Análisis del metabolismo de poliaminas de maíz bajo condiciones de estrés biótico y abiótico

Abstract

"Soil salinity, in conjunction with drought, high and low temperatures, constitute the major abiotic stresses affecting plant growth and development. In addition, pathogen and insect attack contribute to another percentage of losses in crop productivity. Polyamines, putrescine, spermidine and spermine (Put, Spd and Spm), are low molecular weight aliphatic polycations involved in multiple physiological and developmental processes in plants, and also in response to biotic and abiotic stress conditions. In the present work, we analysed changes in maize polyamine metabolism under two different stress conditions. On one side, we analyzed the effect of salinity (abiotic stress) and on the other side, the interaction of the maize plant with the biotrophic fungus Ustilago maydis. Up to now few sequences coding maize polyamine biosynthetic genes have been isolated and characterized. In these sense, we isolated the full length cDNA sequence and also the genomic sequence equivalent to the open reading frame of the maize spermidine synthase 2 (Zmspds2) gene. This gene participates in Spd biosynthesis from Put. Interestingly, the genomic organization of this gene is highly homologous to other genes encoding plant aminopropyl transferases (spermidine and spermine synthases), conserving size and sequence similarity of most of the exons. In addition, introns also present a considerable sequence homology, including conservation of plant exon/intron boundaries. At the transcriptional level, we analysed the expression of the Zmspds2 gene and that of other genes involved in polyamine biosynthesis (adc, odc and samdc), in different maize organs, finding a predominant expression in leaves. In the case of salt stress, we observed an up-regulation of the Zmspds2, Zmspds1 and samdc genes. Our results suggest an important role of the Zmspds2 gene in the response of maize plants to salt stress, in which transcript accumulation might be related to spermine accumulation and/or maintenance of the intracellular levels of this polyamine under stress. In addition, a splicing variant of the Zmspds2 gene (Zmspds2B) was identified to be induced only in response to NaCl. We observed that the Zmspds2 gene is responsive to abscisic acid (ABA), osmotic stress and heat shock suggesting the presence of cis acting elements such as ABRE, DRE/CTR and HSE in the promoter region of this gene."

"La salinidad, junto con la sequía y las bajas temperaturas, constituyen los factores ambientales más adversos que afectan dramáticamente el desarrollo de las plantas. Además, el ataque por patógenos e insectos constituye un factor más en la pérdida de los cultivos. Las poliaminas, putrescina, espermidina y espermina (Put, Spd y Spm), son policationes alifáticos de bajo peso molecular involucrados en múltiples procesos fisiológicos y de desarrollo en plantas, y también en respuesta a factores de estrés biótico y abiótico. En el presente trabajo, se analizaron cambios en el metabolismo de las poliaminas de maíz bajo dos condiciones de estrés, uno abiótico que comprende el efecto del NaCl y el otro biótico, que incluye la interacción del maíz con el hongo biotrófico Ustilago maydis. Pocos genes involucrados en la biosíntesis de poliaminas de maíz han sido aislados y caracterizados. En este sentido, se aisló la secuencia completa del ADNc y la secuencia genómica equivalente al marco de lectura abierto de la espermidina sintasa 2 (Zmspds2) de maíz. Este gen participa en la biosíntesis de Spd a partir de Put. De manera interesante, la organización genómica del gen de la Zmspds2 es altamente homologa a otros genes que codifican para aminopropil transferasas de plantas (espermidina o espermina sintasas), manteniendo conservados el tamaño y la secuencia de la mayoría de los exones. Respecto a los intrones, se observó que también mantienen una similitud elevada, y conservan los bordes típicos entre las secuencias exon/intron de plantas. A nivel transcripcional, se analizó la expresión del gen Zmspds2 junto con la de otros genes involucrados en la biosíntesis de poliaminas (adc, odc y samdc) en diferentes órganos de la planta de maíz, encontrándose una expresión mayoritaria de estos transcritos en hojas. En el caso del estrés salino, se observó una regulación positiva de los genes Zmspds2, Zmspds1 y samdc. Sugerimos, que principalmente, el gen que codifica para la ZmSPDS2 podría jugar un papel muy importante en la respuesta del maíz a este tipo de estrés, ya que su expresión. aumenta con la subsecuente acumulación y/o mantenimiento de los niveles intracelulares de espermina. Además, se aisló una variante de procesamiento alternativo (“splicing”) del transcrito del Zmspds2 (Zmspds2B), la cual se expresa únicamente en presencia de cloruro de sodio. Se encontró que el gen de la Zmspds2 se induce en respuesta a ácido abscísico (ABA), choque osmótico y altas temperaturas lo que sugiere la presencia de elementos de respuesta como ABRE, DRE/CRT, HSE en el promotor de este gen. Estas evidencias sugieren una conexión importante entre el estrés salino, el ácido abscísico y las poliaminas. En el caso del estrés biótico, se analizó el metabolismo de las poliaminas de maíz durante la interacción con Ustilago maydis, incluyendo etapas de la infección como clorosis y la formación de tumores. Esta interacción dió lugar a un aumento en la expresión de los genes adc, samdc1, samdc2 y samdc3 en los tejidos infectados. Además, un aumento notorio en la actividad ADC en los tejidos infectados, se asoció a la acumulación de Put libre y conjugada en estos sitios. La formación de conjugados podría estar asociada directamente con la infección. Estos conjugados participarían en la generación de agentes anti-fúngicos y también en la reducción de la concentración poliaminas libres que podrían estar involucradas en el desarrollo del tumor. Por otro lado, el catabolismo de poliaminas (espermidina y espermina) mediado por la enzima PAO, fue estimulado durante la interacción, sugiriendo un papel importante de este proceso en la lignificación y la formación de la pared durante el desarrollo del tumor. Este trabajo, constituye el primer reporte de regulación transcripcional de la espermidina sintasa en respuesta a estrés salino en plantas y la presencia de una variante de splicing asociada a este proceso. Por otro lado, la evidente acumulación de putrescina libre y conjugada durante el desarrollo de tumores inducidos por Ustilago maydis en maíz, sugiere un papel sumamente importante para la putrescina en estrés biótico."