Systems biological analysis of UV stress in Pinus radiata D. Don.

Abstract

Los bosques naturales y las plantaciones forestales tienen una gran relevancia tanto económica, ya que son fuente de materias primas para industrias de diversa índole, como ecológica, pues representan el 82% de la biomasa continental y suponen el 50% de la biodiversidad terrestre. La demanda de productos procedentes de los bosques y plantaciones aumenta a una tasa que es aproximadamente el doble de la tasa de crecimiento de la población. Además, la disponibilidad de suelo para el cultivo se está reduciendo de manera dramática. Por lo tanto, incrementar la producción forestal de una manera sostenible es, actualmente, uno de los principales desafíos en el campo de las ciencias forestales. En este sentido, la utilización de árboles de crecimiento rápido y resistentes al estrés, así como con características deseadas por la industria, como Pinus radiata, ha sido la estrategia elegida. La salud y, en consecuencia, la productividad de las plantaciones depende, en gran medida, de factores ambientales. De entre ellos, la radiación UV está entre los más relevantes por los aumentos que se esperan a nivel de la corteza terrestre para el futuro a medio plazo. Además, a diferencia de otros factores estresantes, como la sequía o las temperaturas elevadas, no ha sido objeto de tan numerosos estudios. Por lo tanto, estudiar los mecanismos que median la respuesta y la adaptación al estrés por radiación UV en una especie de alto interés ecológico y económico como Pinus radiata, es necesario. La radiación UV tiene efectos dañinos sobre las plantas. La radiación UV daña el ADN, las proteínas, especialmente las que conforman la maquinaria fotosintética, y las membranas, estimula el metabolismo secundario y afecta el crecimiento y el desarrollo vegetales. En definitiva, desencadena una respuesta de fotoprotección, que implica una reorganización compleja y coordinada del metabolismo de la planta. A pesar de este conocimiento, esta respuesta sistémica dista mucho de ser comprendida totalmente. Por lo tanto, el estudio de la respuesta al estrés por radiación UV mediante un enfoque de biología de sistemas es la mejor opción. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es determinar los principales mecanismos de respuesta al estrés por radiación UV en Pinus radiata empleando un enfoque integrador de biología de sistemas y aplicando dosis de radiación UV similares a las esperadas en el futuro cercano con el fin de proveer biomarcadores fiables y útiles para la selección de árboles más resistentes al mismo. En lo referente a la metodología, se han empleado técnicas punteras de espectrometría de masas para los análisis “ómicos”. En esta tesis se describen los efectos del estrés por radiación UV sobre la fisiología de la planta, los proteomas total y nuclear y el metaboloma. No obstante, la integración de los datos mediante diferentes análisis multivariantes, permitió ir más allá y determinar aquellos mecanismos más relevantes, así como proponer una serie de biomarcadores, los cuales pueden ser útiles para la selección de árboles más resistentes al estrés por radiación UV. En este sentido, la CHLOROPLASTIC SENSOR KINASE (CSK) se consideró el más interesante para la realización de estudios funcionales. Para dichos estudios se utilizaron mutantes de Arabidopsis como herramienta y en ellos se confirmó la relevancia de CSK en la resistencia al estrés UV. Además, los ensayos de estrés oxidativo realizados, junto con el análisis de los fotosistemas de esos mutantes mediante 2-DE, y la interacción encontrada entre CSK y el factor SIG5, sugieren que CSK regula la expresión de genes del fotosistema II, siendo dicha regulación dependiente del estado redox de la cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis. En conjunto, los resultados obtenidos apoyan la idoneidad y la potencia del enfoque utilizado en esta tesis para la identificación de nuevos marcadores para la selección de árboles más resistentes a la radiación UV.