Análisis funcional y genético de la entrada de Na+ en la raíz y de la tolerancia a la salinidad en Arabidopsis thaliana

En las próximas décadas habrá que duplicar la producción actual de alimentos para poder abastecer a la población. Sin embargo, una agricultura productiva no es compatible con la salinización de los terrenos ya que la mayor parte de las plantas cultivadas son sensibles al NaCl, incluso a concentraciones moderadas. Este problema se agrava con la mala calidad de las aguas de regadío, cada vez más salinas, que intensifican la salinización de los suelos y con el cambio climático que promueve la desertización de los terrenos originando la concentración de las sales. A pesar de enormes esfuerzos realizados, Poco se conoce sobre las causas de esta incompatibilidad, incluyendo el mecanismo de entrada de Na+ en la planta. La intolerancia al NaCl de las plantas glicofitas se puede deber a dos causas, un efecto osmótico que lleva asociado un déficit hídrico debido a la disminución del potencial osmótico del suelo y un efecto tóxico que se asocia a daños por la acumulación del ión Na+ en las hojas. En este trabajo hemos estudiado los efectos del NaCl sobre la planta glicofita Arabidopsis thaliana en concentraciones de Na+ moderadas en las que la planta sobrevive, aunque se inhibe su crecimiento. Usando mutantes en dos de los transportadores de Na+ más importantes (SOS1 y HKT1) y numerosas accesiones y líneas RILs, hemos encontrado que los efectos de toxicidad de Na+ pueden originarse tanto en raíz como en parte aérea y que, aunque hay accesiones que se intoxican e inhiben por Na+, esta no es la causa principal de la inhibición del crecimiento de Arabidopsis. Tampoco el estrés osmótico parece el causante principal de la inhibición en la planta, ya que en nuestras condiciones de salinidad no observamos un déficit hídrico en ninguna de las accesiones ensayadas. Sin embargo, sí varió el contenido en agua de las plantas expuestas a otros osmóticos no iónicos como azúcares. Creciendo en salinidad, la planta ajustó su potencial osmótico elevando el contenido de Na+ más K+. Este ajuste osmótico se observó también en plantas expuestas durante 24 h a condiciones de alta salinidad con un potencial osmótico de −1.0 MPa (400 mOsm). Dichas plantas moderaron la pérdida de agua elevando el contenido de sales Na+ y K+ y presentando un marchitamiento transitorio, al contrario que las plantas expuestas al mismo potencial osmótico, pero en forma de compuesto no iónico que no permite la acumulación de Na+ y que presentaron un marchitamiento permanente asociado a un notable défict hídrico. Nuestros resultados sobre la entrada y acumulación de Na+ muestran que existe una dependencia del nitrato en la toma de Na+ por la raíz, y su translocación al xilema. Esta estimulación por nitrato varía entre las accesiones y entre especies relacionadas donde otros aniones como el sulfato, podrían suplir esa función. En esta vía de acumulación de Na+ proponemos la existencia de dos sistemas de transporte que trabajan en serie mediando la toma de Na+ del exterior y el paso a los vasos del xilema. Nuestros resultados muestran que en esta vía nitrato-dependiente de entrada de Na+ está implicado el transportador/regulador NRT1.1, bien mediando directamente el transporte de Na+ o bien regulando a otro sistema En nuestro intento por identificar al transportador principal responsable de la entrada de Na+, realizamos un análisis transcriptómico por RNA seq de la respuesta de Arabidopsis durante dicha entrada, ya que existía la posibilidad de que el transportador implicado estuviese regulado de manera transcripcional A pesar de que aún no hemos podido identificar al transportador que media dicha entrada, este análisis nos ha permitido identificar un canal de K+, SKOR, que parece estar implicado en la absorción y distribución de Na+ en nuestras condiciones. Finalmente, un análisis comparativo con una especie halotolerante perteneciente a la misma familia que Arabidopsis, Eutrema salsugineum nos sugiere una novedosa función para el transportador SOS1 de Eutrema como transportador de K+. Este transportador, expresado de forma heteróloga en bacteria y levadura presenta una dependencia funcional del pH diferente a su homólogo SOS1 de Arabidopsis. Nosotros pensamos que la toma de Na+ en la raíz y su acumulación en los tejidos cumplen la función primaria de un ajuste osmótico incluso si este proceso produce toxicidad a largo plazo. Aunque la acumulación de Na+ puede ser tóxica, existe una inhibición en el crecimiento de carácter general que tiene un origen desconocido y que podría ser una respuesta al estrés cuya naturaleza debe ser resuelta. Estas nociones implican la revisión del modelo actual de tolerancia a la salinidad para poder hacer frente al importante reto de conseguir cultivos más tolerantes al Na+. ----------ABSTRACT---------- According to current estimates, crop yield needs to be duplicated within the next three decades to meet global population needs. However, such high-yield-agricultural production is not compatible with the current levels of soil salinity since most crops are sensitive to sodium chloride (NaCl) even in moderate concentrations. This predicament is aggravated by the poor quality of the water used for irrigation which increases soil salinization and the desertification processes promoted by climate change that increases salt concentration in soil. Despite intense research in plant salt tolerance, the picture detailing the causes of crop sensitivity to salt as well as the pathways of sodium (Na+) entrance into the plant is far from being clear. Two major deleterious effects have been attributed to Na+ in plants that are sensitive to NaCl (glycophytes): an osmotic effect whereby Na+ decreases soil water potential, which hinders plant water uptake, and a toxic effect whereby Na+ that has reached plant leaves interfere with plant metabolism. In this work, we have studied the effects of moderate concentrations of NaCl on plant growth in the glycophytic model Arabidopsis thaliana. We selected conditions in which although plant growth is reduced, plant survival is not compromised, using mutants affected in key Na+ transporters (SOS1 and HKT1) and multiple Arabidopsis accessions and recombinant inbred lines. The results show that Na+ toxic effects can originate either on root or in aerial tissues but these effects are not the main reason causing growth inhibition in Arabidopsis. Furthermore, data shows that the osmotic effects are not the main agent causing growth inhibition either. Therefore, we propose that the growth inhibition associated to moderate concentrations of NaCl is caused by factors that remain elusive to this date. We have also uncovered a role for Na+ as cheap osmoticum. In contrast with plants exposed to non-ionic osmotica like sugars, plants exposed to NaCl did not lose any water content, adjusting their osmotic potential by increasing Na+ and K+ levels. Even at high NaCl concentrations with very negative osmotic potential (−1.0 MPa corresponding to 400 mOsm) plants were able to mitigate water loss by increasing Na+ and K+ levels manifesting only a transitory wilting. In contrast, plants exposed to the same level of negative osmotic potential brought about by non-ionic osmotica wilted permanently. We have also addressed Na+ entrance and accumulation in the plant. Our results show that the presence of nitrate increases both root Na+ uptake and xylem Na+ translocation. The relevance of this effect varies across Arabidopsis accessions and related Brassiaceae species where other anions like sulfate may perform similar functions. Thus, we have uncovered a nitrate-dependent pathway for Na+ entry and accumulation in the plant. We propose that this pathway may involve two transport systems working in series mediating Na+ uptake and its translocation to xylem vessels. We have also showed that the nitrate transporter/regulator NRT1.1 is involved in this pathway, either by directly mediating Na+ transport or by regulating the activity of an unknown transporter. As part of our effort to identify the main determinants of Na+ entrance into the plant, we have analyzed the global transcriptomic response of Arabidopsis during Na+ entry. This analysis allowed the identification of the K+ channel SKOR as a relevant player of Na+ uptake and distribution across the plant. Finally, we compared Na+ entry and accumulation in Arabidopsis and a related species with a halophyte lifestyle, Eutrema salsugineum. Results suggest that one of the key Na+ transporters in this halophyte, SOS1, may have differential transport capacities, being able to transport K+ in this species. Interestingly, heterologous expression experiments indicate a different pH-dependency of SOS1 activity in Arabidopsis and Eutrema. All in all, the results in this work indicate that Na+ entrance and accumulation in the plant fulfills a physiological role where Na+ is used to adjust plant osmotic potential even though this function might cause toxic effects in the long run. This notion needs to be incorporated to the actual model of plant salt tolerance in order to be successful in the development of crops with increased salt tolerance