En este proyecto llevaremos a cabo un análisis global de expresión de la simbiosis Phaseolus vulgaris - Rhizobium en condiciones de sequía dirigido a entender el diálogo molecular recíproco que se establece entre ambos simbiontes en respuesta a las diferentes señales del medio ambiente. La fijación simbiótica de N2 es un proceso sensible a condiciones ambientales adversas, entre ellas el déficit hídrico o sequía. Las estrategias para obtener tolerancia a estreses abióticos en leguminosas implican un sistema de alta complejidad en el que no sólo hay que considerar a la planta, sino también al microsimbionte. Las poblaciones de rhizobios varían en su tolerancia a los principales factores del medio ambiente, por lo que la búsqueda de cepas tolerantes es fundamental. Numerosas evidencias experimentales han demostrado que el principal factor que regula la fijación de nitrógeno en respuesta a estreses ambientales tales como la sequía es la difusión de oxígeno a los nódulos. En este sentido, trabajo previo de nuestro laboratorio ha demostrado el efecto que tiene sobre la eficiencia para fijar nitrógeno de Rhizobium la sobreexpresión de la cbb3. Con el propósito de identificar los elementos genéticos que participan en la respuesta y en la tolerancia/susceptibilidad a estrés hídrico llevaremos a cabo un análisis comparativo de la simbiosis frijol-Rhizobium en condiciones óptimas y de sequía moderada, así como de sequía - rehidratación, inoculando con cepas de Rhizobium etli silvestre y con cepas con mayor capacidad respiratoria como la cepa CFNX713. Esta cepa (construida y analizada funcionalmente en mi grupo de investigación) sobreexpresa la oxidasa terminal cbb3. El incremento de este citocromo alivia los efectos negativos de la sequía sobre la capacidad respiratoria de los bacteroides y aumenta la tolerancia de la fijación de N2 a este estrés. Diversos factores relacionados con la respuesta de las plantas a la sequía han sido identificados, muchos de los cuales han sido estudiados en plantas modelo con el objetivo de modificar la tolerancia a la sequía de los cultivos. Estas respuestas incluyen varios procesos biológicos que requieren una regulación fina y precisa a distintos niveles como el transcripcional y el post-transcripcional, entre otros. Este proyecto está fundamentado en resultados obtenidos por este grupo de trabajo y por el trabajo pionero de investigación realizado por grupos en el IBt y CCG-UNAM. Utilizaremos técnicas de fisiología, bioquímica y biología molecular, incluyendo las nuevas tecnologías globales (transcriptómica, y genómica). A lo largo del proyecto se evaluarán parámetros fisiológicos que nos sirvan de indicadores para controlar las condiciones de estrés hídrico. Para cumplir con los objetivos del proyecto el diseño experimental incluye transcriptómica, análisis del perfil de expresión de reguladores globales (TF y miRNAs) y genética reversa. Dada las consecuencias de la sequía sobre la fijación simbiótica de nitrógeno así como las aportaciones que en este sentido nuestro grupo de investigación ha hecho, consideramos que el enfoque de genómica funcional de esta propuesta puede incidir de forma importante en el avance del conocimiento del área. Es importante resaltar que el proyecto contempla un estudio integral en ambos simbiontes durante una simbiosis efectiva y como esta respuesta es modificada en condiciones de estrés hídrico. Finalmente, los resultados de este proyecto generarán conocimiento que podría incidir en una mayor producción de frijol, la leguminosa más importante para el consumo humano

Este proyecto generará conocimiento básico que ayude a explicar las funciones de algunos elementos genéticos en respuesta a la sequía durante la interacción frijol-Rhizobium analizando el perfil de expresión de ambos simbiontes.. El medio ambiente en el que crecen las plantas de manera natural puede representar una condición desfavorable que afecta su desarrollo y productividad normal, siendo la sequía uno de los mas afecta a la agricultura Es evidente que uno de los retos mas grandes a los que se enfrenta la investigación en biología vegetal es modificar la tolerancia a la sequía de las plantas. Para ello se requiere entender los mecanismos moleculares implicados en la respuesta de las plantas al estrés hídrico. Los enfoques globales y de genética reversa han allanado el camino para describir a distintos niveles los complejos procesos de la planta involucrados en la respuesta que incluyen patrones de expresión génica alterados, acumulación de metabolitos o bien compuestos osmóticamente activos. Datos de expresión comparativa derivados de análisis de datos de alto rendimiento han permitido la identificación de genes candidatos para su ingeniería que incluyen tanto factores de transcripción como genes que codifican para proteínas de señalización y genes funcionales. Por su gran valor nutricional el frijol (Phaseolus vulgaris) es la leguminosa más importante para el consumo humano. Es una leguminosa que establece una simbiosis fijadora de nitrógeno con bacterias de la familia Rhizobiaceae. De los diversos factores ambientales que afectan la producción de frijol, las temperaturas extremas, la salinidad y la sequía concurren en los campos de cultivo, por lo que los agricultores utilizan diferentes tipos de semillas para la siembra que estén mejor adaptadas a tales condiciones ambientales. Dada la adaptación de las plantas a los estreses abióticos mencionados, cualquier intento de incrementar la productividad de los cultivos de frijol debe centrarse, fundamentalmente, en tratar de aumentar la capacidad del microsimbionte para reducir N2. Clásicamente se ha considerado que la inoculación de una leguminosa con diversas cepas de su microsimbionte específico y el posterior análisis de los parámetros fisiológicos de cosecha, peso seco, contenido en N, etc., representa el mecanismo adecuado para seleccionar cepas con mayor eficiencia simbiótica. La fijación biológica de nitrógeno (FBN) es un proceso de gran importancia en términos ecológicos debido a su potencial para suplir de N a la agricultura. Se estima que la simbiosis leguminosa – Rhizobium contribuye con cerca de la mitad del nitrógeno que entra por medio de la FBN a la rizosfera. La necesidad de mejorar la productividad de las leguminosas como fuente de proteínas hace vital entender los factores que influyen sobre la efectividad de la fijación de nitrógeno, dada su sensibilidad a las perturbaciones del medio ambiente, las cuales incluyen defoliación, déficit hídrico, oscuridad y fertilización con nitrato (43). Las poblaciones de rhizobios varían en su tolerancia a los principales factores del medio ambiente, por lo que la búsqueda de cepas tolerantes es fundamental. Numerosas evidencias experimentales han demostrado que el principal factor que regula la fijación de nitrógeno en respuesta a estreses ambientales tales como la sequía es la difusión de oxígeno a los nódulos (44). De manera general, en nuestro grupo de investigación en el CCG-UNAM hemos centrado nuestro trabajo en la caracterización funcional de los elementos genéticos que participan en la regulación de la expresión genética en R. etli en respuesta a diferentes señales del medio ambiente, tanto en vida libre como en asociación con la planta (18, 20, 23, 45, 46). Esto como un primer enfoque experimental que nos lleve a describir las redes globales de regulación que operan en esta bacteria. En el avance de esta línea de investigación ha sido fundamental el apoyo de proyectos PAPIIT (IN201406 y IN202109). La detección de la concentración de oxígeno favorable para el funcionamiento adecuado de la nitrogenasa y el monitoreo de la poza de nitrógeno intracelular son puntos clave para la regulación del proceso de FBN. Hemos propuesto un modelo de regulación para la expresión de genes fix en R. etli. La expresión del operón fixNOQPd, el cual codifica para la oxidasa terminal tipo cbb3, indispensable para que R. etli establezca una simbiosis efectiva con plantas de frijol, está bajo el control positivo y negativo de 5 reguladores de la familia FNR. Recientemente demostramos que la inoculación de plantas de frijol con una cepa de R. etli que sobreexpresa la cbb3 resulta en un incremento del 30% en la cantidad de nitrógeno y aumenta la tolerancia de la fijación de N2 a la sequía (23). Dada las consecuencias de la sequía sobre la fijación simbiótica de nitrógeno así como las aportaciones que en este sentido nuestro grupo de investigación ha hecho, consideramos que el enfoque de genómica funcional de esta propuesta puede incidir de forma importante en el avance del conocimiento del área. Es importante resaltar que el proyecto contempla un estudio integral en ambos simbiontes durante una simbiosis efectiva y como esta respuesta es modificada en condiciones de estrés hídrico. Es fundamental entender el diálogo molecular recíproco entre ambos simbiontes en respuesta a las diferentes señales del medio ambiente. El proyecto se basa en conocimiento generado por los participantes utilizando metodologías de genómica funcional algunas de las cuales han sido implementadas por nosotros. En particular en este proyecto nos hemos propuesto analizar el perfil transcripcional de nódulos de plantas de frijol inoculadas con cepas de R. etli, mas eficientes para fijar nitrógeno y que han mostrado dar una ventaja a la simbiosis Rhizobium – leguminosa a estreses abióticos como la sequía. Los enfoques experimentales incluyen transcriptómica, análisis del perfil de expresión de reguladores globales (TF y miRNAs), metabolómica y genética reversa. En el área de la fijación de nitrógeno contribuirá de manera importante en el conocimiento general de señalización de la respuesta de ambos simbiontes a la sequía así como a conocer los elementos reguladores que gobiernan la biología de bacterias fijadoras de nitrógeno y a la posible caracterización de “señales simbióticas” hasta hoy desconocidas a través de la identificación y caracterización funcional de nuevos genes implicados en el proceso. Diversos factores relacionados con la respuesta de las plantas a la sequía han sido identificados, muchos de los cuales se han sido estudiados en plantas modelo con el objetivo de modificar la tolerancia a la sequía de los cultivos. Los resultados de este proyecto contribuirán a conocer a algunos de los elementos moleculares que conforman las complejas vías de señalización durante la simbiosis frijol – Rhizobium y su modificación en respuesta a alteraciones del medio ambiente como la sequía. Por otra parte, la participación de una posdoctoral, dos estudiantes de Doctorado, y la posible incorporación de otro estudiante de Doctorado, el proyecto contribuirá en la formación de recursos humanos.