Guía docente de Respuestas de la Planta al Estrés Abiótico (M48/56/2/13)

En esta materia se abordará desde un punto de vista multidisciplinar, mediante técnicas de fisiología, bioquímica, biología celular y molecular, el estudio de los mecanismos implicados en las respuestas e inducción de la resistencia de las plantas a distintos tipos de estrés abiótico. En particular, se estudiarán los diferentes mecanismos de respuesta de las plantas a estreses abióticos como el déficit hídrico, así como el papel del ácido abscísico (ABA) en estas respuestas, y el uso de parámetros fisiológicos para identificar el grado de estrés. Se estudiará la fisiología molecular del estrés abiótico en plantas, haciendo especial hincapié en el papel de las membranas vegetales en estas respuestas. Se estudiará la función de los transportadores iónicos de las células vegetales y de sus proteínas reguladoras, así como su relevancia en la tolerancia a ciertos tipos de estrés. Además, se analizará la función de las especies de oxígeno y nitrógeno reactivo (ROS y RNS) como generadores de estrés oxidativo o como moléculas señal en la regulación de la expresión génica y de actividades enzimáticas en respuesta al estrés.

 El alumno sabrá/comprenderá/será capaz de:

• RA1. Identificar las diferentes respuestas de las plantas a estreses abióticos, particularmente al déficit hídrico, y aprender metodologías de campo y laboratorio para determinar el efecto del estrés en las plantas.

  RA2. Conocer la importancia del control de la homeostasis iónica en la tolerancia a condiciones ambientales adversas.

  RA3. Conocer  estrategias de mejora de la tolerancia a estreses abióticos en plantas transgénicas con genes responsables de la homeostasis iónica (transportadores iónicos y sus proteínas reguladoras) en la tolerancia a estrés abiótico, particularmente salinidad.

  RA4. Conocer el papel de las hormonas en la regulación de las respuestas de las plantas al estrés, con especial énfasis en el ácido abscísico.

  RA5. Los fundamentos básicos de la formación, mecanismo de acción y sistemas de defensa de las especies de oxígeno y nitrógeno reactivo (reactive oxygen species/reactivenitrogen species, ROS y RNS).

  RA6. Identificar las fuentes de las especies de oxígeno y nitrógeno reactivo y su función tanto en condiciones fisiológicas como de estrés, así como identificar los sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos encargados de regularlos.

  RA7. Percibir la implicación de las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno en procesos fisiológicos complejos como son la respuesta de las plantas frente a condiciones adversas, el desarrollo, la maduración de los frutos, y la senescencia a través de diferentes abordajes teóricos-técnicos actuales.

  RA8. Desarrollar un análisis crítico de la información científica, a través de la discusión de publicaciones relacionadas con la temática de la materia, así como del estudio y discusión de los resultados obtenidos en las clases prácticas.

1. Bioquímica y fisiología molecular del estrés abiótico en plantas.

2. Papel de las membranas plasmática y vacuolar en la tolerancia a estreses abióticos: salinidad.

3. Bases moleculares del transporte iónico en plantas.

4. Respuestas de las plantas al estrés hídrico.

5. Papel del ABA en las respuestas de las plantas a estreses abióticos.

6. Química de la molécula de oxígeno: formas excitadas y formas reducidas.

7. Toxicidad del oxígeno.

8. Sistemas biológicos de protección: antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos.

9. Producción de especies de oxígeno reactivo en orgánulos celulares: cloroplastos, mitocondrias, peroxisomas, retículo endoplasmático y núcleo.

10. Funciones útiles de los radicales libres de oxígeno en el metabolismo celular.

11. Producción de radicales de oxígeno en situaciones de estrés.

12. Óxido nítrico (NO) en plantas: respuesta a estrés

13. Mejora de la tolerancia de las plantas a estreses abióticos: La transformación genética como herramienta para obtener plantas tolerantes a estrés. Algunos ejemplos ilustrativos.

14. Aproximaciones metodológicas aplicadas al estudio del estrés abiótico:

15. Aislamiento de fracciones celulares: orgánulos, membrana plasmática y tonoplasto.

16. Detección, identificación y caracterización de parámetros relacionados con el estrés abiótico: estrés oxidativo y nitrosativo, salinidad estrés hídrico, etc.

SEMINARIOS/TALLERES

Fundamentos teórico-prácticos del análisis de las respuestas a estreses abióticos en las plantas

ROS, RNS y antioxidantes en Agricultura

Exposición y Discusión por Parte de los Alumnos de Publicaciones Científicas Relacionadas con el Curso.

PRÁCTICAS DE LABORATORIO:

Práctica 1. Determinación no invasiva de parámetros indicadores de estrés en plantas.

Práctica 2. Estimación de la peroxidación de lípidos mediante la determinación de MDA

Práctica 3. Actividad de transporte iónico en membranas nativas o reconstituidas mediante técnicas fluorimétricas

Práctica 4. Extractos-proteínas/geles.

Práctica 5. Actividad Catalasa y SOD en extractos vegetales

Respuestas a déficit hídrico y nutrición mineral:

-Lucas M., Diaz-Espejo A., Romero-Jimenez D., Peinado-Torrubia P., Delgado-Vaquero A., Álvarez R., Colmenero-Flores J.M., Rosales M.A. (2024) Chloride reduces plant nitrate requirement and alleviates low nitrogen stress symptoms. Plant Physiology and Biochemistry 212:108717.

-Franco-Navarro J.D., Díaz-Rueda P., Rivero-Núñez C.M., Brumós J., Rubio-Casal A.E., de Cires A., Colmenero-Flores J.M., Rosales, M.A. (2021). Chloride nutrition improves drought resistance by enhancing water deficit avoidance and tolerance mechanisms. Journal of Experimental Botany 72(14), 5246-5261.

-Rosales M.A., Maurel C., Nacry P. (2019) Abscisic acid coordinates dose-dependent developmental and hydraulic responses of roots to water deficit. Plant Physiology 180:2198-2211.

-Rosales M.A., Ocampo E., Rodríguez-Valentín R., Olvera-Carrillo Y., Acosta-Gallegos J., Covarrubias A.A. (2012) Physiological analysis of common bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivars uncovers characteristics related to terminal drought resistance. Plant Physiology and Biochemistry 56:24-34

Homeostasis Iónica

-Rodríguez-Rosales M.P., Rubio L., Pedersen J.P., Aranda-Sicilia M.N., Fernández J.A., Venema K. (2024) Chloroplast envelope K+/H+ antiporters are involved in cytosol pH regulation. Physiologia Plantarum 176:e14376 DOI: 10.1111/ppl.14376

-Mourad Baghour, Francisco Javier Gálvez, María Elena Sánchez, María Nieves Aranda, Kees Venema y María Pilar Rodríguez-Rosales. 2019. Overexpression of LeNHX2 and SlSOS2 increases salt tolerance and fruit production in double transgenic tomato plants. Plant Physiology and Biochemistry 13: 77-86.

-Olivier Cagnac, Mourad Baghour, Noelia Jaime-Pérez, María Nieves Aranda María Elena Sánchez-Romero, María Pilar Rodríguez-Rosales y Kees Venema. 2020. Deletion of the N-terminal domain of the yeast vacuolar (Na+,K+)/H+ antiporter Vnx1p improves salt tolerance in yeast and transgenic Arabidopsis. Yeast 37: 173-185

-Mostapha Maach, Mourad Baghour, Mustapha Akodad, Francisco Javier Gálvez, María Elena Sánchez, María Nieves Aranda, Kees Venema  y María Pilar Rodríguez-Rosales. 2020. Overexpression of LeNHX4 improved yield, fruit quality and salt tolerance in tomato plants (Solanum lycopersicum L.) Molecular Biology Reports 47: 4145–4153

-María Nieves Aranda, María Elena Sánchez Romero, María Pilar Rodríguez-Rosales y Kees Venema.2021. Plastidial transporters KEA1 and KEA2 at the inner envelope membrane adjust stromal pH in the dark.New Phytologist 229: 2080–2090              

- Aranda-Sicilia MN, Aboukila A, Armbruster U, Cagnac O, Schumann T, Kunz HH, Jahns P, Rodríguez-Rosales MP, Sze H, Venema K. 2016. Envelope K+/H+ antiporters AtKEA1 and AtKEA2 function in plastid development. Plant Physiology 172: 441–449.

- Gálvez FJ, Baghour M, Hao G, Cagnac O, Rodríguez-Rosales MP, Venema K. 2012. Expression of LeNHX isoforms in response to salt stress in salt sensitive and salt tolerant tomato species. Plant Physiology and Biochemistry 51: 109-115.

- Geisler M, Venema K. 2011. Transporters and pumps in plant signaling (Geisler M, Venema K eds.). Springer, Series: Signaling and Communication in Plants volume 7. ISBN:978-3-642-14368-7.

- Rodríguez-Rosales MP, Gálvez FJ, Huertas R, Aranda MN, Baghour M, Cagnac O ,Venema K. 2009. Plant NHX Cation/Proton Antiporters. Plant Signaling Behaviour 4: 1-13.

Especies de Oxígeno y Nitrógeno Reactivos (ROS y RNS)

- Sandalio L.M, Collado-Arenal A.M.,  Romero-Puertas MC (2023) Deciphering peroxisomal reactive species interactome and redox signalling networks. Free Radical Biology and Medicine, Vol 197: 58–70. 

- Palma JM, Rodríguez-Ruiz M, Foyer CH, Corpas FJ (2023) Editorial: subcellular compartmentalization of plant antioxidants and ROS generating systems, vol IIFrontiers in Plant Science 14, 1224289. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1224289.

- Romero-Puertas MC, Lüthje S, Zabalza A, de Gara L, Foyer CH (2023) Editorial: women in plant science - redox biology of plant abiotic stress 2022. Frontiers in Plant Science 14, 1236150. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1236150.

- Corpas FJ, Rodríguez-Ruiz M, Muñoz-Vargas MA, González-Gordo S, Reiter RJ, Palma JM (2022). Interactions of melatonin, reactive oxygen species, and nitric oxide during fruit ripening: an update and prospective view. Journal of Experimental Botany 73, 5947-5960. https://doi.org/10.1093/jxb/erac128.

- Corpas FJ, González-Gordo S, Palma JM (2022) NO source in higher plants: present and future of an unresolved question. Trends in Plant Science 27, 116-119. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2021.11.016.

- Palma JM, Corpas FJ (2021) Editorial: Subcellular compartmentalization of plant antioxidants and ROS generating systems. Frontiers in Plant Science 12, 643239. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.643239. 

- Terrón-Camero LC, Peláez-Vico MA, A. Rodríguez-González, C del Val, Sandalio LM, MC Romero-Puertas (2022) Gene network downstream plant stress response modulated by peroxisomal H2O2. Frontiers in Plant Science, Vol. 13: 930721.

- Sing, V.P., Sing S., Tripathi D.K., Romero-Puertas M.C., Sandalio L.M. (EDs) (2022) Nitric Oxide on Plant Biology. An ancient Molecule with Emerging Roles.  Elsevier Academic Press, ISBN: 978-0-12-818797-5.

- Sandalio LM, Peláez-Vico MA, E Molina-Moya, MC Romero-Puertas (2021) Peroxisomes as Redox-Signaling Nodes in Intracellular Communication and Stress Responses. Plant Physiology, 186: 22-35    doi: 10.1093/plphys/kiab060

- Gupta DK, Palma JM, Corpas FJ. 2019. Nitric Oxide and Hydrogen Peroxide Signaling in Higher Plants. Springer, Cham, Suiza, ISBN 978-3-030-11128-1.

- Halliwell B, Gutteridge JMC. 2015. Free Radicals in Biology and Medicine. Oxford University Press, (3ª ed) UK, pp, 888. ISBN 0-19-850044-0.

- del Río LA, Puppo A, (eds). 2009. Reactive Oxygen Species in Plant Signaling. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, pp, 255. ISBN 978-3-642-00389-9.

- Cadenas E, Packer L. 2008. Nitric Oxide, Part F. Methods in Enzymology (V 440): Nitric Oxide, Part D: Oxide Academic Press, New York, USA pp. 466. ISBN: 0123739675.

Regulación Homeostasis iónica por ROS/NO

- Sandalio L.M. , Espinosa J., Shabala S., León J., Romero-PuertasM.C (2023) Reactive oxygen species- and nitric oxide-dependent regulation of ion and metal homeostasis in plants : Journal of Experimental Botany  Vol. 74, No. 19 pp. 5970–5988.

- Hafsi C., Collado-Arenal, Shabala S., Romero-Puertas M.C., Sandalio L.M (2022). The role of NADPH oxidases in regulating leaf gas exchange and ion homeostasis in Arabidopsis plants under cadmium stress. J. Hazard. Mat. 429 128217.

- Antonio Sánchez-McSweeney, Salvador González-Gordo, María Nieves Aranda-Sicilia, María Pilar Rodríguez-Rosales, Kees Venema , José M. Palma  y Francisco J. Corpas. 2021. Loss of function of the chloroplast membrane K+/H+ antiporters AtKEA1 and AtKEA2 alters the ROS and NO metabolism but promotes drought stress resilience. Plant Physiology and Biochemistry 160: 106-119

- Romero-Puertas, M.C., Terrón-Camero, L.C., Pelaez-Vico, M.A., Olmedilla, A., Sandalio, L.M. (2019). Reactive oxygen and nitrogen species as key indicators of plant responses to Cd stress. Enviromental Exp. Bot. 161, 107-119.

.

- Grupos de Investigación en Estrés Abiótico, Antioxidantes y Señalización de la Estación Experimental del Zaidín

• https://www.eez.csic.es/antioxidantes-radicales-libres-y-oxido-nitrico-en-biotecnologia-y-agroalimentacion-arnoba
• https://www.eez.csic.es/fisiologia-molecular-del-transporte-ionico-en-plantas-bajo-condiciones-ambientales-adversas
• https://www.eez.csic.es/senalizacion-dependiente-de-ros-y-oxido-nitrico-y-dinamica-peroxisomal-en-plantas

- Sociedad Española de Biología de Plantas: https://www.sebp.es/

- Federación Europea de Sociedades de Fisología Vegetal: https://fespb.org/

a) Asistencia obligatoria al 80%, como mínimo, de las horas de clases presenciales.

Calificación de este apartado: hasta 4 puntos sobre 10. La no asistencia al mínimo obligatorio supone suspenso.

b) Trabajo complementario y exposición ante sus compañeros y los profesores. Este apartado se valorará hasta 3 puntos sobre 10.

c) Examen final: hasta 3 puntos sobre 10.

En cualquier caso, se valorará que el alumno haya adquirido los conocimientos básicos de este curso y que adquiera una capacidad de razonamiento, análisis y síntesis. Como norma general se establece que los alumnos han de superar con un mínimo de aprobado los tres apartados de evaluación indicados anteriormente.

Para aprobar la asignatura es imprescindible aprobar el examen de contenidos teóricos (obteniendo como mínimo una puntuación de 5 sobre 10); y el examen de prácticas (obteniendo como mínimo una puntuación de 5 sobre 10).

La nota final de la asignatura se obtendrá de la nota de teoría, que supondrá hasta el 80% de la nota final, y de la nota de prácticas que supondrá hasta el 20% de la nota final.