The cell wall as a target for improving agronomic and biotechnological traits in maize ("Zea mays L.")

• Autores: Alba Manga Robles
• Directores de la Tesis: Carlos Gaspar Polanco de la Puente (tut. tes.), Penélope García-Angulo (dir. tes.), Antonio Esteban Encina García (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 92
• Títulos paralelos:
  • La pared celula como diana para la mejora de características agronómicas y biotecnológicas del maíz ("Zea mays L.")
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jaime Barros Ríos (presid.), Asier Largo Gosens (secret.), Ana López Malvar (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología Molecular y Biotecnología por la Universidad de León
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• Resumen
  • español

    El maíz (Zea mays L.) es el cereal más cultivado en el mundo, seguido del trigo y el arroz. Aunque es un cultivo muy productivo y polivalente, su rendimiento se ve comprometido por diversos estreses abióticos y bióticos. Dado que el papel de la pared celular es determinante en diversos procesos fisiológicos de las plantas, el objetivo general de esta Tesis fue profundizar en el conocimiento de la asociación entre la composición y estructura de la pared celular y factores que afectan al cultivo del maíz como el encamado, el estrés por sequía y la enfermedad fúngica por podredumbre del tallo. Adicionalmente, se estudió la relación entre composición de la pared celular y digestibilidad enzimática del material lignocelulósico de maíz, básicamente constituido por paredes celulares.

    El encamado provoca pérdidas de rendimiento en el maíz en todo el mundo. A este respecto, se ha apuntado a variaciones en la composición y estructura de la pared celular como uno de los factores que podrían explicar la susceptibilidad al encamado en el maíz. Por esta razón, se analizaron las paredes celulares de doce líneas puras de maíz con diferente resistencia del tallo (evaluada como resistencia a la penetración de la corteza por punción) y susceptibilidad al encamado, para desentrañar la interrelación, en caso de existir, entre composición de la pared celular, resistencia mecánica del tallo y propensión al encamado. Tras analizar los datos estructurales y de composición de la pared celular, el análisis por regresión múltiple por pasos reveló que las subunidades H de la lignina se asocian positivamente con una mayor resistencia mecánica a la penetración de la corteza por punción. A partir de los datos obtenidos, se pudo establecer un modelo predictivo para el encamado según el cual, el contenido de ácido ferúlico aumenta la resistencia al encamado, mientras que el contenido total de diferulatos la reduce. Estos resultados sugieren que la susceptibilidad al encamado y la resistencia mecánica del tallo no estarían relacionados con la cantidad neta de los componentes principales del material lignocelulósico (celulosa, hemicelulosas y lignina), sino por componentes minoritarios que median cambios estructurales de las paredes celulares.

    Las plantas experimentan adaptaciones morfológicas y fisiológicas en respuesta al estrés que suelen implicar modificaciones de la pared celular. En este sentido, la pared celular constituye la primera barrera defensiva en respuesta a factores tanto bióticos como abióticos. El cultivo de maíz se enfrenta a desafíos que afectan a su producción, como el ya mencionado encamado, así como el estrés por sequía. Basándonos en los resultados del ensayo de encamado, se seleccionaron dos líneas puras de maíz (B73 y EA2024) con diferente resistencia a este rasgo para un experimento que pretendía evaluar su respuesta a la sequía. Las líneas puras seleccionadas mostraron diferente tolerancia a la sequía, siendo EA2024 más resistente a este estrés abiótico. Las plantas de EA2024 cultivadas en condiciones de irrigación, mostraron un mayor contenido de celulosa, ácidos urónicos y ácido p-cumárico que las plantas de B73 en idénticas condiciones. Ante el déficit hídrico, ambos genotipos mostraron estrategias diferentes: EA2024 acumuló mayores niveles de polímeros enriquecidos con arabinosa, como arabinogalactano-proteínas y un menor contenido en lignina, mientras que B73 altera la composición de lignina y aumenta el contenido en ácidos urónicos. Basándonos en estos resultados, proponemos que una composición de la pared celular útil para resistir el encamado, como la que presenta B73, podría afectar a la plasticidad de su pared celular y aumentar así su susceptibilidad a la sequía.

    La enfermedad de la podredumbre del tallo, causada por el hongo fitopatógeno Fusarium graminearum, es un factor de estrés biótico que afecta a la producción de maíz y tiene implicaciones a nivel de salud humana y animal. La resistencia a la infección por Fusarium se ha asociado con cambios en la pared celular, pero este aspecto en particular sigue sin explorarse en el maíz, donde la mayoría de los híbridos comerciales y líneas puras son susceptibles a este hongo. Los dos genotipos que han mostrado diferencias en la resistencia al encamado y a la sequía, B73 y EA2024, se utilizaron en un experimento de infección controlada con F. graminearum, y también se encontraron diferencias en la susceptibilidad a la enfermedad fúngica, siendo B73 más susceptible que EA2024. Para investigar las diferencias genotípicas en la composición de la pared celular, que podrían explicar la variación en la resistencia a Fusarium entre B73 y EA2024, y en busca de una posible respuesta sistémica de remodelación de la pared celular en respuesta a la infección, se comparó la composición y estructura de la pared celular procedente de tejido medular de un entrenudo distinto del inoculado (segundo entrenudo por debajo de la mazorca principal) entre plantas inoculadas y no inoculadas. El análisis de la pared celular de las plantas no inoculadas mostró que no había diferencias cuantitativas entre B73 y EA2024 en lo relativo a sus componentes principales. Sin embargo, se encontraron variaciones en el contenido en ácido p-cumárico y el grado de acetilación de arabinoxilanos que podrían contribuir a las diferencias en la susceptibilidad a Fusarium entre los genotipos analizados. Un análisis estructural detallado de los polisacáridos matriciales solubilizados mediante extracción subcrítica con agua indicaron que EA2024 presentaba una población enriquecida en pectinas extraída a tiempo temprano (10 minutos) que podría ser sustrato para la formación de patrones moleculares asociados a daños relacionados con la resistencia a Fusarium. Las características de la pared celular de B73, el genotipo susceptible Fusarium, podría facilitar la degradación por el hongo, ya que los arabinoxilanos extraídos a los 30 minutos mostraron mayores xilosas disustituidas. Además, tras la infección, B73 acumula arabinoxilanos con un patrón de sustitución más complejo. Esta variación estructural de los polisacáridos matriciales implicaría una reducción de su capacidad de unión a la celulosa y proponemos que se asociaría a una pared celular más fácilmente degradable, favoreciendo el desarrollo del hongo. Los resultados obtenidos en este apartado nos permiten sugerir que la variación genotípica en la composición de la pared celular puede explicar parcialmente la resistencia a Fusarium.

    La idoneidad en el uso de la biomasa lignocelulósica del maíz como materia prima para la alimentación de ganado o para la producción de biocombustibles viene determinada, al menos parcialmente, por la degradación eficiente de este material. Sin embargo, la biomasa vegetal posee una resistencia intrínseca a la hidrólisis enzimática atribuible a la recalcitrancia de las paredes celulares lignificadas. Para conocer la relación entre pared celular y degradabilidad enzimática de la biomasa lignocelulósica del maíz, paredes celulares no pretratadas de entrenudos seleccionados de seis genotipos de maíz -incluidos B73 y EA2024- se sometieron a un ensayo de degradación enzimática seguido de análisis composicionales. Basándose en las diferencias cuantitativas de degradabilidad enzimática entre los genotipos seleccionados, se generaron dos grupos con alta y baja degradabilidad enzimática respectivamente. El posterior análisis de la pared celular de los grupos reveló una variación considerable en cuanto a composición; sin embargo, se observó que una menor cristalinidad de la celulosa, una lignina enriquecida en subunidades S y empobrecida en subunidades H, un alto contenido de ácido ferúlico esterificado y un contenido reducido de ácido p-cumárico estarían asociados a una mayor degradabilidad enzimática. Por el contrario, un enriquecimiento en subunidades H de la lignina, las hemicelulosas (totales y altamente entrecruzadas) y el contenido en xilosa de las hemicelulosas poco entrecruzadas estaría negativamente relacionadas con la degradabilidad de la pared celular.

    El crecimiento demográfico y el desarrollo económico, contribuirán a aumentar la demanda del cultivo de maíz para uso alimentario y la fabricación de biocombustibles a partir de su material lignocelulósico. Sin embargo, los elevados rendimientos del maíz se ven amenazados por factores de estrés bióticos y abióticos, que en la actualidad se están viendo exacerbados por la aceleración del cambio climático. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral contribuyen a comprender mejor aspectos relevantes relacionados con el cultivo del maíz, como el encamado, la sequía, la infección por F. graminearum y la degradabilidad enzimática desde la perspectiva de la pared celular. Por lo tanto, esta Tesis Doctoral ofrece datos sobre sobre ciertos componentes de la pared celular cuya manipulación puede ser útil en programas de mejora genética destinados a optimizar el comportamiento de los cultivos de maíz para los caracteres estudiados.

  • English

    Maize (Zea mays L.) is the most widely cultivated cereal in the world, followed by wheat and rice. Although it is a very productive and multiple-purpose crop, its yield is compromised by several abiotic and biotic factors. Since cell wall characteristics affect many physiological aspects of the plants, its study is relevant to determine the possible causes related to important issues of maize crop. In this framework, the general objective of this Thesis was to deepen into the understanding of the putative association between cell wall composition and structure and their impact on various aspects affecting maize crop.

    Lodging leads to maize yield losses worldwide and, at least, stalk strength has been related to lodging resistance. Cell walls of twelve inbred lines with different stalk strength (tested as rind penetration strength) and lodging resistance were analyzed to unravel the suspected interrelation among cell wall, stalk strength and lodging resistance. After analyzing cell wall compositional and structural data, stepwise multiple regression revealed that H lignin subunits confer higher resistance to rind penetration strength. In case of lodging predictive model, ferulic acid content enhances lodging resistance, while total content of diferulates reduce it. These findings suggest that lodging susceptibility and stalk strength may be influenced by structural traits of cell walls rather than the net amount of the major components, such as cellulose, hemicelluloses and lignin.

    Plants undergo morphological and physiological adaptations in response to stresses, which usually involves cell wall modifications. In this respect, the cell wall constitutes the first barrier to both biotic and abiotic factors, playing an essential role in defense mechanisms. Maize crop faces challenges that affect its production, such as the above-mentioned lodging as well as drought stress. Basing on the results from the lodging trial, two maize inbred lines with different resistance to this trait were selected for a drought experiment. Both inbreds, B73 and EA2024, showed different tolerance to drought, being EA2024 more resistant to this abiotic stress. Well-watered plants of EA2024 showed an increased content of cellulose, uronic acid and p-coumaric acid than B73. Upon water deficit, they follow different strategies to overcome the stress: EA2024 had higher levels of arabinose-enriched polymers, such as arabinogalactan proteins and a lower lignin content, while B73 alters lignin composition and increases uronic acid content. Basing on these results, we propose that a cell wall composition useful for resisting lodging, such as that exhibited by B73, could affect the plasticity of its cell wall and thus increase its susceptibility to drought.

    Regarding biotic factors, fungal diseases and particularly Fusarium graminearum, which causes stalk rot disease, impact on maize production as well as on animal and human health. Resistance to Fusarium infection has been associated with the cell wall, however, remains somewhat unexplored in maize where most hybrids and inbreds are susceptible. The two genotypes that have shown differences in lodging and drought resistance, B73 and EA2024, were used in an infection experiment with F. graminearum. Differences in susceptibility to fungal disease were found, with B73 being more susceptible than EA2024. To investigate genotypic differences in cell wall composition, which could provide information on differences in resistance to Fusarium between B73 and EA2024, and to search for a putative systemic remodeling response upon infection, cell wall composition and structure of pith tissue from an internode other than the inoculated one (second internode below the main ear) were compared between inoculated and non-inoculated plants. Cell wall analysis of non-inoculated plants showed that there were no quantitative differences in the major components between B73 and EA2024. However, variations in p-coumaric and the degree of acetylation of arabinoxylans may contribute to differences in Fusarium susceptibility between genotypes. Detailed structural analyses of polysaccharides extracted by subcritical water extraction indicated that EA2024 presented a pectin-enriched population extracted at early-time (10 minutes) by subcritical water extraction that could result in damage-associated molecular patterns related to Fusarium resistance. The cell wall characteristics of B73, the susceptible inbred, may promote degradation by the fungus since arabinoxylans extracted at 30 minutes by subcritical water extraction showed higher disubstituted xyloses. In addition, upon infection B73 possesses higher complex substitutions of arabinoxylans making the cell wall more easily degradable enhancing fungal development. These results suggest that genotype-dependent cell wall composition may be relevant in this resistance.

    The use of maize lignocellulose as feedstock or for biofuel production is determined by efficient degradation of this material. However, plant biomass possesses an intrinsic resistance to enzymatic hydrolysis attributable to the recalcitrance of lignified cell walls. Untreated cell walls from selected internodes of six different maize inbreds -including B73 and EA2024- were exposed to an enzymatic degradation assay followed by compositional analyses to gain insight into the relationship between these two traits. Basing on the quantitative differences in enzymatic degradability among inbreds, two distinct groups (high and low degradability) were generated. The subsequent cell wall analysis of the groups revealed a considerable variation, however, it was found that lower cellulose crystallinity, S-enriched and H-impoverished lignin, high content of esterified ferulic acid and reduced p-coumaric acid content seem to be associated with higher enzymatic degradability. In contrast, lignin H-subunits, hemicelluloses (total and highly cross-linked population) and xylose in loosely cross-linked hemicelluloses are negatively related to cell wall degradability.

    Demographic growth and economic development will contribute to an increase in food demand of maize. However, the high maize yields are threatened by both biotic and abiotic factors, which are currently being negatively affected by accelerating climate change. The findings obtained in this PhD Thesis contribute to better understand relevant aspects related to maize crop such as lodging, drought, F. graminearum infection and enzymatic degradability from a cell wall perspective. Therefore, these outcomes may be useful in breeding programs aimed at improving maize crops for the studied characters.