Función de los factores C/S1 bZIP en las redes reguladoras de la respuesta a estrés abiótico en Arabidopsis thaliana

Gómez Páez, Dennys Marcela (2018). Función de los factores C/S1 bZIP en las redes reguladoras de la respuesta a estrés abiótico en Arabidopsis thaliana. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52869.

Description

Title: Función de los factores C/S1 bZIP en las redes reguladoras de la respuesta a estrés abiótico en Arabidopsis thaliana
Author/s:
  • Gómez Páez, Dennys Marcela
Contributor/s:
  • Vicente-Carbajosa, Jesús
  • Medina Alcázar, Joaquin
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Biotecnologia [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El estrés abiótico es una de las principales causas de pérdidas económicas en la agricultura, ya que sus efectos conducen a una baja productividad de los cultivos. Estreses como la sequía, salinidad, frío y calor, producen alteraciones fenotípicas y fisiológicas en las plantas, afectando su crecimiento y desarrollo, con la consecuente reducción en la biomasa, tamaño, número y calidad de los frutos, entre otros parámetros de producción. Por estos motivos, es importante identificar los mecanismos de percepción, señalización y respuestas al estrés en plantas, pues permiten diseñar estrategias para el mejoramiento y la obtención de cultivos capaces de crecer bajo condiciones medioambientales desfavorables. Entre los estreses abióticos que afectan a las plantas, la sequía tiene un efecto negativo en un gran número de plantas cultivadas. Especialmente, su impacto se ha extendido en grandes áreas del mundo en los últimos 30 años, debido a la expansión de las áreas secas y el incremento de la desecación en suelos como consecuencia del cambio climático. Esta situación representa un desafío en la biotecnología de plantas, en la búsqueda de soluciones alternativas a la agricultura tradicional, para mejorar el problema de la baja productividad de los cultivos inducida por la sequía. En esta tesis se han seguido dos enfoques diferentes para identificar genes involucrados en la percepción y la respuesta al estrés abiótico, concretamente a la deshidratación. i) La primera estrategia se fundamenta en la hipótesis de que genes implicados en el desarrollo de la semilla y la tolerancia al estrés hídrico del embrión, puedan tener también un papel en la respuesta al estrés abiótico en otros tejidos/órganos durante el desarrollo vegetativo. ii) En la segunda se ha utilizado una aproximación basada en la biología de sistemas, que permite la identificación de genes reguladores a través de un nuevo método bioinformático (la construcción de redes parenclíticas) para la generación y representación gráfica de redes, utilizando datos de expresión génica en respuesta al estrés. La utilización de ambas estrategias en este trabajo, ha conducido al estudio y análisis de nuevas funciones de un grupo de factores de transcripción (FTs) de tipo bZIP pertenecientes a los grupos C y S1: bZIP10, bZIP25, bZIP1 y bZIP53, en las respuestas al estrés abiótico en Arabidopsis. La familia bZIP de plantas se encuentra dividida en diez grupos principales, de acuerdo a la similitud de sus secuencias y las especificidades de unión al ADN. Dentro del grupo C de Arabidopsis, hay dos miembros que han sido asociados con procesos del desarrollo y maduración de la semilla, concretamente los factores bZIP10 y 25. En estudios previos se ha demostrado que estos FTs son capaces de formar dímeros entre si y de heterodimerizar de forma efectiva con miembros del grupo S1, especialmente con los factores bZIP1 y 53, incrementando su actividad transcripcional. En este trabajo se han analizado plantas de Arabidopsis thaliana con pérdida y ganancia de función de los bZIPs C/S1, para evaluar el papel que desempeñan en tejidos vegetativos en la respuesta a la deshidratación, además de otros estreses asociados como el osmótico y oxidativo. El análisis transcriptómico global de los distintos mutantes, ha permitido identificar genes y módulos transcripcionales controlados por estos factores en la respuesta al estrés osmótico. Además, se han determinado las secuencias de unión al ADN de estos factores, mediante un método basado en la utilización de proteínas purificadas en ensayos de unión a micromatrices de ADN, desvelando que las secuencias diana consenso son distintas para los factores de las clases C y S1. Finalmente, se han realizado rastreos de doble y triple híbrido en levaduras, que han permitido describir nuevos factores con los que interaccionan, y proponer mecanismos de regulación basados en la formación de homodímeros y heterodímeros de dichos factores y las redes en las que participan, en respuesta a otros tipos de estrés y programas de desarrollo. Los resultados obtenidos en Arabidopsis indican que los factores estudiados desempeñan un papel importante en la respuesta a la desecación y otros estreses abióticos, por lo que podrían utilizarse en la obtención de plantas cultivadas con mayor tolerancia a condiciones ambientales adversas, sin comprometer el rendimiento. ----------ABSTRACT---------- Abiotic stress is one of the main causes of economic losses in agriculture resulting in low crop productivity. Stresses such as drought, salinity, cold and heat, produce phenotypical and physiological alterations in plants, affecting growth and development with the consequent reduction in biomass, number, size and quality of fruits, among other yield parameters. In this context, the identification of the mechanisms involved in the perception, signaling and stress responses in plants is of special interest, in order to design strategies for crop improvement, which allow to obtain plants more tolerant to abiotic stress. Among the abiotic stresses affecting plant growth, drought is of particular relevance since it has a negative impact on a great number of crops. In addition, its effects have extended over large areas around the world during the last 30 years, due to the increased soil desiccation and the expansion of dry areas as a consequence of climate change. This situation represents a challenge in plant biotechnology, and the necessity to develop alternative solutions to traditional agriculture to solve the low crop productivity caused by drought. In this work, we have followed two different approaches to identify genes involved in the perception and response to abiotic stress in plants, in particular to dehydration. The first strategy relies on the hypothesis that genes involved in the dehydration responses of the embryo during seed development, might participate in drought and osmotic stress tolerance in other tissues/organs in vegetative development. We used genetic approaches using gain and loss of function mutants, to test whether these genes are involved in the sensing, signaling and responses to dehydration. The second is based on bioinformatics analyses of gene expression data available in public databases. We have used a novel predictive method based on network construction and representation techniques, to identify candidate genes involved in the response to osmotic stress in Arabidopsis (the construction of parenclitic networks). The use of both strategies allowed the identification and analysis of members of the family of basic domain-containing leucine-zipper (bZIP) transcription factors (TFs), belonging to the C and S1 classes: bZIP10 and 25; and bZIP1 and 53, respectively, which have important functions in the regulation of different developmental processes and adaptive responses to the environment in plants. The bZIP TF family in plants is divided into 10 main groups, according to their protein sequence similarities and binding specificities to DNA. Within the group C of Arabidopsis, two members have been associated with processes of seed development and maturation, concretely the bZIP10 and 25. Previous studies have shown that these TFs are able to form dimers between them and effectively heterodimerize with members of the group S1, specially with bZIP1 and 53, increasing their activation activity. In this study, we used Arabidopsis thaliana plants with gain and loss of function of C/S1 bZIP members, for evaluating their role in responses to several conditions related to dehydration, including osmotic, drought and oxidative stresses. We have performed global transcriptomic analyses of different mutants to identify the genes and transcriptional modules regulated by particular C/S1 members under osmotic stress conditions. Furthermore, we have expressed and purified bZIP proteins of the C/S1 groups and used them in an in vitro microarray based protein-DNA binding assay, to determine the consensus binding sites of C and S1 classes. Finally, using yeast two and three hybrid screenings, we could identify transcription factors, specifically interacting with homo- and heterodimers of C/S1 bZIPs, which led to the proposal of precise activation models and regulatory networks controlling responses to different stress and developmental processes. The results obtained in Arabidopsis unveiled the participation of C/S1 bZIPs in abiotic stress responses in vegetative development and their potential biotechnological use in cultivated plants, to increase tolerance under adverse environmental conditions without compromising plant yield.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
FP7264474MERITUNIVERSITEIT UTRECHTMetabolic Reprogramming by Induction of Transcription
Government of SpainCSD2007-00057TRANSPLANTAMiguel Ángel Botella MesaFunción y potencial biotecnológico de factores de transcripción en plantas

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Item ID: 52869
DC Identifier: http://oa.upm.es/52869/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52869
DOI: 10.20868/UPM.thesis.52869
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Nov 2018 07:46
Last Modified: 13 May 2019 22:30
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