Estudio de los mecanismos moleculares implicados en la embriogénesis de la microspora en cebada y trigo

Résumé

Los doblehaploides (DHs) son plantas homocigóticas y fértiles. La utilización de estas líneas en programas de mejora ofrece múltiples ventajas, las más importantes radican en la posibilidad de acortar los programas de selección de nuevas variedades, los estudios genéticos y la capacidad de servir como sistema modelo para estudiar el desarrollo embrionario in vitro. La embriogénesis de la microspora, mediante el cultivo de anteras o microsporas aisladas, es en la actualidad el método de producción de DHs en cereales con mayor potencialidad. Aunque en los últimos años se ha hecho un esfuerzo por identificar los mecanismos moleculares que controlan las distintas fases de la embriogénesis de la microspora, la información disponible es muy limitada. En este estudio se ha abordado con éxito la caracterización de los mecanismos moleculares implicados en el inicio del patrón de desarrollo embriogénico de la microspora en cereales. La utilización de herramientas de análisis genómico nos ha permitido caracterizar los mecanismos moleculares que intervienen en las distintas fases del cultivo de anteras de cebada y la identificación de una colección de genes que se activan al inicio del patrón de desarrollo embriogénico y que constituyen una herramienta muy valiosa para posteriores estudios en este sistema. Algunos de los genes identificados como los que codifican para AGPs confirman los resultados de estudios en otras especies, pero otros han sido asociados por primera ver a la embriogénesis de la microspora como TPD1, FMNL14, OPR12, BBI, MEGL7, PR60 y KUN. Se han identificado tres nuevos genes Hv-ME1, Hv-ME2 y Hv-ME3 de los que no se ha descrito homología con ninguna secuencia conocida. Se ha descrito por primera vez la expresión de genes específicos de la ESR, de la BETL y aleurona del endospermo en embriogénesis de la microspora en cebada. Las diferencias en los perfiles de expresión de los genes entre las líneas de distinta capacidad embriogénica demuestran su validez como posibles genes marcadores de la fase inicial de la embriogénesis de la microspora. Los resultados del análisis de transcriptómica y de expresión génica en cebada nos ha permitido la identificación de genes asociados a la embriogénesis de la microspora en trigo panadero. Hay que destacar que solo existía un estudio previo de análisis de expresión génica en este cultivo. Nuestros resultados en trigo confirman la asociación de los genes TPD1, Hv-ME1, MADS1 y un AGP de cebada indicando la existencia de mecanismos comunes en la embriogénesis de la microspora de cebada y trigo. En nuestro estudio, alguno de los genes caracterizados en trigo codifican para proteínas previamente asociadas con la embriogénesis de la microspora en otras especies como GSTs, quitinasas y AGPs. Otros genes como TAA1b, XIP-R1 y WALI6 no se habían asociado con la embriogénesis de la microspora en otras especies. Los genes Ta-TPD1-like, TAA1b, GSTF2, GSTA2, CHI3, Tad1, TaNF-YA7, TaAGL14, XIP-R1, TaME1 y TaEXPB4, identificados en trigo panadero, se validaron en cultivo de microsporas aisladas de triticale en un estudio realizado en colaboración con el Instituto Franciszek Górski of Plant Physiology de la Polish Academy of Sciences (Zur y col. 2013), demostrando la similitud de los mecanismos moleculares implicados en la embriogénesis de la microspora en cereales. En este estudio se han identificado algunos mecanismos de síntesis, degradación y señalización por ABA que intervienen en la embriogénesis de la microspora en cebada. Aunque se ha confirmado la participación de ABA tanto en la fase de tratamiento de estrés como en la fase media de desarrollo embriogénico, por primera vez se describen los genes implicados en ella, demostrando que los mecanismos que intervienen en ambas fases son diferentes. Así, por ejemplo, entre los genes de señalización por ABA, ABI1b y ABI5 participan en las dos fases mientras que FUS3, VP1 y FCA sólo lo hacen en la fase de cultivo. Estos resultados pueden considerarse como un punto de partida para futuros estudios del papel de ABA en la embriogénesis de la microspora en cebada. También se han identificado por primera vez genes que se asocian al efecto inductor de los ovarios en los medios pre-acondicionados para la embriogénesis de la microspora en trigo panadero. Se describe la implicación de un tipo concreto de AGPs, la Fasciclina (FLA26), tanto en el desarrollo embriogénico de la microspora en trigo como en el efecto inductor de los ovarios. Se identificó el gen FER, que codifica para una ¿receptor-like kinase¿, como gen candidato del efecto inductor de los ovarios en cultivo de anteras de trigo. Los genes identificados y caracterizados en este estudio constituyen un recurso muy valioso para estudios de los mecanismos implicados en las etapas tempranas del desarrollo embriogénico, como la adaptación de las microsporas al estrés generado por el cultivo, la determinación de la polaridad en el proembrión, la participación del endospermo en el desarrollo del embrión, la comunicación interna en el embrión, la determinación del carácter embriogénico y de la diferenciación del embrión, la modificación de la pared celular y la inducción por el co-cultivo de ovarios.