Improvement of plant biomass production by mimicking natural responses to abiotic stresses

Abstract

El cultivo extensivo de plantas como fuente de biomoléculas de interés industrial amenaza la seguridad alimentaria y el entorno natural, lo que ha motivado la búsqueda de alternativas como el uso de microalgas. Estos microorganismos comparten características con las plantas sin muchos de sus inconvenientes como fuentes de biomasa, sin embargo, la producción de compuestos a partir de microalgas depende de estímulos estresantes que también reducen su rendimiento en biomasa y, dado al alto coste energético de su aplicación, la rentabilidad de los productos derivados. Por estas razones, la generación y/o selección de cepas de microalgas capaces de acumular biomoléculas sin necesidad de inducción por estrés es de gran interés. Muchas de estas biomoléculas de interés industrial participan en la respuesta a distintos estreses y, por tanto, lograr su acumulación de forma independiente al estrés requerirá de la caracterización y posterior modulación del sistema de respuesta a estrés. Múltiples trabajos han iniciado la caracterización de los complejos sistemas de respuesta de la microalga modelo Chlamydomonas reinhardtii a diferentes estreses, revelando la implicación de miles de variables. Algunas de estas, destacan por su función en la integración/modulación de diferentes rutas de señalización y respuesta a estrés, incluyendo la acumulación de biomoléculas, constituyéndose como elementos prometedores para la modulación del sistema. El objetivo principal de esta tesis es la caracterización del sistema de respuesta a estrés de C. reinhardtii frente a los estreses osmótico y por radiación ultravioleta B y C, poco descritos en microalgas, pretendiendo identificar nodos centrales del sistema, especialmente aquellos implicados en la modulación de la producción de biomasa bajo estas condiciones. Para alcanzar este objetivo, se ha elegido una aproximación metodológica incluyendo ómicas (proteómica y metabolómica) basadas en espectrometría de masas y acopladas a análisis englobados en la biología de sistemas. Estas metodologías fueron complementadas con técnicas de minado y edición del genoma de la microalga, útiles para la descripción y caracterización de los candidatos derivados de los análisis ómicos. Esta tesis describe los sistemas de respuesta de C. reinhardtii a estrés osmótico y ultravioleta B y C evidenciando las similitudes de estos con los de plantas y levaduras, así como la importancia del ajuste en la composición de la biomasa durante la respuesta a estrés. Bajo estrés osmótico la acumulación de glicerol y distintos azúcares dirigieron la recuperación del equilibrio osmótico, la protección frente al estrés oxidativo y la homeostasis redox; mientras que los cambios en la composición de la biomasa bajo estrés ultravioleta se centraron el bloqueo de la radiación incidente, aunque también en el estrés oxidativo y la homeostasis redox. La variación en la composición de la biomasa celular durante la exposición a ambos estreses fue el reflejo de la modulación del proteoma celular, destacando su importancia en la respuesta al estrés ultravioleta donde la reparación y el recambio de proteínas dañadas, especialmente las fotosintéticas, fue clave en la adaptación de C. reinhardtii a este estrés. Además, la aproximación de biología de sistemas empleada pudo identificar múltiples nodos señalizadores centrales como la MAP quinasa seis (MAPK6) y múltiples fosfatasas 2C (PP2Cs) así como nodos efectores como la subunidad seis de la ATP sintasa mitocondrial (ATP6) bajo estrés osmótico y una nueva DYRK quinasa, probablemente implicada en la modulación de la acumulación de biomasa, bajo estrés ultravioleta. La descripción de las respuestas a estos estreses apuntó también al papel central de las quinasas de la familia Sucrose-non-Fermenting Related Kinases (SnRK) en el sistema de respuesta a estrés de C. reinhardtii. Esta tesis incluye la descripción de los miembros de esta familia tanto en la microalga modelo como en especies próximas, así como el estudio de la sensibilidad a diferentes estreses abióticos y mediadores en la respuesta a estrés como el ácido abscísico en la familia de C. reinhardtii designados como CKIN. Esta aproximación identificó una gran familia de quinasas en la microalga que siendo sensibles a estrés/ácido abscísico y mostrando múltiples puntos en común con la familia SnRK de plantas presentaba múltiples elementos exclusivos de microalgas. Estos resultados motivaron el inicio de la caracterización de la función de algunos de estos elementos incluyendo distintas CKINs como CKIN2.12, CKIN y CKIN así como de elementos relacionados con la respuesta al estrés osmótico como ATP6 mediante la modulación de su expresión. Debido a las características de algunos de estos candidatos (redundancia funcional, letalidad) fueron necesarias diferentes metodologías de expresión génica cuya aplicación requirió de la construcción de un nuevo vector. Esta aproximación ha permitido hasta el momento confirmar el papel de ATP6 en la respuesta a estrés osmótico y ha apuntado a la función clave de CKIN exclusivas de microalgas como CKIN2.12. A pesar de lo preliminar de los resultados de caracterización, la validación de la función de uno de los candidatos derivados de los análisis ómicos, ATP6, aclara la capacidad de la metodología empleada para identificar elementos clave en la respuesta a estrés en C. reinhardtii. Esta idoneidad también es avalada por la identificación de otros nodos previamente relacionados con la respuesta a estos estreses en plantas y microalgas como la quinasa MAPK6 o la proteína fotosintética de respuesta a estrés ultravioleta LHCSR1. Tanto estos elementos como otros cuya implicación se sugiere por primera vez en esta tesis son de gran interés en la continuación del estudio de la respuesta a estrés en la microalga y al mismo tiempo puntos prometedores en la generación de variedades mejoradas. Adicionalmente, los paralelismos existentes tanto en los mecanismos de respuesta como en las familias génicas de muchos de los señalizadores implicados exponen el potencial del uso de las microalgas como modelo de investigación aplicado a la solución de problemas de plantas, como la reducción global en la producción de biomasa vegetal que se pronostica bajo el contexto actual de cambio climático.