Caracterización de la Absorción de K+ en Arabidopsis thaliana L. y Solanum lycopersicum L.: Regulación de AtHAK5, papel de SlHAK5 e identificación de nuevos sistemas de absorción de K+

Abstract

El K+ es un elemento imprescindible en las células vivas vegetales, el cual, puede llegar a suponer un 10% del peso seco de la planta, siendo considerado un macronutriente en la nutrición vegetal. Durante el siglo XXI, la agricultura deberá ser capaz de hacer frente al aumento de la demanda de productos agrícolas en unas condiciones climáticas cada vez más desfavorables, sumado a la necesidad de minimizar los insumos en las explotaciones agrícolas para garantizar la rentabilidad de las mismas. La obtención y desarrollo de cultivos cada vez más eficientes en la extracción de nutrientes, así como más tolerantes a los diferentes estreses tanto bióticos como abióticos resultan clave para lograr dicho objetivo. El transportador de K+ AtHAK5 y el canal rectificador AKT1 han sido descritos en la planta modelo Arabidopsis thaliana como los principales responsables de la absorción de K+ por la raíz, estando la actividad de estos sistemas condicionada por las condiciones ambientales. Estos sistemas de trasporte de K+ se han descrito en otras especias vegetales, aunque en cada una de ellas pueden existir diferencias funcionales específicas. En condiciones de deficiencia de K+, AtHAK5 es el principal sistema que permite la entrada de K+ al interior de la planta, produciéndose la activación de este transportador por el complejo AtCIPK23/AtCBL1. En esta Tesis Doctoral se demuestra cómo, a parte de este complejo, otros complejos AtCIPK/AtCBL son capaces de activar dicho transportador, como es el caso AtCIPK1/AtCBL1, AtCIPK1/AtCBL9 y AtCIPK9/AtCBL1. El estudio en profundidad de esta compleja red de señalización es imprescindible para comprender la regulación de la absorción de K+ y los mecanismos implicados en hacer frente a distintas condiciones de estrés y poder así desarrollar plantas más tolerantes a dichos estreses. Los estudios realizados en esta Tesis Doctoral en tomate, empleando mutantes obtenidos mediante CRISPR-Cas, han permitido demostrar el papel del transportador SlHAK5 en la nutrición de K+ en esta especie vegetal. Se ha observado que este transportador de K+ es la principal vía de entrada de K+ en el rango micromolar, así como de Cs+. Por otra parte, es imprescindible para mantener una correcta nutrición de K+ en condiciones de estrés salino, jugando así un papel importante en la tolerancia a la salinidad. Además, este sistema parece desempeñar un importante papel en la fertilidad de la planta, ya que está implicado en la absorción de K+ en el tubo polínico durante su crecimiento. El estudio de especies vegetales distintas a Arabidopsis permite poner de manifiesto las diferencias y similitudes que puedan existir en la función de los sistemas de transporte de K+ entre especies. En esta Tesis Doctoral también se describen distintos estudios realizados con el doble mutante de Arabidopsis con pérdida de función para los genes AtHAK5 y AKT1, que ponen de manifiesto una tercera vía de entrada de K+ a través de la raíz, distinta de AKT1 y AtHAK5. El mutante athak5akt1 presenta una alta sensibilidad a Cs+ ya que presenta una baja discriminación entre K+ y Cs+, lo cual indica que el Cs+ está entrando en la raíz a través del mismo sistema de absorción de K+. Una mutagénesis con EMS ha permitido la obtención de plantas mutantes de la línea athak5akt1 con una mayor tolerancia a Cs+. Esto permitirá en el futuro, identificar esta tercera vía de entrada de K+ en la planta

K+ is an essential element in living plant cells, which can account for 10% of the dry weight of the plant, being considered a macronutrient in plant nutrition. Current and future agriculture must be able to cope with the increasing demand for agricultural products in increasingly adverse climatic conditions, in parallel with minimizing inputs to ensure their profitability. Obtaining and developing crops with high use efficiency of nutrients, as well as more tolerant to different biotic and abiotic stresses are key to achieving this challenge. The K+ AtHAK5 transporter and the AKT1 inward rectifier K+ channel have been described in the model plant Arabidopsis thaliana as the main entities for K+ uptake by the root, the activity of these systems being conditioned by environmental conditions. These K+ transport systems have been described in other plant species, although in each of them there may be specific functional differences. Under conditions of K+ deficiency, AtHAK5 is the main system that allows the entry of K+ to the interior of inside the plant. AtHAK5 is activated by the AtCIPK23/AtCBL1 complex. This Doctoral Thesis demonstrates that, in addition to this complex, other AtCIPK/AtCBL ones can activate this transporter, such as AtCIPK1/AtCBL1, AtCIPK1/AtCBL9 and AtCIPK9/AtCBL1. The in-depth study of this complex signalling network is essential to understand the regulation of K+ uptake and the mechanisms involved in coping with different stress conditions, something required to develop plants more tolerant to these stresses. The studies carried out in this Doctoral Thesis on tomato, using KO mutants obtained through CRISPR-Cas, has allowed to demonstrate the role of the SlHAK5 transporter in the nutrition of K+ in this plant species. SlHAK5 has been shown to be the main entry pathway for K+ and Cs+ from micromolar concentrations. In addition, it is shown that, SlHAK5 is essential to maintain proper K+ nutrition under low K+ supply and the presence saline stress, playing thus this transport system an important role in plant tolerance to salinity. Furthermore, this system seems to play an important role in the fertility of the plant, since it is involved in the absorption of K+ in the pollen tube during its growth. Studies as the one presented here, on plant species different to the model plant Arabidopsis, makes it possible to reveal the differences and similarities that may exist in the function of the K+ transport systems between species. This Doctoral Thesis also describes different studies carried out to identify K+ transport systems different to AtHAK5 and AKT1 involved in root K+ uptake. For this purpose, the Arabidopsis loss of function double mutant for the AtHAK5 and AKT1 genes, which reveals a third K+ entry pathway, different to AKT1 and AtHAK5, has been used. The athak5akt1 mutant shows a high sensitivity to Cs+ because of it low discrimination between K+ and Cs+, which suggests that Cs+ is entering the root through the same system as K+. Mutagenesis of the athak5akt1 line with EMS has allowed obtaining mutant plants with a higher tolerance to Cs+. This may make it possible in the future to identify this third route of entry of K+ into the plant