Identificación de genes implicados en la longevidad de semilla a partir de un GWAS y aproximación a sus mecanismos de acción

Abstract

[ES] La longevidad de la semilla es una propiedad crucial para el mantenimiento de la diversidad genética de las plantas en la naturaleza y en bancos de semillas, así como para el almacenamiento de semillas de uso agrícola. Las semillas van perdiendo gradualmente viabilidad durante el almacenamiento, y la velocidad de envejecimiento depende de factores tanto ambientales como genéticos. Entre los factores ambientales de mayor relevancia para el deterioro de las semillas se encuentran la humedad, la temperatura y la concentración de oxígeno, que provocan ROS y, en consecuencia, estrés oxidativo. Para llegar a la identificación de los genes implicados en este proceso, se realizó previamente un análisis de asociación de genoma completo (GWAS), sometiendo semillas de unas 300 accesiones naturales de la planta modelo Arabidopsis thaliana a altas presiones de oxígeno durante meses. Los resultados del GWAS permitieron así la identificación de 4 regiones genómicas con SNPs significativamente asociados a la longevidad de semillas, a partir de las cuales se seleccionaron genes candidatos a estar involucrados en dicho carácter. El presente trabajo tiene como objetivos la identificación de los genes con una aportación relevante a la longevidad de entre los genes candidato, así como iniciar su posterior caracterización funcional. Los resultados del trabajo han permitido identificar dos genes con un papel relevante en la longevidad de semillas. Por un lado, el gen codificante para la dehidroascorbato reductasa 1 (DHAR1), implicado en el ciclo detoxificador de ROS del glutatión-ascorbato. Los mutantes de pérdida de función de DHAR1, así como de DHAR2, DHAR3 y sus dobles y triples mutantes, mostraron mayor sensibilidad a los tratamientos de envejecimiento acelerado, mostrando la necesidad del correcto funcionamiento del ciclo para maximizar la longevidad de las semillas. Por otro lado, el gen codificante para el factor de transcripción DOF4.1, cuyos mutantes de pérdida de función mostraron mayor resistencia a los tratamientos de envejecimiento acelerado pero no a otros tratamientos de estrés abiótico realizados durante el establecimiento de la plántula. El fenotipo de tolerancia a envejecimiento de semilla del mutante podría explicarse por la inducción de genes que codifican para Seed Storage Proteins (SSPs), observada gracias al análisis RNASeq de las semillas de mutante y wild type. Estas proteínas podrían contribuir al fenotipo al aportar los nutrientes necesarios para la germinación o por reducir el daño oxidativo a proteínas que se produce durante el almacenamiento de la semilla, tal y como se describe en Nguyen et al., 2015.

[EN] Seed longevity is a crucial characteristic for the maintenance of genetic diversity of plants in nature and in seed banks, as well as for the seed storage for agricultural use. Seeds gradually lose viability during storage, and the speed of their deterioration depends on both environmental and genetic factors. Among the most relevant environmental factors for seed deterioration are humidity, temperature and oxygen concentration, which cause ROS and, consequently, oxidative stress. In order to identify genes involved in this process, a ¿Genome Wide Association Study¿ (GWAS) was previously performed, exposing seeds from about 300 natural accessions of the Arabidopsis thaliana model plant to high oxygen pressures for months. The results of the GWAS allowed the identification of 4 genomic regions with SNPs, that were significantly associated with the longevity of seeds. From these genomic regions, candidate genes suposed to be involved in that character were selected. The objectives of this work are to identifying, among these candidate genes, those with a relevant contribution to seed longevity, and starting their subsequent functional characterization. The results of this work have allowed the identification of two genes with a relevant role in seed longevity. On the one hand, the gene coding for dehydroascorbate reductase 1 (DHAR1), involved in the glutathione-ascorbate ROS detoxification cycle. Loss of function mutants of DHAR1, as well as DHAR2, DHAR3 and its double and triple mutants, showed increased sensitivity to accelerated aging treatments, showing the importance of the cycle for seed longevity. On the other hand, the gene coding for the DOF4.1 transcription factor, whose loss-of-function mutants showed increased resistance to accelerated aging treatments but not to other abiotic stress performed during the establishment of the seedling. The seed tolerance phenotype of the mutant could be explained by the induction of genes coding for Seed Storage Proteins (SSPs), observed through the RNASeq analysis of mutant and wild type seeds. These proteins could contribute to the phenotype by providing the nutrients necessary for germination or by reducing the oxidative damage to proteins that occurs during seed storage, as described in Nguyen et al., 2015.