Influencia hormonal en el uso eficiente del agua y en respuesta al estrés abiótico en tomate (Solanum lycopersicum L)

Abstract

La disponibilidad de agua es una de las mayores limitaciones en la productividad vegetal (Boyer, 1982) y es uno de los principales factores en la distribución de las especies vegetales. La tolerancia de un cultivo al estrés hídrico esta esencialmente vinculada a su capacidad de acceder al agua del suelo y utilizarla de manera más eficiente. El cultivo del tomate destaca tanto por su importancia económica como por representar un elevado consumo de recursos hídricos, de manera que cualquier mejora en el uso eficiente del agua (WUE) tendría un gran impacto socioeconómico y medioambiental. Se estima que un incremento de un 10% en el WUE en este cultivo podría suponer, en la Región de Murcia, un ahorro de más de 1.1 hm3 de agua de riego, cantidad equivalente a los requerimientos anuales de una población de 20.000 habitantes La sección experimental del manuscrito se ha dividido en dos partes diferenciadas. En primer lugar, con el objetivo de estudiar el papel de las invertasas en la respuesta al estrés hídrico en tomate (Solanum lycopersicon L.), se generaron plantas transgénicas que sobreexpresaban un gen de una invertasa extracelular de Chenopodium rubrum (CIN1) bajo el control de un promotor de invertasa vacuolar de Solanum pimpinellifolium (InvLp6g). En segundo lugar, se realizó una aproximación genética con objeto de identificar y explotar caracteres hídricos y hormonales implicados en la mejora del WUE en tomate mediante el uso de líneas recombinantes (RILs) de tomate procedentes de un cruce entre S. lycopersicum cv Moneymaker y S. pimpinellifollium acc. TO-937. La sobreexpresión del gen CIN1 dio lugar a una disminución de la transpiración acumulada y a un incremento de la tasa fotosintética, resultando, por tanto, en un incremento del WUE en relación a las plantas no transformadas, al final del periodo de estrés hídrico (9 días). Esto parece estar relacionado con una mejor regulación de las relaciones fuente-sumidero a través del mantenimiento del flujo metabólico. Además, se observó una mejora en los mecanismos antioxidativos de las plantas CIN1. Los cambios observados en el metabolismo primario se asociaron con cambios en el balance hormonal: incremento de las concentraciones de la CK más activa en tomate, trans-zeatina (t-Z), y disminución en los niveles del precursor del etileno ACC. De este modo, la invertasa extracelular actúa como punto integrador entre el metabolismo primario y las fitohormonas en respuesta al estrés hídrico, postulándose como una nueva estrategia para superar los efectos adversos del estrés hídricos sobre la fisiología y la productividad final del cultivo. Por otra parte, mediante una aproximación genética se pudieron identificar aquellas señales hídricas y hormonales implicadas en la regulación del WUE a través del control de la biomasa foliar y de la capacidad fotosintética. La explotación de dichos caracteres mediante la tecnología del injerto ha demostrado tener una utilidad directa sobre la mejora de la productividad final de la planta a través de la comunicación raíz-parte aérea. El precursor del etileno ACC y el ABA parecen ser señales hormonales implicadas en el crecimiento foliar principalmente al final del periodo de cultivo, cuando la tasa de transpiración era más elevada. El ACC se asoció positivamente con el WUEaY (en base a producción de fruto) y negativamente con el WUEav (en base a biomasa vegetativa) a través de una regulación negativa del área foliar. Otros factores hormonales, como las CKs, SA, ACC y JA también parecen ser señales (positivas) en la regulación del crecimiento foliar y por tanto del WUEa. Por tanto, mediante una aproximación funcional, se ha puesto de manifiesto el papel de las invertasas en la tolerancia al estrés hídrico a través de una modificación del balance hormonal. Por otro lado, mediante una aproximación genética usando líneas RIL se han identificado caracteres hormonales (principalmente ACC y CKs), implicados en la regulación del WUE en tomate, y que han sido explotados para mejorar la productividad mediante la tecnología del injerto.

Water availability is one of the major constraints on plant productivity (Boyer, 1982) as well as one of the main factors for the distribution of plant species. The tolerance of a crop to drought stress is essentially related to its ability to access to soil water and its efficiency use. In Spain, tomato is an important and high water consuming crop. Any improvement in water use efficiency (WUE) would imply a significant socioeconomic and environmental impact (e.g. an improvement of 10% in WUE of the greenhouse tomato crop in the Region of Murcia would save is equivalent to the water consumption of a population of 20.000 inhabitants). The experimental section of this thesis has been divided into two parts. Firstly, with the aim of studying the role of invertase in response to drought stress in tomato (Solanum lycopersicon L.), we generated transgenic plants overexpressing the cell wall invertase (cwInv) gene CIN1 from Chenopodium rubrum under the control of a promoter of vacuolar invertase from Solanum pimpinellifolium (InvLp6g). Secondly, we applied a genetic approach to identify and exploit water and/or hormonal-related traits associated with WUE through the use of a population of recombinant inbred lines (RIL) derived from a cross between Solanum lycopersicum and Solanum pimpinellifolium. CIN1 overexpression resulted in a decrease in accumulated transpiration and higher carbon assimilation, thereby increasing WUE compared to wild-type (WT) plants at the end of the drought period (9 days). This seems to be related to a better regulation of source-sink relations by maintaining metabolic fluxes. In addition, anti-oxidative mechanisms were improved in the CIN1 plants. Changes observed in primary metabolism were associated with changes in the hormonal balance. The concentration of the most active cytokinin (CK) in tomato trans-zeatin (t-Z) increased while the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) decreased in the CIN1 plants respect to WT. Thus, cwInv critically functions at the integration point of metabolic, hormonal and stress signals, providing a novel strategy to overcome drought -induced limitations to crop yield, without negatively affecting plant fitness under optimal growth conditions. Moreover, by using a genetic approach we could identify water- and hormonal-related traits directly involved in WUE regulation. These physiological traits can be directly transferred from the root to the scion through the use of selected RILs as rootstocks, improving crop productivity through root-to-shoot communication. Both the ethylene precursor ACC and ABA concentrations seem to be hormonal signals involved in leaf growth at the end of the experiment with higher transpiration rate. ACC was positively associated with WUEaY (base on fruit yield) and negatively with WUEav (based on vegetative biomass) through down-regulation of leaf area. Additionally, CKs, salicylic acid, ACC and jasmonic acid seem to be positive hormonal parameters regulating leaf growth and WUEa. Therefore, by using a functional approach it has been demonstrated that invertases play an important role in abiotic stress adaptation through a regulation in the hormonal balance. On the other hand, by using a genetic approach employing RIL lines we identified hormonal characters (mostly ACC and CKs), involved in the regulation of WUE in tomato and, thereafter, we exploited those characters to improve productivity crop thought the use of grafting.