Resumen de Caracterización bioquímica y molecular de la biosíntesis de aceite y ácido graso erúcico en germoplasma de origen europeo de la brasicácea thlaspi arvense (pennycress)
Thlaspi arvense (Pennycress) es una planta invernal anual de la familia de las brasicáceas, nativa de Eurasia y distribuida por todo el mundo. Está adaptada a gran variedad de condiciones de clima y suelo, y tiene pocos requerimientos en cuanto a inputs agronómicos se refiere (fertilizantes, pesticidas y agua). Debido a su alto contenido de aceite en la semilla, cercano al 36%, y de ácido erúcico (22:1) como principal componente del mismo, Pennycress es un buen candidato para la producción de biocombustibles de alto valor energético y excelentes propiedades de operabilidad en frío. A pesar de su interés económico, algunos aspectos básicos de la biología de Pennycress son desconocidos y requieren una mayor investigación. Desde un punto de vista bioquímico, desconocemos los elementos bioquímicos responsables de la síntesis de aceite o de la acumulación de ácido graso erúcico en esta especie. Además, la identificación de genes o procesos responsables del alto contenido en aceite y/o en ácido graso erúcico en Pennycress podrían aportar elementos clave para la manipulación eficiente del aceite en otras especies vegetales. Desde un punto de vista agronómico, y a pesar de la existencia de abundante registro botánico, Pennycress no se cultiva en Europa y los únicos datos disponibles proceden de experiencias de cultivo en Estados Unidos con variedades norteamericanas. Por ello, cualquier aplicación industrial del aceite de Pennycress requerirá el aprendizaje de su manejo agrícola bajo nuestras condiciones agroclimáticas.
En esta Tesis Doctoral se han caracterizado dos líneas de Pennycress de origen europeo, NASC y FRENCH, cultivadas tanto bajo condiciones controladas como en ensayos de campo. Se han analizado factores morfológicos, de crecimiento, producción de semillas, características de aceite y acumulación de ácido graso erúcico. Durante este estudio se han encontrado algunas diferencias en ciertos factores agronómicos como es el ciclo de cultivo. Así, la variedad FRENCH es una variedad invernal y, por tanto, requiere vernalización para el desarrollo de flores y semillas. Sin embargo, la variedad NASC es una variedad primaveral y no necesita de un periodo de frío para su completo desarrollo. Una característica común observada fue que tanto la variedad FRENCH como NASC sufren de dormancia, solventada almacenando las semillas a temperatura ambiente durante un tiempo mínimo de seis meses tras su cosecha. También se han encontrado diferencias en cuanto al tiempo de floración, más temprano en la variedad NASC, y en lo referido a la producción de semillas, mayor en la variedad FRENCH. Ambas variedades muestran un gran contenido de aceite (39% la variedad NASC y 41% la variedad FRENCH) y de ácido erúcico en el aceite de sus semillas (35% la variedad NASC y 37% la variedad FRENCH).
A nivel genético, el gen TaFAE1, que codifica la enzima elongasa FAE1, es el responsable directo de la producción de ácido erúcico. Se ha obtenido la secuencia de dicho gen en Pennycress para ambas variedades europeas y se ha realizado un análisis comparado con respecto al gen homólogo de Arabidopsis thaliana (brasicácea no acumuladora de 22:1) y Brassica napus (brasicácea acumuladora de 22:1), encontrándose ciertos polimorfismos en la secuencia que podrían estar relacionados con la mayor acumulación de 22:1 en Pennycress.
Se ha realizado una caracterización bioquímica del aceite de las semillas de las variedades NASC y FRENCH que indica que la fracción de triacilglicerol (TAG) del aceite es el mayor reservorio de ácido graso erúcico. La incorporación de 22:1 al TAG tiene lugar en las fases tempranas de la maduración de la semilla, concomitante con una disminución de los niveles de 18:2 y 18:3 y, por tanto, con una disminución de la actividad desaturasa. Este cambio de flujo de sustratos acilos hacia su elongación parece estar controlado por varios genes a diferentes niveles. Así, el gen TaFAE1 parece estar controlado a nivel transcripcional con una mayor expresión en las primeras fases del desarrollo de las semillas. De la misma manera sucede con el gen TaWRI1, un factor transcripcional que controla la biosíntesis de aceite en las semillas de plantas. Por el contrario, el gen TaFAD2, que codifica una omega-6 desaturasa reticular de ácidos grasos, o el gen TaDGAT1, que cataliza el ultimo paso de la biosíntesis de novo de TAG, están controlados de manera post-transcripcional. Estos genes son dianas biotecnológicas potenciales para la mejora biotecnológica de las semillas de Pennycress dirigidas a la obtención de un aceite de alta calidad con fines industriales y energéticos.
Además se ha llevado a cabo una caracterización funcional del gen TaFAE1, mediante la obtención de líneas transgénicas que expresaban el gen TaFAE1 de Pennycress específicamente en la semilla bajo el control del promotor OLE2. Se utilizaron dos fondos genéticos diferentes: plantas silvestres Col-0 y el mutante fae1-1, deficiente en la elongación por la inactivación del gen endógeno AtFAE1, y en las que toda la actividad elongasa provendría del gen TaFAE1 de Pennycress. Los datos muestran que las plantas transgénicas TaFAE1 derivadas de Col-0 presentan incrementos significativos del contenido en 22:1, de entre 2 y 3 veces, tanto en los lípidos totales como en la fracción de TAG del aceite de las semillas transgénicas. Sin embargo, este incremento no se observó en las plantas transgénicas TaFAE1 derivadas del mutante fae1-1. Nuestros datos sugieren una diferente afinidad del enzima FAE1 de Pennycress por los sustratos 18:1-CoA y 20:1-CoA en Arabidopsis. Sin embargo, esta diferencia no se da en la propia especie, lo que sugiere la existencia de factores adicionales, entre los que está la formación del propio complejo elongasa, como determinantes del contenido en erúcico en el aceite de las semillas.
Se ha llevado a cabo un análisis comparado del comportamiento agronómico y de la producción de Pennycress en ensayos de campo de las dos variedades europeas objeto de este estudio, NASC y FRENCH, y dos variedades norteamericanas, BEECHER Y ELIZABETH, utilizadas en Estados Unidos. A pesar de que los datos obtenidos son preliminares, los resultados indican que la variedad FRENCH mostró una producción igual o incluso ligeramente superior a la de las variedades norteamericanas. Otro resultado interesante es que la estrategia observada en las variedades europeas de una mayor producción de hijuelos e inflorescencias, les permite compensar su menor éxito de establecimiento (menor emergencia) y, como se ha comprobado en las dos campañas experimentales con la variedad FRENCH, alcanzar y superar la producción de semilla de las variedades norteamericanas cultivadas en nuestras condiciones agroclimáticas.
