DESARROLLO DEL SISTEMA RADICULAR DURANTE LA INTERACCIÓN DE LAS PLANTAS CON LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO

Investigador Principal: Javier Cabrera Chaves - Científico/a Titular CSIC-INIA
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Personal:

 

 

Introducción

La línea de investigación que planteo busca dar respuesta a la necesidad imperante de buscar soluciones a las condiciones adversas (estreses abióticos) que sufren, y sufrirán en mayor medida en el futuro, los cultivos a causa del cambio climático. El estudio de la arquitectura del sistema radicular de las plantas siempre ha sido de vital importancia para la agricultura. Las raíces anclan las plantas al suelo y les permiten alcanzar el agua y los nutrientes distribuidos dispersamente, aliviando los estreses abióticos a los que se ven sometidas como sequía, salinidad o déficit nutricional. Esto justificaría la extensa y exitosa investigación realizada en las últimas décadas sobre las rutas moleculares que gobiernan el desarrollo de la raíz primaria y las raíces laterales, principalmente en la planta modelo Arabidopsis thaliana. Además del crecimiento de la raíz primaria, el sistema radicular se expande por la formación de raíces laterales. Al incrementar el número de raíces laterales, las plantas aumentan el área intercambiable del sistema radicular con el suelo y mejoran su anclaje y resiliencia. Existen diferentes puntos de control durante la formación de raíces laterales como son el máximo de auxinas en la zona de oscilación, la formación de sitios de pre-ramificación o las primeras divisiones de las células fundadoras.


En el escenario actual en el que las altas temperaturas, los períodos de inundaciones y sequías, así como la disminución de la biodiversidad y la humedad son los principales efectos de la crisis climática en los suelos, la implementación de este conocimiento para mejorar la arquitectura del sistema radicular de los cultivos es de vital importancia. Sin embargo, el amplio conocimiento obtenido in vitro con plantas modelo, suele confrontar con dificultades para su implementación en plantas de cultivo en campo. El uso de microorganismos de la rizosfera como enmiendas biológicas está aumentando por la necesidad de mejorar la productividad de las plantas debido a la cada vez más frecuente prohibición de pesticidas, la advertencia sobre el uso excesivo de fertilizantes y el inmediato escenario de períodos de sequía e inundaciones que acompañan a la emergencia climática. Muchos estudios han descrito la capacidad de los microorganismos de la rizosfera para promover el crecimiento de las plantas y el sistema radicular, conociéndose como microorganismos promotores del crecimiento de plantas. Entre ellos, las rizobacterias han sido las más estudiadas. Sin embargo, aunque se conoce el efecto beneficioso de los hongos no patógenos, como los endófitos, sobre el desarrollo radicular y el alivio de estreses, son más escasos los estudios moleculares sobre cómo estos interfieren con los programas de desarrollo. Es importante comprender qué genes y procesos están implicados en el incremento de la formación de raíces laterales durante la interacción.


El uso de hongos endófitos de raíces como manipuladores biológicos para comprender el desarrollo de las raíces laterales podría brindar información novedosa al campo: ¿Alivian los endófitos los estreses abióticos mediante el incremento del sistema radicular?, ¿los endófitos secuestran vías moleculares para aumentar el número de raíces laterales iguales o diferentes a las ya descritas? ¿Estos hongos tienen moléculas efectoras que alteran o inducen directamente estas vías? ¿Es sólo una respuesta indirecta de la planta? Dar respuesta a estas preguntas puede derivar en que las vías moleculares nuevas y las ya conocidas que conducen a la formación de raíces laterales en Arabidopsis podrían manipularse más fácilmente en las plantas de cultivo mediante el uso como interruptores biológicos de los endófitos.


Objetivos de la línea de investigación

El objetivo principal de esta línea sería entender cómo los hongos en la rizosfera podrían aliviar los estreses generados por el cambio climático favoreciendo la formación de raíces laterales. Saber si alteran la frecuencia y/o intensidad de los cambios de expresión en la zona de oscilación de la raíz, y/o modifican el número de sitios de pre-ramificación y células fundadoras, con la perspectiva futura de obtener cultivos más sanos, productivos y resilientes.

A corto plazo estamos llevando a cabo los siguientes objetivos:

- Encontrar interacciones planta-hongo que modifiquen el número y/o densidad de raíces laterales en condiciones de estrés y control. Se probará la capacidad de colecciones de hongos endófitos para producir cambios en el número de raíces laterales en plantas sometidas a estreses abióticos y control.




- Dilucidar las rutas moleculares responsables de potenciar la formación de raíces laterales. Obtener el transcriptoma por RNAseq, así como el perfil hormonal, de diferentes tejidos de plantas inoculadas con hongos seleccionados con efecto en la zona de oscilación y/o en el número de sitios de pre-ramificación y/o raíces laterales. De esta forma, se monitorearán genes candidatos, rutas de genes o mecanismos fisiológicos alterados, que faciliten una mayor resistencia al estrés con un mayor número de raíces laterales, y se validarán utilizando diferentes enfoques, como evaluación de fenotipos en mutantes para miembros de las vías identificadas, observación de líneas marcadoras fluorescentes de miembros de estas vías, PCR cuantitativa, etc.

- Encontrar aislados fúngicos con un efecto positivo en la resiliencia de los cultivos en el suelo. Una de las principales amenazas asociadas al cambio climático es el estrés hídrico y la salinidad del suelo derivado de las altas temperaturas en la atmósfera. Los hongos seleccionados en la interacción con Arabidopsis serán experimentados en condiciones más realistas derivadas del cambio climático (bajo diferentes estreses en plantas de cultivo en invernadero).

 

Funding

  1. Elucidating the molecular mechanisms enhancing lateral root formation during the interaction between plants and endophytic fungi. PID2022-141938OA-I00. 01/09/2023- Agencia Estatal Investigación. PI: Dr. Cabrera. 181.250 €.
  2. Deciphering the cell and molecular cues underlying plant-biotic interactions to reprogram the root system. RYC2021-030913-I. 01/01/2023-. Agencia Estatal Investigación. PI: Dr. Cabrera. 45000 €.

 


Publicaciones

Perez-Garcia, P., Pucciariello, O., Sanchez-Corrionero, A., Cabrera, J., del Barrio, C., del Pozo, J.C., Perales, M., Wabnik, K., Moreno-Risueno, M.A. 2023. The cold-induced factor CBF3 mediates root stem cell activity, regeneration, and developmental responses to cold. Plant Communications, Focus Issue on Climate Change and Food Security: Plant Science Roles 4, 100737. DOI: 10.1016/j.xplc.2023.100737

Cabrera, J., Conesa, C.M., del Pozo, J.C. 2022. May the dark be with roots: a perspective on how root illumination may bias in vitro research on plant–environment interactions. New Phytologist 233, 1988–1997. DOI: 10.1111/nph.17936

Serrano-Ron, L., Perez-Garcia, P., Sanchez-Corrionero, A., Gude, I., Cabrera, J., Ip, P.-L., Birnbaum, K.D., Moreno-Risueno, M.A. 2021. Reconstruction of lateral root formation through single-cell RNA sequencing reveals order of tissue initiation. Molecular Plant 14, 1362–1378. DOI: 10.1016/j.molp.2021.05.028

Perianez-Rodriguez, J., Rodriguez, M., Marconi, M., Bustillo-Avendaño, E., Wachsman, G., Sanchez-Corrionero, A., De Gernier, H., Cabrera, J., Perez-Garcia, P., Gude, I., Saez, A., Serrano-Ron, L., Beeckman, T., Benfey, P.N., Rodríguez-Patón, A., del Pozo, J.C., Wabnik, K., Moreno-Risueno, M.A. 2021. An auxin-regulable oscillatory circuit drives the root clock in Arabidopsis. Science Advances 7, eabd4722. DOI: 10.1126/sciadv.abd4722

Olmo, R., Cabrera, J., Díaz-Manzano, F.E., Ruiz-Ferrer, V., Barcala, M., Ishida, T., García, A., Andrés, M.F., Ruiz-Lara, S., Verdugo, I., Pernas, M., Fukaki, H., del Pozo, J.C., Moreno-Risueno, M.Á., Kyndt, T., Gheysen, G., Fenoll, C., Sawa, S., Escobar, C. 2020. Root-knot nematodes induce gall formation by recruiting developmental pathways of post-embryonic organogenesis and regeneration to promote transient pluripotency. New Phytologist 227, 200–215. DOI: 10.1111/nph.16521

Olmo, R., Cabrera, J., Moreno-Risueno, M.A., Fukaki, H., Fenoll, C., Escobar, C. 2017. Molecular Transducers from Roots Are Triggered in Arabidopsis Leaves by Root-Knot Nematodes for Successful Feeding Site Formation: A Conserved Post-Embryogenic De novo Organogenesis Program?. Frontiers in Plant Science 8. DOI: 10.3389/fpls.2017.00875

Cabrera, J., Barcala, M., García, A., Rio-Machín, A., Medina, C., Jaubert-Possamai, S., Favery, B., Maizel, A., Ruiz-Ferrer, V., Fenoll, C., Escobar, C. 2016. Differentially expressed small RNAs in Arabidopsis galls formed by Meloidogyne javanica: a functional role for miR390 and its TAS3-derived tasiRNAs. New Phytologist 209, 1625–1640. DOI: 10.1111/nph.13735

Cabrera, J., Díaz-Manzano, F.E., Sanchez, M., Rosso, M.-N., Melillo, T., Goh, T., Fukaki, H., Cabello, S., Hofmann, J., Fenoll, C., Escobar, C. 2014. A role for LATERAL ORGAN BOUNDARIES-DOMAIN 16 during the interaction Arabidopsis–Meloidogyne spp. provides a molecular link between lateral root and root-knot nematode feeding site development. New Phytologist 203, 632–645. DOI: 10.1111/nph.12826