Estudios de variabilidad en la respuesta de la encina (quercus ilex l.) a estreses asociados al síndrome de la secasequía y phytophthora cinnamomi

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis La resiliencia a condiciones ambientales adversas (estreses bióticos y abióticos) es uno de los principales objetivos de los programas de Mejora Forestal (Matallana-Ramirez et al., 2021), siendo una prioridad para la encina (Quercus ilex), teniendo en cuenta la creciente mortalidad de individuos asociados al Síndrome de la Seca y las previsiones de Cambio Climático (Escandón et al., 2021; Sánchez-Cuesta et al., 2021; Gea-Izquierdo et al., 2021). En esta tesis doctoral, se ha estudiado el efecto y respuesta a estreses individuales y/o combinados de sequía y Phytophthora cinnamomi en encina (Quercus ilex), constituyendo ambos agentes determinantes del Síndrome de la Seca y una de las posibles causas de mortalidad de los árboles en un escenario de cambio climático (Brasier et al., 1993; Desprez-Loustau et al., 2006; Ruiz-Gómez et al., 2018). Como especie no domesticada y considerando sus características biológicas (longeva, alógama y polinizada por el viento), la única estrategia plausible en un programa de mejora de la encina es la selección de genotipos élite resistentes y tolerantes a estreses para su posterior propagación clonal y su uso en programas de reforestación (Jorrín and Navarro, 2014; Rey et al., 2019; Escandón et al., 2021). Los genotipos élite o plus pueden caracterizarse e identificarse a nivel morfológico, fisiológico y molecular (ácidos nucleicos, proteínas y metabolitos). La investigación y caracterización de los mecanismos moleculares y genes implicados en la respuesta y resiliencia al estrés favorecerá la selección temprana de genotipos élite, acelerando así los programas de mejora (Escandón et al., 2021). 2.Contenido de la investigación Los experimentos se realizaron con plántulas de poblaciones de diferentes procedencias andaluzas y fueron sometidos a estrés por sequía en condiciones de temperatura e irradianza lumínica elevadas (Capítulo 2) o a una combinación de sequía e inoculación con P. cinnamomi (Capítulo 4). El efecto y la respuesta al estrés se evaluó a diferentes niveles: i) Morfológico: crecimiento, síntomas de daño y mortandad (capítulos 2 y 4). ii) Fisiológico: contenido de agua y fotosíntesis (capítulos 2 y 4). iii) Bioquímico: contenido en pigmentos, azúcares, aminoácidos, fenólicos y flavonoides (capítulos 2 y 4). iv) Ómico: proteómica (capítulos 3 y 4). Los datos de daños y muerte de las plántulas revelaron diferencias fenotípicas entre especies, poblaciones e individuos. Entre las especies estudiadas (Q. robur, Q. faginea, Q. pyrenaica, Q. suber y Q. ilex), Q. ilex fue la más tolerante a la sequía. Dentro de esta, se ha encontrado variabilidad intra e interpoblacional, siendo las poblaciones orientales andaluzas (Jaén y Granada) más tolerantes a la sequía que las occidentales (Cádiz, Córdoba y Sevilla). El efecto combinado de P. cinnamomi y sequía sobre las tres poblaciones ensayadas (Sevilla, Granada y Almería) fue más intenso que el estrés por separado de inoculación con el patógeno o el estrés por sequía, siendo las poblaciones de Almería y Granada las más y menos resilientes al síndrome de la seca, respectivamente. El contenido hídrico relativo de las hojas disminuyó en respuesta a la sequía y/o a P. cinnamomi en distinto grado según el individuo, la población y el tratamiento, siendo más acusado en el estrés combinado. Los individuos tolerantes mantuvieron el tejido foliar bien hidratado, con valores de contenido hídrico relativo superiores al 40%. El contenido en pigmentos fotosintéticos no se vio alterado en condiciones de estrés, revelando la integridad de la maquinaria fotosintética. Se observó un aumento en el contenido de azúcares, aminoácidos y compuestos fenólicos en condiciones de sequía. En estrés combinado no se modificó el contenido de aminoácidos ni de compuestos fenólicos. Por el contrario, el contenido en azúcares, almidón y flavonoides aumentó en las plántulas inoculadas y sujetas a doble estrés. Se propone que durante situaciones de estrés la planta activa mecanismos reguladores de la homeostasis metabólica, mediante la reorganización de rutas con disminución y aumento de, respectivamente, rutas autótrofas a heterótrofas, y el aumento de compuestos de respuesta a estreses (antioxidantes, compuestos activos osmóticos). El análisis proteómico tuvo un doble objetivo, la identificación de mecanismos y productos génicos relacionados con el carácter resiliente, y la identificación y propuesta de marcadores proteicos para ser utilizados en la identificación de genotipos élite. Para eso, se utilizó una triple estrategia proteómica: basada en gel, libre de gel o shotgun, y dirigida, utilizando péptidos proteotípicos. Los cambios en los perfiles proteicos dependieron del tipo de estrés y del individuo, con tendencias generales para las diferentes poblaciones. Las proteínas variables pertenecían a diferentes grupos funcionales relacionados con la fotosíntesis, el metabolismo de los azúcares, relacionados con el estrés, el destino de las proteínas y el transporte. Mientras que las proteínas de fotosíntesis se vieron poco afectadas (sequía) o disminuyeron (estrés combinado), las del metabolismo de azúcares y fenólicos, enzimas antioxidantes y las relacionadas con el estrés aumentaron bajo estrés abiótico y biótico. Se propone un panel de proteínas y péptidos derivados como marcadores putativos de tolerancia a la sequía y resiliencia a la seca. 3.Conclusión La metodología utilizada y los resultados obtenidos pueden transferirse al sector productivo para su uso en programas de mejora asistida por marcadores moleculares de encina, en concreto en la identificación de individuos élite resilientes a condiciones ambientales adversas. 4. Bibliografía Brasier, C. M.; Robredo, F.; Ferraz, J. F. P. Evidence for Phytophthora cinnamomi involvement in Iberian oak decline. Plant Pathol. 1993, 42, 140–145. Desprez-Loustau, M.-L.; Marçais, B.; Nageleisen, L.-M.; Piou, D.; Vannini, A. Interactive effects of drought and pathogens in forest trees. Ann. For. Sci. 2006, 63, 597–612. Escandon, M.; Jorrin-Novo, J. V.; Castillejo, M. A., Application and optimization of label-free shotgun approaches in the study of Quercus ilex. J. Proteomics 2021, 233, 104082. Gea-Izquierdo, G.; Natalini, F.; Cardillo, E. Holm oak death is accelerated but not sudden and expresses drought legacies. Science of The Total Environment 2021, 754, 141793. Jorrín-Novo, J.; Navarro-Cerrillo, R. M., Variabilidad y respuesta a distintos estreses en poblaciones de encina (Quercus ilex L.) en Andalucía mediante una aproximación proteómica. Ecosistemas 2014, 23, 99-107. Matallana-Ramirez, L.P.; Whetten, R.W.; Sanchez, G.M.; Payn, K.G. Breeding for climate change resilience: a case study of Loblolly Pine (Pinus taeda L.) in North America. Front. Plant Sci. 2021, 12, 606908. Rey, M.D.; Castillejo, M.A.; Sánchez-Lucas, R.; Guerrero-Sanchez, V.M.; López-Hidalgo, C.; Romero-Rodríguez, C.; Valero-Galván, J.V.; Sghaier-Hammami, B.; Simova-Stilova, L.; Echevarría-Zomeño, S.; Jorge, I.; Gómez-Gálvez, I.; Papa, M.E.; Carvalho, K.; Rodríguez de Francisco, L.E.; Maldonado-Alconada, A.M.; Valledor, L.; Jorrín-Novo, J. Proteomics, Holm oak (Quercus ilex L.) and other recalcitrant and orphan forest tree species: How do they see each other?. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 692. Ruiz-Gómez, F. J.; Pérez-de-Luque, A.; Sánchez-Cuesta, R.; Quero, J. L.; Navarro Cerrillo, R. M. Differences in the response to acute drought and Phytophthora cinnamomi Rands Infection in Quercus ilex L. seedlings. Forests 2018, 9, 634. Sánchez-Cuesta, R.; Ruiz-Gómez, F.J.; Duque-Lazo, J.; González-Moreno, P.; Navarro-Cerrillo, R.M. The environmental drivers influencing spatio-temporal dynamics of oak defoliation and mortality in dehesas of Southern Spain. For. Ecol. Manag. 2021, 485, 118946.