Evaluación de la tolerancia cruzada adquirida, entre el estrés hídrico y térmico, mediante la cuantificación de los genes hsp70 y ubiquitina, empleando RT-PCR semicuantitativo

Abstract

El déficit hídrico y el estrés térmico producen grandes daños y pérdidas en los cultivos de plantas comerciales. Con el calentamiento global han aumentado cada vez más las zonas desérticas. Por lo tanto surge la necesidad de estudiar plantas capaces de soportar condiciones de aridez. Aloe barbadensis Miller (Aloe vera), es una planta fisiológicamente adaptada a las condiciones desérticas, presentando metabolismo САМ. A. vera es de gran importancia económica debido a las cualidades farmacéuticas, alimenticias, cosmetológicas que poseen el gel acumulado en sus hojas. Por sus amplios usos y beneficios económicos el cultivo de Aloe vera ha se ha introducido en el norte de Chile, sin embargo no existe un correcto manejo agronómico, debido a los escasos estudios fisiológicos que se han realizado en esta especie. En este seminario de título se estudió la respuesta de las plantas frente al estrés hídrico combinado con estrés térmico, ya que en condiciones de campo las plantas se encuentran simultáneamente sometidas a ambos factores estresantes. La proteína HSP70, es una chaperona molecular cuya función es replegar las proteínas dañadas a su configuración funcional en las células, mientras que UBIQUITINA es una proteína involucrada en la proteólisis y su función es marcar aquellas proteínas dañadas. Se estudió la expresión de los genes hsp70 y ubiquitina mediante RT-PCR semicuantitativo, utilizando como control de expresión interna el gen del RNA ribosomal 18S. Se realizaron experimentos de combinación de diferentes grados de estrés térmico con diferentes grados de estrés hídrico. Para ello también se sometieron plantas sólo a estrés térmico y sólo a estrés hídrico los que se consideraron experimentos controles. Los resultados de esta tesis, indican que hay una mayor expresión los genes de hsp70 y ubiquitina cuando las plantas son sometidas a estrés hídrico combinado con estrés térmico. En plantas bajo estrés hídrico y térmico combinados se determinó una mayor expresión para el gen de hsp70 en el tratamiento de 25% de CDC y 40°C. Mientras que para el gen de ubiquitina, la expresión es mayor en condiciones de 25% de CDC y 45°C para las puntas y de 25% de CDC y 40°C para las bases. Para el gen hsp70 la mayor expresión en condiciones de estrés combinado fue 50% superior a la registrada por plantas que estaban bajo estrés hídrico y 40% mayor que cuando las plantas estaban en estrés térmico. Para ubiquitina la mayor expresión registrada en condiciones de estrés combinado para las puntas y bases fue más alta (62% y 48% respectivamente) que cuando las plantas estaban bajo estrés hídrico. En tanto, para las puntas y bases también incrementó (30% y 37% respectivamente) respecto a las cuando las plantas estaban en estrés térmico. Estos resultados indican que la respuesta molecular que desencadena el déficit de agua y el estrés térmico para el gen de hsp70 de Aloe Vera posee una vía de transducción de señales que es común para ambos estrés, existiendo una tolerancia cruzada entre ambas vías. Mientras que para el gen de ubiquitina los resultados indican las vías de transducción molecular pueden tener algunos componentes distintos o ser independientes. Los antecedentes experimentales reportados por este seminario de títulos aportan valiosa información a un futuro protocolo de manejo agronómico del cultivo de Aloe vera en el norte de Chile.

Water deficit and heat stress produce extensive damage and loss in commercial plant breeding. Additionally, global warming has increased desert zones. Thus, it is essential to study plants able to withstand dry conditions. Aloe barbadensis Miller (Aloe vera) is a plant physiologically adapted to desert conditions, with CAM metabolism. A. vera has great economic importance because of the pharmaceutical, food and cosmetic qualities of the gel accumulated in the leaves. Due to the multiple applications and health benefits, the cultivation of Aloe vera has increased rapidly in the north of Chile. However there is no proper agronomic management, and few molecular studies have been performed in this species. In this thesis, we studied the combined response of plants against water deficit and heat stress, since in field conditions the plants are simultaneously subjected to both stress conditions. The HSP70 protein is a molecular chaperone which refolds damaged proteins into their functional configuration in cells, whereas Ubiquitin is a protein involved in proteolysis and its function is to mark damaged proteins. Semi-quantitative RT-PCR was used to determine the expression of hsp70 and ubiquitin, using 18S ribosomal RNA gene as the internal expression control. Experiments were performed under different degrees of heat stress and different degrees of water deficit. As controls, plants were subjected to either heat or water stress conditions, independently. The results demonstrate that there was higher expression of hsp70 and ubiquitin under the combined stress condition. In plants under combined water and heat stress, there was a higher expression of hsp70 in the treatment of 25% of field capacity (FC) and 40 °C. However, for ubiquitin, the expression is greater at 25% FC and 45 °C for the tips and 25% of FC and 40 °C for the bases of the leaves. Under combined stress conditions, the expression of hsp70 was 50% higher than in plants subjected only to water stress and 40% higher than those treated only with heat stress. Expression of ubiquitin was 62% and 48% higher in bases and tips, respectively, under combined stress conditions compared to the same samples taken from plants subjected only to water stress. These increases were slightly lower comparing ubiquitin expression in combined versus heat stress conditions (tips 30%, bases 37%). These results indicate that there is a cross tolerance between temperature and water stress for the expression of the hsp70 gene of Aloe Vera, probably because both stress induce a common transduction signal pathway. However, in the case of ubiquitin gene, the findings indicate that some components of the transduction signal pathways might be different or, totally independent. The experimental results reported in this thesis provide valuable information for the future management of agronomic cultivations of Aloe vera in northern Chile.