Procedimiento para alterar el patrón de desarrollo y aumentar el crecimiento en plantas.

El procedimiento consiste en hacer crecer plantas en una atmósfera en la que estén presentes volátiles emitidos por un microorganismo, sin que exista contacto físico entre el microorganismos y la planta, sólo que la planta entre en contacto con los volátiles emitidos por el microorganismo. Se basa en el descubrimiento de que los volátiles emitidos por bacterias Gram positivas o negativas, levaduras y hongos microscópicos promueven un incremento del crecimiento de las plantas en general, con aumento de longitud, el número de hojas y/o el número de ramas de la planta, así como un incremento de la biomasa.

Procedimiento para alterar el patrón de desarrollo y aumentar el crecimiento en plantas.

Campo técnico

La invención se refiere a un procedimiento para incrementar el crecimiento de plantas, provocando un aumento de su biomasa, su robustez y el número de flores y ramificaciones respecto a las plantas crecidas en condiciones normales. Este procedimiento además permite inducir la floración.

Antecedentes de la invención

Las plantas perciben estímulos bióticos reconociendo multitud de diferentes compuestos señalizadores que se originan en los organismos con los que interactúan. Algunas de estas sustancias representan patrones moleculares asociados a patógenos, que generalmente actúan como desencadenantes de reacciones de defensa. Se perciben a bajas concentraciones y comprenden diversas estructuras, incluidas las de hidratos de carbono, proteínas, glicoproteínas, péptidos, lípidos y esteroles (Hahlbrock et al. 2003: Nonself recognition, transcriptional reprogramming, and secondary metabolite accumulation during plant/pathogen interactions, Proc Natl. Acad. Sci USA 100 (supl 2), 14569-14576).

Los microorganismos también sintetizan y emiten muchos compuestos volátiles con masas moleculares menores que 300 Da, polaridad baja, y una elevada presión de vapor (Schöller et al. 2002: Volatile metabolites from actinomycetes, J. Agric. Food Chem. 50, 2615-2621; Schultz and Dickschat 2007: Bacterial volátiles: the smell of small organisms, Nat. Prod. Rep. 24, 814-842; Splivallo et al. 2007a: Discrimination of truffle fruiting body versus mycelial aromas by stir bar sorptive extraction, Phytochemistry 68, 2584-2598). El contacto con microorganismos o agentes desencadenantes de reacciones de defensa de plantas no sólo afecta a dichas reacciones de defensa, sino que, muy a menudo, conducen a una disminución en la fotosíntesis, y a una transición del estado de fuente (en el que se producen compuestos orgánicos asimilables) al de sumidero (en el que se importan dichos compuestos asimilables de tejidos en los que están almacenados) (como revisión, véase Berger et al. 2007: Plant physiology meets phytopathology: plant primary metabolism and plant-pathogen interactions, J. Exp. Bot. 58, 4019-4026). Una indicación del estado de sumidero en hojas infectadas es la regulación al alza de la invertasa de la pared celular, que da como resultado la reducción de la exportación de sacarosa de la hoja infectada a otras partes de la planta. En algunos casos, la enzima sacarolítica sacarosa sintasa (SuSy) se regula al alza tras el contacto con microorganismos, lo que puede servir para repartir sacarosa a la deposición callosa y promover la biosíntesis de polisacáridos de pared celular en los sitios de infección (Essmann et al. 2008: Leaf carbohydrate metabolism during defense, Plant Signaling & Behvior 3, 885-887). El contacto con patógenos también puede dar como resultado la regulación a la baja de genes implicados en el metabolismo del almidón (Cartieaux et al. 2008: Simultaneous interaction of Arabidopsis thaliana with Bradyrhizobium sp. Strain ORS278 and Pseudomonas syringae pv. Tomato DC3000 leads to complex transcriptome changes, Mol. Plant-Microbe Interact. 21, 244-259; Fabro et al. 2008: Genome-wide expression profiling Arabidopsis at the stage of Golovinomyces cichoracearum haustorium formation, Plant Physiol. 146, 1421-1439), lo que puede facilitar la disponibilidad para el patógeno de azúcares simples en los sitios de infección. Estos homopolisacáridos ramificados son sintetizados por la almidón/glucógeno sintasa utilizando ADPglucosa (ADPG) como molécula donadora de azúcar.

El almidón y el glucógeno son los principales hidratos de carbono de almacenamiento en plantas y bacterias, respectivamente, estando su metabolismo estrechamente conectado con el de los aminoácidos por mecanismos todavía poco comprendidos. En Escherichia coli, la privación de aminoácidos desencadena la respuesta a condiciones estrictas, un cambio fisiológico pleiotrópico que hace pasar la célula de un modo relacionado con el crecimiento a un modo de mantenimiento/supervivencia/biosíntesis. En condiciones de limitada provisión de nutrientes (aminoácidos) se para la división celular, y tiene lugar una disminución en la demanda en proteínas dependientes de ATP y en la síntesis y degradación de ácidos nucleicos. El exceso de ATP se desvía entonces desde el metabolismo de ácidos nucleicos/proteínas hacia la biosíntesis de glucógeno si está presente en el medio un exceso de fuentes de carbono (Eydallin et al., 2007b: Genome-wide screening of genes affecting glycogen metabolism in Escherichia coli K-12, FEBS Lett 581, 2947-2953; Montero et al. 2009: Escherichia coli glycogen metabolism is controlled by the PhoP-PhoQ regulatory system at submillimolar environmental Mg²⁺ concentrations, and is highly interconnected with a wide variety of cellular proceses, Biochem. J. 424, 129-141). El signo característico de esta respuesta fisiológica pleiotrópica es la acumulación de la alarmona guanosina 5'-difosfato 3'-difosfato (ppGpp), un nucleótido que se une a la RNA polimerasa bacteriana para potenciar la expresión de genes (incluidos los implicados en el metabolismo del glucógeno) expresados al comienzo de la fase estacionaria. Los niveles de ppGpp están controlados por RelA (una ppGpp sintasa) y SpoT (una enzima bifuncional que muestra actividades de ppGpp sintasa e hidrolasa) (Potrykus and Cashel 2008: (p)ppGpp: still magical?, Annu. Rev. Microbiol. 62, 35-51). Los mutantes de E. coli que tienen dañada la función relA, y las células que sobreexpresan spoT muestran un fenotipo deficiente en glucógeno (Montero et al. 2009: Escherichia coli glycogen metabolism is controlled by the PhoP-PhoQ regulatory system at submillimolar environmental Mg²⁺ concentrations, and is highly interconnected with a wide variety of cellular processes, Biochem. J. 424, 129-141). Por el contrario, los mutantes de E. coli que tienen dañada la síntesis de aminoácidos tales como la cisteína muestran un fenotipo de glucógeno en exceso como resultado de la respuesta estricta (Eydallin et al., 2007b: Genome-wide screening of genes affecting glycogen metabolism in Escherichia coli K-12, FEBS Lett 581, 2947-2953). Estos mutantes muestran un fenotipo de glucógeno normal cuando se cultivan en medio suplementado con cisteína, lo que apunta a la existencia de conexiones estrechas entre los metabolismos del azufre, el nitrógeno y el carbono.

Estudios recientes han demostrado que las plantas poseen un sistema regulador mediado por ppGpp similar al que se da en las bacterias, lo cual se ha demostrado que juega un papel crucial en aspectos tales como la fertilidad de las plantas. El ppGpp se acumula en el cloroplasto de hojas estresadas a través de la regulación de la expresión de homólogos de RelA/SpoT (RSH) (Takahashi et al. 2004, Identification of the bacterial alarmone guanosine 5'-diphosphate 3'-diphosphate (ppGpp) in plants, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 4320-4324).

Al contrario que en las bacterias, donde la degradación del glucógeno tiene lugar a través de la ruta fosforolítica, la degradación del almidón en las plantas es principalmente hidrolítica, jugando papeles importantes en la degradación del almidón de endospermos y cereales de hojas las α-amilasas y las β-amilasas, respectivamente (Scheidig et al. 2002: Downregulation of a chloroplast-targeted β-amylase leads to a starch-excess phenotype in leaves, Plant J. 30, 581-591; Fulton et al. 2008: β-amylase4, a noncatalytic protein required for starch breakdown, acts usptream of three active β-amylases in Arabidopsis chloroplasts, Plant Cell 20, 1040-1058). Desde la demostración inicial de que ADPG sirve como molécula precursora para la biosíntesis tanto del glucógeno de las bacterias como del almidón de las plantas, ha estado bastante extendida la consideración de que la ADPG pirofosforilasa (AGP) es la única enzima que cataliza la producción de ADPG. La evidencia genética de que la biosíntesis de glucógeno bacteriano ocurre solamente por la ruta de AGP (GlgC) se ha obtenido con mutantes glgC. Sin embargo, recientes estudios han demostrado que estos mutantes acumulan cantidades sustanciales de glucógeno y un contenido normal de ADPG. Además, se han aportado evidencias que demuestran la existencia de diversas fuentes importantes, diferentes de GlgC, de ADPG ligadas a la biosíntesis del glucógeno en diferentes especies bacterianas.

Generalmente,... [Seguir leyendo]

1. Un método para incrementar el crecimiento de una planta y/o alterar su patrón de desarrollo caracterizado por que la planta se cultiva en presencia de un cultivo de un microorganismo que produce compuestos volátiles, sin que exista contacto entre la planta y el microorganismo, o en presencia de los volátiles emitidos por el microorganismo, en el que el microorganismo es distinto de los aislados Bacillus subtilis GB03 y Bacillus amyloliquefaciens IN937.

2. Método según la reivindicación 1, en el que el microorganismo es una bacteria, una levadura o un hongo pluricelular microscópico.

3. Método según la reivindicación 2, en el que el microorganismo es una bacteria perteneciente a un género distinto de Bacillus o Paenibacillus.

4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el crecimiento del microorganismo se produce en un medio que carece de compuestos orgánicos que presenten grupos amino.

5. Método según la reivindicación 4, en el que el crecimiento del microorganismo se produce en un medio que carece de aminoácidos y/o proteínas.

6. Método según la reivindicación 4 ó 5, en el que el crecimiento del microorganismo se produce en un medio mínimo suplementado con un compuesto orgánico como fuente de carbono.

7. Método según la reivindicación 6, en el que el microorganismo es una bacteria perteneciente a un género del grupo de Bacillus, Escherichia, Salmonella, Agrobacterium o Pseudomonas.

8. Método según la reivindicación 6, en el que el microorganismo es un hongo perteneciente al género Penicillium o Alternaria.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la planta es una angiosperma, monocotiledónea o dicotiledónea.

10. Método según la reivindicación 9, en el que la planta se selecciona del grupo de plantas de patata, plantas de maíz, plantas de tabaco, o plantas de la especie Arabidopsis thaliana.

11. Método según la reivindicación 10, en el que la planta es una planta de maíz, una planta de tabaco o una planta de la especie Arabidopsis thaliana que se cultiva en presencia de un hongo perteneciente al género Alternaria o Penicillium que se deja crecer en medio mínimo suplementado con una fuente de carbono orgánico, sin que exista contacto entre la planta y el microorganismo.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el incremento del crecimiento se manifiestan en aumento de la longitud de la planta y/o en aumento del tamaño de las hojas.

13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la alteración del patrón de crecimiento se manifiesta en incremento del número de hojas, incremento del número de ramas y/o del número de flores, frutos y semillas de plantas angiospermas, en la inducción de la floración, o en combinaciones de los anteriores.

14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la planta se cultiva en una atmósfera en la que están presentes los compuestos volátiles emitidos por un microorganismo que ha sido cultivado en un lugar diferente al lugar de cultivo de la planta.