PERCEPCIÓN Y ADAPTACIÓN DE LAS SEMILLAS A LAS FLUCTUACIONES AMBIENTALES: CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Y MECANISMOS AUTOFÁGICOS

Investigador Principal: Raquel Iglesias Fernández - Profesor/a Titular de Universidad
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. 910679166 / 910679131 ( Lab 132 )

 

Personal:

 

Las semillas representan el propágulo elegido por las plantas Espermatófitas para la dispersión y la propagación de su estirpe. La adquisición de la tolerancia a la desecación durante la maduración y el control de la germinación mediante la dormición son importantes estrategias adaptativas que han contribuido a que las Espermatófitas sean uno de los seres más evolucionados del reino vegetal. Desde un punto de vista agrícola, las semillas son el cultivo más importante del mundo, y constituyen el alimento básico para los seres humanos y para los animales domésticos.


Una germinación irregular e incompleta de una población de semillas es incompatible con la agricultura moderna. En el campo un bajo rendimiento de la germinación se ve agravado por las fluctuaciones ambientales. El término "vigor de la semilla" hace referencia a la capacidad de la semilla para germinar en una amplia gama de condiciones ambientales, y representa un punto clave en la seguridad alimentaria, especialmente en este período de rápido cambio climático. A pesar de la importancia central del vigor germinativo, nuestra comprensión molecular de este proceso y de cómo se regula sigue siendo rudimentaria.


En nuestro grupo de investigación abordamos el estudio del vigor germinativo desde dos perspectivas:

  • Mecanismos relacionados con la expresión génica: Estudiamos el control transcripcional de genes relacionados con el debilitamiento de las paredes celulares (ej.: endo- β-mananasas) y su influencia en la germinación. De igual forma, abordamos cambios transcripcionales globales asociados a diferentes estadios del desarrollo de la semilla (maduración y germinación) en respuesta a cambios ambientales (ej: Tª, salinidad, sequía). Estos estudios los realizamos en especies modelo (Arabidopsis thaliana y Brachypodium distachyon) y en cultivos (Chenopodium quinoa, Hordeum vulgare y Brassica rapa). El fin último de estos trabajos es establecer marcadores moleculares asociados al vigor germinativo.


 



(Imágenes: Iglesias-Fernández et al. 2018. Frontiers in Plant Science. 10, pp.1706)

 

 

  • La autofagia en la semilla: La autofagia es proceso catabólico implicado en la degradación específica de proteínas en respuesta a diversos estímulos, aunque su función en la semilla es, hasta cierto punto, desconocida. En nuestro grupo, abordamos el estudio de los mecanismos autofágicos en (i) la acumulación de proteínas de almacenamiento durante la maduración de las semillas y (ii) la movilización de reservas y la degradación selectiva de proteínas durante la imbibición de las semillas en respuesta a camios ambientales (Tª, salinidad, sequía). Para ello, utilizamos acercamientos fisiológicos, genéticos, inmunohistoquímicos y transcriptómicos.

 

 

Figure 3: (A) Schematic representation of possible autophagy-like mechanisms in seeds. The Golgi-dependent pathway participates in the transport of DV, MVD, and PVC vesicles to the vacuole in a microautophagy-like mechanism during seed maturation. However, PAC and KDEL vesicles move from ER to PSV through the Golgi-independent route (also a microautophagy-like process). During seed imbibition, macroautophagy controls the expression of seed-specific transcription factors (ABI3, ABI4, and ABI5; ABA signalling) by a selective degradation mediated by ATG8 and a selective receptor (NBR1). Under unfavourable conditions, autophagy selective degradation ceases, thus inhibiting seed germination. DV: Dense Vesicle, MVB: Multivesicular Vesicle Body; PAC: Pre-Accumulating Vesicle, PSV: Protein Storage Vacuole; PVC: Pre-Vacuolar Compartment. Picture created with BioRender.com (https://biorender.com/). (B) Summary of the role of certain autophagic factors during seed development. Images illustrate a dicotyledonous seed from the globular stage during embryogenesis to germination. Sections are stained with naphthol blue-black (proteins in blue) and periodic acid plus Schiff´s reagent (insoluble polysaccharides in pink; R.I-F. contribution). ABA, GAs, and reserve levels are shown throughout seed development. ATG factors described as relevant in several aspects of seed development are indicated. C: Cotyledon; E: Embryo; R: Radicle.


(Imagen: Iglesias-Fernández and Vicente-Carbajosa, 2022, Pants, 11. pp. 3247)


Financiación

  • Deciphering autophagy in the barley grain by genome editing tools (ref.: EoICSPINT01-DECAPH)”. CBGP-CEPLAS International Collaborative Scientific Program (CSPINT). (2023-2026).


          

 

  • Quinoa as a climate-smart crop diversification option for higher income generation from marginal lands in the Mediterranean (Quinoa4Med). PRIMA-EU program 2021 (Section 2) y Proyecto de Colaboración Internacional (ref.: PCI2022-132988).


                



  • “La quínoa como una nueva alternativa para el éxito en condiciones agrícolas marginales” (01/01/2020- 31/12/2021). Universidad Politécnica de Madrid-Banco Santander. Trabajo de Fin de Grado (TFG, Grado en Biotecnología) titulado "Estudio fisiológico y molecular de la tolerancia a salinidad en semillas de Chenopodium quinoa” presentado por Lucía Martín Fernández: 1er Premio-UPM de los "III Premios Fin de Grado y Fin de Master para el Desarrollo para la Contribución al Cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS)" otorgados por el Vicerrectorado de Internacionalización (UPM). Enlace al premio y Enlace TFG

     

 

  • “Ingeniería de la pared celular en la planta modelo de cereales (Brachypodium distachyon) y en cebada (Hordeum vulgare)” -(INGE-CEREAL; Ref.: APOYO-JOVENES-MTOKUE-25-MKITFX). (01/03/2020- 31/03/2022). Comunidad de Madrid y Universidad Politécnica de Madrid.


     

 

  • “Estrés del retículo endoplásmico en plantas: nuevos componentes y aplicaciones biotecnológicas” (BIO2017-82873-R). (01/01/2018-31/12/2020). Ministerio de Ecomomía y Competitividad. (PI: Jesús Vicente Carbajosa; co-PI: Raquel Iglesias Fernández)


 

  • “Convocatoria de ayudas para la contratación de investigadores predoctorales e investigadores postdoctorales cofinanciadas por Fondo Social Europeo a través del Programa Operativo de Empleo Juvenil y la Iniciativa de Empleo Juvenil (YEI) 2018 de la Comunidad de Madrid” (PEJD-2018-PRE/BIO-8505). Comunidad de Madrid (01/02/2019-31/01/2020).


 

  • Development of epigenetic markers related to seed germination – (EPI-SEED: Ref.: VJIDOCUPM18ECB). (01/01/2018- 31/12/2019). UPM. Co-IPs: R. Iglesias-Fernández y E. Caro


 

 


Representative Publications

Contreras, E., Martín-Fernández, L., Manaa, A., Vicente-Carbajosa, J., Iglesias-Fernández, R. 2023. Identification of Reference Genes for Precise Expression Analysis during Germination in Chenopodium quinoa Seeds under Salt Stress. International Journal of Molecular Sciences 24, 15878. DOI: 10.3390/ijms242115878

Iglesias-Fernández, R., Vicente-Carbajosa, J. 2022. A View into Seed Autophagy: From Development to Environmental Responses. Plants 11, 3247. DOI: 10.3390/plants11233247

Iglesias-Fernández, R., Pastor-Mora, E., Vicente-Carbajosa, J., Carbonero, P. 2020. A Possible Role of the Aleurone Expressed Gene HvMAN1 in the Hydrolysis of the Cell Wall Mannans of the Starchy Endosperm in Germinating Hordeum vulgare L. Seeds. Frontiers in Plant Science 10, 1706. DOI: 10.3389/fpls.2019.01706

Katsuya-Gaviria, K., Caro, E., Carrillo-Barral, N., Iglesias-Fernández, R. 2020. Reactive Oxygen Species (ROS) and Nucleic Acid Modifications During Seed Dormancy. Plants 9, 679. DOI: 10.3390/plants9060679

Carrillo-Barral, N., Matilla, A.J., Rodríguez-Gacio, M. del C., Iglesias-Fernández, R. 2018. Mannans and endo-β-mannanase transcripts are located in different seed compartments during Brassicaceae germination. Planta 247, 649–661. DOI: 10.1007/s00425-017-2815-4

Carbonero, P., Iglesias-Fernández, R., Vicente-Carbajosa, J. 2017. The AFL subfamily of B3 transcription factors: evolution and function in angiosperm seeds. Journal of Experimental Botany 68, 871–880. DOI: 10.1093/jxb/erw458

Willing, E.-M., Rawat, V., Mandáková, T., Maumus, F., James, G.V., Nordström, K.J.V., Becker, C., Warthmann, N., Chica, C., Szarzynska, B., Zytnicki, M., Albani, M.C., Kiefer, C., Bergonzi, S., Castaings, L., Mateos, J.L., Berns, M.C., Bujdoso, N., Piofczyk, T., de Lorenzo, L., Barrero-Sicilia, C., Mateos, I., Piednoël, M., Hagmann, J., Chen-Min-Tao, R., Iglesias-Fernández, R., Schuster, S.C., Alonso-Blanco, C., Roudier, F., Carbonero, P., Paz-Ares, J., Davis, S.J., Pecinka, A., Quesneville, H., Colot, V., Lysak, M.A., Weigel, D., Coupland, G., Schneeberger, K. 2015. Genome expansion of Arabis alpina linked with retrotransposition and reduced symmetric DNA methylation. Nature Plants 1, 1–7. DOI: 10.1038/nplants.2014.23

González-Calle, V., Barrero-Sicilia, C., Carbonero, P., Iglesias-Fernández, R. 2015. Mannans and endo-β-mannanases (MAN) in Brachypodium distachyon: expression profiling and possible role of the BdMAN genes during coleorhiza-limited seed germination. Journal of Experimental Botany 66, 3753–3764. DOI: 10.1093/jxb/erv168

Iglesias-Fernández, R., Barrero-Sicilia, C., Carrillo-Barral, N., Oñate-Sánchez, L., Carbonero, P. 2013. Arabidopsis thaliana bZIP44: a transcription factor affecting seed germination and expression of the mannanase-encoding gene AtMAN7. The Plant Journal 74, 767–780. DOI: 10.1111/tpj.12162

Rodríguez-Gacio, M. del C., Iglesias-Fernández, R., Carbonero, P., Matilla, Á.J. 2012. Softening-up mannan-rich cell walls. Journal of Experimental Botany 63, 3976–3988. DOI: 10.1093/jxb/ers096

Iglesias-Fernández, R., Rodríguez-Gacio, M.C., Barrero-Sicilia, C., Carbonero, P., Matilla, A. 2011. Three endo-β-mannanase genes expressed in the micropylar endosperm and in the radicle influence germination of Arabidopsis thaliana seeds. Planta 233, 25–36. DOI: 10.1007/s00425-010-1257-z

Iglesias-Fernández, R., Matilla, A.J. 2010. Genes involved in ethylene and gibberellins metabolism are required for endosperm-limited germination of Sisymbrium officinale L. seeds. Planta 231, 653–664. DOI: 10.1007/s00425-009-1073-5

Iglesias-Fernández, R., Matilla, A. 2009. After-ripening alters the gene expression pattern of oxidases involved in the ethylene and gibberellin pathways during early imbibition of Sisymbrium officinale L. seeds. Journal of Experimental Botany 60, 1645–1661. DOI: 10.1093/jxb/erp029