Función fisiológica y molecular de compuestos volátiles emitidos por Laccaria bicolor, Hebeloma cylindrosporum y Serendipita indica en su interacción con Arabidopsis thaliana y Populus tremuloides

Abstract

[ES] La comunicación entre plantas, hongos y microorganismos, previa a su contacto, se lleva a cabo por diferentes señales bioquímicas, entre las que se encuentran los compuestos orgánicos volátiles (VOCs, por sus siglas en inglés). Los VOCs son compuestos carbonados que se dispersan fácilmente por aire, líquidos y suelos porosos, pudiendo mediar así respuestas a larga distancia (Lemfack et al., 2018). Los VOCs se pueden generar a partir del metabolismo primario y del metabolismo secundario, dando lugar a una gran variedad de compuestos de naturaleza química diferente (alcoholes, cetonas, ésteres, alquenos, tioles, terpenos, etc.) (Schnürer et al., 1999). Los hongos ectomicorrícicos generan asociaciones mutualistas denominadas micorrizas con plantas leñosas (desde arbustos hasta árboles), que favorecen la toma de agua y nutrientes por parte de la planta, a la vez que los hongos obtienen los productos fotosintéticos de la planta (Drijber & McPherson, 2021; Shah, 2014). Este tipo de hongo micorrícico genera una red de hifas alrededor de las células de la raíz (red de Harting) y un manto de hifas en torno a la raíz, junto a una red extracelular que se extiende por el suelo llegando a lugares inaccesibles para la raíz (Drijber & McPherson, 2021; Martin et al., 2016). Laccaria bicolor y Hebeloma cylindrosporum son dos hongos ectomicorrícicos ampliamente utilizados en investigación, debido a su facilidad de cultivo en el laboratorio, la capacidad de realizar simbiosis controladas con árboles y sus efectos beneficiosos sobre las plantas tanto en la toma de nutrientes y agua, como en la mejora de la tolerancia a diferentes tipos de estrés biótico y abiótico (Dong et al., 2022; Cho et al., 2021; Gu et al., 2020; Cope et al., 2019; Hazard et al., 2017; Plett et al., 2011; Müller et al., 2007; Marmeisse, et al., 2004). Además, ambos hongos poseen su genoma secuenciado, lo que los convierte en buenas herramientas para analizar los mecanismos moleculares implicados en la señalización con la planta tanto durante la simbiosis como previamente a ella (Martin et al., 2008).

Los hongos endófitos se asocian a distintos tejidos de casi todas las clases de plantas vasculares, así como plantas no vasculares como los musgos. Estos hongos generan enzimas para penetrar en los tejidos vegetales, pero los mecanismos y las estructuras que generan en los tejidos vegetales dependen tanto del endófito como de la planta (Gautam & Avasthi, 2019). Serendipita indica es uno de los endófitos simbiontes más estudiados, debido a la gran diversidad de plantas hospedadoras que posee, sus beneficios sobre el desarrollo de las plantas y sobre la defensa a distintos tipos de estrés y su facilidad de cultivo en el laboratorio (Saleem et al., 2022). El estudio de los efectos de los compuestos volátiles de los hongos sobre las plantas se ha vuelto más relevante en los últimos, debido a su efecto beneficioso sobre el desarrollo de las plantas y la mejora de la tolerancia de estas a distintos tipos de estrés abiótico y biótico (Chiang et al., 2024; Fraj & Werbrouck, 2023; Gil et al., 2023; Kumar et al., 2023; Laller et al., 2023; Kumar et al., 2021; Singh et al., 2021; Yasmin et al., 2021; Chowdhury et al., 2019; Li & Kang, 2018; Jalali et al., 2017; Liu & Zhang, 2015). Sin embargo, aún es bastante limitada la información acerca los mecanismos moleculares a través de los cuáles se produce la señalización de los VOCs fúngicos. Las rutas de auxinas y citoquininas parecen ser determinantes en los efectos generados por los VOCs fúngicos sobre la planta, como el mayor desarrollo de la planta, la mejora de la capacidad fotosintética, así como el cambio en la arquitectura de la raíz (Venneman et al., 2020; Li et al., 2018; Pérez-Flores et al., 2017; Ditengou et al., 2015).

Actualmente las plantas deben hacer frente a diferentes tipos de estrés como el estrés osmótico, que se produce a partir de un desequilibrio en la concentración de los solutos externos e internos a las células (Yu et al., 2024; Xiong & Zhu, 2002). Tanto estrés hídrico como el estrés salino pueden producir estrés osmótico en el suelo al disminuir la disponibilidad de agua y alterar el equilibrio hídrico entre la planta y el suelo. Se ha demostrado que los VOCs fúngicos mejoran la tolerancia de las plantas a estrés hídrico y salino al generar la acumulación de osmoprotectores, producen un mayor cierre estomático y cambian la arquitectura de las raíces, evitando la pérdida excesiva de agua y mejorando la toma de esta (Yu et al., 2024; Gil et al., 2023; Laller et al., 2023; Martínez-Santos et al., 2021; Xiong & Zhu, 2002).

El meristemo radicular se puede dividir en la zona del meristemo radicular, la zona de transición y la zona de diferenciación y elongación. En el meristemo apical se encuentra el centro quiescente (QC), que da lugar a las células madre que darán células hija, que o se dividirán o se diferenciarán, siendo altamente importante para el mantenimiento del meristemo el equilibrio entre división y diferenciación (Kong et al., 2018; Su et al., 2011; Stahl & Simon, 2005). WOX5 (WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 5), es un factor de transcripción que se expresa principalmente en el QC, que es necesario para el mantenimiento del reservorio de células madre, ya que reprime las divisiones celulares de QC, asegurando la integridad del meristemo radicular (Burkart et al., 2022; Pardal & Heidstra, 2021; Sarkar et al., 2007).

Existen diferentes rutas hormonales implicadas en el desarrollo radicular y el mantenimiento del meristemo radicular, entre las que destaca el antagonismo entre las rutas de auxinas y citoquininas, que controlas el equilibrio entre la división y la diferenciación celular, principalmente en la zona de transición (Zhang et al., 2013; Su et al., 2011; Dello Ioio et al., 2007; Stahl & Simon, 2005).

El desarrollo de las raíces secundarias es crítico también para la conformación de la arquitectura de la raíz que, en la mayoría de las plantas dicotiledóneas, se forman a partir de las células del periciclo adyacentes a los polos del protoxilema (Jing & Strader, 2019; Fukaki & Tasaka, 2009; Casimiro et al., 2003). Las auxinas son las hormonas estimulantes principales para la iniciación y el desarrollo del primordio de la raíz lateral, y las citoquininas antagonizan este proceso. Por tanto, de nuevo el antagonismo entre auxinas y citoquininas es clave para asegurar el equilibrio entre división y diferenciación, así como el buen desarrollo de la raíz (Jing & Strader, 2019; Fukaki & Tasaka, 2009; Casimiro et al., 2003).

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el estudio de los efectos fisiológicos y moleculares de los compuestos volátiles emitidos por los hongos ectomicorrícicos Lacaria bicolor, Hebeloma cylindrosporum y el hongo endófito silvestre, Serendipita indica, tanto sobre la planta modelo Arabidopsis thaliana, como sobre la planta de interés forestal Populus tremuloides.

Nuestros resultados han confirmado la relevancia de los VOCs fúngicos sobre la mejora del desarrollo de las plantas y de su tolerancia frente a estés osmótico. Así como la influencia del antagonismo entre auxinas y citoquininas en la modificación de la arquitectura de la raíz por parte de los VOCs fúngicos. Además, se han descrito genes que pueden ser determinantes para comprender la señalización molecular de los VOCs fúngicos. Demostrando que el análisis de los mecanismos de acción de los VOCs fúngicos y de su aplicación son clave para la creación de nuevas estrategias biotecnológicas para la mejora de la capacidad de supervivencia de las plantas ante distintos estreses.