Fisiología molecular del metabolismo vegetal

El grupo se estableció en el Instituto de Biotecnología a mediados del año 2005 como un grupo partner del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas de Golm (Alemania) con el objetivo de conducir una línea de investigación en Genómica Funcional de plantas con énfasis en la disección, aislamiento y análisis funcional de genes involucrados en las propiedades nutricionales de los frutos.

Por:

 

PARTICIPANTES

Dra. Luisa Bermudez Salazar. Investigadora Asistente de CONICET. Docente de la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires.

Lic. Estanislao Burgos. Becario doctoral ANPCYT.

Dr. Fernando Carrari. Investigador de INTA. Investigador Independiente de CONICET. Profesor de la Universidad de Buenos Aires.

Lic. Carla Coluccio Leskow. Becaria doctoral CONICET.

Lic. Mariana Conte. Investigador INTA.

Dra. Marina Insani. Investigador INTA.

Lic. Gabriel Lichtenstein. Becario doctoral CONICET.

EX-PARTICIPANTES:

Dr. Ramón Asís. Becario postdoctoral. Posición actual: Investigador Adjunto del CONICET en CIBICI.

Dra. Fabiana de Godoy. Becaria doctoral en la USP (Brasil). Posición actual: BioRad Brasil.

Dra. Guadalupe Dominguez. Becaria doctoral. Posición actual: Umea Plant Science Center Suecia.

Dr. Tomás Duffy. Becario postdoctoral. Posición actual: Becario postdoctoral en USC Dornsife.

Dra. Laura Kamenetzky. Becaria postdoctoral e Investigador Asistente del CONICET. Posición actual: Investigador Adjunto del CONICET en IMPAM-CONICET-UBA.

Dra. Mariana Lopez. Becaria postdoctoral e Investigador Asistente del CONICET. Posición actual: Investigador Asistente del CONICET en el grupo: Genómica de cereales y oleaginosas (IB-INTA).

Dr. Leandro Quadrana. Becario doctoral. Posición actual: Becario postdoctoral en IBENS Francia.

INICIOS

El grupo se estableció en el IB a mediados del año 2005 como un grupo partner del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas de Golm (Alemania) con el objetivo de conducir una línea de investigación en Genómica Funcional de plantas con énfasis en la disección, aislamiento y análisis funcional de genes involucrados en las propiedades nutricionales de los frutos.

OBJETO DE ESTUDIO

Los factores genéticos y moleculares que determinan procesos bioquímicos en órganos cosechables de las principales especies de Solanaceae (ie. tomate, papa y tabaco) son el principal foco de estudio del grupo de trabajo. Mediante la aplicación de herramientas genómicas y postgenómicas se aborda el estudio de determinantes genéticos asociados a alteraciones metabólicas con interés biotecnológico.

Las especies de plantas de las Solanaceae constituyen un reservorio de recursos genéticos regionales de gran valor potencial para la agricultura. Particularmente, el tomate es uno de los cultivos de mayor importancia económica mundial y a su vez, constituye el modelo de estudio actual de frutos frescos. El objetivo principal de este grupo de trabajo es entender las bases epi/genéticas y los mecanismos moleculares que determinan cambios metabólicos en los frutos de tomate a partir de la exploración de especies silvestres del género Solanum. El análisis de la diversidad presente en éste género se estudia a nivel de la organización genómica y la variación metabólica de los frutos en especies cultivadas y silvestres de tomate, que determinan caracteres metabólicos de importancia industrial y nutricional.

MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN

Para la identificación de genes candidatos involucrados en caracteres de importancia industrial y nutricional se aplican métodos de mapeo genético y físico utilizando marcadores moleculares e información genómica disponible por medio de herramientas de bioinformática.

Protocolos de silenciamiento génico estable (plantas transgénicas) y transiente (vectores virales) mediados por ARN interferente se han puesto a punto en el laboratorio para el análisis funcional de genes candidatos.

Plantas transgénicas de distintas especies de Solanaceae (tomate, papa y tabaco) se desarrollan en el laboratorio de Cultivos de Tejido y Transformación del IB y se analizan por metodología clásicas tanto moleculares (expresión de genes por PCR cuantitativa, direccionamiento sub-celular de proteínas, fraccionamiento sub-celular, etc.), como bioquímicas (mediciones de metabolitos -HPLC y GC/MS- y actividades enzimáticas) y de fisiología vegetal (mediciones de parámetros de crecimiento y desarrollo en condiciones controladas, parámetros fotosintéticos, etc).

La integración de datos de diversas categorías funcionales se ensaya por métodos de estadística paramétrica y no paramétrica.

Se utiliza germoplasma modelo de uso corriente en diferentes laboratorios del mundo, mutantes de EMS detectadas por TILLING y cultivares locales (cultivares criollos).

APORTES AL CONOCIMIENTO Y A LA INSTITUCIÓN

En los últimos años, sobre la base de la identificación de loci asociados a la variación en los contenidos de metabolitos de los frutos de tomate (QML) iniciamos una aproximación genómica con el objetivo de disectar los componentes genéticos implicados en la regulación metabólica de esta especie. En 2010, reportamos un mapa físico detallado de 104 de los QML mencionados, y la anotación y análisis estructural de más de 400 nuevos alelos de S. pennellii (Kamenetzky et al, 2010).

En colaboración con grupos locales y extranjeros iniciamos un análisis más exhaustivo de los candidatos localizados en otros 106 QML localizados en 8 de los 12 cromosomas de tomate involucrando 52 y 9 diferentes metabolitos y caracteres asociados al rendimiento, respectivamente (Bermúdez et al, 2008). Los resultados de este trabajo representaron los pasos iniciales en la integración de los patrones genéticos, genómicos y de expresión de genes con caracteres metabólicos de los frutos y a partir de ellos se produjeron plantas de tomate transgénicas que permitieron, hasta el momento, develar el rol funcional de dos proteínas: GAUT4; una glicosil transferasa involucrada en la síntesis de pectinas (de Godoy et al, 2013) y SPA; una pequeña proteína de cloroplastos con función de chaperona (Bermúdez et al, 2014).

A su vez, hemos extendido la búsqueda de posibles determinantes genéticos de las variaciones metabólicas observadas en los frutos incluyendo el análisis genes blanco de microARN (miARNs) que co-localizan con QML de interés. Basados en el grado de conservación de secuencia entre los microARN de Arabidopsis y los de tomate construimos una base de datos relacional (miSOLRNA) que contiene información acerca de la posición de mapa de los genes de tomate que codifican miARN, sus patrones de expresión y co-localización con los QML previamente identificados (Bazzini et al, 2010).

Además, en colaboración con el laboratorio del Dr. Norberto Iusem (Universidad de Buenos Aires, Argentina) hemos estudiado los miembros de una familia de genes de tomate (ASR) involucrados en el crosstalk entre el metabolismo de azúcares y la señalización por hormonas (Carrari et al, 2004 y Frankel et al, 2006). Mediante el uso de un enfoque de la genética reversa en papa encontramos que las papas silenciadas para ASR1 presentan menor acumulación de biomasa en los tubérculos, mientras que las sobrexpresantes ASR1 mostraron una disminución en el número de tubérculos (Frankel et al, 2007). Más recientemente, demostramos que ASR1 modula los niveles de glucosa en tejidos fotosintéticos de tabaco (Domínguez et al, 2013).

Nuestro grupo se integró a los consorcios de secuenciación de los genomas de Solanaceae (The Tomato Genome Consortium, 2012 y Bolger et al, 2014) aportando el genoma mitocondrial completo de tomate y esto nos permitió a su vez, el desarrollo de herramientas aplicables a la Genómica Funcional de Plantas (Quadrana et al, 2011).

Hemos colaborado activamente con investigadores del Centro de Investigación de Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional de la Unversidad del Litoral en el desarrollo de una herramienta computacional denominada *omeSOM (Milone et al, 2010), diseñada para apoyar la minería de datos en bases de datos biológicos. Este software ha sido de gran utilidad para la integración de datos metabólicos, genómicos y de expresión de genes, identificando las redes de co-regulación en las vías biosintéticas de vitamina E (Almeida et al, 2011 y Quadrana et al, 2013).

PERSPECTIVAS

Uno de los principales problemas de la horticultura en Argentina es la fuerte estacionalidad que marca su producción. En las últimas décadas este problema se ha tratado de solucionar a partir de la incorporación de tecnologías de cultivos protegidos, siendo la primera en importancia en este sentido en casi todas las regiones productoras (Mercado Central, 2012). No obstante, la mejora de la competitividad resultante de esta incorporación, el alto costo de la semilla híbrida importada, la falta de tipificación para la diferenciación del producto y los bajos precios estacionales constituyen las principales variables de impacto negativo que impiden un mejor aprovechamiento del mercado nacional e internacional. Esto pone en evidencia la necesidad de incorporar nuevas variedades de tomate que produzcan frutos de alta calidad, diferenciadas por sus características nutraceúticas, organolépticas y con buen comportamiento agronómico. Sin embargo, hasta no lograr el entendimiento acabado de las bases genéticas y fisiológicas que subyacen a estos caracteres es poco probable que se puedan plantear esquemas de selección para mejorarlos.

En el corte y mediano plazo nuestros objetivos abordaran el problema de la calidad de las materias primas cosechables, tomando como modelo de estudio a la especie tomate. A partir de la valoración del germoplasma local (cultivares criollos), cultivado, mantenido y consumido por productores familiares andinos y, recientemente recolectado (Peralta et al, 2008) y caracterizado por tecnologías postgenómicas, nos proponemos identificar las bases genéticas que determinan la calidad nutricional y los caracteres organolépticos buscados por los consumidores.

En un trabajo reciente del grupo descubrimos que el mecanismo posible de un QTL para contenidos de vitamina E de los frutos se relaciona con el estado de metilación del gen que codifica para una enzima clave de la vía biosintética (Quadrana et al, 2014). A su vez, encontramos una proteína de tomate que podría ser la ortóloga funcional de una proteína que en mamíferos regula la secreción de vitamina E por células hepáticas (α-TTP, por alpha-Tocopherol Transfer Protein: Kono et al, 2013). Más aún, trabajos previos apuntaron acerca del rol de las invertasas en la determinación de sólidos solubles de los frutos (Fridman et al, 2004). Recientemente, hemos encontrados que la cinética de estas enzimas es finamente modulada por péptidos regulatorios y hemos obtenido plantas transgénicas de tomate con niveles alterados de una invertasa citosólica.

En los próximos 3-5 años, nos proponemos entender los mecanismos regulatorios de la calidad nutricional de los frutos a partir de estudiar en detalle las marcas epigenéticas asociadas a estos rasgos y el rol funcional de la proteína α-TTP en plantas. A su vez, el problema de la calidad industrial de los frutos será abordado a partir de entender en detalle el rol de las invertasas citosólicas en la partición de asimilados a los frutos.

PUBLICACIONES RELEVANTES DE LOS ULTIMOS AÑOS

(Para ver el listado completo Scopus y Google Scholar)

1- Rossi M, Bermudez L, Carrari F. 2015. Crop yield: challenges from a metabolic perspective. Current Opinion in Plant Biology. 25:79-89.

2-Bolger T, Scossa F, Bolger M, Lanz C, Maumus F, Tohge T, Quesneville H, Alseekh S, Sørensen I, Lichtenstein G, Fich E, Conte M, Keller H, Schneeberger K, Schwacke R, Ofner I, Vrebalov J, Xu Y, Osorio S, Aflitos SA, Schijlen E, Jiminez-Gomez JM, Kimura S, Kumar R, Koenig D, Headland LR, Maloof J, Sinha N, van Ham RCHJ, Klein Lankhorst R, Mao L, Arsova B, Fei Z, Rose J, Zamir D, Carrari F, Giovannoni JJ, Weigel D, Usadel B and Fernie AR. 2014. The genome of the stress tolerant wild tomato species Solanum pennellii. Nature Genetics 46:1034-1038.

3-Quadrana L, Almeida J, Asís R, Duffy T, Dominguez PG, Bermúdez L, Conti G, Corrêa da Silva JV, Peralta I, Colot V, Asurmendi S, Fernie AR, Rossi M, Carrari F. 2014. Natural occurring epialleles determine vitamin E accumulation in tomato fruits. Nature Communications. 5:3027. doi:10.1038/ncomms5027.

4-Bermudez L, de Godoy F, Baldet P, Demarco D, Osorio S, Quadrana L, Almeida J, Asis R, Gibon Y, Fernie A, Rossi M, Carrari F. 2014. Silencing of the tomato Sugar Partitioning Affecting protein (SPA), modifies sink strength through a shift in leaf sugar metabolism. The Plant Journal. 77(5):676-87.

5-Dominguez PG, Frankel N, Mazuch J, Balbo I, Iusem ND, Fernie AR, Carrari F. 2013. Asr1 mediates glucose-hormone crosstalk by affecting sugar trafficking in tobacco plants. Plant Physiol. 161(3)1486-1500.

6-The Tomato Genome Consortium: 312 authors. From my lab: Conte M, Lichtenstein G and Carrari, F. 2012. The tomato genome sequence provides insights into fleshy fruit evolution. Nature. 485:635-641.

TESIS DE GRADO Y POSTGRADO

Guadalupe Dominguez. 2014. Análisis funcional del factor de transcripción ASR1 desde una perspectiva metabólica, fisiológica y molecular en plantas de tabaco y tomate. Tesis Doctoral. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Universidad de Buenos Aires.

Leandro Quadrana. 2013. Análisis funcional de los determinantes genéticos del metabolismo de vitamina E en tomate. Tesis Doctoral. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires.

Fabiana de Godoy. 2013. Estudo de regiões genômicas envolvidas no metabolismo de aminoácidos e na determinação da estrutura da parede celular no tomateiro. Tesis Doctoral. Instituto de Biociencias. Universidad de San Pablo (Brasil).

Luisa Bermudez Salazar. 2011. Caracterização de determinantes genéticos envolvidos na qualidade industrial e nutricional do fruto de tomate. Tesis Doctoral. Instituto de Biociencias. Universidad de San Pablo (Brasil).

Carla Coluccio Leskow. 2009. Análisis genómico y funcional de una invertasa (β-D-fructofuranósido fructohidrolasa) de Arabidopsis thaliana involucrada en la producción de biomasa radical. Tesis de Licenciatura. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires.

COLABORADORES

Dr. Ramón Asís. CIBICI. CONICET. Universidad de Córdoba.

Dr. Pablo Asprelli. Estación Experimental Agropecuaria INTA La Consulta.

Drs. Talia del Pozo y Mauricio Gonzalez. INTA. Universidad de Chile.

Dr. Alisdair Fernie. Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas. Alemania.

Dra. Guadalupe Galindez. Estación Experimental Agropecuaria INTA Salta.

Dr. Noberto Iusem. IFIBYNE. CONICET. Universidad de Buenos Aires.

Dr. Adriano Nunes-Nesi. Universidad Federal de Viçosa. Brasil.

Dra. Sonia Osorio. Universidad de Málaga. España.

Dra. Iris Peralta. Universidad de Cuyo. Mendoza.

Dra. Magdalena Rossi. Laboratorio de Genética Molecular de Plantas. Universidad de San Pablo. Brasil.

Dr. Christophe Rothan. INRA Joint Research Unit Fruit Biology. Francia.

Drs. Georgina Stegmayer y Diego Milone. Research Center for Signals, Systems and Computational Intelligence. Universidad del Litoral. Santa Fe.

Dra. Estela Valle. IBR. CONICET. Universidad de Rosario.

Dra. Mathilde Causse. INRA UR 1052, Génétique et Amélioration des Fruits et Légumes. Francia.

DIFUSIÓN. COMUNICADOS DE PRENSA

IB na Revista Nature. Universidad de San Pablo. Junio 2014.

Desactivan proteína de tomate para aumentar la producción. Agencia CTyS. Junio 2014.

Tomate silenciado trabaja más. Página 12. Marzo 2014.

Misterios en torno de la vitamina E. Página 12. Julio 2013.

Encontraron la clave para que el tomate recupere su sabor. Tapa de Clarín. Clarín. Mayo 2012.

Tomate: decodifican su código genético y ahora buscan devolverle su sabor. Diario C (Catamarca). Mayo 2012.

Tomate: decodifican su código genético y ahora buscan devolverle su sabor. INFOBAE. Mayo 2012.

Decodifican el genoma de tomate. InfoCampo. Mayo 2012.

Revelaron el genoma completo del tomate. La Mañana de Neuquén. Mayo 2012.

Tomates: revelaron el genoma completo. La Voz del Interior. Mayo 2012.

El tomate volverá a tener sabor. Minuto Uno de Neuquén. Mayo 2012.

Investigadores del INTA y del CONICET descifraron el genoma del tomate. NEA Rural. Mayo 2012.

Decodifican los genomas para hacer un mejor tomate. BBC Mundo. Mayo 2012.

Tomate: En la búsqueda de las "Razas Criollas". AgroMeat. Agosto 2012.

VIGS: Rapid Progression from Candidate Genes to Validated Functions. ISB News Report. Noviembre 2011.

Fluorescence acts as a guidepost in plant tissue. Max Planck Institute. Julio 2011.

Nuevo software para análisis molecular. Revista RIA. Junio 2011.

Using systems biology to model the metabolic networks in tomato fruit development. Eurekalert. Junio 2008.

ENLACES DE INTERES

Base de datos: Tomato mitochondrial genome

Base de datos: Tomato microRNA

Sol Genomics Network

Tool for data mining of metabolic and transcriptional datasets: *omeSOM.