Functional analysis of two barley C1A peptidases, HvPap-1 and HvPap-19, in response to stress and in germination

Gómez Sánchez, Andrea (2020). Functional analysis of two barley C1A peptidases, HvPap-1 and HvPap-19, in response to stress and in germination. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.62800.

Description

Title: Functional analysis of two barley C1A peptidases, HvPap-1 and HvPap-19, in response to stress and in germination
Author/s:
  • Gómez Sánchez, Andrea
Contributor/s:
  • Díaz Rodríguez, Isabel
  • Gónzalez-Melendi de León, Pablo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
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

La degradación y movilización de proteínas desde tejidos maduros o sometidos a estrés hasta los órganos en desarrollo o sumidero son procesos metabólicos inherentes a la fisiología de las plantas. La proteólisis es responsable de la homeostasis celular y el reciclaje de componentes celulares y de nutrientes, y se basa en la degradación de proteínas a través de enzimas hidrolíticas, entre las que la familia C1A de Cisteín-Proteasas (CysProt) tiene un papel muy relevante. En cebada, especie utilizada de esta tesis, se han identificado 42 genes que codifican peptidasas C1A, pero solo se ha estudiado la función de algunos miembros de esta familia. Dilucidar qué proteasas participan en un determinado proceso fisiológico, cuáles son sus dianas, y cuál es su impacto en la planta ha sido el objetivo de este trabajo. Se ha utilizado el sistema cebada-proteasas C1A para identificar las proteasas implicadas en la respuesta a estrés mediada por sequía y en la germinación de las semillas, con el fin de estudiar su impacto sobre el crecimiento de la planta y la calidad del grano. La cebada (Hordeum vulgare L.) es un cultivo de interés que ocupa el cuarto lugar entre los cereales después del trigo, maíz y arroz, según la superficie cultivada a nivel mundial. Se utiliza como alimento para ganado y consumo humano, para la fabricación de bebidas alcohólicas y la producción de biocombustibles. Además, es una especie considerada modelo en el escenario de cambio climático por su capacidad de adaptación ecológica. Tras analizar los patrones de expresión de todos los genes de la familia C1A en hojas de cebada sometidas a sequía, y estudiar los perfiles transcriptómicos de la misma familia multigénica durante la germinación de la semilla, se seleccionaron dos genes, HvPap-1 y HvPap-19, que codifican catepsinas tipo F y B, respectivamente, por sus altos niveles de expresión en ambos procesos fisiológicos, para realizar un estudio profundo de su función. Además de la caracterización molecular de ambos genes y la validación de su expresión, se generaron líneas de expresión reducida (knock down) para analizar los cambios morfológicos y funcionales que podrían producirse durante el estrés hídrico y en la germinación. De los resultados obtenidos, se puede concluir que la ausencia, incluso parcial, de las proteasas HvPap-1 y HvPap-19 alteraba la estructura foliar modificando el grosor de las cutículas y la apertura de los estomas, lo que les confería nuevas propiedades de defensa frente a la sequía y además, al ataque de patógenos y fitófagos. Asimismo, se detectaron variaciones en la composición de las semillas que modificaban los patrones temporales de germinación. Estos resultados abren nuevas líneas de investigación y potenciales aplicaciones que podrían contribuir a mejorar la cosecha de este cereal y la calidad y rendimiento del grano. ----------ABSTRACT---------- Protein breakdown and mobilization from old or stressed tissues to growing and sink organs are some of the metabolic features associated with the plant physiology. Thus, the proteolysis is a physiological process essential for cell homeostasis and cell components and nutrient recycle, based on the degradation of proteins mediated by hydrolytic enzymes. The C1A cysteine-protease (CysProt) family has a relevant role in these processes. In barley, the plant species studied in this thesis, 42 genes encoding C1A peptidases have been identified but up to now, it is limited the number of members functionally described. Deciphering what proteases are involved in a specific physiological process and what is their impact in the plant have been the main objectives of this work. This thesis has focused on the barley-C1A CysProt system as a promising model to identify the protease members involved in the response to drought as well as in the grain germination, to then analyze their impact on the plant growth and grain quality. Barley (Hordeum vulgare L.) is cereal crop of interest that occupies the fourth position after wheat, maize and rice based on the number of sown worldwide hectares. It has important uses for animal feed and human food, brewing industry, and biofuel production. Besides, it is considered a model plant in the climate change scenario due to its ability of ecological adaptation. We tested the expression levels of the whole CysProt family members in barley leaves after water deprivation, and analyzed the transcriptomic profile of this protease family in a microarray performed in grain development and germination. Among the differential expressed genes common in the two physiological processes, HvPap-1 and HvPap-19 encoding a cathepsin F- and B-like, respectively, showed the highest expression levels, and therefore were selected for a deeper functional analysis. Besides the molecular characterization of these genes and the validation of their expression, knock down transgenic lines were generated to analyze potential morphological or functional changes associated with water deprivation of grain germination. Results indicated that the absence, even partial, of HvPap-1 and HvPap-19 proteases modified the foliar structure altering leaf cuticle thickness and stomata aperture and conferred new defense properties against drought and pathogen and phytophagous attack. In addition, changes in the grain composition that altered the timing of germination were also observed. These results open new research lines and may contribute to improve the barley yield and the grain quality.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainBES-2012-051962UnspecifiedUnspecifiedFormación del Personal Investigador
Government of SpainBES-2015-072192UnspecifiedUnspecifiedA short-term stay in the Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben (Germany)

More information

Item ID: 62800
DC Identifier: http://oa.upm.es/62800/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:62800
DOI: 10.20868/UPM.thesis.62800
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 29 Jun 2020 06:42
Last Modified: 29 Jun 2020 06:42
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