LA NUTRICIÓN DE LAS PLANTAS: UNA MIRADA HACIA EL FUTURO · LA NUTRICIÓN DE LAS PLANTAS: UNA...

Dr. Antonio Molina Departamento de Biotecnología-UPM

Escuela Técnica Superior de Ingenierso Agrónomos

Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (UPM-INIA)

LA NUTRICIÓN DE LAS PLANTAS: UNA MIRADA HACIA EL FUTURO

Research Group

Plant Innate Immunity and Resistance to Necrotrophic Fungi

Financial Support

Dr. Antonio Molina

(Universidad Politécnica de Madrid, CBGP)

er-1 WT

Del laboratorio … al mercado

EDIFICIO PRINCIPAL: 7.391 m2

INSTALACIONES DEL CBGP

SERVICIOS DE INVESTIGACIÓN

• Microscopía.

• Plataforma de Genotipado HRM

• Plataforma de Proteomica.

• Plataforma de metabolomica.

• Instalación de Bioseguridad P3.

INSTALACIONES PARA EL CULTIVO DE PLANTAS

Laboratorio …….……………………….123 m2

Superficie cultivo (fitotrones) …..350 m2

Invernadero ……………………………..1200 m2

- Convencional (611 m2) - Bioseguridad P2 (200 m2)

LA NUTRICIÓN DE LAS PLANTAS: UNA MIRADA HACIA EL FUTURO

Aspectos fisiológicos, moleculares y genéticos a considerar en el

abordaje de la optimización de la nutrición vegetal.

Tecnologías disponibles y utilidad en el desarrollo de nuevas

tecnologías.

La nueva visión del suelo: Metagenómica, microroganismos,

plantas y nutrientes.

Tecnologías emergentes: presente y futuro

LA COMPLEJIDAD DE LA NUTRICIÓN VEGETAL:

Aspectos fisiológicos, moleculares, genéticos y microbiológicos a considerar

Las principales áreas agrícolas tienen una deficiencia crónica en metales (Fe y Zn principalmente)

Alloway (2008)

Deficiencia media

Deficiencia severa

La baja disponibilidad de metales en suelos causa: - Cosechas reducidas (menos

metales para la fotosíntesis)

- Mayor sensibilidad a estreses ambientales (menos metales para muchas de las proteínas que combaten el estrés)

- Mayor sensibilidad a patógenos (los metales participan en la respuesta inmune)

- Menor valor nutricional para humanos y animales

Las plantas viven en íntima asociación con microorganismos del suelo

Hongos

micorrícicos (85 % plantas)

Rizobios (leguminosas)

PGPR

Estos microorganismos: - Mejoran la captación de

fosfatos, nitratos y amonio

- Protegen frente a estreses bióticos y abiótics

- En leguminosas fijan nitrógeno atmosférico

- Mejoran la captación de metales esenciales en suelos con baja biodisponibilidad

¿Cómo es el intercambio de metales entre planta y los microorganismos asociados?

Micorriza Nódulo

N2 NH3

Nódulo

senescente

? ? ?

¿Cuáles son los mecanismos que regulan el intercambio de metales? - Incrementar el aporte desde

las micorrizas (mejora en la nutrición mineral de la planta)

- Incrementar la llegada de metal al nódulo (mejores tasas de fijación de nitrógeno, menos fertilizantes nitrogenados)

- Seleccionar y/o diseñar variedades de élite con capacidades mejoradas de intercambio de metales entre los simbiontes

STARTING GRANT ERC: Manuel González Guerrero (CBGP) Metal Transport in the Tripartite Symbiosis Arbuscular

Mycorrhizal Fungi-Legume-Rhizobia (METALSYM). ERC-2013-StG-335284.

HERRAMIENTAS “OMICAS”

NECESIDAD DE CONOCER EL METABOLISMO DE LAS PLANTAS

ADN

ARN

Proteinas

L-threonine

N H 2

O H O

O H

glucose

O H

O H

O H

O H

O

O H

Deficiencias

de nutrientes

y estreses

Compurestos Bioqiumicos

Disminución de la complejidad, Basado en la Bioquímica Proximidad al fenotipo

GENÓMICA EPIGENÓMICA

TRANSCRIPTÓMICA (RNAseq, micromatrices, etc)

PROTEÓMICA (Fosfoproteómica, etc.)

METABOLÓMICA (metabolismo primario,

secundario, ionómica, etc.)

Cultivadas en condiones Óptimas de Nutrientes

Purificación de ARNs Purificacion de ARNs

Análisis Transcriptómico (microarrays, RNAseq, qRT-PCR, etc.) comparativo:

Análisis Bioinformático mediante Clustering

Cultivadas en Deficiencias Nutricionales

Genes diferencialmente expresados en plantas cultivadas en deficiencia de nutrientes

Muestreo a diferentes días tras el inicio del cultivo

P4

Rs

P3

Gc

P1

Pc

Genes diferencialmente expresados en plantas cultivadas en deficiencia de nutrientes

8.3

7.7

7.5

6.1

5.1

5.1

4.9 4.2 4.1 4.0

3.3 3.0

3.0

3.0

2.7 1.1 0.9

26.2 cell wall

plastid

electron transport or

energy pathways

extracellular

chloroplast

response to stress

response to abiotic

or biotic stimulus

hydrolase activity

plasma membrane

other enzyme activity

transferase activity

protein binding

nucleotide binding

nucleus

protein metabolism

developmental processes

nucleic acid binding

uncategorized functions

Normed to frequency in Arabidopsis set percentaje

l

- P 3 días

- P 21 días

- P 48 días

- N

Nutrientes optimos

REPROGRAMACIÓN DE EXPRESIÓN GÉNICA

POR DEFICIENCIAS EN NUTRIENTES

ROJO: GEN INDUCIDO

VERDE: GEN REPRIMIDO

IDENTIFICACIÓN DE GENES QUE REGULAN LA RESPUESTA

A DEFICIENCIAS NUTRICIONALES

Analisis de la expresión de todos los genes (25.000-32.000) de una especie vegetal (cultivo)

- P 7 dias

CLUSTERS (Y REDES DE REGULACIÓN)

DE GENES EXPRESADOS DE FORMA

SIMILAR EN DIFERENTES ORGANOS

VEGETALES EN CONDICIONES DE

DEFICIENCIA DE HIERRO

Global Effects on Metabolism Disease Biomarkers Mechanistic Toxicology Drug MOA Cellular Characteristics

Data Interpretation • 100’s of Studies •Institutional Knowledge •Expert Biochemists

Heat Maps by Pathway

Metabolon Platform Technology Statistical Analysis

Metabolyzer™

Eliminate Noise

Data Reduction

Library Search RT, Mass, MS/MS

Biochemical Extraction

UHPLC-MS/MS (+ESI)

GC-MS (+EI)

UHPLC-MS/MS (-ESI) 15,000 ion features

15,000 ion features

15,000 ion features

17

The effect of – P

Gruber B et al. Plantphysiol 2013;163:161-179

The effect of – N

EFECTOS DE LOS NUTRIENTES EN LA ARQUIETCTURA RADICULAR:

PLATAFORMAS DE FENOTIPADO

PCA of the modifications in RSA in response to nutrient deficiencies.

EL IMPACTO DEL

MICROBIOMA INTESTINAL

EN LA NUTRICIÓN HUMANA:

“la revolución nutricional

microsilenciosa”

LA METAGENÓMICA PERMITE CARACTERIZAR LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO, DE LA RIZOSFERA Y LOS “HABITANTES DE LAS RAICES” DE LAS PLANTAS: ÉSTOS NO ESTÁN EN LA MISMA PROPORCIÓN

LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO “DIALOGAN” CON LAS PLANTAS: ESTABLECIMIENTO DE LAS INTERACCIONES EN LA RIZOSFERA VEGETAL

El establecimiento de la interacción depende entre otros factores de: • Población de Microorganismos en el

suelo • Genética de la planta • Genética del microorganismo • Señales de la planta • Señales del microorganismo

Data & Scientists Exchange

PROYECTO SACCHAROME: El microbioma de la caña de azúcar

Un elemento clave en la sostenibilidad de un cultivo bioenergético

UPM

Bilateral Research Contracts

Joint Research Centre

SACCHAROME: Rationale

1. Sustainability of intensive sugarcane culture over the years • > 30 yrs with no fertilization for some varieties, esp. in São

Paulo state • The plant needs 100 – 150 kg N / Ha + P, water • Role of associated microorganisms (J. Döbereiner)

2. Importance and future of sugarcane as bioenergetic crop • 7 E6 Ha @ 75-150 Tm biomasa /Ha (Brazil) • Bio-ethanol Brazilian model (7000 l/Ha) • Possibilities for improvement AND expansion

HYPOTHESIS: Key role of the microbiome in crop

sustainability (nutrition, hormone synthesis, bio-control)

INICIATIVA BIOTECH-UPM

HORIZONTE-2020

LOS NUEVOS RETOS DE LA ENSEÑANZA SUPERIOR

EN LA FORMACIÓN DE PROFESIONALES E INVESTIGADORES DEL ÁREA BIOTECNOLÓGICA

DEPARTAMENTO BIOTECNOLOGÍA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (UPM)

GRADO DE BIOTECNOLOGÍA DE LA UPM

Co-Founders

Antonio Molina Fernández, Universidad Politécnica de Madrid Professor

Pablo Rodriguez Palenzuela, Universidad Politécnica de Madrid Professor

Research & Development Company

UPM Spin-off

Green Biotechnology

Transfer labs excellence to growers

Plant Response Biotech Products and Technologies

Plant Health Care: PAMPs, MAMPs and DAMPs activating Plant Innate Inmmunity

Plant Stress Care: Metabolites involved in plant resistance to abiotic stresses

Plant Yield: Microorganisms providing synergistic benefits to plants

Plant Breeding: Genes (traits) to develop novel varieties with increased yield

Plant breeding: Discovery in a dry spell Michael Eisenstein (2013) Nature, 501: 57-59.

FAST-TRACK metabolite screening platform for Agrobiologicals

MODE OF ACTION: The receptor

has been identified.

PRB1 Product Development

PRB1 50 µg/ml

PRB1 Mode of action. Determination of the expression of the Arabidopsis thaliana

innate immunity gene WRKY33 by qRT-PCR. Wild-type plants (Col-0) and a mutan

impaired in PRB1 Receptor wer treated with water (white bars) or PRB1 (black bars).

0

2

4

6

8

1 0

1 2

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W R K Y 3 3

C o n t r o l

2 0 0 µ g m l - 1 S T M

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2 0 0 µ g m l - 1 S T M

Control

200 mgml-1 PRB1

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33 R

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trol

HIGH THROUGHPUT SCREENING:

Platform developed for Arabidopsis and

Crops.

The number of leaves is significantly higher

when PRB31 is sprayed or watered, in a

confidence threshold of 95% (P=0002).

*

*

Desarrollo del producto PRB31: resistencia de pimiento y tomate a salinidad

Pepper and Tomato Resistance to Salinity

Significant drought resistance in greenhouse

Water Water Spray Irrigation

0,1mM PRB3 0,1mM PRB3 Spray Irrigation

Pepper Drought

Desarrollo del producto PRB33: resistencia de pimiento y tomate a sequia

PRB33 increases mean plant production 39% in tomato under limited water irrigation (30%)

0

500

1000

1500

2000

PRB33

30%Water

Control

30%Water

Control

100%Water

Series1

PRB33 Product Development

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Control

Water

PRB 33 Spray

Water

Control

Drought

PRB 33 Spray

Drought

PRB 33 Seed

Treatment

Drought

Med

ia A

bs

66

3

Clorofil A

* *

* *

PRB33 increases number of green

leaves and chlorophyll content in corn under drought conditions

Research Group

Plant Innate Immunity and Resistance to Necrotrophic Fungi

Financial Support

¡ GRACIAS !