Efectos de la sobreexpresión de S-Adenosil-L-metionina descarboxilasa1 en la respuesta a estrés en Arabidopsis.

Abstract

Las poliaminas constituyen un grupo de moléculas de bajo peso molecular implicadas en una gran cantidad de procesos esenciales para las plantas. En su síntesis participa la S- Adenosil-L-metionina decarboxilasa1 (SAMDC1) que hemos sobreexpresado de forma constitutiva en Arabidopsis en este trabajo. Se ha profundizado en el estudio de los efectos de la sobreexpresión constitutiva del gen SAMDC1 en plantas de Arabidopsis. Se han seleccionado tres líneas sobreexpresoras, S3´, S9´y S15, que presentaban unos niveles de mRNA del orden de 3 veces superiores a las plantas control no transformadas. El análisis de los efectos de la sobreexpresión de SAMDC1 revela una serie de cambios en la germinación y desarrollo de las plantas transgénicas, alteraciones en el tejido vascular de tallos y hojas, así como alteraciones en los niveles de expresión de una gran cantidad de genes. En las plantas sobreexpresoras se encuentran inducidos genes participantes en la síntesis de poliaminas, en la respuesta al estrés abiótico y en la respuesta al estrés biótico. Asímismo, las plantas transgénicas presentan un mayor contenido en ácido Abscísico. Por el contrario, estas plantas presentan una menor producción de etileno y de su precursor ACC. Estos cambios van acompañados de una tolerancia por parte de las plantas sobreexpresoras de SAMDC1 al estrés abiótico causado por la salinidad, el déficit hídrico y el ozono. De forma similar, las plantas transgénicas presentan una tolerancia al estrés biótico causado por la infección por bacterias y hongos. Un análisis en profundidad revela la implicación de la espermina, una de las tres poliaminas más importantes, en los cambios observados. Así, en este trabajo se ha comprobado que el crecimiento de plantas Col0 en presencia de espermina provoca un descenso en los niveles de etileno y ACC similar a la presente en las plantas transgénicas. Asimismo se ha observado que el crecimiento en presencia de altas concentraciones de ACC provoca en Col0 un aumento en los niveles de etileno, pero no ocurre lo mismo en las plantas transgénicas. Se ha comprobado también que el crecimiento de Col0 en presencia de espermina provoca también un aumento en los niveles de ABA. De igual forma la aplicación de espermina provoca una inducción de la expresión de los genes de síntesis de ácido jasmónico, de señalización de etileno y de respuesta al estrés abiótico y biótico similares a los presentes en las líneas transgénicas. El crecimiento de las plantas transgénicas en presencia de MGBG, inhibidor de la SAMDC, da lugar a unos niveles de etileno, ACC, ABA y de los genes estudiados similares a los presentes en plantas Col0 no tratadas. Esto establece una relación entre esta poliamina, los niveles de ABA y etileno y las respuestas al estrés abiótico y biótico. La responsabilidad de la Spm en los cambios observados en las plantas sobreexpresoras de SAMDC1 se reveló al compararlas con plantas sobreexpresoras de ADC2, que acumulan putrescina. Mientras que en las plantas sobreexpresoras de ADC2 no se observan cambios importantes en otros genes de la síntesis de PAs, la sobreexpresión de SAMDC1 provoca un aumento en los niveles de SPMS y SPDS1. Otra diferencia se encuentra en el efecto de la sobreexpresión de SAMDC1 o ADC2 sobre los niveles de expresión de enzimas relacionados con la síntesis de ABA y ácido jasmónico, defensa frente a estrés abiótico o biótico o señalización por etileno. Así como la sobreexpresión de SAMDC1 da lugar a un claro aumento en la expresión de muchos enzimas relacionados con estos procesos, la sobreexpresión de ADC2 no provoca tales efectos. En consecuencia las plantas sobreexpresoras de ADC2 no presentan una mayor resistencia al estrés salino que las plantas silvestres.

Polyamines are a group of low molecular weight molecules implicated in a lot of different and essential proceses in plants like the promotion of plant growth and development by activating the synthesis of nucleic acids. Polyamine metabolism has long been known to be altered in plants responding to abiotic environmental stress and to undergo profound changes in plants interacting with fungal and viral pathogens. The most important polyamines are spermidine, spermine and putrescine. These small compounds are positively charged at physiological pH and are known to bind to negatively charged molecules, e.g. nucleic acids, acidic phospholipids and various types of proteins. The biosynthesis of polyamines in Arabidopsis thanliana is a well-known process in which S-adenosylmethionine decarboxylase (SAMDC) contitutes an important metabolic control point. This enzyme catalizes de decarboxylation of S-adenosylmethionine which is also an intermediate product in the synthesis of ethylene. Changes in SAMdC expression have been observed as a response to environmental factors. In this work we have studied the effects of the constitutive overexpression of SAMDC1 under the control of the CAMV-35S promoter in Arabidopsis thaliana plants. Results show that the transgenic lines show a direct increase in levels of spermine. Furthermore, these SAMDC1 overexpressing plant show an induction in the expression levels of a series of genes related to response during salt or drought stress and pathogen infection. There are as well, changes in the expression levels of genes involved in Abcisic acid (ABA) and jasmonic acid biosynthesis. These changes result in a higher tolerance against abiotic and biotic stresses, increased production of ABA, lower levels of ethylene biosynthesis and a series of estructural differences with Col 0 wildtype plants. Further studies in this work have established a direct relationship between the higher levels of espermine and the changes observed in the transgenic plants.