antioxidantsgroup

Plant ROS Research


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El Grupo de Biotecnología Vegetal del CEBAS-CSIC en la Semana de la Ciencia 2017

El pasado fin de semana (10 al 12 de Noviembre de 2017) se celebró la XVI edición de la Semana de la Ciencia en Murcia. Como siempre, el objetivo de este evento es acercar la ciencia a la sociedad. De nuevo, el grupo de Biotecnología de Frutales ha estado presente en el Stand del CEBAS con el Taller “CULTIVO IN VITRO, PLANTAS TRANSGÉNICAS Y SU APLICACIÓN EN LA MEJORA VEGETAL”. Se presentó información sobre las técnicas de cultivo in vitro y sus aplicaciones en la Mejora Vegetal, incluyendo la obtención de plantas transgénicas resistentes a estreses ambientales o para aumentar sus características nutricionales. El Grupo estuvo representado por José A. Hernández, Abel Piqueras, Lydia Bremaud y Pedro Díaz Vivancos.

cartel

 

Lydia

viernes tarde

Pepe

sabado mañana con PAblo Gomariz

Pablo Gomáriz, el campeón del programa “Pequeños Gigantes” de Tele5 en el Stand del CEBAS

 

melocotonero in vitro control

Plantas in vitro de vid, stevia y de melocotonero

 

Además, presentamos un juego interactivo sobre la respiración celular, mostrando a los asistentes el paso de oxígeno molecular a agua en las mitocondrias, su relación con la producción de energía y la formación de especies reactivas de oxígeno en este orgánulo.

 

Juego electrones

Juego interactivo sobre la respiración celular y la formación de especies de oxígeno activado en las mitocondrias
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DESCUBIERTA UNA NUEVA RUTA DE SÍNTESIS DE ÁCIDO SALICÍLICO EN MELOCOTONERO

Investigadores del Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS-CSIC han identificado una nueva ruta de biosíntesis de ácido salicílico (SA) en plantas de melocotonero (Prunus persica). El SA es una hormona vegetal muy importante para las plantas  ya que regula las respuestas a estrés ambiental y muchos otros procesos biológicos como crecimiento y desarrollo, germinación de semillas, producción, etc. A pesar de su importancia, la ruta de biosíntesis de SA en plantas no se ha caracterizado por completo.

En este trabajo, mediante técnicas metabolómicas y bioquímicas, estos investigadores han proporcionado evidencias que demuestran que la ruta de los glucósidos cianogénicos (metabolitos secundarios que desempeñan variadas funciones en las plantas, como es el hecho de que sean responsables del amargor de las almendras) está implicada en la biosíntesis de SA en plantas de melocotonero.

Hasta ahora, se aceptaba la existencia de dos rutas para la biosíntesis de SA en plantas: la ruta del isocorismato y la ruta de la fenilalanina (Phe) amonio-liasa (PAL). La nueva ruta descrita en plantas de melocotonero se puede considerar una tercera vía de síntesis de SA alternativa a la ruta PAL, ya que ambas rutas se inician con el aminoácido Phe.

Fig 1

Ruta de síntesis del ácido salicílico a partir de la ruta de los glucósidos cianogénicos en plantas de melocotonero

 

El trabajo, dirigido por el Dr. Pedro Diaz Vivancos, lo han llevado a cabo los investigadores Dra. Agustina Bernal Vicente, Dr. Cesar Petri, Daniel Cantabella, Dr. José A. Hernández y el propio Dr. Pedro Díaz Vivancos. Este estudio fue financiado por el proyecto AGL2014-52563-R del Ministerio de Economía y Competitividad. Los resultados han sido recientemente aceptados para su publicación en la prestigiosa revista Plant & Cell Physiology, situada en la posición 16 de 212 revistas científicas en el área de “Plant Sciences”

(https://academic.oup.com/pcp/advance-article/doi/10.1093/pcp/pcx135/4222594).


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ACLIMATACIÓN DE PLANTAS DE STEVIA A CONDICIONES EX-VITRO Y ESTUDIO DE SU RESPUESTA A SALINIDAD

 

El Grupo de Biotecnología de Frutales ha conseguido micropropagar y aclimatar plantas de Stevia rebaudiana y estudiar su respuesta  a salinidad en macetas.

La Stevia es un edulcorante natural no calórico que posee una capacidad endulzante unas 300 veces superior a la sacarosa. La producción a gran escala de Stevia se ve limitada en primer lugar por la baja germinación de sus semillas. En este sentido, en nuestro grupo, hemos desarrollado un protocolo para multiplicar las plantas de Stevia en condiciones in vitro con el fin de obtener plantas clonales.

Enraizamiento de plantas in vitro y aclimatación a condiciones ex-vitro

Estas plantas, adaptadas a condiciones ex vitro (en macetas) se sometieron a estrés salino y comprobamos que desarrollaban mecanismos de adaptación para crecer con salinidades de 2 y 5 g/L.  Entre dichos mecanismos observamos adaptaciones fisiológicas relacionadas con el desarrollo, acumulación de iones y fluorescencia de clorofilas. Por otro lado, también tenían lugar una serie de adaptaciones a nivel bioquímico como cambios en enzimas antioxidantes, contenido de clorofilas y prolina (aminoácido implicado en la tolerancia a estrés salino). Estos cambios les permiten sobrevivir en dichas condiciones de estrés ya que les permiten un ajuste osmótico, una protección de la fotosíntesis y una defensa frente al estrés oxidativo provocado por la salinidad.

Control                         2 g/l                           5 g/l

Efecto de la salinidad en el crecimiento de plantas de stevia y en la fluorescencia de clorofila (de arriba a abajo, qN, qP y NPQ).

En lo que a la producción de esteviósidos, hemos descrito un aumento con la edad de la planta de los contenidos del esteviósido que tiene mejores características comerciales, el Rebaudiósido A, lo que puede tener un interés comercial. Además, observamos que la salinidad no afectaba de una forma significativa la concentración del Rebaudiósido A.

Este trabajo demuestra que es posible usar aguas salinas u otras fuentes alternativas, como aguas de depuradora, para crecer estas plantas así como para la producción de este tipo de edulcorantes naturales.

Stevia La Verdad

Equipo Investigador

 

Para más información

Daniel Cantabella, Abel Piqueras, José Ramón Acosta.Motos, Agustina Bernal-Vicente, José A. Hernández, Pedro Díaz-Vivancos (2017) Salt-tolerance mechanisms induced in Stevia rebaudiana Bertoni: Effects on mineral nutrition, antioxidative metabolism and steviol glycoside content. Plant Physiol Biochem 115: 484-496. d.o.i.:10.1016/j.plaphy.2017.04.023.


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JORNADAS DE PUERTA ABIERTAS: VISITA DEL COLEGIO CEU SAN PABLO AL CEBAS

El pasado 24 de Febrero de 2017 nos visitaron 21 alumnos de primero de bachillerato del Colegio CEU San Pablo de Murcia, acompañados por dos de sus profesoras. Las actividades de la Jornada incluyeron la proyección de los DVDs Institucionales del CSIC y del CEBAS, una explicación detallada sobre el CSIC, el CEBAS y sobre la carrera investigadora. Posteriormente, y dirigidos por José A. Hernández, y Eva María Gómez, los alumnos realizaron una visita guiada para mostrar diferentes infraestructuras del CEBAS.p1100790p1100791

La Dra Carmen Chocano les mostró diferentes experimentos sobre el uso de enmiendas orgánicas derivadas de residuos orgánicos de origen urbano, agrícola o animal como estrategia para combatir procesos de degradación del suelo. Igualmente mostró el análisis CO2 desprendido por los microorganismos del suelo así como la actividad de determinadas enzimas (fosfatasa, ureasa, betaglucosidasa) que hay en un suelo y que relacionan la actividad microbiana con los ciclos de los elementos fertilizantes del suelo (fósforo, Nitrógeno, Carbono…). El Dr. Juan Antonio Tudela les explicó técnicas de conservación de alimentos vegetales procesados, el análisis sensorial y de calidad de los alimentos vegetales. Sofía Albolafio les mostró el funcionamiento del servicio de metabolómica del CEBAS.

Finalmente, el Dr. Abel Piqueras les explicó las técnicas de cultivo in vitro, mostrándoles cultivos in vitro de melocotonero, ciruelo, Paulownia, Stevia y vid.  Igualmente, el Dr. José A. Hernández les explicó el funcionamiento del Servicio de Ionómica del CEBAS y les mostró equipamiento básico de un laboratorio, incluyendo pipetas automáticas, pH-metros, centrífugas, espectrofotómetros, y la medida de actividades enzimáticas, etc… y las diferentes formas de comunicación de datos en Tesis doctorales, congresos y en publicaciones científicas.

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José A. Hernández
Investigador Científico del CEBAS-CSIC


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El Grupo de Biotecnología de Frutales en la Semana de la Ciencia 2016

Durante el fin de semana del 11 al 13 de Noviembre, el Grupo de Biotecnología estuvo presente en el Stand informativo que el CEBAS-CSIC tiene año tras año en este evento.

El objetivo fundamental de la Semana de la Ciencia es acercar la ciencia a la sociedad, sobre todo a los más jóvenes. En esta edición, el Grupo de Biotecnología presentó información sobre las técnicas de cultivo in vitro y sus aplicaciones, entre las que cabe destacar:

  • En cuanto a las aplicaciones del cultivo in vitro, cabe destacar:
  • Propagación masiva de plantas, especialmente beneficiosa para especies de difícil germinación
  • Clonación de plantas durante todo el año.
  • Obtención de plantas libres de virus
  • Conservación de germoplasma
  • Obtención de metabolitos secundarios
  • Producción de nuevos híbridos
  • Mejora genética de plantas, incluyendo obtención de plantas transgénicas
  • Germinación de semillas.
  • Producción de haploides.
  • Estudios fisiológicos diversos, etc…

Además, para la transformación de plantas, el material vegetal de partida suele ser material in vitro (sobre todo hojas o hipocotilos). La transformación genética tiene una clara aplicación en agronomía. Por ejemplo, la incorporación de ciertos genes puede proporcionar resistencia a patógenos, lo que puede ayudarnos a reducir el uso de fitoquímicos en el campo. Estas plantas pueden ser resistentes a condiciones ambientales adversas, como la sequía o la salinidad. En nuestro laboratorio, hemos conseguido transformar plantas de ciruelo, que contienen genes de enzimas antioxidantes, que las hace más vigorosas y les confiere resistencia a salinidad, sequía y altas temperaturas. Además, contamos con otras líneas de ciruelo resistentes a la infección por Agrobacterium o resistentes a Plum pox virus.

En esta edición de la Semana de la Ciencia, se mostró a los asistentes plantas in vitro de Paulownia tomentosa, Stevia rebaudiana y de algunos ejemplos de plantas leñosas como albaricoquero y de líneas ciruelo “Claudia Verde” transformados genéticamente.

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Plantas in vitro de Stevia

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Plantas in vitro de Albaricoquero, ciruelo y melocotonero

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Plantas de Paulownia in vitro y aclimatadas

 

José A. Hernández (CEBAS-CSIC)


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ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO Y GERMINACIÓN DE SEMILLAS. El acelerador de la vida

José A. Hernández (CEBAS-CSIC, Murcia)

Muchos científicos usan erróneamente el término “Especies Reactivas del Oxígeno” (abreviado ROS) de forma indistinta al término “Radicales Libres”. Cuando hablamos de Radicales Libres no nos referimos a ninguna formación política revolucionaria. Radical Libre hace referencia a cualquier molécula que tenga uno o más electrones desapareados, lo que la hace muy inestable y muy reactiva. No todos los radicales libres son ROS, ni todas las ROS son radicales libres. Por ejemplo, un radical peroxil no es un ROS, mientras que el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada, H2O2) es una ROS no radical.

Las ROS se producen de forma natural durante el metabolismo celular en diferentes partes de la célula vegetal. En el caso de las semillas, en las primeras etapas de la germinación, las principales fuentes de generación de ROS son las mitocondrias, los peroxisomas y las membranas celulares. Pensemos que en la mayoría de los casos, las primeras etapas de la germinación van a ocurrir en oscuridad. Por ese motivo, en estas etapas, el cloroplasto no contribuye a la generación de ROS. Sin embargo, en cuanto la plántula que se forme vea la luz, enseguida empezará a formar cloroplastos, y éstos también serán una fuente de ROS.ros

Esquema mostrando los orbitales de unión del oxígeno molecular y de especies reactivas del oxígeno.

La germinación comienza con la absorción de agua por parte de la semilla seca, y termina con la elongación del eje embrionario y la protrusión de la radícula. Durante este proceso, se activa la respiración que proporciona energía, se degradan proteínas de reserva para proporcionar energía y aportar aminoácidos para las nuevas proteínas que se sinteticen, etc…Hay que pensar, que la semilla, en cuanto empiece a tomar agua va a activar su metabolismo, y por tanto empezará a producir ROS. Por ello, un control de los niveles de ROS, por parte de los mecanismos de defensa antioxidantes, va a resultar de gran importancia durante el proceso de germinación.

De acuerdo con el modelo de la ventana oxidativa de Bailly (2008), se requiere un nivel adecuado y óptimo para que la germinación tenga lugar. Por debajo de ese nivel no se produce germinación. Si el nivel de ROS es muy elevado, por ejemplo en semillas que han envejecido por llevar demasiado tiempo almacenadas, o si han estado sometidas a altas temperaturas, se producirán daños al embrión y no germinarán.

fig-ventana-oxidativa

En nuestro laboratorio hemos demostrado que el H2O2 estimula la germinación y el crecimiento temprano en guisante y en melón, orquestando una interacción entre el estado redox celular y las hormonas vegetales durante dicho proceso.

Es importante recordar que en la germinación también es de vital transcendencia el balance giberelinas (GAs)/ácido abcísico (ABA). Las GAs estimulan la germinación, mientras que el ABA la inhibe. Pues bien,  el H2O2 coordina el proceso de germinación de semillas actuando a diferentes niveles:

  • Disminuye el contenido de ABA.
  • Favorece la degradación del ABA en el embrión y/o inhibe su transporte desde los cotiledones al embrión.
  • Aumenta el contenido de GAs
  • Media en la señalización celular vía MAPKs
  • Induce proteínas relacionadas con señalización celular y desarrollo, elongación y división celular.
  • Oxida de forma específica ciertas proteínas. Entre ellas, las mencionadas proteínas de reserva. Este proceso “marca” dichas proteínas para ser degradadas.
  • Otras explicaciones para describir el efecto positivo del H2O2 en la germinación:
  • Cuando la semilla metaboliza al H2O2 genera O2, que es necesario para el proceso respiratorio.
  • El H2O2 (y otras ROS) pueden ayudar a romper cubiertas de semillas, lo que facilita la entrada de agua en la semilla.
  • A menudo, el pericarpo y cubiertas de semillas pueden contener compuestos que inhiben la germinación. Las ROS pueden oxidarlos evitando su función inhibitoria de la germinación.imagen1
    Modelo propuesto sobre la función clave del H2O2 en la germinación y crecimiento temprano en guisante.

El efecto del H2O2 se puede revertir cuando incubamos las semillas en presencia de una mezcla H2O2+ABA.

Efecto del H2O2 en la germinación de semillas de guisante (A, B). En las fotografías C y D se muestra como el ABA reduce el crecimiento de las plántulas tanto en ausencia (C) como en presencia del H2O2 (D)fig-4

Por lo tanto, podemos decir que el H2O2 es un regulador natural de la germinación. Pero lo más importante, esta investigación tiene una aplicación práctica, por ejemplo en viveros, para aumentar el vigor de las semillas y fortalecer las plántulas. Además, se puede usar para estimular la germinación de semillas con bajo vigor.

Para más información:

  • Bailly C., El-Maarouf-Bouteau H. & Corbineau F. (2008) From intracellular signaling networks to cell death: the dual role of reactive oxygen species in seed physiology. Comptes Rendus Biologies 331, 806-814.
  • Barba-Espin G, Diaz-Vivancos P, Clemente-Moreno MJ., Albacete A., Faize L., Faize M., Pérez-Alfocea F, Hernández J.A. (2010) Interaction between hydrogen peroxide and plant hormones during germination and the early growth of pea seedlings. Plant Cell Enviroment 33: 981-994.
  • Barba-Espin G, Diaz-Vivancos P, Job D, Belghazi M, Job C, Hernández JA. Understanding the role of H2O2 during pea seed germination: a combined proteomic and hormone profiling approach. Plant Cell Environm 2011; 34:1907-19.
  • Barba-Espin, G., Hernández JA, Diaz-Vivancos P (2012) Role of H2O2 in pea seed germination. Plant Signaling & Behavior 7, 193–195.
  • Diaz-Vivancos P, Barba-Espín G, Hernández José A (2013) Elucidating hormonal/ROS networks during seed germination: insights and perspectives. Plant Cell Reports 32: 1491-1502 .

 

Comida de ex-becarios del CEBAS - 25 años (12)
José A. Hernández es Investigador Científico del CEBAS-CSIC(Murcia)