Biofortification and Plant Stress: the Role of Azospirillum brasilense Sp7

Abstract

La producció sostenible d'aliments nutritius i segurs per al consum humà és l'objectiu final de la biofortificación dels cultius. No obstant això, proposo un canvi fonamental en aquesta dinàmica: biofortificar els cultius per beneficiar al mateix temps la salut de les plantes i la població que les consumeix. Per aconseguir aixó, és probable que s'hagin de fer servir múltiples estratègies de biofortificació simultàneament. En aquesta tesi doctoral, examino com diverses formes de biofortificació afecten al benestar de cultius econòmicament importants, al centrar-me en el sistema immunològic de la planta durant les primeres etapes del seu desenvolupament.

Azospirillum brasilense Sp7 (Sp7) és un rizobacteri promotor del creixement (PGPR) que biofortifica agronòmicament el creixement i els mecanismes de defensa de les plantes. En diferents experiments, es va inocular Sp7 en cultius prèviament millorats mitjançant genètica clàsica o transgènia, és a dir: diversos cultivars d'ordi, blat de moro fortificat amb més carotenoides (HC) i arròs fortificat amb més ferro (Fe) (RB92). En cada cas, les plàntules van ser exposades a condicions d'estrès biòtic o abiòtic per estudiar els mecanismes de regulació de defensa de la planta. L'anàlisi dels paràmetres fisiològics es va combinar amb dades proteòmiques, hormonals i/o transcriptòmics per dilucidar les variacions macro i microscòpiques en el comportament de les plantes a escala cel·lular i molecular.

Les conclusions obtingudes en aquesta tesi doctoral proporcionen informació crec important sobre com intervé Sp7 en els processos moleculars de les plantes i donen suport a la hipòtesi de que diverses estratègies de biofortificación se sumen per augmentar la salut de les plantes, cridant l'atenció sobre la centralitat de l'activació de TFs i la senyalització coordinada d'hormones en aquestes respostes.

La producción sostenible de alimentos nutritivos y seguros para el consumo humano es el objetivo final de la biofortificación de cultivos. Sin embargo, propongo un cambio fundamental en esta dinámica: biofortificar los cultivos para beneficiar al mismo tiempo la salud de la planta y la población que los consume. En esta tesis doctoral, examino cómo diversas estrategias de biofortificación afectan a cultivos económicamente importantes, centrándome en el sistema inmunológico de la planta durante las primeras etapas de desarrollo vegetativo.

Azospirillum brasilense Sp7 (Sp7) es una rizobacteria promotora del crecimiento (PGPR) que biofortifica agronómicamente el crecimiento y los mecanismos de defensa en las plantas. En diferentes experimentos, se inoculó Sp7 en cultivos previamente mejorados mediante genética clásica o transgenia, a saber: varios cultivares de cebada, maíz fortificado con carotenoides (HC) y arroz fortificado con hierro (Fe) (RB92). En cada caso, las plántulas fueron expuestas a condiciones de estrés biótico o abiótico para estudiar los mecanismos de regulación de defensa en la planta. El análisis de los parámetros fisiológicos se combinó con datos proteómicos, hormonales y/o transcriptómicos para dilucidar las variaciones macro y microscópicas en el comportamiento de las plantas a escala celular y molecular.

Las conclusiones obtenidas en esta tesis doctoral proporcionan información importante sobre cómo interviene Sp7 en los procesos moleculares de las plantes y apoyan la hipótesis de que varias estrategias de biofortificación se suman para aumentar la salud de las plantas, llamando la atención sobre la centralidad de la activación de TFs y la señalización coordinada de hormonas en estas respuestas.

The sustainable production of nutritious and safe food for human consumption is the ultimate goal of crop biofortification. However, I propose a fundamental shift in this dynamic: to biofortify crops so as to benefit the health of the plant and the population consuming them. In orde to accomplish this, it is likely that multiple forms of biofortification must be employed simultaneously. In this doctoral thesis, I examine how biofortification strategies affect the well-being of economically important crops, by focusing on the plant immune system during vegetative developmental stages.

Azospirillum brasilense Sp7 (Sp7) is a growth promoting rhizobacteria (PGPR) that agronomically biofortifies growth and defense mechanisms in plants. In different experiments, Sp7 was inoculated to crops that had been biofortified to have superior agronomic traits or were transgenic, namely: various barley cultivars, carotenoid-fortified maize (HC) and iron (Fe)-fortified rice (RB92). In each case, seedlings were then exposed to biotic or abiotic stress conditions to study mechanisms of defense regulation in the plant. The analysis of physiological parameters was combined with proteomic, hormonal and/or transcriptomic data to elucidate macro- and microscopic variations in plant behavior at the cellular and molecular scale.

The conclusions obtained in this doctoral thesis provide important insights into how Sp7 intervenes in plant molecular processes. Results collectively support the hypothesis that simultaneously using multiple biofortification strategies is effective for increasing plant health, drawing attention to the centrality of TF activation and coordinated hormone signaling in these responses.