Estimation efficiency of the BEL estimates at high quantiles

La repuesta de las plantas frente al estrés térmico es dinámica y compleja. Todos los niveles de organización, desde el molecular al fisiológico, están implicados. No todas las plantas responden de la misma forma, variando ésta en función del genotipo, el estado del desarrollo de la planta, el tejido u órgano afectado. También influye la duración y severidad del estrés (figura 3; Cramer et al., 2011).

Figura 3: Respuesta de las plantas frente al estrés térmico. Ésta depende tanto de factores intrínsecos de la planta como de las características del estrés (adaptado de Cramer et al., 2011).

2.1.

Estrés de calor

Ante este tipo de estrés, las plantas activan una respuesta muy conservada en toda clase de organismos: la denominada “respuesta al choque térmico” (HSR, Heat Shock Response) (Richter et al., 2010). A nivel molecular esta respuesta se caracteriza principalmente por la acumulación masiva de proteínas de choque térmico (HSP, Heat

Estrés térmico Severidad Duración Naturaleza Combinación Órgano o tejido afectado Estadío del desarrollo Genotipo sobrevive muere

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Shock Proteins) y una inhibición generalizada de la transcripción y la traducción, resultando en la adquisición de termotolerancia. Si el estrés es muy severo, se activan también rutas de muerte celular programada en determinadas células o tejidos (Qu et al.,

2009). En plantas, pero no en otros organismos, las HSP que se sintetizan de forma predominante son las de bajo peso molecular, denominadas sHSP (small Heat Shock Proteins).

Los incrementos en la temperatura son detectados en primera instancia por la membrana plasmática. A partir de ahí se activarán una serie de cascadas y rutas de regulación, que terminan activando factores transcripcionales de choque térmico HSF (Heat Shock Factors), los cuáles se unen a los HSE (Heat Shock Elements) situados en los promotores de los genes hsp (Saidi et al., 2009).

Un hecho común en la HSR es que un breve período de exposición a temperaturas cálidas pero moderadas (sub-letales en todo caso) induce la tolerancia frente a temperaturas más elevadas, fenómeno que se conoce como termotolerancia adquirida o inducida (Khrisna, 2003). Numerosos estudios sugieren que las proteínas HSP desempeñan un rol central en este proceso en plantas (Kotak et al., 2007; Saidi et al., 2009). La práctica totalidad de estudios sobre las bases moleculares de la HSR y su relación con la protección celular frente al estrés, se ha realizado en especies herbáceas (Larkindale y Vierling, 2008; Hu et al., 2009; Finka et al., 2011; Mittler et al., 2012). Los estudios en especies arbóreas, por el contrario, son todavía muy escasos. La respuesta más significativa a nivel molecular es la síntesis de proteínas HSP (Gómez et al., 2005).

2.2.

Estrés de frío

Cultivos como el trigo y la cebada y otras plantas herbáceas originarias de climas templados pueden llegar a ser muy tolerantes al frío y a la congelación, si previamente han estado expuestas a bajas temperaturas de forma gradual. A este proceso se le denomina “aclimatación al frío” (Thomashow, 2010; Miura et al., 2013). Durante la aclimatación se produce la síntesis de proteínas y metabolitos para proteger a las estructuras celulares y reducir los daños inducidos por la congelación y la consiguiente deshidratación celular (Thomashow, 1999).

En especies leñosas, la tolerancia al frío tiene características propias y una complejidad superior a la observada en las especies herbáceas. Entre las respuestas

Introducción

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moleculares de los árboles al frío se deben destacar la inducción de proteínas protectoras, los cambios en el metabolismo de los glúcidos y la alteración en el funcionamiento del reloj circadiano (Gómez et al., 2005). En general, las especies arbóreas originarias de las regiones templadas muestran una gran tolerancia al frío, debido a su capacidad de aclimatarse durante el otoño (Sharma et al., 2005).

Otra repuesta única a destacar en arbóreas es la capacidad de evitar o retrasar la formación de cristales de hielo en sus tejidos, incluso a varios grados por debajo del punto de congelación (Taiz y Zaiger, 2006). Este fenómeno se ha observado en especies como roble, haya, arce, nogal americano o ciruelo. También se ha descrito en ciertas especies leñosas la capacidad de “vitrificar” su citoplasma, esto es, de formar suspensiones concentradas y estables que preservan la integridad celular y limitan la pérdida de agua y, por tanto, la formación de hielo apoplástico. Por otra parte, en el desarrollo de los procesos de tolerancia y aclimatación al frío se produce la síntesis de una gran variedad de proteínas (Guy, 2000). El estudio de las mismas sugiere que el mantenimiento de la estabilidad de proteínas y membranas es el problema prioritario para las células. Algunas especies arbóreas aclimatadas al frío pueden brotar tras su inmersión en nitrógeno líquido (Wisniewski et al., 2004).

2.3.

Regulón CBF

Elregulón CBF (C-repeat Binding Factor) es uno de los sistemas de control de la aclimatación al frío más estudiados en plantas (Chinnusamy et al., 2007). Desempeñan un papel central en el mismo los factores transcripcionales DREB, que se unen a los motivos específicos DRE (Dehydration-Responsive Element)presentes en los promotores de muchos genes inducibles por estrés abiótico (Miura et al., 2013). Los motivos DRE son elementos cis de respuesta a la deshidratación y a las bajas temperaturas, definidos por la secuencia consenso A/GCCGAC. Se han descrito motivos similares a los DRE, llamados CRT (C-Repeat) y LTRE (Low-Temperature- Responsive Element), en los promotores de muchos genes inducibles por frío (Nakashima y Yamaguchi-Shinozaki, 2010).

La familia DREB ha sido estudiada principalmente en Arabidopsis. Se compone de 2 subfamilias de factores transcripcionales, DREB1 y DREB2. Los genes de la subfamilia DREB1/CBF se inducen de forma rápida y transitoria por frío, activando la expresión de más de un centenar de genes (Liu, Q. et al., 1998; Maruyama et al., 2004).

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En Arabidopsis se han identificado 6 genes DREB1, pero sólo 3 de ellos son inducibles por frío: DREB1B, DREB1C y DREB1A – también llamados CBF1, CBF2 y CBF3

respectivamente. La sobre-expresión de los miembros de esta familia en Arabidopsis produce un incremento de la tolerancia a congelación y a frío (Liu, Q. et al., 1998; Jaglo-Ottosen et al., 1998; Kasuga et al., 1999; Gilmour et al., 2000; Chinnusamy et al.,

2007). Aparte de Arabidopsis, se han estudiado y caracterizado genes CBF en otras especies herbáceas, como arroz, trigo, cebada, maíz y soja (Dubouzet et al., 2003; Shen

et al., 2003; Xue 2002; Qin et al. 2004; Li et al., 2005). También se han caracterizado en especies leñosas, como abedul, cerezo, chopo, eucalipto y vid (Puhakainen et al.,

2004; Kitashiba et al., 2004; Benedict et al., 2006; El Kayal et al., 2006; Xiao et al.,

2006). En chopo, se han identificado concretamente cuatro miembros de la familia DREB1 inducibles por frío, denominados PtCBF1, PtCBF2, PtCBF3 y PtCBF4. Su expresión difiere de unos tejidos a otros. Durante un tratamiento de frío, todos ellos se inducen en hojas, pero en tallo sólo se expresan los genes PtCBF1 y PtCBF3 (Benedict

et al., 2006). Por otra parte, los genes CBF se inducen fuertemente en abedul durante un tratamiento de congelación (Welling y Palva, 2008). Estos datos avalan la relación del regulón CBF con la tolerancia al estrés de bajas temperaturas, pero también ponen de manifiesto lo mucho que desconocemos sobre la función concreta y el patrón de expresión de los principales componentes del mismo en especies leñosas.