ESTUDIO DEL DESARROLLO DEL SISTEMA RADICULAR Y SU ADAPTACIÓN AL SUELO Y CONDICIONES AMBIENTALES

Responsable: Mónica Pernas Ochoa - Científico/a Titular CSIC-INIA
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Personal:


Uno de los desafíos clave que los investigadores de plantas tienen que abordar es como mejorar y mantener la producción de los cultivos en un planeta que sufre un aumento de la inestabilidad climática. El sistema radicular es el órgano responsable de la captación de agua y nutrientes que son los factores más limitantes en los suelos agrícolas. Además, las raíces son la primera línea de respuesta frente a distintos estreses ambientales como la sequía, inundaciones, calor y carencias nutricionales. El desarrollo de un sistema radicular eficiente mejor adaptado a las diferentes condiciones ambientales y del suelo es crucial para la supervivencia de las plantas. Un mejor entendimiento de los factores genéticos y moleculares que regulan este proceso permitirá diseñar cultivos con mayor productividad y adaptación a las condiciones climáticas actuales. En este contexto, nuestro grupo de investigación está centrado en descubrir los mecanismos que regulan la respuesta de las raíces a estas condiciones ambientales, y en particular al incremento de temperatura. Así, nuestro programa de investigación comprende dos aspectos básicos: i) el análisis de caracteres del desarrollo radicular asociados a la adaptación de las plantas a condiciones ambientales extremas en la familia Brassicaceae con especial atención a las especies cultivadas, principalmente Brassica napus, colza y ii) el estudio de la adaptación de las raíces al suelo a lo largo de la evolución de las plantas. El fin último de nuestro laboratorio es ayudar a la agricultura en la evaluación y prevención de las consecuencias de las condiciones adversas ambientales producidas por el cambio climático en el crecimiento de las plantas y en el desarrollo de cultivos mejor adaptados para enfrentarse al este desafío.


 

Se espera que las condiciones climáticas extremas como la sequía, inundaciones y aumento de las temperaturas sean aún más frecuentes en un futuro muy cercano. La agricultura europea necesitará de cultivos que sean capaces de afrontar estas condiciones climáticas cambiantes sin reducir su productividad. La estabilidad del rendimiento de los cultivos depende de la respuesta de procesos del desarrollo clave, como el desarrollo radicular, a condiciones ambientales extremos. Nuestra investigación pretende avanzar el conocimiento de los mecanismos que subyacen a la integración de los procesos de crecimiento y desarrollo de las plantas para responder a estas condiciones ambientales cambiantes. Esta compresión es la base con la que se podrán obtener cultivos más eficientes y contribuir a la generación de nuevas variedades mejor adaptadas. La investigación de nuestro grupo está centrada en encontrar nuevos caracteres radiculares asociados a la adaptación de las plantas al cambio climático y en descubrir los factores genéticos y moleculares que regulan el desarrollo de las raíces en respuesta a distintos suelos y condiciones ambientales. En particular, nuestra investigación se centra en dos aspectos:


Nuestro grupo de investigación está centrado en descubrir los mecanismos que regulan la respuesta de las raíces a condiciones ambientales extremas y en particular al incremento de temperatura. Modificado de Calleja-Cabrera J, et al. 2020.

 

Análisis de caracteres radiculares asociados a la adaptación de las plantas al cambio climático en la familia Brassicaceae

Los agricultores europeos se están enfrentando al desafío de asegurar la productividad de sus cultivos en las condiciones ambientales cambiantes producidas por el cambio climático mediante la adaptación de sus prácticas agrarias y la selección de las variedades más adecuadas a estas condiciones. Uno de los cultivos de oleaginosas más importantes en el mundo es Brassica napus, colza. El cultivo de colza es uno de las fuentes de aceite para consumo humano y producción de biofueles más importante del mundo, y en particular en Europa es utilizado como dieta proteica para consumo animal. Las plantas son muy sensibles a pequeñas diferencias a temperatura y ajustan su crecimiento y desarrollo de acuerdo a ellas. Aunque se ha realizado un gran progreso en la mejora de la tolerancia de los cultivos a condiciones ambientales extremas, la mayoría de los progresos se han centrado en la parte aérea. Las raíces son esenciales para la adaptación y productividad de los cultivos, pero han sido poco estudiadas debido la dificultad de su observación a lo largo del ciclo de vida de los cultivos. Nuestro grupo está estudiando el impacto que una elevación prolongada de temperatura similar a las que se están produciendo por el cambio climático, tiene en el desarrollo radicular usando un panel de distintos genotipos de colza.


Diferencias en la organización del sistema radicular de tres variedades de primavera de colza en respuesta al incremento de temperatura.

 

Usando una combinación de herramientas genéticas, moleculares y genómicas, estamos analizando el efecto de la temperatura en distintos caracteres radiculares y los mecanismos que subyacen a esta respuesta. Nuestro objetivo es entender como las plantas de colza integran los procesos de crecimiento y desarrollo para responder a este estrés. Este entendimiento nos permitirá establecer las bases para desarrollar cultivos más eficientes y así contribuir a la mejora de estas variedades.


Imágenes de confocal de raíces teñidas con mPS-Pi mostrando las diferencias en la estructura celular entre una raíz crecida a alta temperatura y una raíz crecida a temperatura normal.

 

 

Estudio de la adaptación de las raíces al suelo a lo largo de la evolución de las plantas

La respuesta al desafío que plantea el cambio climático para la seguridad alimentaria está ligado al uso de la diversidad de las plantas. Las raíces son la interfase entre el suelo y las plantas. Su principal función es extraer del él, el agua y los nutrientes que las plantas requieren para crecer y asegurar su reproducción. Las plantas han desarrollado una amplia gama de estrategias bajo tierra para poder responder a los cambios en la abundancia de estos elementos producidos por los cambios en las condiciones ambientales. Estas respuestas incluyen cambios en caracteres de la arquitectura radicular (profundidad de la raíz y longitud; densidad, número y longitud de las raíces laterales, ángulo de las raíces) que determina la configuración espacial del sistema radicular, así como caracteres morfológicos (diámetro de la raíces, número y longitud de los pelos radiculares). El análisis de esta respuesta de las raíces en variedades locales o poblaciones naturales de cultivos que estén adaptados a condiciones ambientales especificas difíciles nos permitirá encontrar nuevas herramientas genéticas necesarias para mejorar la eficiencia de los cultivos a la variabilidad climática que estamos sufriendo. Para ello, vamos a analizar la diversidad de caracteres radiculares de dos especies vegetales de gran importancia económica pertenecientes a las Brassicas, B. oleracea y B. rapa, nativas de la cuenca Mediterránea. Llevaremos a cabo análisis fenotípicos detallados de la arquitectura radicular de poblaciones naturales de esas dos especies a lo largo de un amplio rango de condiciones ambientales que imiten las condiciones extremas donde esas poblaciones se desarrollan. Posteriormente, determinaremos las bases genéticas de esos caracteres que subyacen esa adaptación radicular. Nuestros análisis contribuirán a entender como las raíces son capaces de adaptarse a las condiciones climáticas y del suelo y como esta adaptación ha sido adquirida a lo largo de la evolución de las plantas. En resumen, nuestros estudios ayudaran a confrontar dos asuntos globales que afectan a nuestra sociedad, la seguridad alimentaria y el impacto del cambio en las condiciones ambientales en la diversidad de las plantas.


Diferencias en biomasa radicular en un panel de variedades de invierno de colza.

 

Proyectos:

  1. 2012–2015. Marie Curie CIG (Research European Commision). PCIG10-GA-2011-303831. BRASSTEMCellEVO: Development and evolution of tissue complexity in plants: The Brassicaceae stem cell development.
  2. 2014–2017. FP7. FACCE-JPI-ERA-NET+CLIMATE SMART AGRICULTURE. Project coordinator: M Pernas. Securing yield stability of Brassica crops in changing climate conditions (SYBRACLIM).
  3. 2014–2017. Programa Estatal I+D+I, Retos Investigación (Ministry of Economy and Competiveness, MINECO). BIO2013-43098-R. Co-Pis: J.A. Jarillo and M. Piñeiro (M. Pernas, Researcher partner). BrassiCHROM: Chromatin-mediated regulation of developmental traits affecting crop yield in Brassicaceae.
  4. 2016-2019. Programa Estatal I+D+I, Retos Investigación (Ministry of Economy and Competiveness, MINECO). BIO2016-77559-R. Co-Pis: J.A. Jarillo and M. Piñeiro (M. Pernas, Researcher partner). CHROMYIELD: Caracteres de desarrollo regulados por cromatina con influencia en el rendimiento de cultivos.
  5. Wide exploration of genetic diversity in Brassica species for sustainable crop production. BrasExplor. Funding program: PRIMA call 2019 Section 2. PI: Manuel Piñeiro. 01/09/20 - 31/08/23.
  6. Acetilación de la variante histónica H2A.Z: un nuevo símbolo en el código epigenético de plantas. AcEPICODE (PID2019-104899GB-I00). Funding program: MICIN Plan Estatal I+D+I, Generación de Conocimiento. PI: Jose A. Jarillo Quiroga & Manuel Piñeiro. 01/06/20 - 31/05/23.


Publicaciones

Boter, M., Pozas, J., Jarillo, J.A., Piñeiro, M., Pernas, M. 2023. Brassica napus Roots Use Different Strategies to Respond to Warm Temperatures. International Journal of Molecular Sciences 24,1143. DOI: 10.3390/ijms24021143

Abelenda, J.A., Trabanco, N., Olmo, I. del, Pozas, J., Martín-Trillo, M. del M., Gómez-Garrido, J., Esteve-Codina, A., Pernas, M., Jarillo, J.A., Piñeiro, M. 2022. High ambient temperature impacts on flowering time in Brassica napus through both H2A.Z-dependent and independent mechanisms. Plant, Cell & Environment. DOI: 10.1111/pce.14526

Sánchez-Bermúdez, M., del Pozo, J.C., Pernas, M. 2022. Effects of Combined Abiotic Stresses Related to Climate Change on Root Growth in Crops. Frontiers in Plant Science 13. DOI: 10.3389/fpls.2022.918537

Calleja-Cabrera, J., Boter, M., Oñate-Sánchez, L., Pernas, M. 2020. Root Growth Adaptation to Climate Change in Crops. Frontiers in Plant Science 11, 544. DOI: 10.3389/fpls.2020.00544

Carrera-Castaño, G., Calleja-Cabrera, J., Pernas, M., Gómez, L., Oñate-Sánchez, L. 2020. An Updated Overview on the Regulation of Seed Germination. Plants 9, 703. DOI: 10.3390/plants9060703

Boter, M., Calleja-Cabrera, J., Carrera-Castaño, G., Wagner, G., Hatzig, S.V., Snowdon, R.J., Legoahec, L., Bianchetti, G., Bouchereau, A., Nesi, N., Pernas, M., Oñate-Sánchez, L. 2019. An Integrative Approach to Analyze Seed Germination in Brassica napus. Frontiers in Plant Science 10. DOI: 10.3389/fpls.2019.01342

Martinka M, Dolan L, Pernas M, Abe J, and Lux A.2012. Endodermal cell-to-cell contact is required for the spatial control of Casparian band development in Arabidopsis thaliana. Annals of Botany, May, 1-11.