Respuestas fisiológica y molecular de plantas de arroz crecidas bajo estrés osmótico

Abstract

Las plantas están expuestas a diversos tipos de estrés abiótico incluyendo sequía y salinidad, los cuales constituyen los principales factores que limitan la productividad de los cultivos en el mundo. Para responder al estrés, las plantas han desarrollado una serie de mecanismos fisiológicos, bioquímicos y moleculares. Entre estos últimos, los factores de transcripción juegan un papel preponderante en la regulación de la expresión de genes, y su identificación y caracterización es esencial para la regulación transcripcional y conferir tolerancia al estrés. El objetivo de este trabajo fue analizar las respuestas fisiológicas de cuatro cultivares mexicanos de arroz al estrés osmótico dado por deshidratación y salinidad, así como las respuestas moleculares de dos cultivares con respuestas contrastantes a los factores de estrés, en condiciones de hidroponía. Primero se evaluaron las respuestas fisiológicas de cuatro cultivares de arroz: Cotaxtla, Tres Ríos, Temporalero y Huimanguillo, bajo deshidratación dada por la adición de 10% PEG a la solución nutritiva y salinidad ocasionada adicionando 100 mM NaCl a la solución nutritiva. El cultivar Cotaxtla resultó más tolerante al presentar menor reducción en el crecimiento y mayor síntesis de aminoácidos totales y prolina. Tres Ríos fue el cultivar más sensible, al tener mayor reducción en el crecimiento y un nulo rendimiento del fotosistema II bajo condiciones de salinidad. Usando la técnica de RT-PCR en tiempo real se realizó un tamiz de 51 genes. Al analizar la curva de disociación se seleccionaron sólo 41 genes que mostraron un pico único en la curva. Para el análisis de la expresión relativa de los genes se utilizó el método 2–ΔΔCT, con actina como gen de referencia y el testigo. La evaluación se hizo a las 6 y 24 h después de la aplicación de los tratamientos. Del análisis del perfil de expresión de los genes de interés se hallaron 11 genes inducidos por deshidratación en Cotaxtla, y 17 en Tres Ríos. Respecto a salinidad, cuatro genes fueron inducidos y seis genes reprimidos en Cotaxtla; mientras que en Tres Ríos, 30 genes fueron inducidos y dos reprimidos. Finalmente, se identificaron 10 genes candidatos (Os03g02800, Os08g33910, Os01g66490, Os01g15640, Os07g04560, Os09g33490, Os10g21560, Os03g42630, Os02g36880 y OsNAC6) involucrados en las respuestas a salinidad y tres genes (Os03g60080, Os07g04560 y Os01g59640) a deshidratación, ya que tuvieron un patrón de expresión contrastante en los dos cultivares evaluados. Estos resultados proveen evidencia de genes candidatos potencialmente involucrados en respuestas del arroz al estrés osmótico cuya caracterización subsecuente puede ayudar a descubrir nuevos mecanismos moleculares que controlan las respuestas de las plantas al estrés ocasionado por deshidratación y salinidad. _______________ PHYSIOLOGICAL AND MOLECULAR RESPONSES OF RICE PLANTS GROWN UNDER OSMOTIC STRESS. ABSTRACT: Plants are exposed to diverse kinds of abiotic stress including drought and salinity, and both drought and salinity are the major factors affecting crop productivity worldwide. To respond to abiotic stress factors, plants have developed a series of physiological, biochemical and molecular mechanisms. Among the later, transcription factors play a pivotal role in regulating gene expression, and therefore, their identification and characterization are essential for controlling gene transcription and conferring stress tolerance. Hence, this study aimed to analyze the physiological responses of four Mexican rice cultivars to osmotic stress (dehydration and sióalinity) as well as the molecular responses of two contrasting cultivars to the stress factors under hydroponic conditions. First we analyzed the physiological responses of the four Mexican rice cultivars: Cotaxtla, Tres Ríos, Temporalero and Huimanguillo under dehydration given by 10% PEG into the nutrient solution, and under salinity, adding 100 mM NaCl to the nutrient solution. Results showed that the cv. Cotaxtla was more tolerant to the osmotic stress, as plants showed less growth reduction and higher synthesis of amino acids, while Tres Ríos demonstrated to be the most sensitive cultivar, as its growth was drastically reduced in comparison to the others, and a null Photosystem II yield under salt conditions was registered. Using the real time RT-PCR technique, we performed a screening of 51 genes encoding NAC transcription factors. After analyzing the dissociation curve we selected only 41 genes showing only one pick in their respective melting curve. In order to analyze the relative expression of the genes we used the method 2–ΔΔCT, with actine as the housekeeping gene and a control gene. The evaluation was carried out 6 and 24 h after application of treatments. The expression profiling analysis of selected genes showed that 11 genes were induced by dehydration in the cv. Cotaxtla, while in Tres Ríos 17 genes were induced by the same stress factor. Concerning salinity tests, four genes were induced and six repressed in Cotaxtla, whereas in Tres Ríos 30 genes were induced and two repressed. Finally, we identified 10 genes (Os03g02800, Os08g33910, Os01g66490, Os01g15640, Os07g04560, Os09g33490, Os10g21560, Os03g42630, Os02g36880 and OsNAC6) potentially involved in salt stress responses and three genes (Os03g60080, Os07g04560 and Os01g59640) likely to be involved in dehydration responses, as those genes showed a contrasting expression pattern in both cultivars evaluated (one tolerant, the other sensitive). Our results provide evidence of candidate genes potentially involved in osmotic stress responses which subsequent characterization may help to discover novel molecular mechanisms controlling dehydration and salt stress responses.