Análisis de la respuesta del arroz a temperaturas subóptimas: un enfoque integrado

Abstract

El arroz (<i>Oryza sativa</i> L.) es uno de los cultivos de cereal más importante en el sistema mundial alimentando cerca de la mitad de la población del mundo y su cultivo, procesado y comercio representa una de las actividades económicas más importantes en la Tierra. Durante los meses de cultivo las temperaturas son óptimas (28-30 °C) para el arroz pero altas frecuencias de temperaturas subóptimas son observadas. A pesar de que algunos estudios tempranos demostraron que la velocidad de crecimiento del arroz y su metabolismo son notablemente inhibidos en el rango de 15-20 °C, las bases fisiológicas del retraso del crecimiento del arroz permanecen mayormente inexploradas. Por lo tanto, el objetivo de esta Tesis fue estudiar la respuesta de plántulas de arroz de cultivares contrastantes a temperaturas subóptimas de crecimiento a diferentes niveles organizacionales y dilucidar algunos mecanismos relacionados con su tolerancia. Con el fin de lograr nuestro objetivo, diseñamos un método de tamizado (screening) para detectar variabilidad en sensibilidad entre cultivares de arroz en el estadio de plántula sometidos a temperaturas subóptimas típicamente encontradas en el campo (13/21 °C d/n, Entre Ríos, Argentina). Este método se basó en la reducción del crecimiento de la tercer hoja y tuvo algunas ventajas, por ejemplo, fue específicamente diseñado para probar temperaturas subóptimas, es un método rápido y fácil de montar en una cámara de crecimiento donde múltiples cultivares pueden caber a la vez, y es un método cuantitativo. Es de destacar que las mediciones realizadas en las cámaras de crecimiento correlacionaron fuertemente con las realizadas en el campo, por lo tanto el sistema propuesto pudo predecir lo que sucedió en el campo y funciona como un sistema modelo del estrés. La principal característica del estrés por temperaturas subóptimas fue la reducción del crecimiento de la plántula a nivel de vástago y a nivel de la hoja. El análisis de crecimiento de la cuarta hoja junto con los análisis del transcriptoma, proteoma y sistema redox coincidieron en que los procesos relacionados con la división celular estaban inhibidos y que ocurrió daño en la zona de división con lo cual se activaron sistemas antioxidantes enzimáticos en esta zona como respuesta. La disminución del crecimiento fue asociada con el daño del fotosistema II evidenciado en el análisis rápido de fluorescencia transitoria de la clorofila y que impactó, además, en la velocidad de fotosíntesis y la conductancia estomática. Por otra parte, la asimilación, almacenamiento y uso de carbono estuvieron comprometidos. Diferentes estudios comparativos entre cultivares tolerantes y sensibles nos permitieron distinguir algunas respuestas al estrés que estaban asociadas con su variabilidad en sensibilidad. Por lo tanto, vinculamos la tolerancia al estrés por temperaturas subóptimas con la capacidad de mantener un aparato fotosintético sano, la protección de la zona meristemática que realiza la división celular, y el balance entre la asimilación de carbono, su almacenamiento y uso. Por primera vez, aquí describimos los efectos más importantes del estrés por temperaturas subóptimas en plántulas de arroz y detectamos posibles mecanismos asociados a su tolerancia que deberían ser estudiados más ampliamente. Este trabajo ayudará en el diseño de futuras estrategias para apilar mecanismos de tolerancia que permitirán obtener cultivares de alto rendimiento con mejor desempeño bajo este estrés. La creación de nuevos programas de mejoramiento asistido por marcadores podría ser un buen modo para abordar esta problemática y, por lo tanto, los estudios basados en la asociación del genoma completo en base a los mecanismos descriptos podrían ayudar en encontrar nuevos marcadores.

Rice (<i>Oryza sativa</i> L.) is one of the most important cereal crops in the global food system feeding nearly half the world’s population and its cultivation, processing and trade represents one of the biggest economic activities on Earth. During the months of culture the temperatures are optimal (28-30 °C) for rice but high frequencies of suboptimal temperatures are observed. Although some early studies demonstrated that rice growth rate and metabolism are noticeably inhibited in the range of 15-20 °C, the physiological bases for rice growth delay by suboptimal temperatures remain fairly unexplored. Hence, the aim of this Thesis was to study the response of rice seedlings from contrasting cultivars to suboptimal temperatures of growth at different organization levels and elucidate some mechanisms related with tolerance. In order to achieve our goal we designed a screening method for detecting variability in sensitivity among rice cultivars at the seedling stage subjected to suboptimal temperatures usually found in the field (13/21 °C d/n, Entre Ríos, Argentina). This method was based on the reduction of the growth of the third leaf and it had some advantages, for instance, it was specifically designed for testing suboptimal temperatures, it was a quick method easy to set up in a growth chamber where multiple cultivars can fit at once, and it is quantitative. It is noteworthy that the measurements done in growth chambers were highly correlated with the ones in the field, pointing out that the proposed system was able to predict what happened in the field and so it works as a model system of the stress. The main characteristic of the suboptimal temperatures stress was the reduction of the seedling growth at the shoot as well as at the leaf level. The growth analysis of the fourth leaf together with the transcriptome, proteome and redox system analyses accorded that processes related with cell division were inhibited and that damage occurred in the division zone so enzymatic antioxidant systems were triggered in this zone as a response. The diminution of growth was associated with a detriment of the Photosystem II evidenced in fast-transient chlorophyll analyses that impacted also in the photosynthetic rate and stomata conductance. Besides, carbon assimilation, storage and usage were also compromise. Different comparative analysis between tolerant and sensitive cultivars allowed us to distinguish some responses to the stress that could be associated with its variability in sensitivity. Hence, we associated the tolerance against suboptimal temperatures stress with the capacity of maintaining a healthy photosynthetic apparatus, the protection of the meristematic zone that leads cell division rate, and the balance between carbon storage and usage. For first time we here described the major effects of the suboptimal temperatures stress in rice seedlings and detected possible mechanism of tolerance that should be further studied. This work will help to design future strategies for stacking tolerant mechanisms that will help in the obtaining of high yield cultivars that perform better under this stress. The creation of new marker assisted breeding programs could be a good way to address this issue and, hence, genome-wide association studies based on the described mechanism could help for finding new markers.