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Bolet%C3%ADn-63-Julio-2016 Bolet%C3%ADn-63-Julio-2016

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03.08.2016 Views

Grupo de Bioquímica y Biotecnología Vegetal Victoriano Valpuesta Miguel Ángel Botella Departamento de Biología Molecular y Bioquímica Universidad de Málaga El cultivo de la fresa y sus prioridades en I+D La f resa cultiv ada (Fragaria ananassa) es un híbrido octoploide cuya historia como especie se inició en el siglo XVIII en Francia como resultado del cruce accidental de otras dos especies octoploides, Fragaria chiloensis, de gran tamaño de fruto y Fragaria virginiana, de delicado sabor. Posteriores procesos de mejora han producido un elev ado número de variedades, altamente heterozigóticas, que se han adaptado a ambientes muy diversos. Además de sus cualidades estéticas y v alor nutricional, el fruto es apreciado por su sabor, aroma y contenido de compuestos antioxidantes. El cultiv o de la f resa es importante dentro del grupo de las pequeñas bayas, llegando la producción mundial hasta 5M de Tm. España cuenta con una producción media de 320,000 Tm, siendo la principal abastecedora de la Union Europea durante los primeros meses del año. El 90% de la producción prov iene de la provincia de Huelva, con una superf icie de cultivo que oscila entre 6.000 y 7.000 hectáreas. Durante años, las variedades cultivadas en Huelv a han prov enido de los programas de mejora de las Univ ersidades americanas de Dav is y Florida. Sin embargo, en los años 90s se iniciaron programas de mejora en España, tanto en centro públicos como centros privados, que han conseguido poner en el mercado nuev as v ariedades que tiene una cuota importante de mercado entre los agricultores esta prov incia. Con uno de estos grupos, el del IFAPA (Churriana, Junta de Andalucía (José F. Sánchez Sev illa e Iraida Amaya) hemos mantenido una colaboración estrecha, aspecto que consideramos esencial para la orientación biotecnológica de nuestros estudios moleculares. Como en la may oría de los programas de mejora de las especies agrícolas la producción y la defensa frente a patógenos han sido objetiv os prioritarios. Como en muchos otros frutos, el color, la f orma y el tamaño así como la extensión de la v ida postcosecha han sido dianas importantes para los grupos de mejora. Adicionalmente, por las características propias de la fresa, la mejora se ha centrado en aspectos de calidad de frutos tales como el contenido de compuestos saludables y la calidad organoléptica. Un salto cualitativ o en los programas de mejora lo proporciona la disponibilidad de inf ormación genética y molecular de la especie. En el caso de la fresa el conocimiento sobre ambos aspectos ha ido muy retrasado en relación a otras especies agrícolas. Así, no fue hasta 1994 cuando se hicieron los primeros estudios de cambios de expresión asociados a la maduración delf ruto (Manning, 1994) y solo en 2003 se dispuso de un primer mapa de ligamientos (Lerceteau-Köhler et al., 2003). En este contexto se inició la actividad del grupo en el campo de la maduración de los frutos de f resa. Con anterioridad, lo había hecho en el metabolismo del nitrógeno en plantas superiores (Botella et al., 1988) y en la respuesta de las plantas a condiciones de estrés osmótico (Botella et al., 1994). Miembros del grupo. David Posé, Victoriano Valpuesta, Miguel A. Botella, Sonia Osorio Aportaciones del grupo La regulación del proceso El f ruto de fresa tiene dos características particulares que dif icultaba la aplicación directa del conocimiento que se obtenía de una especie modelo en maduración de f ruto carnoso como es el tomate. El primero es que en realidad es un falso fruto, cuy a parte carnosa no es más que un receptáculo f loral engrosado y los v erdaderos frutos, los aquenios, se encuentran distribuidos sobre la superficie y conectados por el sistema vascular al cilindro central. La segunda característica es que se trata de un f ruto no climatérico, es decir, la hormona etileno no desempeña una f unción esencial en el inicio y desarrollo del proceso de maduración. Desde los años 1950s se sabía que la auxina participaba en el control de la maduración del f ruto. En la actualidad se sabe que la situación es más compleja, donde se sabe que el etileno, la auxina, las giberelinas, los ácidos abscísico y jasmónico participan de alguna f orma en la regulación del desarrollo y maduración del f ruto de f resa, con múltiples conexiones de sus cascadas de señalización. 36

Figura 1. Esquema si mplificado de la acción hor monal en el desarrollo del receptáculo del fr uto de fresa La generación de líneas transgénicas expresando el mutante del receptor del etileno de Arabidopsis, etr1- 1, que se comporta como dominante negativo, genera plantas con sensibilidad disminuida al etileno, lo que es una herramienta muy útil para delimitar la función de esta hormona (Figura 1). Aunque no climatérico, sin embargo se sabe que el etileno tiene una acción diferencial en el receptáculo y los aquenios y participa en algunos de los procesos asociados a la maduración, concretamente la biosíntesis de flav onoides y compuestos volátiles, así como en el metabolismo de pectinas (Merchante et al., 2013). Al igual que el etileno, nuestros estudios han conf irmado la participación de la auxina en el desarrollo del receptáculo durante la etapa de maduración (Figura 1). Las medidas de auxina, la expresión de GUS en líneas transgénicas transf ormadas con la construcción DR5-GUS, y el estudios masivos del transcriptoma usando RNAseq durante la maduración del fruto soportan esta participación. Así, el contenido de auxina es alto en el receptáculo maduro, donde además se expresa GUS en el receptáculo de los frutos transgénicos DR5-GUS, donde la expresión es alta tanto para el receptor de auxina TIR1, como de algunos miembros de la familia de represores Aux/IAA y de los f actores de transcripción de respuesta a auxina ARF (Figura 1). La interacción auxina-etileno es compleja y en ambas direcciones, estando bien establecida en dif erentes tipos celulares y asociada a procesos, tanto de desarrollo como de respuesta al medio. En el receptáculo de fresa ambas hormonas participan la f ase de maduración, estando aún por diseccionar su interacción. En el cuajado de f rutos de tomate se sabe que es esencial la concurrencia de las hormonas auxina y giberelina. En el fruto de f resa, su desarrollo partenocárpico es también es dependiente de la aplicación de ambas hormonas. Nuestro grupo ha mostrado que además de la auxina, las giberelinas son esenciales en el desarrollo del receptáculo de f resa (Csukasi et al., 2011). Similar a la auxina, la participación de esta hormona se limita temporalmente, en el caso de esta hormona al periodo de transición de f ruto verde a fruto maduro. El conjunto de resultados se extiende desde la determinación de los valores endógenos de las giberelinas hasta pruebas f uncionales con silenciamiento transitorio de un factor de transcripción, FaGAMYB, que está al final de la cascada de señalización (Csukasi et al., 2012). Tres aspectos de la acción de las giberelinas son dignos de destacar pues ayudan a tener una v isión global del proceso de maduración del receptáculo (Figura 1). El primero es su conexión con la auxina, pues de alguna f orma af ecta la síntesis de giberelinas activ as. La segunda es la participación del miRNA159 en la señalización, y que tiene como diana un f actor de transcripción, GAMYB, no asociado prev iamente a la maduración de los frutos. El silenciamiento transitorio de este FaGAMYB tiene como efecto una disminución del contenido de ácido abscísico, hormona que se había probado recientemente como esencial en la f ase f inal de la maduración del receptáculo (Vallarino et al., 2015). Este aspecto es importante pues completa los primeros trazos, aún gruesos, de la interacción hormonal en este proceso de desarrollo. La pared y la defensa Las pectinas de la lámina media están siendo modif icadas y remodeladas continuamente durante el desarrollo y son determinantes para la f irmeza y textura del fruto de fresa. La despolimerización y disolución durante la maduración del f ruto se ha asociado a la cortav ida postcosecha de los frutos de fresa. Por este motiv o, los primeros estudios moleculares sobre la maduración de la fresa se centraron en las enzimas responsables de este proceso. Una de estas enzimas, la pectín metil esterasa (PE), es la responsable de la metilación/desmetilación de los residuos de D- galacturonato componentes del polímero. De la f amilia multigénica de f resa hemos identif icado un miembro que se expresa f undamentalmente en frutos, FaPE1. En su estudio deben destacarse dos aspectos. El primero es la utilización de la especie modelo Fragaria v esca para hacer pruebas f uncionales. La may or ef iciencia de su transf ormación y regeneración y los periodos más cortos de su ciclo vital acortan signif icativamente los tiempos y facilitan esta estrategia, por otra parte esencial en una especie con limitados y pobremente caracterizados recursos genéticos. Molecularmente el estudio de FaPE1 aportó la participación de la 37

Figura 1. Esquema si mplificado de la acción hor monal en<br />

el desarrollo del receptáculo del fr uto de fresa<br />

La generación de líneas transgénicas expresando el<br />

mutante del receptor del etileno de Arabidopsis, etr1-<br />

1, que se comporta como dominante negativo,<br />

genera plantas con sensibilidad disminuida al<br />

etileno, lo que es una herramienta muy útil para<br />

delimitar la función de esta hormona (Figura 1).<br />

Aunque no climatérico, sin embargo se sabe que el<br />

etileno tiene una acción diferencial en el receptáculo<br />

y los aquenios y participa en algunos de los<br />

procesos asociados a la maduración, concretamente<br />

la biosíntesis de flav onoides y compuestos volátiles,<br />

así como en el metabolismo de pectinas (Merchante<br />

et al., 2013).<br />

Al igual que el etileno, nuestros estudios han<br />

conf irmado la participación de la auxina en el<br />

desarrollo del receptáculo durante la etapa de<br />

maduración (Figura 1). Las medidas de auxina, la<br />

expresión de GUS en líneas transgénicas<br />

transf ormadas con la construcción DR5-GUS, y el<br />

estudios masivos del transcriptoma usando RNAseq<br />

durante la maduración del fruto soportan esta<br />

participación. Así, el contenido de auxina es alto en<br />

el receptáculo maduro, donde además se expresa<br />

GUS en el receptáculo de los frutos transgénicos<br />

DR5-GUS, donde la expresión es alta tanto para el<br />

receptor de auxina TIR1, como de algunos<br />

miembros de la familia de represores Aux/IAA y de<br />

los f actores de transcripción de respuesta a auxina<br />

ARF (Figura 1).<br />

La interacción auxina-etileno es compleja y en<br />

ambas direcciones, estando bien establecida en<br />

dif erentes tipos celulares y asociada a procesos,<br />

tanto de desarrollo como de respuesta al medio. En<br />

el receptáculo de fresa ambas hormonas participan<br />

la f ase de maduración, estando aún por diseccionar<br />

su interacción.<br />

En el cuajado de f rutos de tomate se sabe<br />

que es esencial la concurrencia de las hormonas<br />

auxina y giberelina. En el fruto de f resa, su<br />

desarrollo partenocárpico es también es<br />

dependiente de la aplicación de ambas hormonas.<br />

Nuestro grupo ha mostrado que además de la<br />

auxina, las giberelinas son esenciales en el<br />

desarrollo del receptáculo de f resa (Csukasi et al.,<br />

2011). Similar a la auxina, la participación de esta<br />

hormona se limita temporalmente, en el caso de esta<br />

hormona al periodo de transición de f ruto verde a<br />

fruto maduro. El conjunto de resultados se extiende<br />

desde la determinación de los valores endógenos de<br />

las giberelinas hasta pruebas f uncionales con<br />

silenciamiento transitorio de un factor de<br />

transcripción, FaGAMYB, que está al final de la<br />

cascada de señalización (Csukasi et al., 2012). Tres<br />

aspectos de la acción de las giberelinas son dignos<br />

de destacar pues ayudan a tener una v isión global<br />

del proceso de maduración del receptáculo (Figura<br />

1). El primero es su conexión con la auxina, pues de<br />

alguna f orma af ecta la síntesis de giberelinas<br />

activ as. La segunda es la participación del<br />

miRNA159 en la señalización, y que tiene como<br />

diana un f actor de transcripción, GAMYB, no<br />

asociado prev iamente a la maduración de los frutos.<br />

El silenciamiento transitorio de este FaGAMYB tiene<br />

como efecto una disminución del contenido de ácido<br />

abscísico, hormona que se había probado<br />

recientemente como esencial en la f ase f inal de la<br />

maduración del receptáculo (Vallarino et al., 2015).<br />

Este aspecto es importante pues completa los<br />

primeros trazos, aún gruesos, de la interacción<br />

hormonal en este proceso de desarrollo.<br />

La pared y la defensa<br />

Las pectinas de la lámina media están siendo<br />

modif icadas y remodeladas continuamente durante<br />

el desarrollo y son determinantes para la f irmeza y<br />

textura del fruto de fresa. La despolimerización y<br />

disolución durante la maduración del f ruto se ha<br />

asociado a la cortav ida postcosecha de los frutos de<br />

fresa. Por este motiv o, los primeros estudios<br />

moleculares sobre la maduración de la fresa se<br />

centraron en las enzimas responsables de este<br />

proceso. Una de estas enzimas, la pectín metil<br />

esterasa (PE), es la responsable de la<br />

metilación/desmetilación de los residuos de D-<br />

galacturonato componentes del polímero. De la<br />

f amilia multigénica de f resa hemos identif icado un<br />

miembro que se expresa f undamentalmente en<br />

frutos, FaPE1. En su estudio deben destacarse dos<br />

aspectos. El primero es la utilización de la especie<br />

modelo Fragaria v esca para hacer pruebas<br />

f uncionales. La may or ef iciencia de su<br />

transf ormación y regeneración y los periodos más<br />

cortos de su ciclo vital acortan signif icativamente los<br />

tiempos y facilitan esta estrategia, por otra parte<br />

esencial en una especie con limitados y pobremente<br />

caracterizados recursos genéticos. Molecularmente<br />

el estudio de FaPE1 aportó la participación de la<br />

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