Manipulación de la ruta metabólica de poliaminas en Arabidopsis: Implicacionesen el desarrollo y las respuestas a estrés

A. F. Tiburcio

Estructura química de las PAs

Putrescina

Espermidina

Espermina

Función de las PAs en plantas

Desarrollo vegetal Respuestas a estrés

División

Diferenciación

Morfogénesis

Senescencia

Abiótico

Biótico

Mecanismos moleculares desconocidos

Ruta biosintética de las PAs

Put

Spd

NCP

Arginina

Agmatina

Ornitina

ADC ODC

SPDS

SAMdc

Spm

SPMS

SAMSAMDC

CPAAIH

Arabidopsis thaliana

Ruta biosintética de las PAsArabidopsis thaliana

Arginina

ADC1ADC2

Put

Spd

NCPAgmatina

Spm

SPDS1SPDS2

SPMSACL5

SAMdcSAMSAMDC1SAMDC2SAMDC3

CPAAIH

Manipulación genética de la rutaArabidopsis thaliana

ADC1ADC2

Put

Spd

NCP

Arginina

Agmatina

Spm

SPDS1SPDS2

SPMSACL5

SAMdcSAMSAMDC1SAMDC2SAMDC3

CPAAIH

Manipulación genética de la rutaArabidopsis thaliana

ADC1ADC2

Put

Spd

NCP

Arginina

Agmatina

Spm

SPDS1SPDS2

SPMSACL5

SAMdcSAMSAMDC1SAMDC2SAMDC3

CPAAIH

Sobre-expresión de ADC2

2x35s CaMV ADC2 pA

1 2 3 4 5 6 7 9 11 Col0 T0

T1

T2

ADC2

Actividad ADC y Poliaminas totales

ActividadADC

PoliaminasTotales

x12

x6x4

x2

1.3 2.1 3.6 4.11 7.2 9.12 11.1 Col0

x32

x12x8

X2,5

ADC2 T3

Putrescina (Libre y conjugada)

Línea PUTRESCINA (nmol/g PF)

Libre SH PH Total

2.1 236,9± 19,5 586,3± 25,0 78,4± 14,6 901,62

3.6 223,7± 5,0 158,7± 3,4 55,4± 3,0 437,81

9.12 231,5± 9,4 10,6± 1,6 53,3± 3,6 295,51

7.2 67,6± 0,1 11,3± 0,5 50,5± 4,5 129,42

Control 16,9± 0,7 13,8± 1,8 41,4± 1,8 72,19

SH: Put conjugada a ácidos hidroxicinámicosPH: Put conjugada a componentes insolubles

Homeostasis en la biosíntesis de PAs

SAMDCSPDS

ADC2

PUT

ARG AGMATINA

PUT SH SPD SPMPUT

ALTERACIONESDESARROLLO

Enanismo

2.1 3.6 9.12 7.2 C

Retraso en la floración

9.12

3.6

2.1

C

0 10 20 30 40 50 60 70

Nº hojas floración

Desarrollo floral

C 2.1 3.6 9.12

2.1 3.6 9.12C

Desarrollo vascular

C 9.12

Reversión de fenotipo por aplicación de GA3

9.12 + GA39.12 - GA3

Reversión de fenotipo por aplicación de GA3

C-GA3 C+GA3

2.1-GA3 2.1+GA3

Niveles de GAs

GA19 GA20 GA1 GA8 GA9 GA4

Control 0,75 0,23 0,04 10,3 0,05 1,242.1 0,93 trazas n.d. 16,6 n.d. 0,103.6 0,75 0,15 n.d. 11,3 n.d. 0,10

9.12 0,51 0,08 n.d. n.d. n.d. 0,047.2 0,14 0,24 n.d. 24,5 n.d. 1,20

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

2,25

AtGA20ox1 AtGA3ox1 AtGA2ox1

Ex

pre

sió

nre

lati

va

2.13.69.127.2C

Expresión de genes dioxigenasas

Mecanismo de acción

Putrescina

?AtGA20ox1, AtGA3ox1 AtGA2ox1

GA1 + GA4

Crecimiento secundario del xilema

Elongación Floración

Inducción de ADC2 por estrés abiótico

AtADC2

AtADC1

Hojas +Buffer +Sorbitol

Inducible por estrés osmótico, salino y daño mecánico

(Soyka & Heyer 1999; Pérez-Amador et al., 2002, Urano et al. , 2003)

Mayor tolerancia al estrés hídrico

Col 0 2.1 3.6 9.12

14 586 (x42) 159 (x11) 11Niveles de Put conjugada SH (nmol/g p.f.)

Plantas de 7 semanas sin riego durante 2 semanas

Manipulación genética de la rutaArabidopsis thaliana

ADC1ADC2

Put

Spd

NCP

Arginina

Agmatina

Spm

SPDS1SPDS2

SPMSACL5

SAMdcSAMDC1SAMDC2SAMDC3

CPAAIH

SAM

Manipulación genética de la rutaArabidopsis thaliana

ADC1ADC2

Put

Spd

NCP

Arginina

Agmatina

Spm

SPDS1SPDS2

SPMSACL5

SAMdcSAMDC1SAMDC2SAMDC3

CPAAIH

SAM

SobreSobre--expresión de expresión de SAMDC1SAMDC1

35s CaMV AtSAMDC1 pA

S3 S9 S15 Col0

Sobreproducción de Sobreproducción de SpmSpm

010203040506070

Col 0 S3 S9 S15

Act

tivid

adSA

MD

C( n

mol

CO

2/h/m

gpr

ot)

Spm 6 46 (x7) 96 (x16) 50 (x8) ng/gPF

Mayor tolerancia al estrés salino

S3

S15

Col 0

S9

S3

S15

Plantas de 4 semanas tratadas con 250 mM ClNa (10 días)

Niveles de ABA y expresión de AtNCED

Caroteno

Zeaxantina

Violoxantina

Neoxantina

Xantosina

ABA-aldehido

ABA

NCED

+ Sal

NIVELES DE ABA

05

1015202530

ngA

BA

/g p

eso

fres

coCol 0 S3 S9 S15 Col 0 S3 S9 S15

- Sal + Sal

Col0 S3 S9 S15NCED3 0 2 3,2 3

Mecanismo de acción

Espermina

?AtNCED3

Tolerancia a estrés salino

ABA

Metareguloma

MetioninaPutrescina

Espermina

SAM dcSAM

Etileno

SPDS

SPMS

SAMDC

ACC

ACCsyn

ACCoxid

SAMsyn

Espermidina

ArgininaADC

Metareguloma

G3P+piruvato

DXP

MEP

CDP-ME

CDP-MEP

ME-cPP

HMBPP

IPP DMAPP

GPP

GGPP

isopreno

plastoquinonas

tocoferol

clorofilas

monoterpenos

DXS

DXR

CMS

CMK

ABA

MCS

HDS

IDS

IDI

GGPS

GPS

Giberelinas

MetioninaPutrescina

Espermina

SAM dcSAM

Etileno

SPDS

SPMS

SAMDC

ACC

ACCsyn

ACCoxid

SAMsyn

Espermidina

ArgininaADC

Metareguloma

G3P+piruvato

DXP

MEP

CDP-ME

CDP-MEP

ME-cPP

HMBPP

IPP DMAPP

GPP

GGPP

isopreno

plastoquinonas

tocoferol

clorofilas

monoterpenos

DXS

DXR

CMS

CMK

ABA

MCS

HDS

IDS

IDI

GGPS

GPS

Giberelinas

MetioninaPutrescina

Espermina

SAM dcSAM

Etileno

SPDS

SPMS

SAMDC

ACC

ACCsyn

ACCoxid

SAMsyn

Espermidina

ArgininaADC

Metareguloma

G3P+piruvato

DXP

MEP

CDP-ME

CDP-MEP

ME-cPP

HMBPP

IPP DMAPP

GPP

GGPP

isopreno

plastoquinonas

tocoferol

clorofilas

monoterpenos

DXS

DXR

CMS

CMK

ABA

MCS

HDS

IDS

IDI

GGPS

GPS

Giberelinas

MetioninaPutrescina

Espermina

SAM dcSAM

Etileno

SPDS

SPMS

SAMDC

ACC

ACCsyn

ACCoxid

SAMsyn

Espermidina

ArgininaADC

Regulación de redes metabólicasgeneradoras de RCVs

R. Alcázar (UB)

J.C. Cuevas (UB)

M. Patrón (UB)

A. Ferrando (UB)

T. Altabella (UB)

A.F. Tiburcio (UB)

E. Busó (UV)

F. Marco (UV)

P. Carrasco (UV)

ADC2 SAMDC1

J.L. García-Martínez

(IBMCP-Valencia)

GAs

$$CICyT: BIO2002-04459-C02-01/02

EU-QLK5-CT-2002-00841

Conjugación de la Put a los ácidos hidroxicinámicos

Cumárico Caféico Ferúlico

C

OH

OH

C

OH

OMe

OH OHC

OH

OHO O O

+

Cumaroil-Put Cafeoil-Put Feruroil-Put

Di-p-cumaroil-Put Di-cafeoil-Put Di-feruroil-Put

H2N- (CH2)- NH2 Putrescina

Efectos de la putrescina en el desarrollo

Putrescina

Desarrollo deltejido vascular

?Auxinas,

GAs, Brasinosteroides

Elongación del talloFloración

Conclusiones

1. Mediante sobre-expresión de ADC2 en Arabidopsisse ha demostrado que la Put, a través de su acciónsobre el metabolismo de GAs, es un efector negativode importantes procesos del desarrollo.

2. La conjugación de la Put a los ácidos hidroxinámicosconfiere una mayor tolerancia al estrés hídrico.

3. Mediante sobre-expresión de SAMDC1 en Arabidopsisse ha demostrado que la Spm, a través de su acciónsobre la biosíntesis de ABA, confiere una mayor tolerancia al estrés salino.

Expresión diferencial e inducción por estrés salino

+ 250 mM NaCl 10h

pADC1::GUS

pADC2::GUS

(Urano et al. 2003)

El mutante adc-2 es más sensible a estrés salino

medio MS 150 mM NaCl 150 mM NaCl+2mM Put

a a ab b b

c c ca: wtb: controlc: adc-2 (Urano et al. 2003)

Sobre-expresión de tobSPDS en Arabidopsis

Col-0 SPDS B4

100 mM NaCl