Participación funcional de OsCPK13 y mirnas en las respuestas al entorno en las plantas de arroz

Abstract

El arroz es uno de los cultivos más importantes del mundo, siendo el segundo cereal más producido y el alimento fundamental de casi la mitad de la población humana. Año tras año, su producción es amenazada principalmente por enfermedades como la piriculariosis, causada por el hongo Magnaporthe oryzae, escasez de agua dulce en las áreas agrícolas debido al cambio climático que golpea con periodos de sequía extrema y la pérdida de nutrientes del suelo, como el fósforo. En este contexto, es cada vez más necesario mejorar los cultivos para hacerlos más productivos y mejor adaptados a las condiciones ambientales desfavorables. Conocer los procesos y los componentes que median la respuesta natural de la planta, así como la alteración de estos componentes puede afectar a otros procesos de adaptación al entorno y a los procesos de desarrollo de la planta, es importante para el diseño de estrategias de mejora del cultivo del arroz. En este trabajo se ha caracterizado la participación funcional de OsCPK13 en la respuesta de defensa y la fertilización fosfatada, y de los miRNAs osa-miR390, osa-miR397a, osa-miR397b y osa-miR1319a como componentes reguladores de la respuesta de defensa de la planta de arroz, y en la adaptación de la planta a condiciones de sequía. El trabajo se ha estructurado en dos capítulos. El capítulo I se enfoca en la proteína OsCPK13, una proteína quinasa dependiente de calcio miembro de una familia multigénica cuyos componentes participan en la red de señalización que controla muchos aspectos de la biología de las plantas, desde procesos de desarrollo hasta las respuestas a estrés. Esta proteína se ha descrito previamente como un modulador positivo de la tolerancia a sequía y a estrés. Los estudios de esta tesis demuestran que OsCPK13 media la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS), causando un incremento en la susceptibilidad a la infección por el hongo M. oryzae. Además demuestran que tiene un papel positivo en la translocación de fosfatos a la parte aérea de la planta, y que su sobreacumulación deriva en una acumulación tóxica de fosfatos y serios defectos en el desarrollo vegetativo y reproductivo. Estos estudios demuestran que aunque podría ser una diana de mejora de tolerancia a sequía y salinidad, y crecimiento en condiciones deficientes de fosfato en el suelo, su acumulación debe estar finamente regulada para evitar efectos pleiotrópicos negativos. El capítulo II se ha enfocado en la identificación y caracterización de miRNAs como reguladores de la respuesta de defensa. Mediante análisis de expresión global se han seleccionado 10 miRNAs regulados negativamente en respuesta a infección por M. oryzae, de los cuales se han caracterizado funcionalmente osa-MIR390, osa-MIR397a, osa-MIR397b y osa-MIR1319a e identificado sus dianas. Los resultados obtenidos demuestran que osa-miR390, osa-miR397b y osa-miR1319a son reguladores negativos de la resistencia a M. oryzae. Además se demuestra que osa-miR397a, el otro miembro de la familia de los miR397 de arroz, no participa en la respuesta de defensa frente a M. oryzae, y regula positivamente la tolerancia a sequía mostrando una especificidad funcional. Consistentemente, el gen OsLAC13, diana de los osa-miR397, que codifica una proteína lacasa, es un modulador negativo de la tolerancia a sequía. De entre todos los miRNAs estudiados, la estrategia basada en la disminución de los niveles de acumulación de osa-miR1319a parece ser la más eficaz para mejorar tanto la resistencia a la piriculariosis del arroz como la tolerancia a sequía, sin efectos aparentes en el desarrollo de la planta.

Rice is an important crop, the second most produced cereal and the staple food for more than a half of the world population. Year by year, its production is threaten by diseases like the “blast disease”, caused by the pathogenic fungus Magnaporthe oryzae, shortage of freshwater in farming areas due to climate change that strikes with extreme dry seasons, and soil nutrient losses, like phosphorus. In this context, the crop improvement is critical, in order to achieve optimal yields under adverse environmental conditions. Elucidating the mechanisms and identifying the components that mediate natural rice defenses, as well as the interactions with plant development and the adaptation to the environment processes, are important factors to consider in the design of novel and efficient strategies for rice crop improvement. In this work, the contribution of the protein OsCPK13 as a signaling component of the rice immunity and to phosphate altered condition responses, and the participation of the miRNAs, osa-miR390, osa-miR397a, osa-miR397b and osa-miR1319a, as regulators of the rice defense and water stress responses has been characterized. This thesis is organized into two chapters. Chapter I focuses on the OsCPK13, a isoform of the calcium dependent protein kinase family that function as signaling components in many aspects of plant biology, from developmental processes to stress responses. This protein has been previously described as a positive modulator of drought and salt stress tolerance. This thesis shows that OsCPK13 mediates the accumulation of reactive oxygen species (ROS) causing increased susceptibility to M. oryzae infection. Moreover, we demonstrate that OsCPK13 plays a positive role in the translocation of phosphates to the aerial part of plant, its overaccumulation leading to toxic phosphate levels in leaves, and serious defects in vegetative and reproductive development. These studies demonstrate that although OsCPK13 could be a good target for improving drought and salt tolerance, and growth in phosphate-deficient conditions, its accumulation must be tightly regulated to avoid negative pleiotropic effects. Chapter II focuses on the identification and characterization of miRNAs as regulators of the defense response. Using global expression analysis, 10 miRNAs negatively regulated in response to M. oryzae infection have been selected. From these ten, osa-MIR390, osa-MIR397a, osa-MIR397b and osa-MIR1319a were functionally characterized and their targets identified. This thesis shows that osa-miR390, osa-miR397b and osa-miR1319a are negative regulators of M. oryzae resistance. Interestingly, the osa-miR397a, the other family member of miR397, is not involved M. oryzae defense response but regulates drought tolerance, implying a functional specificity among members of a same miRNAs family. Consistently, the OsLAC13 gene, the target of osa-miR397, was identified as a negative modulator of drought tolerance. Among these miRNAs, the strategy based on reducing osa-miR1319a accumulation appears promising to improve both blast resistance and drought tolerance, without affecting plant performance.