Physiological and proteomic approaches towards understanding the drought regulation of nitrogen fixation in legumes

Abstract

RESUMEN Las leguminosas, plantas de gran relevancia agronómica, son capaces de establecer relaciones simbióticas con un grupo de bacterias edáficas conocidas genéricamente como rizobios. Esta simbiosis les permite satisfacer sus necesidades de nitrógeno mediante la reducción del nitrógeno atmosférico a amonio a través del proceso conocido como fijación biológica de nitrógeno (FBN) llevado a cabo en el nódulo. No obstante, la FBN es muy sensible a diversos estreses ambientales, tanto bióticos como abióticos, entre los que destaca la sequía. La inhibición de la FBN es un proceso complejo en el que intervienen diversos factores cuyo origen, implicación e interacciones no son conocidos con exactitud. Tres han sido los principales factores implicados en esta inhibición: la limitación por flujo de oxígeno, la reducción del flujo de carbono y la regulación por nitrógeno. Pese a que la sequía, al igual que otros estreses abióticos, produce un aumento en la resistencia a la difusión del oxígeno en el nódulo, el aumento de la concentración de oxígeno en la rizosfera no restituye las tasas de FBN en los nódulos sometidos a sequía, sugiriendo la implicación de otros factores en la inhibición. Diversos estudios llevados a cabo en leguminosas de grano sometidas a sequía - guisante, soja o alubia - mostraron que la inhibición de la FBN ocurría de manera paralela al descenso en la actividad de la sacarosa sintasa, lo que conllevaba una acumulación de sacarosa y un descenso en malato para la respiración bacteroidal. Sin embargo, estudios realizados recientemente en las leguminosas forrajeras - Medicago sativa y M. truncatula - sugieren la implicación de otros factores, ya que la inhibición de la FBN ocurría de manera previa a cualquier cambio en las enzimas del metabolismo del carbono en nódulo. El estado nitrogenado de la planta ha sido también propuesto como responsable de la regulación de la FBN a través de un mecanismo de inhibición por retroalimentación de la actividad nitrogenasa. Este mecanismo de regulación ha sido principalmente estudiado en la leguminosa de grano soja, donde la acumulación de compuestos nitrogenados ha sido probada en diversos órganos de la planta. En este modelo de regulación se postularon dos posibles orígenes para la inhibición por retroalimentación de la FBN. Un origen local, por retroalimentación directa de compuestos nitrogenados en el nódulo; y un origen sistémico, por retroalimentación indirecta de compuestos nitrogenados provenientes de la parte aérea. El presente trabajo, a través de aproximaciones fisiológicas y proteómicas, pretende profundizar en los mecanismos implicados en la inhibición de la FBN en la leguminosa forrajera exportadora de amidas Medicago truncatula y en la leguminosa de grano exportadora de ureidos Glycine max en condiciones de sequía. En primer lugar, y con el objetivo de esclarecer el origen de la inhibición FBN, se empleó un sistema radical separado (SRS). Este sistema experimental permitió demostrar el origen local de la inhibición de la FBN en condiciones de estrés hídrico en ambas leguminosas, descartando la implicación de la parte aérea. Además, la acumulación de compuestos nitrogenados, aminoácidos y ureidos, se produjo también de manera local en los tejidos directamente expuestos a sequía y de forma independiente al descenso en transpiración. La posible implicación de los compuestos nitrogenados acumulados a nivel local en una inhibición por retroalimentación no puede ser descartada. Sin embargo, la acumulación generalizada de todos los aminoácidos, tanto en la leguminosa exportadora de amidas como en la exportadora de ureidos, no destaca el papel preponderante como señal inhibitoria de un único aminoácido, tal y como se postula en los estudios realizados en este ámbito. La acumulación de aminoácidos no parece deberse a un incremento de la actividad proteolítica en los tejidos expuestos a sequía, sino a un descenso en la síntesis de proteína. Este hecho se refleja en el alto número de proteínas relacionadas con la síntesis proteica que han sido identificadas en el estudio de proteómica comparativa realizado en ambas especies y en el que se muestra un descenso en el contenido relativo de las mismas en los tratamientos de sequía. El estudio de proteómica comparativa llevado a cabo en los nódulos de ambas especies de leguminosas refrendó la implicación del metabolismo del carbono, oxígeno, nitrógeno y azufre en la inhibición de la FBN, así como la implicación de diversas proteínas relacionadas con el estrés oxidativo. Como nuevas aportaciones en relación al proteoma vegetal del nódulo en ambas especies, cabe destacar el efecto de la sequía sobre distintas lipoxigenasas, proteínas intermediarias de la síntesis del jasmonato, cuya función ha sido relacionada con el desarrollo nodular. En relación al proteoma bacteroidal, destaca la abundante presencia de transportadores de tipo ABC afectados por el tratamiento de sequía. Estas proteínas están implicadas en el transporte de un amplio número de moléculas entre ambos simbiontes, como por ejemplo el intercambio de aminoácidos entre la planta y el bacteroide descrito en nódulo. Asimismo, a través de la aproximación proteómica llevada a cabo en el SRS, se demostró cómo, además de la inhibición local de la FBN probada mediante la aproximación fisiológica, la mayoría de los procesos metabólicos a nivel nodular parecen responder de forma local como muestra la no reducción del contenido relativo de la mayoría de las proteínas en los nódulos control de la sequía parcial. Pese a este patrón general, un número limitado de proteínas sí se vio reducido en los nódulos control de la sequía parcial, por lo que investigar su implicación en la adaptación de la planta al estrés hídrico podría resultar de gran interés.