Embed Size (px)
Citation preview
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
E x
p r e
s i ó
n r
e l a
t i v
a d
e W
R K
Y 3
3
( v e
c e
s v
s .
C o
n n
t r o
l )
W R K Y 3 3
C o n t r o l
2 0 0 µ g m l - 1 S T M
0
2
4
6
8
1 0
1 2
E x
p r e
s i ó
n r
e l a
t i v
a d
e W
R K
Y 3
3
( v e
c e
s v
s .
C o
n n
t r o
l )
W R K Y 3 3
C o n t r o l
2 0 0 µ g m l - 1 S T M
0
2
4
6
8
1 0
1 2
E x
p r e
s i ó
n r
e l a
t i v
a d
e W
R K
Y 3
3
( v e
c e
s v
s .
C o
n n
t r o
l )
W R K Y 3 3
C o n t r o l
2 0 0 µ g m l - 1 S T M
Control
200 mgml-1 PRB1
WR
KY
33 R
elati
ve
exp
ress
ion
(n-f
old
in
du
ctio
n v
s. C
on
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 !
