductasa (DHAR) y glutatión reductasa (GR)) y enzimas captadoras de ROS (superóxido dismutasas (SOD), peroxidasas (POX) y catalasa (CAT). El conocimiento sobre el comportamiento de la maquinaria antioxidante durante la aclimatación ex vitro es muy escaso, y solo unos pocos investigadores han estudiado los cambios en los antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos durante este proceso [Van-Huylenbroeck et al 2000; Carvalho et al 2006; Dewir et al 2015; El-Mahrouk et al 2016].

La stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) es un arbusto perenne perteneciente a la familia Asteraceae. Las hojas de S. rebaudiana contienen una alta concentración de esteviol glucósidos, siendo las formas prevalentes el esteviósido y el rebaudiósido A, empleados como edulcorantes naturales como sustitutos de la sacarosa [Zeng et al 2006]. Sin embargo, las semillas de stevia tienen poca viabilidad y la planta requiere condiciones específicas de humedad, luz y nutrientes. La acumulación de esteviol glucósidos en S. rebaudiana es muy variable debido a la variabilidad genética. El contenido total de esteviol glucósidos es diferente no solo entre plantas del mismo cultivar, sino también entre plantas similares en la misma etapa de desarrollo [Ceunen et al 2007]. Además, se ha observado una alta capacidad antioxidante de los extractos de hojas de S. rebaudiana, relacionados con su función como captadores de ROS [Ceunen et al 2007; Ghanta et al 2007). Estas funciones positivas se han asociado principalmente con la presencia de compuestos fenólicos [Ceunen et al 2007]. Además, se han descritos efectos positivos del esteviósido relacionados con la diabetes tipo II, la hipertensión, el síndrome metabólico y la aterosclerosis [Ceunen et al 2007]. Por lo tanto, la producción de plantas clonales in vitro con un perfil de esteviósido similar puede ser de interés comercial.

En consecuencia, este trabajo se ha centrado en la aclimatación a las condiciones ex vitro de clones de stevia, originada a partir de la micropropagación de plantas previamente caracterizadas como altos acumuladores de esteviol glucósidos [Cantabella et al 2017]. Durante el proceso de aclimatación, se siguió la evolución de diferentes parámetros, incluido el metabolismo antioxidante, la peroxidación lipídica como parámetro de estrés oxidativo y la fluorescencia de clorofila, para determinar el estrés oxidativo que las plantas de stevia podrían estar sufriendo durante el proceso antes mencionado.

Resultados y Discusión

Durante las primeras horas del proceso de aclimatación, las plantas de stevia parecían experimentar estrés debido a la modificación de las condiciones de cultivo, como se observa por el aumento en los niveles de peroxidación lipídica, medidos como TBARS. En ese sentido, se detectó un pico después de 2 días, aumentando en un 86% con respecto a los valores en la plántula (Figura 1). Posteriormente, y a medida que avanzaba el proceso de aclimatación a las condiciones ex vitro, los valores de peroxidación lipídica disminuyeron progresivamente hasta alcanzar los valores iniciales (Figura 1). Por lo tanto, se produjo un estrés oxidativo durante las primeras horas de aclimatación, indicando un posible daño a las membranas como consecuencia del cambio de condiciones de cultivo.

Fig 1. Datos de peroxidación de lípidos durante la aclimatación de plantas de stevia

Respecto al comportamiento de las enzimas antioxidantes,   observamos una actividad menor de la enzima monodehidroascorbato reductasa (MDHAR) que la enzima dehidroascorbato reductasa (DHAR) después de 2 días de aclimatación. Sin embargo, después de 7 días de aclimatación, las plantas de stevia activaron la ruta MDHAR para reciclar el ascorbato, que es mucho más eficiente, desde un punto de vista energético, que la ruta DHAR (Figura 2).

Figura 2. Evolución de las enzimas del ciclo ASC-GSH durante el procesod e aclimatación de plantas de stevia

En ese sentido, después de 2 días de aclimatación, la relación DHAR / MDHAR era casi 2. Esto sugiere que, en esa etapa, la actividad de DHAR era la vía predominante en el reciclaje de ascorbato en plantas de stevia, utilizando GSH como donante de electrones. Posteriormente, DHAR disminuyó y MDHAR aumentó progresivamente, alcanzando una relación DHAR / MDHAR de 0.22 después de 28 días de aclimatación, donde la actividad de MDHAR fue casi 5 veces mayor que la actividad de DHAR. Por lo tanto, después de 2 días de aclimatación, las plantas de stevia utilizaron la forma MDHAR, empleando NADH como poder reductor. Es necesario aclarar que la utilización de NADH para reciclar el ASC es más eficiente energéticamente que el uso de GSH. Por lo tanto, se pueden especular diferentes posibilidades para explicar la mayor actividad de DHAR en condiciones in vitro y después de 2 días de aclimatación. La primera es que, en condiciones in vitro, los medios de cultivo contenían sacarosa, por lo que las plantas tenían suficiente fuente de carbono para generar energía a través de la glucólisis y de la respiración, y por lo tanto pueden permitirse el uso de GSH para reciclar ASC (la “forma ineficiente”). La segunda posibilidad es que después de 2 días del proceso de aclimatación, las plantas sufrieron un estrés oxidativo, según los datos de peroxidación lipídica. Dado que la sobreexpresión de DHAR se ha asociado con la tolerancia al estrés ambiental [Eltayeb et al 2006], la mayor actividad de DHAR observada en esta etapa podría tener una función para hacer frente al estrés resultante de las condiciones de aclimatación. La tercera explicación está relacionada con el papel de DHAR en el crecimiento y desarrollo de las plantas [Potters et al 2012]. Probablemente, después de 2 días de aclimatación, el aumento de DHAR podría tener una función en los procesos de crecimiento y desarrollo de las plantas. También observamos que la actividad de MDHAR aumentó después de 7 días de aclimatación. En esta etapa, la fotosíntesis parecía funcionar correctamente, como lo observan los valores de fluorescencia de clorofila y ETR. Por lo tanto, a partir de ese momento, las plantas produjeron sus propios azúcares y energía para apoyar el crecimiento de las plantas. Probablemente, por esta razón, las plantas cambiaron la forma de reciclar el ascorbato de una manera eficiente, a través de NADH.

La actividad GR se comportó de manera similar a la actividad MDHAR. En ese sentido, GR aumentó a medida que avanzó el proceso de aclimatación de las plantas, alcanzando sus valores máximos después de 21 y 28 días de aclimatación (incrementos de 4.2 y 3.2 veces, respectivamente) (Figura 2).

Las actividades superóxido dismutasa (SOD) y catalasa (CAT) mostraron un pico de actividad después de 7 días de aclimatación (Figura 3), lo que sugiere una protección contra las ROS (especies reactivas de oxígeno) que se podrían estar generando como consecuencia del cambio de cultivo in vitro a ex vitro. La actividad peroxidasa (POX) aumentó aproximadamente 2 veces después de 2 días de aclimatación y permaneció alta hasta el día 14 (Figura 3), probablemente relacionada con el endurecimiento de la pared celular y los procesos de lignificación.

Figura 3. Evolución de las enzimas SOD, CAT y POX durante el proceso de aclimatación de plantas de stevia

Después de 2 días de aclimatación, las plantas mostraron valores más altos de los parámetros de quenching no fotoquímico [Y (NPQ), Y (NO), NPQ y qN] y valores bajos de los parámetros de quenching fotoquímico [Y (II), qP] (Figura 4), así como de la velocidad de transporte de electrones (ETR) (Figura 5). Durante el proceso de aclimatación, se observó una disminución progresiva en los parámetros de quenching no fotoquímicos y un aumento constante en los parámetros de quenching fotoquímico. En ese sentido, Y (NPQ) disminuyó progresivamente, reduciendo sus valores en un 40% y 50% después de 21 y 28 días de aclimatación, respectivamente (Figura 4). Paralelamente, Y (NO) disminuyó durante el ensayo de aclimatación, alcanzando una disminución cercana al 40% y 30% después de 21 y 28 días de aclimatación, respectivamente (Figura 4). NPQ muestra aumentos y disminuciones durante el proceso de aclimatación. Al principio, después de 7 días de aclimatación, este parámetro aumentó en un 22%. Luego, el valor NPQ aumentó en un 63% después de 14 días de aclimatación en relación con el valor precedente (día 7). Una semana después (día 21), nuevamente el valor NPQ aumentó en un 29% en comparación con el valor observado en la segunda semana (14 días). Finalmente, después de 28 días de aclimatación, se observó una disminución del 30% en el parámetro NPQ en relación con el valor observado después de 21 días (Fig. 4). Sin embargo, aunque los valores de qN disminuyeron durante el proceso de aclimatación, los cambios producidos no fueron estadísticamente significativos (Figura 4). Tanto NPQ como Y (NPQ) están relacionados con la energía disipada como calor por un mecanismo regulado (es decir, el ciclo de xantofila) [Zhang et al 2012]. En contraste, Y (NO) refleja la fracción de energía disipada pasivamente como calor y fluorescencia, principalmente debido a los centros de reacción del PSII cerrados. Por lo tanto, los valores altos de Y (NO) están relacionados con la incapacidad de las plantas para protegerse del exceso de luz. En ese sentido, después de 2 días de aclimatación, las plantas de stevia mostraron los valores más altos de Y (NO), que disminuyeron progresivamente durante el proceso de aclimatación, lo que refleja una mejor regulación [Klughammer et al 2008]. Por otro lado, valores altos de los parámetros de quenching no fotoquímicos indicaban que las plantas estaban sufriendo un estrés. Sin embargo, a medida que la planta se adaptaba a las nuevas condiciones ex vitro, estos parámetros disminuyeron.

FIgura 4. Evolución de los parámetros de fluorescencia de clorofilas durante el proceso de aclimatación de plantas de stevia

Con respecto a los parámetros de quenching fotoquímico (Y (II) y qP), se produjo un aumento progresivo durante la aclimatación. En ambos casos, los valores aumentaron cerca de 3 veces después de 7 y 14 días de aclimatación, y aproximadamente 5 veces después de 21 y 28 días del proceso (Figura 4). Fv / Fm mostró los valores más bajos después de 2 días de aclimatación. Este parámetro aumentó después de 7 y 14 días, y luego disminuyó ligeramente después de 21 y 28 días de aclimatación, pero sus valores permanecieron estadísticamente más altos que los valores iniciales (Tabla 1). Los cambios observados en Y (II) y qP se correlacionaron con la evolución de los valores de ETR, alcanzando un aumento de casi 6 veces al final (28 días) del proceso de aclimatación (Figura 5). Esta respuesta de los parámetros de fluorescencia de clorofilas indicaba una mayor eficiencia fotosintética conforme avanzaba el proceso de aclimatación a las condiciones ex vitro.

Figura 5. Evolución de la tasa de transporte electrónico durante el proces de aclimatación de plantas de stevia

Conclusiones

En conjunto, los datos sugirieron que las enzimas antioxidantes, la peroxidación lipídica y los parámetros de fluorescencia de clorofila pueden ser herramientas adecuadas para la evaluación del estado fisiológico de las plantas micropropagadas durante la aclimatación a condiciones ex vitro de plantas de stevia, proporcionando información muy útil para controlar el estado de estrés de las plantas durante el proceso de aclimatación. Este trabajo tiene implicaciones prácticas, ya que las plantas clonales de stevia con un perfil conocido y estable de esteviol glucósidos son una fuente adecuada de edulcorantes y antioxidantes naturales para una dieta sana.

Para más información:

José Ramón Acosta-Motos, Laura Noguera Vera, Gregorio Barba-Espín, Abel Piqueras, José A. Hernández (2019) Antioxidant metabolism and chlorophyll fluorescence during the acclimatisation to ex vitro conditions of micropropagated Stevia rebaudiana Bertoni plants. Antioxidants, Special Issue “Antioxidants and Foods”, 8, 615.  (https://www.mdpi.com/2076-3921/8/12/615)

 

Bibliografía

Cantabella, D.; Piqueras, A.; Acosta-Motos, J.R.; Bernal-Vicente, A.; Hernandez, J.A.; Diaz-Vivancos, P. Salt-tolerance mechanisms induced in Stevia rebaudiana Bertoni: effects on mineral nutrition, antioxidative metabolism and steviol glycoside content. Plant Physiol. Biochem. 2017, 115, 484–496.

Carvalho, L.C.; Osorio, M.L.; Chaves, M.M.; Amâncio S. Chlorophyll fluorescence as an indicator of photosynthetic functioning of in vitro grapevine and chestnut plantlets under ex vitro acclimatization. Plant Cell Tissue Organ Cult. 2001, 67, 271–280.

Carvalho, L.C.; Vilela, B.J.; Vidigal, P.; Mullineaux, P.M.; Amâncio, S. Activation of the ascorbate-glutathione cycle is an early response of micropropagated Vitis vinifera L. explants transferred to ex vitro. Int. J. Plant Sci. 2006, 167, 759-770.

Ceunen, S.; Geuns, J.M.C. Steviol Glycosides: Chemical Diversity, Metabolism, and Function. J. Nat. Prod. 2013, 76, 1201−1228.

Dewir, Y.H.; El-Mahrouk, M.E.; Al-Shmgani, H.S.; Rihan, H.Z.; Teixeira da Silva, J.A.; Fuller, M.P. Photosynthetic and biochemical characterization of in vitro-derived African violet (Saintpaulia ionantha H. Wendl) plants to ex vitro conditions. J. Plant Interact. 2015, 10, 101-108.

El-Mahrouk, M.E.; Dewir, Y.H.; Murthy, H.N.; Rihan, H.Z.; Al-Shmgani, H.S.; Fuller, M.P. Effect of photosynthetic photon flux density on growth, photosynthetic competence and antioxidant enzymes activity during ex vitro acclimatization of Dieffenbachia cultivars. Plant Growth Regul. 2016, 79, 29–37.

Eltayeb, A.E.; Kawano, N.; Badawi, G.H.; Kaminaka, H.; Sanekata, T.; Morishima, I.; Shibahara, T.; Inanaga, S.; Tanaka, K. Enhanced tolerance to ozone and drought stresses in transgenic tobacco overexpressing dehydroascorbate reductase in cytosol. Physiol. Plant. 2006, 127, 57–65.

Ghanta, S.; Banerjee, A.; Poddar, A.; Chattopadhyay, S. Oxidative DNA Damage Preventive Activity and Antioxidant Potential of Stevia rebaudiana (Bertoni) Bertoni, a Natural Sweetener. J. Agr.Food Chem. 2007, 55, 10962-10967.

Klughammer, C.; Schreiber, U. Complementary PSII quantum yields calculated from simple fluorescence parameters measured by PAM fluorometry and the saturation pulse method. PAM Application Notes (PAN) 2008, 1, 27-35

Potters, G.; Horemans, N.; Caubergs, R.J.; Asard, H. Ascorbate and dehydroascorbate influence cell cycle progression in a tobacco cell suspension. Plant Physiol. 2012, 124, 17-20.

Van-Huylenbroeck, J.M.; Piqueras, A.; Debergh, P.C. The evolution of photosynthetic capacity and the antioxidant enzymatic system during acclimatization of micropropagated Calathea plants. Plant Sci. 2000, 155, 59-66.

Zeng, J.; Cheng, A.; Lim, D.; Yi, B.; Wu, W. Effects of salt stress on the growth, physiological responses, and glycoside contents of Stevia rebaudiana Bertoni. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 5720-5726.

Zhang, Q.Y.; Wang, L.Y.; Kong, F.Y.; Deng, Y.S.; Li, B.; Meng, Q.W. Constitutive accumulation of zeaxanthin in tomato alleviates salt stress-induced photoinhibition and photooxidation. Physiol. Plant. 2012, 146, 363–373.

 

TRECE CIENTÍFICOS DEL CEBAS APARECEN ENTRE LOS MÁS CITADOS DEL CSIC Y DEL MUNDO

El CSIC lidera la clasificación de los investigadores españoles con más perfiles en Google Scholar. La lista, elaborada a partir de los perfiles personales públicos de los científicos, incluye cerca de 112.000 autores. Este ranking, impulsado por un equipo del Instituto de Políticas y Bienes Públicos (IPP-CSIC), está basado en los perfiles personales públicos que los científicos han creado en la base de datos de Google Académico (Google Scholar, en inglés), un motor de búsqueda especializado en contenido y bibliografía científica.

El editor del ranking, Isidro F. Aguillo, del IPP-CSIC, señala: “La lista es incompleta; con su publicación esperamos animar a más investigadores, y sobre todo investigadoras, a crear sus propios perfiles públicos, incluyendo información de valor añadido como identificadores únicos de personas y organizaciones”. Para más información:

https://www.csic.es/es/actualidad-del-csic/el-csic-lidera-la-clasificacion-de-los-investigadores-espanoles-con-mas-perfiles

En el listado de los científicos que trabajan en institutos del CSIC que figuran en las listas de autores más citados de sus respectivas disciplinas (top 2%), aparecen 13 investigadores del CEBAS entre los más citados, y que aparecen en la siguiente tabla por orden:

Lugar en el CSIC	Investigador		SCORE
11	Tomás Barberán, Francisco A.	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	4,2311
82	Gil, Maria I.	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,7543
85	Espín, Juan Carlos	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,746
163	Hernandez, José A.	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,5523
211	García, Carlos	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,4796
256	Bernal, Maria Pilar	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,4192
344	García-Viguera, Cristina	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,2969
390	Roldán, Antonio	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,2282
408	Hernández, Teresa	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,1993
427	Allende, Ana	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,1697
445	Sánchez-Monedero, Miguel Angel	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,1448
453	Pascual, J. A.	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,1298
485	Gil-Izquierdo, Angel	Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura	3,0757

Diploma de la Academia de Ciencias de la Región de Murcia al Dr. José Antonio Hernández

El pasado día 16 de Diciembre de 2022, la Academia de Ciencias de la Región de Murcia hizo entrega al Dr. José Antonio Hernández Cortés de un Diploma en reconocimiento a la creación y desarrollo del Proyecto IDIES (I+D en institutos de enseñanza secundaria), contribuyendo a la promoción de la investigación entre los más jóvenes. El Dr. José Antonio Hernández es Investigador Científico del CSIC, perteneciente al Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS. En la actualidad, es profesor externo de Fisiología Vegetal en el Grado de Biotecnología que se imparte en la UCAM. Del mismo modo, forma parte del nuevo grupo de investigación, creado en esa universidad, denominado Biotecnología Vegetal para la Agricultura y Alimentación (acrónimo BioVegA²).

Joint Workshop CEBAS-CBBC “Current prospects for Mediterranean Agriculture in a Changing Climate”

Last October 18th, 2022, a joint CEBAS-CCBC (Borj Cedria Biotechnology Center, Tunisia) workshop was held at CEBAS-CSIC, on «Current Prospects for Mediterranean Agriculture in Changing Climate». This workshop was held within the framework of the HaloFarm project, funded by the PRIMA program (Partnership on Research and Innovation in the Mediterranean Area, European Union), and an ICOOP project, funded by the Spanish National Research Council (CSIC).

The workshop was organized by Doctors Jose Antonio Hernández Cortés, Pedro Díaz Vivancos and Gregorio Barba Espín.

The event was presented by Dr. José Antonio Hernández, talking about the double cooperation that CEBAS has with the CBBC, through the PRIMA and ICOOP projects. Likewise, he spoke briefly about the participation of CEBAS in both projects and showing the beneficial effect of the use of halophytic plants in mixed crops with tomato plants or in crop rotation in the soil haloremediation process as well as its beneficial effect on the response of tomato plants in terms of photosynthesis or production.

Dr. Karim Ben Hamed, from the Biotechnology Center of Borj Cedria, Tunisia, spoke about the HaloFarm project, funded by the PRIMA program (Development and Optimization of Halophyte-based Farming systems in salt-affected Mediterranean Soils). Dr. Ben Hamed is the coordinator of the HaloFarm project. Recent research shows that saline farming is one of the most practical approaches to remediating salt-affected soils. There is an increase in the number of cooperative initiatives focused on saline agriculture in the Mediterranean basin. The main objective of this project is to develop new farming systems based on the cultivation of halophytic plants, for soil desalination. Preliminary results of the project have shown that the cultivation of halophytic plants with tomato plants, either as intercropping or in crop rotation, plays an important role in improving the productivity of salt-affected soil. This mixed cropping system adds economic value to the yield of tomato plants. In addition, in this project, CEBAS researchers have achieved the establishment, micropropagation and acclimatization to ex vitro conditions of halophytic plants tolerant to high concentrations of NaCl in the medium for its use with commercial crops.

Dr. Francisco Pérez Alfocea, from the Plant Hormones Group (CEBAS), has told us about his work to contribute to the cultivation of tomato plants in a sustainable way to increase the efficiency in the use of water and nutrients of the crop and the reduction of the leakage of nutrients and the consequent contamination of aquifers. The development of rootstocks based on wild tomato species that preserve ancient ecological adaptations to poor and dry environments through specific ideotypes of the root system, is proposed as an effective tool to improve the efficiency in the use of water and nutrients in the cultivation of tomato under adverse climatic conditions and with a lower contribution of fertilizers, thus contributing to food security through a more ecological and sustainable agriculture in the Mediterranean area and beyond.

Dr. Tarek Slatni, a researcher at the University of Tunis El Manar (Tunisia) spoke to us about the development of biological and environmentally friendly tools to improve sustainable saline agriculture in order to support small farmers facing the challenges of climate change. Dr. Slatni’s group has isolated soil bacteria strains (rhizobacteria) tolerant to salinity (ST-PGPR) that improve the growth of quinoa and barley crops and their productivity under salinity conditions.

Dr. Francisco Pedrero Salcedo, from the Irrigation Group (CEBAS), has presented the main challenges faced by the use of reclaimed water in agriculture through numerous studies carried out in the Irrigation Department. These studies have been developed based on the 4 main barriers; risks of toxicity and food safety, economic aspects (energy-water), social acceptance and environmental pollution. The different research platforms that the Department has in terms of water reuse both in the open air (fruit trees) and under greenhouses (horticulture) conditions and the numerous works carried out at the district level in collaboration with different irrigation communities were presented. Finally, the integration, through the new research projects granted, precision agriculture technologies in this line through the use of Geographic Information System of agricultural plots, multispectral and thermal images, development of Decision support systems (DSSs) and soil and plant sensors was shown.

The speech of Dr. Francisco Garcia Sanchez, Plant Nutrition Department (CEBAS), was focus on the agronomic strategies that can be applied in citrus plants irrigated with water containing a high concentration of boron. Unconventional water sources have a high concentration of this nutrient, becoming toxic for citrus cultivation, so it is necessary to apply different agronomic techniques such as selection of tolerant rootstock, use of mycorrhizae or application of biostimulant products formulated with algae extracts, selenium, amino acids or organic acids to reduce both the concentration and reactivity of boron in plants.

The presentation by Dr. Pedro Martínez Gómez (Plant Breeding Department, CEBAS) has dealt with «The Molecular Genetic Improvement of Fruit Species of the Genus Prunus in the New Context of Global Warming». The researcher has presented the latest advances of his Research Group in the application of DNA, RNA and epigenetic molecular markers in the development and exploitation of the new varieties and patterns obtained in his group. The flowering season in fruit trees is a character of vital importance for the adaptation of varieties to climate change and the reduction of cold requirements in regions such as Murcia. The development of RNA markers to monitor processes such as dormancy breaking and flowering using BloomTech® technology is a very important line of research exposed by Dr. Martinez Gómez. On the other hand, the development of new almond rootstocks for dry farming of this species, such as DRYSTOCK® One, has been another of the aspects addressed in this speech.

From left to right, doctors Francisco Pedrero Salcedo, Francisco García Sánchez, Tarek Slatni, José A. Hernández Cortés, Karim Ben Hamed, Pedro Martínez Gómez, Pedro Díaz Vivancos and Gregorio Barba Espín.

Ranking de investigadores del CEBAS en España

Se ha llevado a cabo un nuevo estudio sobre el ranking de investigadores españoles que trabajan en instituciones españolas y españoles que trabajan en el extranjero según sus perfiles públicos de Google Scholar Citations.

           Los datos de esta edición se recopilaron durante la segunda semana de marzo de 2021. La lista consta de los 91000 perfiles principales clasificados primero por índice h en orden decreciente y luego por el número total de citas.

De acuerdo con este estudio, aparecen 34 investigadores, pertenecientes a diferentes grupos de investigación del CEBAS, entre los 5000 más citados de España.

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Investigadores del CEBAS-CSIC situados entre los 5000 científicos más citados de España

Desarrollo y optimización de sistemas agrícolas basados en halófitos en suelos mediterráneos afectados por sal (Proyecto PCI2020-111977)

La sobreutilización de los recursos naturales y la inseguridad alimentaria sigue siendo un desafío importante para los gobiernos de los países del Mediterráneo. Aproximadamente 18 Mha, que corresponden al 25% del total de tierras irrigadas en el área del Mediterráneo, están afectadas por la salinidad. Most of arable lands in Med countries are located in arid and semiarid regions, where water and soil salinity, water shortage and nutrients deficiencies in soils are the major constraints affecting food and fodder production (FAO 2011, 2013). La agricultura intensiva, llevada a cabo para ayudar a la expansión de la población y el desarrollo de tecnologías agrícolas, ha llevado a la sobreexplotación de varias áreas y al empobrecimiento del suelo. En España, alrededor del 3% de los 3,5 Mha de regadío está gravemente afectado por la salinidad y otro 15% se encuentra en grave riesgo. Dentro de España, la salinidad del suelo se produce de forma intensiva en zonas como la Región de Murcia, donde al menos el 80% de sus suelos están en riesgo de salinización, principalmente como consecuencia de la mala calidad del agua de riego [Acosta et al. 2011]. Esta situación se ve agravada por los cultivos intensivos y el uso excesivo de fertilizantes minerales como los nitratos, que provocan la contaminación del suelo y del agua.

España es el segundo productor de tomate de Europa, siendo la Región de Murcia la tercera región más productiva, por detrás de Andalucía y Extremadura, con una producción de más de 260000 toneladas en 2018 (Figura 1). La salinidad afecta a las plantas de tomate al disminuir la germinación y el crecimiento de las plantas, disminuir la eficiencia de la fotosíntesis y, en última instancia, afectar el número y el tamaño de los frutos [Balibrea et al 2003].

La mayoría de las especies de cultivos utilizadas en la agricultura tradicional son sensibles a la sal (plantas glicófitas, literalmente, plantas dulces): se observa una disminución del rendimiento del 10% a medida que aumenta la salinidad del suelo en el rango de 4-8 dS/m, aunque algunas especies son mucho más sensibles. Por el contrario, el crecimiento de las plantas halófitas se estimula dentro de un rango de salinidad de 15 a 25 dS/m. La mayor parte de las halófitas forman parte de las familias Amaranthaceae, seguidas de las familias Poaceae, Fabaceae y Asteraceae. Además, muchas plantas halófitas tienen aplicaciones tanto en el consumo humano como de animales, así como aplicaciones medicinales (Barreira et al. 2017; Pereira et al. 2017; Seca et al. 2014).

Los plantas halófitas pueden sobrevivir en presencia de altas concentraciones de NaCl (300-500 mM, o incluso más) porque han desarrollado una serie de  mecanismos de resistencia a la sal, incluyendo exclusión de sales (evita la entrada de sales por la raíz), eliminación de sales, mediante estructuras especializadas en las hojas (glándulas, pelos), acumulación de sales en vacuolas y redistribución de iones fitotóxicos por toda la planta (Acosta-Motos et al 2017). Al mismo tiempo, las plantas halófitas son capaces de soportar otras estreses abióticos, como la sequía, las temperaturas extremas y la alta intensidad luminosa. Es suficientemente conocido, que estas situaciones de estrés provocan una sobre-producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), incluido el radical superóxido (O2.-), el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el radical hidroxilo (.OH) [Faize et al 2011; Hernández et al 2004; Feng et al. 2018 ]. Las plantas halófitas también presentan mecanismos de defensa, incluyendo un eficiente sistema de defensa antioxidante, que incluye antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos [Ben Hamed et al. 2007; Møller 2001].

Por todo lo expuesto, proponemos el uso de plantas halófitas para la eliminación de sales en el suelo, con un doble propósito. Por un lado, favorecer el cultivo de otras especies agronómicas más sensibles a la salinidad, y por otro lado, valorizar y darle un uso a las plantas halófitas cultivadas. En este sentido, se ensayará el efecto de las plantas halófitas en la desalinización del suelo previo al cultivo de una plantas de interés agronómico (tomate). Al mismo tiempo, y de forma paralela, se hará un cultivo intercalado (intercropping) de plantas halófitas/tomate. Esto nos llevará a poder comparar ambas estrategias en el uso de plantas halófitas.

Por todo ello, el objetivo general de esta propuesta es desarrollar y optimizar nuevas prácticas agrícolas y sistemas de producción sostenible y respetuosos con el medio ambiente basados en el cultivo de plantas halófitas, que permitan hacer frente a la salinización del suelo y el agua y restaurar la biodiversidad.

De forma específica, se va a estudiar:

1.- Optimización de la micropropagación de plantas halófitas silvestres y su aclimatación a condiciones ex vitro. Para la aclimatación, se estudiará durante el proceso de aclimatación la evolución de:

1.1.- Parámetros de estrés oxidativo.

1.2.- Parámetros de fluorescencia de clorofilas.

1.3.-Actividad enzimática de enzimas antioxidantes.

2.- Contenido de nutrientes en el suelo antes y después del cultivo de plantas halófitas

3.- Rendimiento de crecimiento y comportamiento fisiológico y bioquímico de las plantas de tomate.

3.1.-Distribución de sales en las plantas de tomate

3.2.-Evolución de los parámetros de fluorescencia de clorofilas, con el fin de estudiar el efecto de la salinidad y del co-cultivo con plantas halófitas en la fotosíntesis.

3.3.- Efecto de la salinidad en los daños a membranas

34.- Evolución de los mecanismos de defensa antioxidante

3.5.- Efecto de la salinidad en la relación C/N, mediante la mediad de los niveles de clorofilas y flavonoides

3.6.- Efecto de la salinidad y del co-cultivo con plantas halófitas sobre la productividad y calidad de los frutos.

Bibliografía

FAO, 2013. “The state of Mediterranean forests 2013”. Rome.

FAO, 2011. Food and Agriculture Organization of the United Nation, Rome, p. 53

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Seca et al. 2014. J. Ethnopharmacol. 54. DOI: 10.1016/j.jep.2014.04.010.

El sistema antioxidante de apoplasto y simplasto en plantas de cebolla: respuesta a largo plazo al estrés salino

En un trabajo reciente realizado en nuestro laboratorio, en cooperación con la Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado (UCLA, Venezuela) y la Universidad Técnica de Manabí (Ecuador), se ha estudiado la respuesta de los sistemas antioxidantes apoplásticos de raíz y de hojas de dos genotipos de cebolla («Texas 502», como sensible a salinidad y «Granex 429»,  como resistente) cultivadas en condiciones de salinidad.

Estos resultados formaron parte de la Tesis Doctoral de Grisaly García en la UCLA (Venezuela).

            Los datos de pérdida de electrolitos indicaron que la integridad de la membrana estaba afectada por el efecto de las sales, especialmente en la variedad «Texas 502» (Figura 1). En hojas, el daño provocado por la salinidad en las membranas era similar en ambos casos (Figura 1A). En las raíces, solo en el genotipo sensible a la sal, la pérdida de electrolitos aumentó fuertemente por el efecto del tratamiento de estrés, mostrando un aumento de 3.7 veces, en comparación con los valores  control (Figura 1B)

Figura 1. Pérdida de electrolitos (en%) de los tejidos de  raíz y foliares de dos genotipos de cebolla sometidos a estrés salino durante 20 días. Letras diferentes indican diferencias estadísticas significativas según el test de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. TxC (control «Texas 502»); TxS («Texas 502», sal estresado); GrC (control «Granex 429»); GrS (‘Granex 429’, estresado por sal).

            Detectamos actividad superóxido dismutasa (SOD) y peroxidasa (POX) en las fracciones apoplásticas de raíz y hoja de plantas de cebolla. La salinidad aumentó la actividad de SOD en simplasto de raíz en «Texas 502» y en las hojas de «Granex 429». En contraste, la salinidad reducía la actividad de SOD en las fracciones apoplásticas de hojas y raíces de «Texas 502», pero la actividad se mantenía en el apoplasto de “Granex 429”, resistente a salinidad (Figuras 2 y 3). En ‘Granex 429’, el estrés salino aumentó la actividad de la POX apoplástica de la hoja (Figura 4) y la actividad catalasa simpática (CAT) de ambos órganos (Figura 6), pero se produjo una disminución de la POX apoplástica de la raíz de «Texas 502» (Figura 4).

Figura 2. Efecto de la salinidad en la actividad SOD en  apoplasto de hoja (A) y raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. Para más información, ver Figura 1.

Figura 3. Efecto de la salinidad en la actividad SOD de simplasto de hoja (A) y  raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. Para más información, ver Figura 1.

Figura 4. Efecto de la salinidad en la actividad POX en el apoplasto de hoja (A) y raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. Para más detalles, ver Figura 1.

Figura 5. Efecto de la salinidad en la actividad POX en simplasto de  hoja (A) y  raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. Para más detalles, ver Figura 1.

Figura 6. Efecto de la salinidad en la actividad CAT en simplasto de  hoja (A) y raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes. Para más detalles, ver Figura 1

            El estrés salino aumentó la actividad monodehidroascorbato reductasa (MDHAR) en simplasto de raíz y la hoja y en la glutatión reductasa GR en simplasto de la raíz, principalmente en ‘Granex 429’ (Figura 7 y 9). Sólo en esta variedad, resistente a salinidad, la actividad deshidroascorbato reductasa (DHAR) aumentó en simplasto de hoja (Figura 8). Por el contrario, la actividad GR disminuyó en simplasto de hoja sólo en «Texas 502», sensible a salinidad (Figura 9).

Figura 7. Efecto de la salinidad en la actividad MDHAR en el simplasto de hoja (A) y  raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes.

Figura 8. Efecto de la salinidad en la actividad DHAR en el simplasto de hoja (A) y  raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes.

Figura 7. Efecto de la salinidad en la actividad GR en el simplasto de hoja (A) y  raíz (B) en dos genotipos de cebolla que difieren en la sensibilidad a la salinidad. Diferentes letras indican una diferencia estadística significativa entre los tratamientos de acuerdo con la prueba de Duncan (P <0.05). Los datos representan la media ± SE de al menos cuatro muestras diferentes.

La salinidad aumentó los niveles de ascorbato reducido (ASC) en las hojas, y no se observó acumulación de deshidroascorbato (DHA) en las raíces en ambos casos. Estas respuestas aumentaron el estado redox del ascorbato, especialmente en las raíces (Tabla 1 y 2). En contraste, la salinidad disminuyó el glutatión reducido (GSH), pero se acumulaba el glutatión oxidado (GSSG) en las hojas, disminuyendo el estado redox del glutatión (Tabla 1 y 2). La salinidad aumentó ligeramente la concentración de GSH de raíz en el genotipo tolerante a la sal y no se modificó en el genotipo sensible. Sin embargo no se produjo acumulación de GSSG, lo que favoreció el aumento y / o mantenimiento del estado redox del glutatión (Tabla 1 y 2). Estos resultados sugieren que la menor sensibilidad a la sal en «Granex 429» podría estar relacionada con un mejor rendimiento de la maquinaria antioxidante en condiciones de salinidad.

Tabla 1. Efecto de la salinidad en el contenido de ascorbato reducido (ASC) y oxidado (DHA) en raíces y hojas de dos genotipos de cebolla con diferente sensibilidad al estrés salino.

Tabla 2. Efecto de la salinidad en el contenido de glutatión reducido (GSH) y oxidado (GSSG) en raíces y hojas de dos genotipos de cebollaon diferente sensibilidad al estrés salino.

            Además, la salinidad provocaba una mayor acumulación de radicales superóxido (O₂^.-) en las paredes celulares de la variedad sensible a salinidad, en relación a la variedad resistente (Figura 10B y 10D). Este resultado estaba correlacionado con el mayor nivel de actividad SOD en el apoplasto y en simplasto de hoja en la variedad resistente, con respecto a la variedad sensible (Figuras 2 y 3). La incubación de hojas  en presencia de MnCl2 10 mM evitó la tinción de O2.- (Fig. 10 E.), lo que indicaba la especificidad de la tinción de NBT. En este sentido, MnCl2 es un agente catalizador altamente eficaz de la dismutación  de radicales O₂^.-.

Figura 10. Efecto del estrés salino sobre la acumulación de radicales superóxido, detectado por tinción histoquímica con NBT, en hojas de las plantas de cebolla. (A) Control ‘Texas 502’; (B) Plantas ‘Texas 502’ tratadas con sal ; (C) Detalle de la imagen anterior (D) Control ‘Granex 429 ‘; (E) plantas ‘Granex 429 ‘  tratadas con sal; (F) Hojas de plantas ‘Texas 502’ tratadas con sal teñidas en presencia de MnCl2 10 mM.

            De hecho, debido a que el sistema radicular es el que primero percibe el estrés salino, las defensas antioxidantes apoplásticas de la raíz se mantenían o aumentaban en el genotipo resistente a la salinidad, en comparación con el genotipo sensible. Además, este efecto también se observó en las fracciones apoplásticas y simpláticas de las hojas, lo que sugiere un mejor control de la producción de O₂^.- y H₂O₂, así como una mayor capacidad de reciclaje de ASC y GSH en el genotipo tolerante a la sal. Estas respuestas podrían explicar la mejor respuesta a salinidad del genotipo de cebolla ‘Granex 429’.

Para más información: 

Grisaly García María; Clemente-Moreno M.José ; Díaz-Vivancos Pedro ;  García Marina; Hernández José A. (2020)The apoplastic and symplastic  antioxidant system in onion: Response to long-term salt stress. Antioxidants, Special Issue “Extracelullar Antioxidant Systems in Plants”. 9, 67. https://doi.org/10.3390/antiox9010067.

El Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS-CSIC galardonado con el primer premio de la Academia de Ciencias de la Región de Murcia

El pasado 9 de Enero de 2020, la Academia de Ciencias de la Región de Murcia, entregó los premios a los mejores proyectos de investigación presentados en el VI Congreso IDIES.

Dos proyectos realizados en el CEBAS-CSIC resultaron galardonados con el primer premio, siendo ambos dirigidos por investigadores del Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS-CSIC.

Uno de los trabajos, titulado “Efectos de la introducción de un gen de floración temprana de varias especies en plantas de Nicotiana tabacum L.”, fue realizado por los estudiantes Pablo Marín Martínez y Carmen Mª Sánchez Abenza, (IES Infante don Juan Manuel). La dirección científica corrió a cargo de la Dra Nuria Alburquerque Ferrando y la coordinación académica por el profesor D. Carlos Lopesino Vega. El objetivo principal de este trabajo fue la introducción de un gen de floración temprana procedente de tres especies vegetales (chopo, manzano y Arabidopsis) en la planta del tabaco (Nicotiana tabacum L.), utilizando como vector la bacteria Agrobacterium tumefaciens, para observar el efecto de la expresión de estos genes sobre el crecimiento de las plantas in vitro.

La Dra. Nuria Alburquerque junto a los alumnus Pablo Marín Martínez y Carmen Mª Sánchez Abenza y el professor Carlos Lopesino

El otro proyecto premiado con el primer premio, titulado “Desarrollo de un sistema electrónico para la medida de la fluorescencia de clorofilas en plantas” fue llevado a cabo por los estudiantes Jorge Parra García y Jordi Germán Calle León (IES Alcántara de Alcantarilla), siendo dirigido por el Dr. José A. Hernández (CEBAS-CSIC) y el Dr. Juan Suardiaz (UPCT). En este proyecto, que constaba con una parte biológica y una parte técnica, se desarrolló un sistema electrónico de bajo coste basado en Arduino, que permitía detectar la emisión de fluorescencia de clorofilas en plantas sometidas a estreses ambientales, comparando los resultados con un equipo profesional que normalmente se usa en laboratorio. La profesora Dº Teresa de Jesús García Martínez fue la responsable de la coordinación académica.

El Dr. José A. Hernández y el Dr. Juan Suardiaz, junto a los estudiantes Jorge Parra y Jordi Germán Calle.

Mandelonitrile-associated salicylic acid biosynthesis in peach under abiotic and biotic stresses

Diaz-Vivancos P; Bernal-Vicente A; Petri C; Cantabella D; Hernández JA

(Poster presented at the SMPR2019 congress (Valencia, 10-11 December 2019)

Abstract

Even though that salicylic acid (SA) is a key regulator of plant stress responses and other biological processes, its biosynthetic pathways have not been fully characterized. The proposed SA synthesis originates from chorismate by two distinct pathways: isochorismate and phenylalanine (Phe) ammonia-lyase (PAL) pathways. Cyanogenesis is the process related to the release of hydrogen cyanide from endogenous cyanogenic glycosides (CNglcs), and it has been linked to plant plasticity improvement. The main CNglcs in peach are prunasin and amygdalin, with mandelonitrile (MD), synthesized from Phe, controlling their turnover.

Using [13C]-labelled compounds and metabolomic analysis, we showed that MD, and hence CNglcs turnover, is involved, at least in part, in SA biosynthesis in peach plants. MD-treated peach plants displayed increased SA levels via benzoic acid (one of the SA precursors within the PAL pathway). Moreover, MD treatment modulated the H2O2 levels and had a pleiotropic effect on abscisic acid (ABA) and jasmonic acid (JA) levels (data not shown). Under the stress conditions, however, the contribution of this SA biosynthetic pathway from MD to the total SA pool does not seem to be important. Nevertheless, MD treatment not only increased SA levels, but also improved peach plants performance under the stressful conditions. In fact, MD provided partial protection against Plum pox virus (PPV) infection and stimulated the accumulation of phytotoxic ions in roots in PPV- and NaCl-stressed peach seedlings respectively.

Thus, we proposed a third pathway, alternative to the PAL pathway, for SA synthesis in peach plants, linking SA biosynthesis and cyanogenesis (Fig. 1). This proposed pathway seems to be functional under stress conditions, although the fact that CNglcs may be operating more broadly than by influencing SA pathways and signaling con not be ruled out.

Material and Methods

Plant material

The assays were performed on GF305 peach (Prunus persica L.) plants, under both greenhouse and in vitro conditions. For ex vitro assays, after submitting the GF305 peach seedlings to an artificial rest period in a cold chamber to ensure uniformity and fast growth, seedlings were grown in 2-L pots in an insect-proof greenhouse and distributed into three batches (control and MD- and Phe-treated) of 15 plants each. Plants were irrigated twice per week with water (control) and 1 mM MD or 1 mM Phe for 7 weeks. None of the treatments affected plant growth and development. For in vitro assays [13C]-labeled compounds were used, and 200 mM MD- or Phe-alpha[13C] (Campro Scientific GmbH, Germany) was added to the micropropagation medium during two subcultures. This concentration was selected after carrying out a preliminary assay using concentrations of both compounds ranging from 50 to 1000 mM; 200 mM was the highest concentration that did not show any deleterious effect on the development of micropropagated peach shoots.

Metabolomic analysis

The levels of Phe, MD, amygdalin, BA and SA were determined in in vitro micropropagated shoots at the Metabolomics Platform at CEBAS-CSIC (Murcia, Spain).

SA levels in peach seedlings

The SA levels in leaves of GF305 seedlings treated with MD or Phe were determined using a UHPLC-mass spectrometer (Q-Exactive, ThermoFisher Scientific) at the Plant Hormone Quantification Platform at IBMCP (Valencia, Spain).

Extraction and enzymatic assays

The activities of ascorbate peroxidase (APX),  peroxidase (POX), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) in in vitro shoots and ex vitro leaf samples were assayed as described in Diaz-Vivancos et al. (2017) and Bernal-Vicente et al. (2018; 2019).

Results

Fig. 1. Proposed salicylic acid (SA) biosynthetic pathway in peach plants. Blue arrows indicate the SA biosynthesis in plants described previously. The dotted arrow indicates a putative pathway. Red arrows show the new pathway suggested for peach plants. CYP79 and CYP71, Cyt P450 monooxygenases; MDL1, mandelonitrile lyase.

Fig. 2. Percentage (of total amount detected) of [13C]- phenylalanine (Phe), mandelonitrile (MD) and salicylic acid (SA) in non-stressed, NaCl-stressed and Plum pox virus (PPV)-infected peach shoots micropropagated in the presence or absence of [13C]MD or [13C]Phe. Ions with an additional 1.0035 accurate mass and confirmation by isotopic distribution and spacing were defined as ions marked with 13C. Data represent the mean of at least 20 repetitions of each treatment.

Fig. 3 Total levels (mMg–1 FW) of amygdalin, benzoic acid, mandelonitrile, phenylalanine and salicylic acid, and mandelonitrile lyase (MDL) enzymatic activity in micropropagated peach shoots in the presence or absence of [13C]MD or [13C]Phe. Data represent the mean ± SE of at least 12 repetitions of each treatment. In each graph different letters above the columns indicate significant differences according to Duncan’s test (P< 0.05).

Fig. 4. Total SA level (ng g–1 DW) in the leaves of peach seedlings grown in the presence or absence of MD or Phe submitted to 34 mM NaCl (A) or PPV infection (B). Data represent the mean ± SE of at least five repetitions of each treatment. Different letters indicate significant differences according to Duncan’s test (P≤0.05).

Fig. 5. Summary of the differential response of MD treatment in salt-stressed and PPV-infected peach seedlings. Data from Diaz-Vivancos et al. (2017) and Bernal-Vicente et al. (2018; 2019).

Table 1.- Effect of MD and Phe on H2O2-scavenging activities (APX, POX, CAT)  and SOD (H2O2-producing) activity in GF305 micropropagated shoots and seedlings. APX is expressed as nmol min-1 mg-1 protein. POX and CAT are expressed as µmol min-1 mg-1 protein. SOD as U mg-1 protein. Data represent the mean ± SE of at least four repetitions. It has been previously described that SA led to H2O2 accumulation (Durner & Klessig 1995; Rao et al. 1997).

Conclusions

We provide strong  evidences showing that CNglcs turnover is involved, at least in part, in SA biosynthesis in peach plants under control and stress conditions.

MD seems to act as a hub controlling the CNglcs turnover and the SA and amygdalin biosynthesis. MD-treated peach plants displayed increased SA levels via benzoic acid (one of the SA precursors within the PAL pathway).

We have also found evidence that this new SA biosynthetic pathway also works also under stress conditions. MD treatment improved the plant performance of peach plants under salinity or PPV-infection conditions. However, the contribution of this pathway to the SA pool does not seem to be relevant under these stress conditions.

MD also modulated the content in other stress related hormones as well as the antioxidant defenses, that could activate different redox-related signaling pathways.

Our data agrees with the previously reported role for CNglcs in oxidative stress tolerance (Gleadow & Møller 2014; Gleadow et al. 2016).

References

• Diaz-Vivancos et al (2017) Plant & Cell Physiology 58(12): 2057–2066
• Durner J and Klessig DF (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 92(24): 11312-11316
• Bernal-Vicente et al (2018) Plant Biology 20(6):986-994
• Bernal-Vicente et al (2019) Plant Biology DOI: 10.1111/plb.13066
• Gleadow Møller (2014) Annual Review of Plant Biology 65:155–185
• Gleadow et al (2016) Journal of Experimental Botany 6:403-5413
• Rao et al (1997) Plant Physiology 115:137–149.

 

This work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (projects AGL2014-52563-R; RTA2017-00011-C03-02).

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José A. Hernández Cortés (jahernan@cebas.csic.es).

 

RESUMEN PROYECTO DE TESIS

Efecto de la climatología invernal y la disponibilidad de agua de riego en los mecanismos antioxidantes y en la productividad del albaricoquero y el melocotonero en la Región de Murcia en un contexto de cambio climático

En las condiciones ambientales de nuestro entorno, de los cuatro grandes factores limitantes del crecimiento de las plantas, temperatura, luz, nutrientes y agua, es esta última el principal condicionante. El estrés hídrico es uno de los factores ambientales que más limita el crecimiento, desarrollo y la producción vegetal. También, muchas otras situaciones de estrés ambiental, como salinidad, altas temperaturas o heladas tienen un componente de estrés. Las plantas sufren cambios morfológicos y metabólicos significativos en respuesta a la sequía. Muchos de estos cambios parecen ser respuestas adaptativas mediante las cuales las plantas hacen frente al estrés ambiental. Sin embargo, se conoce muy poco acerca de los mecanismos bioquímicos que sustentan estas respuestas.

El objetivo del proyecto es el realizar un seguimiento a variedades de albaricoquero y melocotonero representativas de ambas cultivos en la región de Murcia, cultivadas en diferentes localizaciones geográficas y sometidas a situaciones de riego diferencial.

Se añade en el estudio, 2 variedades cultivadas en condiciones de sombreo (malla protectora antigranizo) y en ausencia de la misma, con el fin de evaluar el efecto de la alta intensidad luminosa / radiación en las necesidades hídricas. Se pretende dar recomendaciones a los agricultores en lo referente al manejo integrado de ambos cultivos.

Los ensayos comenzarán desde el momento en que produce la inducción floral (en las condiciones de Murcia, después de que los agricultores recolecten la fruta), cerrando el ciclo en la cosecha del año siguiente. Cada 2-3 semanas se analizará el estado de humedad del suelo y el potencial hídrico de las hojas. Igualmente se tomarán muestras de hoja para analizar el estado de estrés de los árboles, mediante la medida del nivel de peroxidación de lípidos, para el análisis de los contenidos de clorofila y para el análisis de las principales enzimas antioxidantes.