Efecto local y sistémico del nitrato sobre la actividad de los nódulos de Medicago truncatula durante la fijación de nitrógeno

Abstract

Las leguminosas son de gran importancia para la rotación de cultivos. Estas plantas son capaces de realizar simbiosis con bacterias del género Rhizobium para formar un órgano en las raíces conocido como nódulo radicular en donde se produce la fijación de nitrógeno atmosférico (N2). Las plantas son las encargadas de regular la fijación del N2, mediante dos procesos: 1) control de la cantidad de nódulos que desarrolla, y; 2) reducción de la actividad de los nódulos, es decir, la cantidad de N2 fijado. Factores ambientales como las deficiencias nutricionales afectan el crecimiento de la planta, provocando un cambio en la concentración de nitrógeno (N) en las hojas, generando una regulación de la actividad de los nódulos. Por otra parte, la adición de una fuente externa de N hace reducir la fijación de N2, reprimiendo la actividad en los nódulos. Varios trabajos indican que la inhibición de la fijación de N2 podría estar mediada por una regulación molecular a nivel del nódulo. Sin embargo, una diferenciación del efecto local y sistémico del nitrato sobre la inhibición de la actividad del nódulo es necesaria para entender su funcionamiento, como también conocer cómo son las reacciones tempranas de la expresión de genes en los nódulos después de la adición de nitrato. Por ejemplo, genes candidatos como nicotianamina sintasa podrían estar involucrados en la regulación de la actividad de los nódulos. La nicotianamina es un precursor de fitosideróforos los cuales poseen una alta afinidad por el hierro (Fe), favoreciendo la movilidad celular de este elemento. Este mineral es esencial para la formación de la enzima nitrogenasa y la proteína leghemoglobina, ambas centrales para el correcto funcionamiento de la fijación de N2. En este estudio se busca caracterizar el efecto temprano de la adición de nitrato sobre la actividad de los nódulos y diferenciar si este efecto es local y/o sistémico. Plantas noduladas crecidas en macetas fueron tratadas con nitrato de potasio (KNO3), en las cuales se evaluó la expresión de genes candidatos en nódulos, raíces y hojas a los siguientes tiempos: 0, 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90 y 120 minutos desde la aplicación. La expresión de los genes se cuantificó mediante PCR cuantitativa. Para diferenciar el efecto local del sistémico, se realizó un análisis del transcriptoma de los nódulos en plantas crecidas en un sistema de raíz dividida (split-root) y tratadas con nitrato en uno de sus lados. En este experimento se comparó la expresión de genes de los nódulos de la parte tratada con nitrato y los de la parte sin tratar. Los principales resultados indican que la adición de nitrato afecta de manera rápida la actividad de genes involucrados en la fijación de N2. La actividad de los genes que codifican para leghemoglobina, hipoxia y nicotianamina sintasa alteraron su expresión rápidamente tras la adición de nitrato. La expresión aumentó en los nódulos en respuesta a la adición de nitrato, aunque en el caso de hipoxia, el comportamiento de la expresión fue más errática. El aumento de la expresión de un gen que codifica para nitrato reductasa indica que, posiblemente, el nódulo posee una actividad importante de transporte y asimilación de nitrato. El análisis del transcriptoma de nódulos en plantas que fueron tratadas a un solo lado de las raíces/nódulos con nitrato, indica que existe una reprogramación de la expresión de los genes en los nódulos de ambos lados de la planta. Esto sugiere que el nitrato posee un efecto local y sistémico. No sólo se ven afectados los genes involucrados en el transporte y asimilación de nitrato, sino que también, aquellos genes responsables de la generación de energía y senescencia del nódulo.