Role of nitric oxide (NO) in plant response to cadmium and Fusarium oxysporum: Possible crosstalk

In this thesis, we made a bioinformatics analysis of articles published over the last ten years on the production and/or function of NO in plant responses to heavy metals, including Cd. This analysis showed that exogenous applications of NO to the plant protect against heavy metals, particularly Cd, and that, in response to exposure to heavy metals, particularly Cd, plants initially produce NO, which can act as a signal molecule. At a later stage, the plant appears to be equipped with mechanisms to control NO levels, thus preventing further symptoms of toxicity. Using both biochemical techniques, involving modifications in NO levels through chemical donors and scavengers, and molecular approaches, involving the use of mutants with altered levels of NO, we subsequently analysed the role of NO in Arabidopsis seedling responses to Cd stress and its relationship to ROS. We also show that prolonged production of NO in plant responses to Cd can indeed affect antioxidant systems and induce oxidative stress, suggesting yet again that NO levels need to be strictly regulated in plant responses to Cd stress in order to prevent further damage to the plant. Peroxisomes have recently been shown to play a key role in a plant's early response to Cd stress. While both NO and RNS have been detected in these organelles, little is known about their effect on peroxisomal metabolism and dynamics. In this thesis, we analysed the role of NO in peroxisomal metabolism, distribution and dynamics under control conditions and in response to Cd stress. We showed that NO is involved in changes observed in peroxisomal dynamics which are necessary for the plant to respond to Cd stress. We also demonstrated the effect of NO on the oxidative metabolism of peroxisomes and their cellular distribution, as well as on organelledependent signalling. In addition, we analysed the little-known role of NO in Arabidopsis-Fusarium oxysporum interactions. We found that NO metabolism mutants have differential fungal responses with respect to WT in terms of ROS production, phenols, secondary and iron metabolisms; as well as defence gene induction Also, nitrate reductase appears to be essential for adequate cell wall assembly through the regulation of CESA4 and MYB46, given that the cell wall is a key barrier in the plant’s defence against Fusarium oxysporum. Finally, pre-treatment with Cd was found to protect plants against Fusarium oxysporum and to increase their survival. This could be explained by a priming effect, as certain genes are common to different plant responses to Cd and fungi, particularly Fusarium, suggesting that crosstalk takes place between both these stress conditions.En esta Tesis, hemos realizado un análisis mediante bioinformática de los artículos publicados en los últimos diez años donde se muestra la producción y/o función del NO en la respuesta de la planta a metales pesados, incluido el Cd; para conocer, en base a los antecedentes disponibles, la posible función del NO en la respuesta de la planta a los metales pesados. Este análisis mostró la función protectora frente a los metales pesados y en particular frente al Cd, del NO aplicado de manera exógena a la planta. Además, se encontró que tras la exposición a los metales pesados y en particular al Cd, las plantas producen NO en la respuesta temprana que podría actuar como molécula señal. Sin embargo, en etapas posteriores la planta parece que tiene mecanismos para controlar los niveles de NO, evitando así mayores síntomas de toxicidad. Posteriormente, mediante técnicas tanto bioquímicas (alterando los niveles de NO mediante donadores y secuestradores químicos) como moleculares (mediante el uso de los mutantes con niveles alterados de NO disponibles), hemos analizado la función del NO en la respuesta de plántulas de Arabidopsis al estrés por Cd y su relación con las ROS. Así, demostramos que efectivamente, una prolongada producción de NO en la respuesta de la planta al Cd puede afectar a sistemas antioxidantes e inducir un estrés oxidativo, sugiriendo de nuevo que los niveles de NO deberían ser estrictamente regulados en la respuesta de la planta al estrés por Cd para evitar mayores daños en la planta. Recientemente, se ha demostrado que los peroxisomas tienen una función clave en la respuesta temprana de la planta al estrés por Cd. Si bien, tanto el NO como las RNS se han detectado dentro de estos orgánulos, su función sobre su metabolismo y dinámica es prácticamente desconocida. En esta Tesis, hemos analizado la función del NO en el metabolismo, distribución y dinámica peroxisomal en condiciones control y en respuesta al estrés por Cd. Hemos demostrado que el NO es necesario para que se produzcan los cambios observados en la dinámica peroxisomal en la planta en respuesta al Cd; que el NO afecta al metabolismo oxidativo del peroxisoma y a la distribución de orgánulos dentro de la célula; así como a la señalización dependiente del orgánulo. Por otro lado, hemos analizado la función del NO en la interacción Arabidopsis-Fusarium oxysporum, que es prácticamente desconocida. Hemos observado que los mutantes relacionados con el metabolismo de NO presentan una respuesta al hongo diferencial con respecto al WT, en lo que se refiere a la producción de ROS, fenoles y metabolismo secundario, metabolismo del hierro e inducción de genes de defensa. Además, la nitrato reductasa parece ser fundamental para el ensamblaje adecuado de la pared celular a través de la regulación de CESA4 y MYB46, siendo esta barrera clave para la defensa de la planta frente a Fusarium oxysporum. Finalmente, hemos observado que el pretratamiento con Cd protege a las plantas frente Fusarium oxysporum, incrementando su supervivencia lo que podría ser explicado por un efecto “priming” ya que como se ha mencionado anteriormente, la respuesta de la planta al Cd y hongos, en particular a Fusarium, tienen genes en común, sugiriendo una conexión entre ambos tipos de estrés.Tesis Univ. Granada.Ministerio de Educación, Cultura y Deporte mediante la beca de “Formación de Profesorado Universitario” (FPU 2014)Fondo Europeo de Desarrollo Regional y el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad de España (proyectos BIO2015-67657-P y PGC2018-098372-B100)Junta de Andalucía (proyecto EX12-BIO296; grupo no. BIO- 337