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Plant ROS Research


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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 .

 

 


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El Grupo de Biotecnología de Frutales en la Noche de los Investigadores 2016

 

El CEBAS-CSIC participó el pasado 30 de Septiembre de 2016 en la undécima Edición de la Noche de los Investigadores. Este evento se celebra el último viernes del mes de septiembre de cada año simultáneamente en más de 280 ciudades europeas. Esta jornada estuvo organizada por la Unidad de Cultura Científica y Promoción de la Investigación del Vicerrectorado de Investigación. El objetivo del citado evento es la de acercar la ciencia al público en general, sobre todo a los más pequeños.

El Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS estuvo representado por el Dr. José A. Hernández Cortés, que mostró la técnica de cultivo in vitro de plantas, su uso en las técnica de transformación genética, su respuesta a condiciones de estrés ambiental y su relevancia en el sector agro-alimentario.

Además, el Dr. Hernández presentó información referente al proyecto de formación investigadora en enseñanza secundaria (Proyecto IDIES), que se organiza desde el CEBAS-CSIC.

Plantas in vitro de paulownia (izq) y plantas de melocotonero y de plantas transgénicas de ciruelo.

 

 

Publico asistente al stand del CEBAS-CSIC

 


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Tercer Congreso IDIES

El próximo 21 de Junio de 2016 tendrá lugar el tercer congreso IDIES (I+D en Institutos de Educación Secundaria) en el CEBAS-CSIC (Campus de Espinardo, edificio 25). Este año se presentarán 20 trabajos, quedando el congreso dividido en 5 sesiones temáticas: Ciencias Sociales (3 ponencias), Agricultura Y Medioambiente (7 ponencias), Alimentación y Salud (3 ponencias), Medicina (3 ponencias) e Informática e Ingeniería (4 ponencias). Los trabajos han estado dirigidos por investigadores de 4 instituciones diferentes: CEBAS-CSIC, Universidad de Murcia, Universidad Politécnica de Cartagena e Instituto Español de Oceanografía, y han participado 5 institutos de Educación Secundaria: IES Domingo Valdivieso de Mazarrón, IES Juan Carlos I de Murcia, IES Alcántara de Alcantarilla, IES Floridablanca de Murcia e IES San Juan Bosco de Lorca. El número total de estudiantes de primero de Bachillerato que han participado este curso en el Proyecto IDIES asciende a 45. Los trabajos se presentarán como comunicaciones orales (10-15 minutos) y además habrá una sesión de posters. El congreso estará patrocinado por la Fundación Séneca y por las empresas Grontal S.L., Abiopep, Proquilab, Grupo BioMaster y Fisher Scientific.

El Grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS participa dirigiendo dos proyectos. El primer proyecto está relacionado con el “Cultivo in vitro del albaricoquero: efecto de la composición del medio sobre la proliferación de brotes y el enraizamiento” y está dirigido por los doctores Nuria Alburquerque y Carlos García. Este proyecto lo han llevado a cabo los estudiantes Blanca Alarcón Suances, Beatriz Sánchez Martínez y Blanca Favi Núñez del IES Juan Carlos I de Murcia, siendo el tutor el profesor D. José María Caballero.

Las técnicas de cultivo in vitro son habitualmente empleadas para la producción comercial de algunos frutales como el albaricoquero. Además han permitido a los mejoradores incrementar las eficiencias de los programas de mejora.  El objetivo principal de este proyecto es obtener información de cómo afecta la composición del medio de cultivo (concentración de la citoquinina BAP y de la auxina IBA) a la propagación y enraizamiento in vitro de la variedad de albaricoquero ‘Helena’.

Conclusiones principales:

  • La concentración de BAP influye decisivamente en la proliferación de la variedad ‘Helena, siendo la concentración más adecuada 0,7 mg/L, que da lugar a una mayor productividad.
  • La concentración de IBA influye en el enraizamiento, siendo la concentración más adecuada 0,6 mg/L ya que se producen las raíces más largas y con mejor aspecto, lo que puede ayudar durante el proceso de aclimatación de la planta.Fig 1
Fig 2

Fig. 2.-Efecto de la concentración de BAP (mg/L) sobre el número de brotes, longitud media y productividad en brotes de ‘Helena’ cultivados in vitro. Letras diferentes para cada parámetro indican diferencias significativas entre concentraciones (p<0.05).

 

Fig 3

Fig. 3.- Efecto de la concentración de IBA (mg/L) sobre el porcentaje de enraizamiento, número de raíces y longitud de raíz más larga en brotes de ‘Helena’ cultivados in vitro. Letras diferentes para cada parámetro indican diferencias significativas entre concentraciones (p<0.05).

 

En el segundo proyecto se estudia el  “Efecto de la salinidad en plantas del género Prunus: Función de los antioxidantes” y está dirigido por los doctores José A. Hernández y Pedro Díaz Vivancos. Este trabajo lo han realizado las estudiantes Ana María Sánchez Matillas y Clara Pérez Zamora del IES Domingo Valdivieso de Mazarrón y su tutor ha sido el profesor D. Francisco Javier López Torres.

 

Como conclusiones más importantes de este trabajo, cabe destacar las siguientes:El crecimiento de las plantas de melocotonero GF-305 no se vio afectado de forma significativa por el tratamiento con NaCl 34 mM durante un mes. Estas plantas ponen en marcha una serie de mecanismos adaptativos para hacer frente al estrés salino.

  • En primer lugar, acumulan iones fitotóxicos en las raíces, lo que favorece la absorción de agua y evita acumulación de los mismos en la parte aérea.
  • En segundo lugar, mantienen los niveles de clorofila, como mecanismo de defensa para proteger la fotosíntesis.
  • En tercer lugar, se producen cambios a nivel bioquímica, tal y como el mantenimiento de los niveles de ASC, la ausencia de acumulación de las formas oxidadas del ascorbato (DHA) y del glutatión (GSSG), la inducción de las enzimas DHAR (encargada del reciclaje del ASC) y de la peroxidasa y catalasa (enzima que elimina el H2O2 en los peroxisomas). El aumento de la actividad catalasa es indicativo del aumento de la fotorrespiración, lo que sugiere su implicación como mecanismo de defensa de las plantas de melocotonero en su respuesta a la salinidad.

 

Figura2

imagen esquema planta


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Video promocional del proyecto IDIES

IDIES es un proyecto educativo de iniciación a la investigación cuyo objetivo principal es mostrar al alumnado de primero de Bachillerato qué es la investigación y cómo se practica, haciéndole partícipe y colaborador en proyectos dirigidos por investigadores de reconocido prestigio nacional e internacional.

 En la actualidad se han celebrado dos congresos IDIES, con la participación de los IES Juan Carlos I (Murcia), Domingo Valdivieso (Mazarrón), San Juan Bosco (Lorca), Alcántara (Alcantarilla) y las instituciones CEBAS-CSIC y Universidad de Murcia.
En estos congresos, los resultados más relevantes obtenidos por los alumnos durante su investigación, fueron presentados de forma oral y en posters.
 El proyecto IDIES ha estado financiado por la Consejería de Educación, Cultura y Universidades y la Fundación Seneca (Región de Murcia)y ha contado con la colaboración de distintas empresasas (Grontal Soluciones Biotecnológicas, Proquilab S.A., Izasa, Fisher Scientific, Agilent y Abiopep).
En el siguiente enlace se muestra un resumen de la primera edición del proyecto IDIES:


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Los números de 2015

Los duendes de las estadísticas de WordPress.com prepararon un informe sobre el año 2015 de este blog.

Aquí hay un extracto:

La sala de conciertos de la Ópera de Sydney contiene 2.700 personas. Este blog ha sido visto cerca de 9.300 veces en 2015. Si fuera un concierto en el Sydney Opera House, se se necesitarían alrededor de 3 presentaciones con entradas agotadas para que todos lo vean.

Haz click para ver el reporte completo.