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Tesis doctoral presentada para lograr el título de Doctor por la Universidad Pública de Navarra, Departamento de Agronomía, Biotecnología y Alimentación, Programa de Doctorado en Biotecnología, Las plantas son metaorganismos que regulan su desarrollo y metabolismo en respuesta a diferentes estímulos externos. Conviven con microorganismos emisores de compuestos que difunden a través del suelo tales como azúcares, proteínas, exopolisacáridos, sideróforos, ácidos grasos, ácidos orgánicos, aminoácidos y hormonas que modifican la fotosíntesis, el metabolismo y el crecimiento de las plantas (Philippot et al., 2013; De-la-Peña and Loyola-Vargas, 2014; Backer et al., 2018). Los microorganismos beneficiosos también emiten compuestos volátiles (VCs) que fomentan el crecimiento, la captación de nutrientes y la fotosíntesis, modulan la arquitectura de la raíz, activan la respuesta de defensa de la planta e incrementan su resistencia al estrés salino y la sequía (Ryu et al., 2003; Zhang et al., 2008; Splivallo et al., 2009; Zhang et al., 2009; Gutiérrez-Luna et al., 2010; Kanchiswamy et al., 2015; Park et al., 2015; Ledger et al., 2016). Estudios llevados a cabo por el grupo de investigación en el que he realizado mi tesis doctoral demostraron que las bacterias y los hongos fitopatógenos también emiten VCs con propiedades bioestimulantes (Sánchez-López et al., 2016b). Cambios en el crecimiento, la fotosíntesis, el desarrollo y el metabolismo de la planta inducidos por VCs microbianos están asociados a grandes variaciones en el transcriptoma, el proteoma y el redox-proteoma de la planta (Sánchez- López et al., 2016b; Ameztoy et al., 2019, 2021). Tales variaciones sugieren que la respuesta de la planta a los VCs microbianos está regulada tanto a nivel transcripcional como no-transcripcional. Con el fin de profundizar en los mecanismos que median la relación entre la planta y los microorganismos, en este trabajo investigué el papel que juega el transportador de hexosas fosfato plastidial (GPT2) inducible por VCs en la respuesta de la planta modelo de laboratorio Arabidopsis thaliana a VCs emitidos por el hongo fitopatógeno Altenaria alternata. Además, investigué el papel que juega en dicha respuesta el residuo de cisteína 95 de la fructosa bifosfatasa plastidial (cFBP1), un enzima del ciclo de Calvin-Benson cuya actividad está sujeta a cambios en el estado redox inducibles por la luz. En el capítulo 1 de esta tesis presento los resultados de mi investigación sobre el papel que juega GPT2 en la respuesta de las plantas a VCs microbianos. Para realizar esta investigación, analicé y comparé el crecimiento, la fotosíntesis y el proteoma de plantas wild type (WT), mutantes carentes GPT2 (gpt2-1), mutantes carentes PGI1 (pgi1-2) y doble mutante pgi1-2gpt2-1 cultivadas en presencia o ausencia de VCs fúngicos. Además, caractericé la respuesta a estos compuestos de plantas pgi1-2/gpt2-1 que expresan GPT2 bajo el control de un promotor específico de haces vasculares. Finalmente, caractericé el patrón de expresión de GPT2 en plantas que expresan el gen reportero GUS bajo la acción de la secuencia promotora de GPT2. Los resultados obtenidos mostraron que, de manera similar a lo que ocurre en plantas WT, los VCs fomentan el crecimiento, la fotosíntesis y la acumulación de citoquininas activas y almidón en plantas pgi1-2 y gpt2-1. Tal respuesta fue reducida en plantas pgi1-2gpt2-1 y se revirtió a WT al expresar GPT2 en haces vasculares., Estudios comparativos de los proteomas de plantas pgi1-2 y pgi1-2gpt2-1 mostraron que GPT2 regula la expresión de proteínas relacionadas con la fotosíntesis. Es más, los estudios de expresión mostraron que GPT2 se expresa en haces vasculares y está sujeto a complejos mecanismos de regulación. Globalmente, los resultados presentados en este capítulo indican que en condiciones en las cuales la actividad de PGI está reducida, la respuesta de la planta a VCs microbianos conlleva una regulación de la expresión de proteínas relacionadas con la fotosíntesis a través de mecanismos en los que GPT2 juega un papel importante en la provisión de sustrato necesario para la producción de citoquininas en haces vasculares. Trabajos llevados a cabo en el grupo de investigación en el que he realizado este mi tesis mostraron que la exposición a VCs microbianos conlleva cambios globales en el redox-proteoma de las plantas (Ameztoy et al., 2019). Tales cambios incluían la reducción de residuos de cisteína altamente conservados a lo largo de la evolución de enzimas del ciclo de Calvin-Benson. En el capítulo 2 presento los resultados de mi investigación sobre el papel que juega el residuo de cisteína 95 de la cFBP1 en su actividad, en la fotosíntesis y en la respuesta de las plantas a VCs microbianos. Para realizar esta investigación, comparé las propiedades electroforéticas y cinéticas de cFBP1 WT y una forma mutada en la que el residuo de cisteína 95 fue sustituido por un residuo de serina (C95S). Además, comparé la fotosíntesis y el crecimiento de plantas de Arabidopsis cfbp1 carentes de cFBP1 endógena que expresan ectópicamente formas WT o C95S de cFBP1. Los resultados mostraron que el residuo de cisteína 95 juega un papel importante en la actividad de cFBP1 y en la fotosíntesis, pero no en el crecimiento de Arabidopsis., Beca predoctoral de la Universidad Pública de Navarra; Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) y Agencia Estatal de Investigación (AEI)/10.13039/501100011033/(proyectos BIO2016-78747-P y PID2019-104685GB-100).

In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the plastidial isoform of phosphoglucose isomerase (PGI1) mediates photosynthesis, metabolism, and development, probably due to its involvement in the synthesis of isoprenoid-derived signals in vascular tissues. Microbial volatile compounds (VCs) with molecular masses of, This work was supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) and Agencia Estatal de Investigación (AEI)/10.13039/501100011033/ (grants BIO2016-78747-P, PID2019-104685GB-100 and PID2019-107657RB-C22) and the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic and the European Regional Development Fund (ERDF) project entitled “Plants as a tool for sustainable global development” (No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000827).

Volatile compounds (VCs) emitted by the fungal phytopathogen Penicillium aurantiogriseum promote root growth and developmental changes in Arabidopsis. Here we characterized the metabolic and molecular responses of roots to fungal volatiles. Proteomic analyses revealed that these compounds reduce the levels of aquaporins, the iron carrier IRT1 and apoplastic peroxidases. Fungal VCs also increased the levels of enzymes involved in the production of mevalonate (MVA)‐derived isoprenoids, nitrogen assimilation and conversion of methionine to ethylene and cyanide. Consistently, fungal VC‐treated roots accumulated high levels of hydrogen peroxide (H2O2), MVA‐derived cytokinins, ethylene, cyanide and long‐distance nitrogen transport amino acids. qRT‐PCR analyses showed that many proteins differentially expressed by fungal VCs are encoded by VC non‐responsive genes. Expression patterns of hormone reporters and developmental characterization of mutants provided evidence for the involvement of cyanide scavenging and enhanced auxin, ethylene, cytokinin and H2O2 signaling in the root architecture changes promoted by fungal VCs. Our findings show that VCs from P. aurantiogriseum modify root metabolism and architecture, and improve nutrient and water use efficiencies through transcriptionally and non‐transcriptionally regulated proteome resetting mechanisms. Some of these mechanisms are subject to long‐distance regulation by photosynthesis and differ from those triggered by VCs emitted by beneficial microorganisms.

Los métodos tradicionales utilizados en la conservación del patrimonio histórico incluyen principalmente el uso de insecticidas sintéticos, que presentan las desventajas de su toxicidad y de su falta de inocuidad sobre el sustrato a tratar. En este artículo se presenta una alternativa a estos métodos basada en el empleo de sustancias biocidas extraídas o provenientes de hongos entomopatógenos, como son Beauveria bassiana y Metarhizium anisopliae. La presente propuesta incluye dos variantes no excluyentes como son el uso de conidios y la aplicación de geles con enzimas y toxinas provenientes de dichas especies. Esta metodología aporta ventajas con respecto a los métodos tradicionales, como la no toxicidad para el manipulador, la aplicabilidad a diferentes sustratos independientemente de su tamaño y localización, y su prácticamente nula reactividad frente al sustrato.

The plastid-localized phosphoglucose isomerase isoform PGI1 is an important determinant of growth in Arabidopsis thaliana, likely due to its involvement in the biosynthesis of plastidial isoprenoid-derived hormones. Here, we investigated whether PGI1 also influences seed yields. PGI1 is strongly expressed in maturing seed embryos and vascular tissues. PGI1-null pgi1-2 plants had ∼60% lower seed yields than wild-type plants, with reduced numbers of inflorescences and thus fewer siliques and seeds per plant. These traits were associated with low bioactive gibberellin (GA) contents. Accordingly, wild-type phenotypes were restored by exogenous GA application. pgi1-2 seeds were lighter and accumulated ∼50% less fatty acids (FAs) and ∼35% less protein than wild-type seeds. Seeds of cytokinin-deficient plants overexpressing CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE1 (35S:AtCKX1) and GA-deficient ga20ox1 ga20ox2 mutants did not accumulate low levels of FAs, and exogenous application of the cytokinin 6-benzylaminopurine and GAs did not rescue the reduced weight and FA content of pgi1-2 seeds. Seeds from reciprocal crosses between pgi1-2 and wild-type plants accumulated wild-type levels of FAs and proteins. Therefore, PGI1 is an important determinant of Arabidopsis seed yield due to its involvement in two processes: GA-mediated reproductive development and the metabolic conversion of plastidial glucose-6-phosphate to storage reserves in the embryo., This work was partially supported by the Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Spain) (Grants BIO2013-49125-C2-1-P and BIO2016-78747-P), the Ministry of Education, Youth, and Sports of the Czech Republic (Grant LO1204 from the National Program of Sustainability I), the Government of Navarra (ref. P1004 PROMEBIO), the Università degli Studi di Milano (UNIMI-RTD-A, Linea2-DBS 2017-2018), and the H2020-MSCA-RISE Project (ExpoSeed GA-691109).