Estudio del efecto del aumento de la temperatura asociado a las condiciones del cambio climático sobre el olivo (olea europaea l.) mediante el uso integrado de técnicas de fisiología y bioquímica clásica, proteómica y metabolómica y transcriptómica
- Autores: Rosa Sánchez Lucas
- Directores de la Tesis: Jesús V. Jorrin Novo (dir. tes.), Maria Benlloch González (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Esteban Alcántara Vara (presid.), Sonia Osorio Algar (secret.), Gloria Catarina Cintra da Costa Pinto (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis Esta Tesis Doctoral se centra en el olivo (Olea europaea L. subsp. europaea), el cultivo arbóreo dominante en grandes áreas de la cuenca del Mediterráneo Occidental, con una producción de 20.872.788 toneladas en el último año. El aceite de oliva es apreciado en todo el mundo por su composición química y su valor nutracéutico. Como la mayoría de los cultivos, el olivo se enfrenta a importantes problemas y desafíos relacionados con las condiciones ambientales adversas, tanto bióticas como abióticas, situación que puede empeorar en un escenario de cambio climático. Por lo tanto, comprender la base/mecanismo fisiológico y molecular de la adaptabilidad y resiliencia del olivo a las diferentes tensiones ambientales, especialmente a altas temperaturas, es crucial para predecir las consecuencias del calentamiento climático, implementar prácticas agrícolas, diseñar programas de mejoramiento genético clásicos o biotecnológicos y, en los últimos tiempos, aumentar su producción a fin de hacer frente a la demanda actual.
El aceite de oliva es apreciado en todo el mundo por su composición química y su valor nutracéutico. Como la mayoría de los cultivos, el olivo se enfrenta a importantes problemas y desafíos relacionados con las condiciones ambientales adversas, tanto bióticas como abióticas, situación que puede empeorar en un escenario de cambio climático. Por lo tanto, comprender la base/mecanismo fisiológico y molecular de la adaptabilidad y resiliencia del olivo a las diferentes tensiones ambientales, especialmente a altas temperaturas, es crucial para predecir las consecuencias del calentamiento climático, implementar prácticas agrícolas, diseñar programas de mejoramiento genético clásicos o biotecnológicos y, en los últimos tiempos, aumentar su producción a fin de hacer frente a la demanda actual.
En el presente trabajo, tanto el efecto como las respuestas a un aumento de 4°C por encima de la temperatura ambiente han sido estudiados a nivel fenológico, fisiológico y molecular, -ómico, en un intento de integrar todos los resultados en la nueva dirección de la Biología de Sistemas. El uso de las técnicas de la -ómica (transcriptómica, proteómica y metabolómica) y su integración con estudios fisiológicos y fenológicos constituyen la gran novedad de este trabajo. Solicitó un esfuerzo importante en la optimización de los diferentes protocolos de perfiles de transcriptoma (aislamiento de ARN y qRT-PCR), proteoma (Orbitrap de escopeta nLC-MS/MS) y metaboloma (UHPLC-MS/MS Q-tof), junto con herramientas computacionales para la identificación y cuantificación de las diferentes biomoléculas, su clasificación funcional, análisis estadístico, clustering y networking. Tanto las herramientas de nuevo desarrollo como los conocimientos generados sentarán las bases de los estudios en curso y futuros para obtener una mejor comprensión de los mecanismos moleculares que median los fenotipos de interés (productivos, tolerantes a las señales ambientales, de valor nutracéutico y a la selección de genotipos más resistentes al calentamiento climático).
2. Contenido de la investigación A lo largo del ensayo realizado en condiciones de campo, se observaron alteraciones en los procesos de floración y maduración, causadas por el aumento térmico permanente de 4oC por encima de la temperatura ambiente (AT) aplicado a los olivos adultos (cv. `Picual´) crecimiento en el ensayo de campo. En este capítulo se recopilaron, analizaron y relacionaron tres años con las condiciones climatológicas. En general, se observó un avance y prolongación de ambos procesos fenológicos en los árboles tratados térmicamente (AT+4oC) respecto a los árboles de control (AT). La calidad y cantidad de flores perfectas (bien desarrolladas) y la producción final fueron menores en condiciones de aumento térmico.
A continuación, se realizó el estudio sobre la respuesta a nivel radicular. al estrés térmico utilizando una plántula (cv. `Arbequina´) en un ensayo de cámara de cultivo como modelo para extrapolar el resultado a ensayos de campo. Se explicó brevemente el efecto de una exposición diferencial de 37oC /25oC entre la raíz y la parte aérea. Las raíces tomaron de potasio para mantener el crecimiento de la parte aérea en situaciones de estrés por calor en ese órgano, con temperatura moderada en la parte aérea. Sin embargo, cuando las altas temperaturas afectan a toda la planta, la raíz pierde esa capacidad, y la eficiencia en el uso del agua, el estado hídrico de las hojas, el contenido de potasio del tallo y el crecimiento de la planta se inhiben. En todos los casos, la alta temperatura inhibe el transporte de potasio.
Finalmente, mediante la aproximación molecular, a los diferentes enfoques de la -ómicos (proteómica, transcriptómica y metabolómica) empleados en el estudio molecular del efecto y las respuestas al calentamiento de la temperatura (+ 4oC) en la pulpa del fruto en tres fases de maduración: verde (0), rojo (también llamado envero) (3) y epicarpio púrpura (4). Se ha encontrado una discrepancia entre la coloración de la piel, tradicionalmente tomada como referencia para los estudios fenológicos y la recolección, y la fase de maduración interna de la pulpa de la aceituna y la composición química. La etapa de envero fue la más afectada por el aumento de temperatura. En el mundo, la reducción de la abundancia de los principales compuestos relacionados con la calidad del aceite de oliva (lípidos, fenilpropanoides y terpenos) disminuyó en condiciones de calentamiento.
3. Conclusión Las condiciones de calentamiento (4°C por encima de la temperatura ambiente) alteraron la fenología del olivo. Se observaron brotes tempranos, floración y período de maduración de los frutos, así como una prolongación de la floración y maduración a temperaturas más altas. Además, el aumento de la temperatura provocó el aborto del pistilo, disminuyendo tanto el cuajado como el tamaño de la fruta, lo que contribuyó a una reducción significativa en el rendimiento de la cosecha, estimada en un 30%.
A nivel radicular, los regímenes de temperatura diferente de 25°C/37°C (raíz/parte aérea) alteraron el crecimiento de las plántulas, la ingesta y el transporte de potasio y el estado del agua de las hojas. En particular, un régimen de altas temperaturas (37°C /37°C) inhibió el crecimiento de los brotes, y disminuyó la absorción y el transporte de K+, así como el estado del agua.
El aumento de la temperatura redujo el contenido de aceite de oliva, antocianina y polifenoles en los frutos maduros (fase negra) en un 30%, 50% y 30%, respectivamente, alterando la calidad y las propiedades organolépticas del aceite de oliva. En condiciones de calentamiento, el contenido de los pigmentos seguía el progreso natural, con grandes diferencias: la pérdida de clorofilas era mayor, el nivel de carotenoides era mayor sólo en la piel verde, y el contenido de antocianinas era mayor en la fase de envero, pero menor en la fase púrpura.
El aumento de la temperatura también alteró los perfiles transcriptómicos, proteómicos y metabolómicos del fruto del olivo en verde, envero y púrpura. La fase de envero fue la más afectada en todos los perfiles moleculares, presentando cambios drásticos en el color natural y en el contenido de lípidos y polifenoles. La fotosíntesis, la síntesis de ácidos grasos, la degradación de la pared celular, las respuestas al estrés y la biosíntesis de terpenos, fenilpropanoides y flavonoides fueron afectadas principalmente por un análisis proteómico. Un total de 85 genes codificadores de proteínas implicados en el lípido, aminoácidos, carbohidratos proteicos y metabolismo secundario; regulación o señalización hormonal; vías de los fenilpropanoides y terpenoides; senescencia; y respuesta al estrés fueron analizados mediante transcriptómica específica. Se observó un impacto negativo en la calidad del aceite de oliva (sabor, aroma, color y estabilidad) debido a la disminución de los terpenos, flavonoides y carotenos mediante el uso de metabolómica específica. En general, se observó a todos los niveles -omicos, una reducción en enzimas y metabolitos implicados en las rutas de lípidos, fenilpropanoides y terpenoides. Así mismo, a nivel molecular, se encontraron similitudes elevadas entre el envero bajo condiciones de calentamiento y el estado púrpura bajo condiciones ambientales, aunque todos los niveles moleculares que sugerían una discrepancia entre la coloración de la piel y el estado tradicional de madurez de la pulpa fueron observados de manera evidente.
A partir de las observaciones y datos presentados es posible predecir las consecuencias del cambio climático en el olivar y especular sobre nuevas recomendaciones para su gestión: (i) una menor densidad de plantación para evitar interferencias entre los árboles cercanos; (ii) el aumento de las dosis de riego durante las fases críticas para reducir el aborto por pistilo y aumentar el tamaño de los frutos; y (iii) nuevos criterios fenológicos y de evaluación del período de cosecha. Todo ello contribuirá a mantener una alta productividad de los cultivos, tanto desde el punto de vista cuantitativo como cualitativo.
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