Papel del etileno y otras señales en la regulación de las respuestas a las deficiencias de Hierro, Fósforo o Azufre

Abstract

Para su correcto crecimiento y desarrollo, las plantas necesitan diversos nutrientes minerales, entre los que se encuentran los elementos objeto de estudio de esta Tesis: hierro (Fe), fósforo (P) y azufre (S). Estos elementos son esenciales para las plantas y, aunque suelen ser abundantes en la mayoría de los suelos, su disponibilidad para las plantas puede ser baja, sobre todo en determinados suelos, como los calcáreos. Para facilitar su adquisición, las plantas han desarrollado diferentes mecanismos. En el caso del hierro, y dependiendo del tipo de mecanismos, las plantas se dividen en plantas de Estrategia I (todas las plantas excepto las gramíneas) y plantas de Estrategia II (gramíneas). En condiciones de deficiencia de alguno de estos nutrientes, las plantas dicotiledóneas (con Estrategia I y objeto de esta Tesis) ponen en marcha una serie de respuestas, principalmente en sus raíces, para mejorar la movilización y transporte del nutriente en cuestión. Entre estas respuestas, encontramos cambios morfológicos de la raíz, como el desarrollo de pelos radicales subapicales y raíces proteoides (en respuesta a las deficiencias de hierro o fósforo), o un incremento del desarrollo de raíces laterales (en respuesta a las deficiencias de hierro, fósforo o azufre). También ocurren respuestas fisiológicas, como el incremento del número de transportadores, el incremento de la síntesis y liberación de compuestos que solubilizan los nutrientes en el suelo, y el incremento de algunas actividades enzimáticas, como la actividad de la reductasa férrica (en respuesta a la deficiencia de hierro) o de la fosfatasa ácida (en respuesta a la deficiencia de fósforo). Una vez el nutriente se ha adquirido en suficiente cantidad, estas respuestas deben ser inhibidas para minimizar el coste energético y evitar la toxicidad por exceso, lo que implica que estas respuestas deben estar sujetas a un control muy estricto. En la regulación de estas respuestas, el etileno juega un papel fundamental. Por ello, uno de los objetivos principales de esta Tesis ha sido profundizar en el papel de la proteína EIN2, clave en la ruta de señalización del etileno, en la regulación de las respuestas a la deficiencia de hierro. Este objetivo se abordó en el primer trabajo de esta Tesis “Comparative study of several Fe deficiency responses in the Arabidopsis thaliana ethylene insensitive mutants ein2-1 and ein2-5”, publicado en la revista Plants. Aunque las respuestas a cada deficiencia se inducen de manera específica, es frecuente que ocurra un cierto cruce de respuestas, de manera que, a veces, la deficiencia de un nutriente puede inducir respuestas relacionadas con las deficiencias de otros nutrientes. En la regulación de las respuestas a las deficiencias de hierro, fósforo o azufre, se ha implicado al etileno. Esa común implicación podría explicar parcialmente la inducción cruzada de respuestas a las distintas deficiencias. Para conferir especificidad, el etileno podría actuar junto con otras señales y/o a través de diferentes rutas de señalización para la regulación de las distintas respuestas a las diferentes deficiencias. En este sentido, uno de los principales objetivos de esta Tesis ha sido tratar de esclarecer la participación de algunos de los componentes clave de la ruta de señalización del etileno en la regulación de las respuestas a las deficiencias de hierro, fósforo o azufre. Para ello, se realizaron ensayos con distintos mutantes de Arabidopsis thaliana, afectados en alguno de los componentes de la ruta de señalización del etileno, y se sometieron a deficiencia de hierro, fósforo o azufre. A continuación, se estudiaron respuestas específicas a cada una de las tres deficiencias, así como respuestas a las otras deficiencias, en cada uno de estos mutantes. Estos estudios nos permitieron conocer qué elementos de la ruta de señalización del etileno son claves para cada una de las respuestas y a qué nivel se produce la interacción entre ellas Los resultados obtenidos se han publicado en Frontiers in Plant Science “Influence of ethylene signaling in the crosstalk between Fe, S, and P deficiency responses in Arabidopsis thaliana”. Por último, el tercer gran objetivo de esta Tesis ha sido tratar de dilucidar la posible relación existente entre distintas señales reguladoras de las respuestas a la deficiencia de hierro ya conocidas, como es el caso del etileno y de LODIS (‘LOng Distance Iron Signal’; señal represiva de las respuestas relacionada con el contenido interno de hierro), y unos pequeños péptidos (IMA1, 2 y 3), recientemente identificados en Arabidopsis y que actúan como activadores de las respuestas a la deficiencia de hierro. Nuestro objetivo ha sido tratar de encajar los péptidos IMA en el modelo de regulación existente. Los resultados obtenidos relacionados con este objetivo se han publicado también en Frontiers in Plant Science “A shoot derived long distance iron signal may act upstream of the IMA peptides in the regulation of Fe deficiency responses in Arabidopsis thaliana roots”.

For their correct growth and development, plants need various mineral nutrients, like the elements studied in this Thesis: iron (Fe), phosphorus (P) and sulfur (S). These elements are essential for plants and, although they are usually abundant in most soils, their availability for plants can be low, especially in certain soils, such as the calcareous ones. To facilitate their acquisition, plants have developed different mechanisms. In the case of iron, based on the acquisition mechanisms, plants are divided into Strategy I plants (all plants except grasses) and Strategy II plants (grasses). Under nutrient deficiency conditions, dicotyledonous plants (with Strategy I and object of this Thesis) induce several responses, mainly in their roots, to improve the mobilization and transport of the deficient nutrient. Among these responses, there are morphological changes of the root, such as the development of subapical root hairs and proteoid roots (in response to iron or phosphorous deficiencies), or an increase in lateral root development (in response to iron, phosphorus or sulfur deficiencies). Physiological responses also occur, such as an increase of nutrient transporters, an increase in the synthesis and release of several compounds that solubilize nutrients in the soil, and an increase in some enzymatic activities, such as ferric reductase activity (in response to iron deficiency) or acid phosphatase (in response to phosphorus deficiency). Once the nutrient has been acquired in sufficient quantity, these responses must be inhibited to minimize energy cost and to avoid toxicity by excess. This implies that the responses must be subjected to very strict control. In the regulation of these responses, ethylene plays a key role. For this reason, one of the main objectives of this Thesis has been to look further into the role of the EIN2 protein, a key component of the ethylene signaling pathway, in the regulation of the iron deficiency responses. This objective has been addressed in the first work of this Thesis "Comparative study of several Fe deficiency responses in the Arabidopsis thaliana ethylene insensitive mutants ein2-1 and ein2-5", published in the journal Plants. Although responses to each deficiency are induced in a specific manner, some crosstalk among the responses to different nutrient deficiencies often occur. This implies that, sometimes, the typical responses to a nutrient deficiency can be induced by other nutrient deficiencies. Ethylene has been involved in the regulation of the iron, phosphorous or sulfur deficiency responses. This common implication could partially explain the crosstalk of the responses to these different deficiencies. To confer specificity, ethylene could act in conjunction with other signals, and/or through different signaling pathways, to regulate different responses to different deficiencies. In this sense, one of the main objectives of this Thesis has been to clarify the participation of some of the key components of the ethylene signaling pathway in the regulation of the responses to iron, phosphorus or sulfur deficiencies. For this, several experiments were carried out with Arabidopsis thaliana mutants, affected in some components of the ethylene signaling pathway, and subjected to iron, phosphorus or sulfur deficiencies. Next, specific responses to each deficiency, as well as responses to the other deficiencies, in each of these mutants were studied. These studies allowed us to find out which elements of the ethylene signaling pathway play key roles in each response and the interactions between them. The results obtained have been published in Frontiers in Plant Science "Influence of ethylene signaling in the crosstalk between Fe, S, and P deficiency responses in Arabidopsis thaliana”. Finally, the third major objective of this Thesis has been to elucidate the possible connection between different regulatory signals of the iron deficiency responses already known, such as ethylene and LODIS ('LOng Distance Iron Signal'; repressive signal of responses related to internal iron content), and some small peptides (IMA1, 2 and 3), recently identified in Arabidopsis that act as activators of the iron deficiency responses. Our objective has been to fit the IMA peptides into the existing regulatory model. The results obtained related to this objective have also been published in Frontiers in Plant Science “A shoot derived long distance iron signal may act upstream of the IMA peptides in the regulation of Fe deficiency responses in Arabidopsis thaliana roots”.