El estrés abiótico representa un reto en la actualidad, ya que cambios bruscos de temperatura, sequías, inundaciones, alto contenido de metales pesados en el suelo y otros pueden afectar seriamente el cultivo de especies agrícolas en México y el mundo. Como organismos sésiles, las plantas presentan complejos mecanismos de adaptación a un medio ambiente adverso. La percepción inicial involucra receptores de membrana que transducen la señal en cascada a través de proteínas celulares para finalmente regular la expresión de genes específicos que permitan a la planta responder al estrés. Existen condiciones propias del desarrollo de la planta que representan eventos de estrés abiótico y que han sido utilizadas para estudiar genes particulares involucrados en las respuestas apropiadas. Tal es el caso de la maduración de semillas, embriogénesis somática, cambios estacionales y otros.
En nuestro laboratorio hemos estudiado en los últimos años el papel de los RNAs pequeños (sRNAs) en la regulación de la expresión genética durante la inducción de embriogénesis somática (ES) a nivel de desdiferenciación a callos y en la respuesta pluripotente de tejidos desdiferenciados para la regeneración de plantas en el modelo de maíz (Proyecto vigente IN214118). En estos estudios hemos identificado cambios en la expresión de microRNAs (miRNAs) y otros sRNAs que participan en la señalización por fitohormonas y respuestas a estrés ambiental mediante la regulación de sus transcritos diana. Por otra parte, análisis a nivel global del transcriptoma revelaron que los procesos celulares más representados en un tejido explante con elevado potencial embriogénico son la proliferación celular y la totipotencialidad.
Aunque el modelo de embriogénesis somática nos ha permitido identificar nodos clave de regulación por RNAs pequeños que potencialmente impactan el proceso de desdiferenciación y regeneración de plantas, una de las desventajas del modelo es que representa tejidos con múltiples tipos celulares que coexisten en el sistema de cultivo in vitro, lo que dificulta definir la función particular de los nodos en la respuesta a estímulos. Acorde a esto, en la presente propuesta queremos profundizar en el análisis de algunos de los miRNAs y sRNAs identificados previamente como relevantes en las respuestas a elevadas concentraciones de auxinas y estrés abiótico e incorporar el estudio de su regulación en el sistema de germinación de maíz. En este modelo se han estudiado con éxito las vías de señalización por auxinas y estrés abiótico en los que participan los sRNAs de nuestro interés. Por otra parte, la investigación a nivel de germinación y crecimiento temprano de la plántula tendrá un impacto mayor en el conocimiento para entender las respuestas de una planta de amplio interés agrícola en el país a condiciones ambientales cambiantes y adversas.
Finalmente, en nuestra propuesta queremos conjuntar el conocimiento previo con el que contamos sobre la regulación de expresión genética a nivel de traducción de mRNAs durante el proceso de germinación y respuesta a estrés con la regulación mediada por miRNAs. Esto nos permitirá indagar sobre la posible conexión miRNAs-control de la traducción, que ha sido ampliamente demostrada en animales, pero muy poco explorada en las plantas. Para esto, proponemos utilizar los estímulos con auxinas y estrés abiótico en el análisis de la señalización por la cinasa Target Of Rapamycin (TOR), regulador central del metabolismo celular, y de los factores de unión al 5'Cap: eIF4E, eIF(iso)4E y 4E-homologous protein (4E-HP), previamente designada como nCBP en plantas, cuya actividad es relevante para los niveles de traducción celular global y de mRNAs específicos.
Los resultados que se esperan de este Proyecto contribuyen al conocimiento fundamental sobre mecanismos de respuesta para contender con situaciones de estrés abiótico, variaciones de temperatura y disponibilidad de nutrientes, así como el efecto de auxinas en etapas tempranas del establecimiento de la planta. El trabajo se realizará con variedades mexicanas de maíz, una especie agronómicamente relevante, y la planta modelo Arabidopsis thaliana será utilizada para la evaluación de mutantes de genes de interés.
Los datos generados de los proyectos PAPIIT previos, IN 214118 (vigente) e IN211215 (anterior), han revelado que cambios en los niveles de sRNAs específicos relacionados con desarrollo, auxinas y estrés son importantes para la plasticidad de respuesta de los tejidos de plantas al ambiente. En la propuesta actual vamos a profundizar en el rol de estos sRNAs (miRNAs y tasiR-ARFs) sobre la regulación de sus transcritos diana en dos escenarios diferentes: el proceso de germinación de semillas de maíz con y sin estímulos externos, así como en el proceso de embriogénesis somática con énfasis a la inducción de callos y regeneración de plantas. Por otra parte, se va a abordar la regulación que ejercen los estímulos sobre la expression de miR528 como nodo importante para respuestas a estrés en plántas monocotiledóneas. Finalmente, abordaremos la regulación traduccional sobre mRNAs específicos ejercida a través del eje de señalización central del metabolismo celular, la cinasa Target Of Rapamycin (TOR) y factores de traducción, con lo cual esperamos conjuntar dos líneas de investigación en el laboratorio en el marco de un mejor entendimiento de los eventos moleculares que ocurren como respuesta a condiciones adverasas en plantas.
Como clave para el éxito de esta propuesta contamos con datos generados sobre sRNAs y transcriptomas en diferentes etapas de la embriogénesis cigótica de maíz y la consecuente inducción de callos a partir de estos (11), así como una caracterización morfológica de los tejidos en inducción y en regeneración de plantas (15). En cuanto al proceso de germinación de maíz, en el laboratorio se ha estudiado la regulación a nivel traduccional y la señalización por TOR de manera parcial in planta (26,29). Asimismo se cuenta con algunas mutantes en Arabidopsis para factores de traducción. El uso de estas herramientas para detectar fenotipos en condiciones de crecimiento óptimas y adversas permitirá apreciar la función de mecanismos regulatorios poco explorados en las respuestas a estrés y adaptación.
La investigación propuesta es multidisciplinaria, aborda una problemática actual y de frontera en el conocimiento como es el estudio de mecanismos clave de regulación de la expresión genética para afrontar condiciones de estrés ambiental en una planta agronómicamente relevante. Para lograr los objetivos se propone la incursión en diferentes áreas de la biología de plantas como regulación transcripcional, regulación traduccional, transducción de señales y análisis bioinformático de datos globales de expresión, lo que permite ampliar el alcance de las metas y fortalecer la calidad de los productos contemplados como publicaciones en revistas internacionales de alto impacto y formación de recursos humanos de posgrado y licenciatura. Esperamos que los resultados generados permitan la publicación de tres artículos en revistas arbitradas internacionales de prestigio, la titulación de dos estudiantes de doctorado que iniciaron su tesis en el proyecto que está por concluir, dos estudiantes de maestría y dos estudiantes de licenciatura.