Tolerancia aumentada a estrés ambiental en cultivos de interés agronómico mediante la expresión de una proteína cianobacteriana

Desde el punto de vista agronómico, el estrés ambiental representa el factor más crítico que limita el rendimiento de los cultivos. Por otra parte, los microorganismos fotosintéticos de los que las plantas derivan (algas y cianobacterias) enfrentan desafíos equivalentes en sus correspondientes hábitats. Sin embargo, sus respuestas difieren sustancialmente: son unigénicas, rápidas, e incluyen la sustitución de blancos sensibles al estrés por alternativas isofuncionales y resistentes. Esta estrategia permite restablecer las vías productivas perturbadas por el estrés, y en particular el balance redox del proceso fotosintético, el cual ha sido identificado como un punto de intervención clave que afecta de manera decisiva la viabilidad del organismo estresado. Aunque muchos de estos genes y sus correspondientes productos han desaparecido de las plantas, se ha demostrado que la introducción de una flavodoxina (Fld) cianobacteriana dirigida a cloroplastos resultó en la generación de líneas transgénicas con tolerancia aumentada a múltiples fuentes de estrés ambiental. Esta observación no solo abre una perspectiva tecnológica completamente nueva para el desarrollo de cultivos tolerantes a estrés, sino que representa una herramienta biológica muy potente para investigar el rol que juga el metabolismo redox plastídico en procesos biológicos. En este trabajo de Tesis se ha evaluado la aplicación de esta tecnología en plantas de tomate y papa, y su potencial utilidad en el área agrícola. Además, se han utilizado plantas de tabaco transgénicas como una herramienta para el estudio del desarrollo foliar y la implicancia del estado redox cloroplástico en el tamaño final de la hoja. En cuanto a las plantas de tomate, la expresión de Fld afectó tanto el desarrollo vegetativo como el reproductivo en condiciones normales de crecimiento. Plantas de tomate que expresan Fld dirigida a cloroplastos exhibieron una reducción general del tamaño de las hojas y de los frutos con respecto a las plantas salvajes. Sin embargo, las líneas transgénicas mostraron un aumento moderado de la producción de tomates, y la combinación resultante de un rendimiento similar por planta con una biomasa vegetativa más baja condujo a un aumento de ~30% en el índice de cosecha de estas líneas en comparación con los genotipos salvaje y control, expresando Fld dirigida a citosol. Esto demuestra que, más allá de su rol ante condiciones adversas, la aplicación de la tecnología de Fld modificó la fisiología de la planta de tomate, mejorando la característica agronómica de mayor interés que es la producción por superficie cultivada. Por otro lado, plantas de papa que expresan Fld dirigida a plástidos mostraron tolerancia aumentada a sequía. Debido a la importancia del impacto de la sequía en este cultivo a nivel mundial, se realizaron dos protocolos de limitación de agua: extremo, es decir, interrupción total de riego; y crónico, donde se limitó el suministro de agua a lo largo del tiempo hasta la cosecha final de tubérculos. La acumulación de especies reactivas del oxígeno (EROs) y actividad fotosintética (fluorescencia de clorofila a), procesos principalmente afectados por la sequía, fueron mejorados significativamente mediante la expresión de Fld en comparación a las plantas salvajes, evidenciando una mayor tolerancia a estrés en este cultivo. Por otro lado, análisis transcriptómicos en hojas de papa en condiciones control y en un estadío pre-sintomático de la sequía demostraron una inducción de las vías metabólicas relacionadas con estrés previo a la exposición a la situación adversa en las líneas que expresan Fld dirigida a cloroplastos. Esto evidencia una preparación previa de las plantas transgénicas debido a la presencia de Fld en condiciones control, poniendo en manifiesto la importancia del estado redox de cloroplastos y su interacción con el núcleo en la respuesta al estrés. El efecto del estado redox de cloroplastos sobre el desarrollo vegetal fue estudiado durante diferentes estadíos de crecimiento de hojas de tabaco que expresan Fld dirigida a plástidos en paralelo a plantas salvajes. La expresión de Fld produjo una disminución significativa del tamaño foliar, donde las diferencias se manifiestan en la etapa de expansión. Se evaluaron los niveles de EROs y rendimientos fotosintéticos a lo largo del desarrollo, donde los primeros fueron significativamente disminuidos en las plantas transgénicas en todos los estadíos, y la fotosíntesis fue mayor a partir de la fase de expansión foliar. Además, teniendo en cuenta resultados transcriptómicos previos que mostraban una inducción generalizada de componentes del proteasoma en plantas crecidas en condiciones óptimas debido a la presencia de Fld, se caracterizó este sistema a lo largo del desarrollo de la hoja, observándose un aumento en la actividad proteasómica específicamente durante la fase de expansión foliar en las plantas transgénicas. Relacionado a esto, se determinó una menor endorreduplicación en las estas líneas en comparación a las plantas salvajes, evidenciando una potencial vía de regulación del menor tamaño foliar resultante en las plantas transgénicas.