Exploring high temperature response mechanisms in Pinus radiata using a pan-omics approach

Abstract

Para satisfacer las demandas actuales y futuras de productos madereros, las especies de rápido crecimiento, como Pinus radiata D. Don, son una clara opción para aumentar la productividad de las plantaciones y la sostenibilidad a largo plazo. Sin embargo, en el actual contexto de cambio climático, la viabilidad comercial de dichas plantaciones podría estar en entre dicho en muchos países. Es por eso, que para lograr el mantenimiento y mejora de la producción de Pinus radiata dentro del futuro escenario de incremento de temperaturas, es necesario estudiar en profundidad los mecanismos de adaptación y respuesta a calor. La respuesta a calor implica múltiples vías de señalización, así como complejos mecanismos: activación de procesos para la protección frente a daño oxidativo, cambios en la fluidez de membrana, estimulación del metabolismo secundario, activación de la señalización hormonal, alteración de la expresión de los genes relacionados con estrés y la producción de proteínas de protección frente a estrés, entre muchos otros. Esta compleja respuesta se produce a múltiples niveles funcionales, los cuales está todos interconectados entre ellos. En esta tesis, se ha realizado un estudio exhaustivo de la respuesta a altas temperaturas en Pinus radiata D. Don llevando a cabo en primer lugar un análisis en detalle de la respuesta fisiológica y posteriormente un estudio integrativo panómico (proteínas, metabolitos y transcritos), desarrollando a su vez un nuevo protocolo de extracción conjunta, que permitió el empleo de tecnologías punteras, así como el uso de nuevas herramientas bioinformáticas integrativas. El análisis de la respuesta fisiológica y hormonal permitieron distinguir dos respuestas fisiológicas secuenciales relacionadas con la respuesta a estrés de Pinus radiata: Una respuesta inicial (respuesta corto plazo) y otra de aclimatación (respuesta a más largo plazo). ABA y SA juegan un papel crucial en la respuesta a corto plazo, probablemente debido a la urgencia de la planta por regular el cierre estomático y contrarrestar el incremento del daño oxidativo, mientras en las exposiciones más largas y en las plantas recuperadas parecen ser más relevantes IAA y CKs. El protocolo de extracción múltiple desarrollado permitió la integración de múltiples niveles funcionales de un modo más eficiente, gracias a la posibilidad de analizar todos los niveles funcionales en la misma muestra. La integración de los datos fisiológicos, proteómicos y metabolómicos permitió definir los mecanismos básicos subyacentes a la respuesta a altas temperaturas en corto plazo de P. radiata, identificándose tres sub-redes principales de elementos: sub-red hormonal, sub-red de oxidoreductasas y sub-red de proteínas de choque térmico (HSPs). A través de esta aproximación se lograron desenmascar nuevos biomarcadores de resistencia a calor en P. Radiata, tales como: PHO1, TRANSCRIPTION FACTOR APFI y MITOCHONDRIAL SMALL HEAT-SHOCK PROTEIN. El posterior análisis transcriptómico mediante RNA-seq permitió mejorar las bases de datos empleadas para en la identificación de proteínas revelando una rápida reorganización transcriptómica relacionada con las rutas metabólicas de estrés y reacciones redox. El empleo de un nuevo método de integración DIABLO, incluyendo además la nueva capa del transcriptoma, permitieron validar el papel clave de las respuestas fisiológicas identificadas previamente: la relevancia de la señalización hormonal (especialmente las CKs); y el papel de las HSPs claramente esenciales para mantener las funciones de la planta después del primer impacto al estrés. El biomarcador MITOCHONDRIAL SMALL HEAT-SHOCK PROTEIN, se describe como uno de los más interesantes, validado en todas las aproximaciones, incluida la funcional. Además, está integración permitió identificar nuevos elementos involucrados en la respuesta a altas temperaturas como son CELLULOSE SYNTHASE y LIPOPOLYSACCHARIDE 1,2-N-ACETYLGLUCOSAMINETRANSFERASE relacionados con el metabolismo de ácidos grasos y la reorganización de membranas. La integración de los datos transcriptómicos, proteómicos, metabolómicos y fisiológicos permitió la descripción de las rutas completas involucradas en el proceso de aclimatación a estrés por calor en P. radiata. Los resultados obtenidos son prometedores, no sólo para definir los mecanismos subyacentes a la respuesta a altas temperaturas en P. radiata y cómo están interconectadas los diferentes tipos de respuestas, sino también por la disponibilidad de nuevos biomarcadores con un potencial uso directo para la selección temprana de árboles termotolerantes en los programas de mejora.