Implicación de la serina en la respuesta de las plantas a los estreses abióticos en condiciones de cambio climático

La biosíntesis de L-serina en plantas ocurre a través de varias rutas y es altamente dependiente de la concentración de CO2, sobre todo en especies C3. La ruta del glicolato, asociada a la fotorrespiración, es considerada la más importante a nivel cuantitativo. La ruta del glicerato ha sido menos estudiada, y la ruta fosforilativa de biosíntesis de L-serina (RFBS) es esencial para el desarrollo del embrión, del polen y de las raíces. La RFBS constituye un punto de unión entre el metabolismo del carbono, del nitrógeno y del azufre, y resulta más relevante a concentraciones elevadas de CO2 (eCO2). Comprende tres reacciones secuenciales catalizadas por las enzimas 3-fosfoglicerato deshidrogenasa (PGDH), 3-fosfoserina aminotransferasa y 3-fosfoserina fosfatasa (PSP). En Arabidopsis thaliana existen tres genes que codifican la enzima PGDH: AtPGDH1, AtPGDH2 y AtPGDH3, siendo los dos primeros los que más participan en el desarrollo de la planta, mientras que AtPGDH3 se relaciona con la fotosíntesis. En esta tesis doctoral se ha estudiado la relevancia de los genes de la familia AtPGDH en la respuesta frente a estreses abióticos, especialmente en condiciones de eCO2, asociadas al cambio climático. Para ello, el primer paso fue determinar los factores de transcripción que controlan la expresión de estos genes, pues la regulación transcripcional permite preservar la robustez de los procesos celulares en condiciones de estrés. AtPGDH1 y, sobre todo, AtPGDH2 se mostraron altamente regulados, siendo AtCUC3, AtERF15 y AtERF17 potenciales reguladores de estos genes. Por otro lado, se analizó la expresión de AtPGDH1, AtPGDH2 y AtPGDH3 en condiciones de eCO2 en presencia de estrés salino, estrés por cadmio y estrés osmótico a tiempos cortos. AtPGDH2 es el que más se induce y más rápidamente responde frente a todos ellos. Sin embargo, la caracterización fenotípica de líneas de pérdida y de ganancia de función de AtPGDH1 o de AtPGDH2 en condiciones de eCO2 mostró que, a tiempos prolongados, la sobreexpresión de AtPGDH1 y la de AtPGDH2 contribuyen a la tolerancia al estrés salino y al estrés por cadmio. Esta respuesta parece estar relacionada con la importancia de la L-serina como precursora en la biosíntesis de metabolitos como el glutatión, afectando a su homeostasis. En referencia al estrés osmótico, la sobreexpresión de AtPGDH1 o de AtPGDH2 provocó una mayor reducción de la biomasa. Por último, se ha investigado el papel de la RFBS en Zea mays, una planta C4 con baja tasa fotorrespiratoria. Los análisis de germinación de polen en líneas deficientes de la RFBS, en las que se inhibió ZmPSP1, mostraron que la L-serina procedente de la RFBS en el gametofito masculino es necesaria para el desarrollo viable del polen. Por otra parte, las plantas de maíz que sobreexpresan AtPGDH1 mostraron mayores niveles de proteínas, pero no de almidón, lo que se tradujo en un aumento significativo de la relación nitrógeno/carbono. En el grano, el incremento de los niveles de proteínas fue menor, lo que sugiere que la ingeniería metabólica de la RFBS en cultivos podría usarse para mejorar el contenido de nitrógeno mediante la regulación fuente-sumidero.

La biosíntesi de L-serina en plantes ocorre a través de diverses rutes i és altament dependent de la concentració de CO2, sobretot en espècies C3. La ruta del glicolat, associada a la fotorrespiració, és considerada la més important a nivell quantitatiu. La ruta del glicerat ha sigut menys estudiada, i la ruta fosforilativa de biosíntesi de L-serina (RFBS) és essencial per al desenvolupament de l’embrió, del pol·len i de les arrels. La RFBS constitueix un punt d’unió entre el metabolisme del carboni, del nitrogen i del sofre, i resulta més rellevant a concentracions elevades de CO₂ (eCO2). Comprén tres reaccions seqüencials catalitzades pels enzims 3-fosfoglicerat deshidrogenasa (PGDH), 3-fosfoserina aminotransferasa i 3-fosfoserina fosfatasa (PSP). En Arabidopsis thaliana hi ha tres gens que codifiquen l’enzim PGDH: AtPGDH1, AtPGDH2 i AtPGDH3, sent els dos primers els que més participen en el desenvolupament de la planta, mentre que AtPGDH3 es relaciona amb la fotosíntesi. En aquesta tesi doctoral s’ha estudiat la rellevància dels gens de la família AtPGDH en la resposta davant d’estressos abiòtics, especialment en condicions d’eCO2, associades al canvi climàtic. Amb aquest objectiu, el primer pas va ser determinar els factors de transcripció que controlen l’expressió d’aquests gens, ja que la regulació transcripcional permet preservar la robustesa dels processos cel·lulars en condicions d’estrés. AtPGDH1 i, sobretot, AtPGDH2 es van mostrar altament regulats, sent AtCUC3, AtERF15 i AtERF17 potencials reguladors d’aquests gens. D’altra banda, es va analitzar l’expressió d’AtPGDH1, d’AtPGDH2 i d’AtPGDH3 en condicions d’eCO2 en presència d’estrés salí, estrés per cadmi i estrés osmòtic a temps curts. AtPGDH2 és el que més augmenta la seua expressió i més ràpidament respon davant de tots ells. Tanmateix, la caracterització fenotípica de línies de pèrdua i de guany de funció d’AtPGDH1 o d’AtPGDH2 en condicions d’eCO2 va mostrar que, a llarg termini, la sobreexpressió d’AtPGDH1 i la d’AtPGDH2 contribuixen a la tolerància a l’estrés salí i a l’estrés per cadmi. Aquesta resposta sembla estar relacionada amb la importància de la L-serina com a precursora en les rutes de biosíntesi de diversos metabòlits, com el glutatió, afectant la seua homeòstasi. Pel que fa a l’estrés osmòtic, la sobreexpressió d’AtPGDH1 o d’AtPGDH2 va provocar una major reducció de la biomassa en resposta a l’estrés. Finalment, s’ha investigat el paper de la RFBS en Zea mays, una planta C4 amb baixa taxa fotorrespiratòria. Les anàlisis de germinació de pol·len en línies deficients de la RFBS, en les quals es va inhibir ZmPSP1, mostraren que la L-serina procedent de la RFBS en el gametòfit masculí és necessària per al desenvolupament viable del pol·len. D’altra banda, les plantes de dacsa que sobreexpressen AtPGDH1 mostraren majors nivells de proteïnes, però no de midó, la qual cosa es va traduir en un augment significatiu de la relació nitrogen/carboni. En el gra, l’increment dels nivells de proteïnes va ser menor, la qual cosa suggereix que l’enginyeria metabòlica de la RFBS en cultius podria utilitzar-se per millorar el contingut de nitrogen mitjançant la regulació font-sumider.

L-serine biosynthesis in plants occurs via multiple pathways and is highly dependent on CO2 concentration, especially in species with C3 metabolism. The glycolate pathway, associated with photorespiration, is considered the most important pathway in quantitative terms. The glycerate pathway has been less studied, and the phosphorylated pathway of L-serine biosynthesis (PPSB) is essential for the development of the embryo, pollen, and root. The PPSB is at the crossroads of carbon, nitrogen, and sulfur metabolism, and it is more relevant under elevated CO2 concentrations (eCO2). It comprises three sequential reactions catalyzed by the enzymes 3-phosphoglycerate dehydrogenase (PGDH), 3-phosphoserine aminotransferase, and 3-phosphoserine phosphatase (PSP). In Arabidopsis thaliana, three genes encode PGDH: AtPGDH1, AtPGDH2, and AtPGDH3, with the first two mainly participating in plant development, while AtPGDH3 is related to photosynthesis. In this doctoral thesis, the relevance of the AtPGDH family genes in the response to abiotic stresses has been studied, especially under eCO2 conditions, associated with climate change. The first step consisted of identifying the transcription factors controlling the expression of these genes, since transcriptional regulation preserves the robustness of cellular processes under stress. AtPGDH1 and especially AtPGDH2 were highly regulated, with AtCUC3, AtERF15, and AtERF17 emerging as potential regulators of these genes. Furthermore, expression of AtPGDH1, AtPGDH2, and AtPGDH3 was analyzed under eCO2 combined with short-term abiotic stress conditions, including salinity stress, cadmium stress, and osmotic stress. Among them, AtPGDH2 exhibited the highest relative expresión and the fastest induction across all these stresses. However, phenotypic characterization of loss-of-function and gain-of-function lines for AtPGDH1 or AtPGDH2 under eCO2 and long-term stress conditions showed that the overexpression of both genes contributes to tolerance to salinity and cadmium stress. This response appears to be related to the importance of L-serine as a precursor in the biosynthesis pathways of various metabolites, such as glutathione, affecting its homeostasis. Under osmotic stress, overexpression of AtPGDH1 or AtPGDH2 caused a greater reduction of biomass in response to stress. Finally, the role of PPSB has been investigated in Zea mays, a plant with C4 metabolism and low photorespiration rate. Based on pollen germination assays in PPSB-deficient lines, in which ZmPSP1 was inhibited, it was concluded that L-serine derived from PPSB in the male gametophyte is necessary for viable pollen development. Furthermore, maize plants overexpressing AtPGDH1 exhibited higher protein levels, but not higher starch levels, resulting in a significant increase in the nitrogen/carbon ratio. In the grain, the increase in protein levels was smaller, suggesting that metabolic engineering of PPSB in crops could be used to improve N content through source-sink regulation.

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2 - Fam zero