Asimilación y removilización de nitrógeno en cultivares de tomate con eficiencia en el uso de nitrógeno diferencial. Efecto de la edad de la hoja y del aporte de nitrógeno

Abstract

[ES] El uso masivo de fertilizantes nitrogenados para maximizar la producción agrícola ha provocado graves problemas de polución ambiental, que se están intentando evitar en las nuevas normativas limitando el aporte de estos compuestos. Para garantizar los requerimientos de cosechas en este marco, es imprescindible el desarrollo de cultivares con mejor eficiencia en el uso del nitrógeno (NUE), especialmente en condiciones de menor nivel de fertilización. Para abordar estas estrategias de mejora de los cultivos, es necesario conocer los mecanismos moleculares implicados en la asimilación y uso del nitrógeno. En este trabajo, se pretende estudiar los procesos del metabolismo primario de nitrógeno en tomate (Solanum lycorpersicum L.), un cultivo de gran importancia a nivel mundial, que suele producirse en sistemas intensivos con gran demanda de insumos nitrogenados. Se ha analizado la expresión de genes clave en el metabolismo de asimilación y removilización del nitrógeno, como nitrato reductasa (NR), glutamina sintetasa 1 y 2 (GS1 y GS2), asparragina sintetasa (ASNS) y glutamato deshidrogenasa (GDH) en cultivares de tomate con NUE contrastante, y en condiciones de aporte suficiente y limitado de nitrógeno. Asimismo, se ha estudiado la respuesta a la deficiencia de nitrógeno a nivel metabolómico.

Los resultados señalan una variabilidad en la respuesta a este estrés entre cultivares a nivel metabólico y de expresión génica. Mientras algunos responden a la deficiencia en nitrógeno con un incremento en azúcares y ácidos orgánicos, tanto en hoja joven como vieja, en otros se observa una disminución de estos metabolitos. La insuficiencia en nitrógeno no ha supuesto siempre una disminución en el contenido en aminoácidos clave del metabolismo del nitrógeno. También se han observado diferencias en la expresión génica en respuesta a la deficiencia de nitrógeno entre cultivares. Cabe destacar la variación en la expresión de la NR, que sólo se ve reducida en algunos cultivares.

Las hojas viejas muestran un menor contenido en azúcares y compuestos nitrogenados, probablemente debidos a procesos de removilización y exportación a las partes jóvenes de la planta. Así, se observa un incremento en la expresión de la ASNS respecto a las hojas jóvenes. Es significativa la gran bajada de expresión de la NR en estas hojas, apuntando también a una menor asimilación primaria de nitrógeno.

Cabe destacar también que no se ha podido asociar un patrón de respuesta a las diferencias en la NUE, parámetro que se establece en función de la producción.

[EN] The massive use of nitrogenous fertilisers to maximise agricultural production has caused serious environmental problems, which are trying to be avoided in the new regulations by limiting the deposition of these compounds. In order to guarantee the crop requirements inside this frame, the development of cultivars with better efficiency in the use of nitrogen (NUE) becomes essential, especially in conditions with lower levels of fertilisation. To be able to address these strategies for the improvement of the crops, it is necessary to know the molecular systems implicated in the assimilation and use of nitrogen. This essay aims to study the processes involved in the primary metabolism of nitrogen in tomatoes (Solanum lycorpersicum L.), worldwide important crop, that is usually produced in intensive systems with great demands of nitrogenous supplies. By analysing the expression of key genes in the metabolism of the assimilation and remobilisation of the nitrogen, such as nitrate reductase (NR), glutamine synthetase 1 and 2 (GS1 and GS2), asparagine synthetase (ASNS) and glutamate dehydrogenase (GDH) in tomato cultivars which contrasting NUE, and in conditions of enough and limited nitrogen supply. Likewise, the response to nitrogen deficiency has been studied with a metabolomic analysis.

The results point to variability in the response to the deficiency between cultivars to a metabolic level and genic expression. Meanwhile, some cultivars counter to the deficiency of nitrogen with an increase in sugar and organic acid levels, in new leaves as well as in old ones, in others a decrease in these metabolites is observed. The deficiency in nitrogen has not always entailed a decrease in the key amino acid contents of the nitrogen metabolism. Additionally, differences in the genic expression in response to the deficiency in nitrogen between cultivars have been observed. It is also remarkable the variation in the expression of the NR, which only decreases in some cultivars.

The old leaves show a lower sugar content as well as nitrogenous compounds, this is probably due to processes of remobilisation and exportation to the newer parts of the plant. That is, an increase in the expression of the ASNS in contrast to the newer leaves is observed. The great descent in the expression of the NR in these leaves is significant since it points to a lower primary assimilation of the nitrogen as well.

It is also outstanding the impossibility to associating a response pattern to the differences in the NUE, being this a parameter established depending on the production levels.