Investigación

Historia del grupo y tema objeto de estudio


Nuestro grupo de investigación se creó en el año 1990 a la vuelta de Francisco M. Cánovas de su etapa de formación en Francia y EEUU. En el año 1996 se incorporó al grupo Concepción Avila procedente del Centro Nacional de Biotecnología, después de su etapa de formación en el Reino Unido. Desde el principio nuestras actividades investigadoras se han dirigido a conocer cómo el uso eficiente de los nutrientes nitrogenados determina el desarrollo vascular y la acumulación de biomasa en árboles. Es bien conocido que la disponibilidad de nitrógeno en los suelos es uno de los de los factores limitantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Por ello, a lo largo de la evolución las plantas han desarrollado mecanismos reguladores y asociaciones simbióticas para incrementar la eficiencia en la captura y utilización del nitrógeno. La economía del nitrógeno tiene especial importancia en árboles que poseen ciclos de vida largos con periodos estacionales de crecimiento y desarrollo durante muchos años. Además de ser un factor determinante para la productividad forestal, el nitrógeno también puede ser un contaminante, como consecuencia de la actividad industrial y el uso excesivo de fertilizantes en la agricultura. De hecho, la perturbación humana del ciclo global del nitrógeno en los ecosistemas se considera como un factor importante del cambio climático global. El uso eficiente del nitrógeno en los árboles se traduce en incrementos en la producción de madera y/o biomasa por unidad de superficie con mejora de la productividad forestal, la disminución de las superficies cultivadas y la preservación de los ecosistemas forestales naturales.


El grupo ha sido pionero en España en estudios de Biología Molecular, Genómica  y Biotecnología Forestal. El objetivo general de nuestro programa de investigación es generar conocimiento útil para la producción de “árboles biotech” con mayor capacidad en el uso eficiente del nitrógeno, mayor producción de biomasa y características mejoradas para la producción de papel y madera. Puesto que nuestra actividad se desarrolla en la Universidad otro de los objetivos del grupo es la formación de jóvenes investigadores de nivel predoctoral y postdoctoral especializados en nuestro tema de investigación. En este sentido, señalar que el grupo participa muy activamente en la docencia de postgrado y está vinculado a un programa de doctorado de calidad, Máster y Programa de Doctorado en Biología Celular y Molecular de la UMA (http://www.bcm.uma.es/; http://www.uma.es/master-en-biologia-celular-y-molecular/; http://www.uma.es/doctorado-bcm/).

 

Modelos experimentales


Uno de nuestros modelos experimentales es pino marítimo (Pinus pinaster), la conífera de mayor importancia económica y ecológica en el sur de Europa (Francia, España y Portugal) donde representa 4 millones de hectáreas. Los estudios moleculares en coníferas tienen que hacer frente a numerosas dificultades inherentes a estas especies vegetales como la abundancia extrema de compuestos fenólicos y polisacáridos que interfieren con la extracción de ácidos nucleicos y proteínas, el gran tamaño que dificulta los estudios en condiciones experimentales controladas, megagenomas  y recalcitrancia a la transformación y regeneración. Estas dificultades han exigido al grupo una gran inversión de tiempo y dedicación al el desarrollo de protocolos adaptados  y a la generación de recursos necesarios para el avance de nuestros estudios. En el año 1995, en el marco de un proyecto financiado por la OTAN incorporamos a nuestro laboratorio Populus como modelo experimental, lo que nos ha permitido superar algunas de los inconvenientes mencionados previamente. En particular, el modelo de Populus ha facilitado en gran medida la caracterización funcional de genes de coníferas y la realización de otros estudios de interés en leñosas que no era posible realizar en coníferas. La secuenciación del genoma en el año 2006 ha proporcionado numerosos recursos de genómica funcional que hacen de Populus un modelo de referencia en investigación forestal y nuestro grupo ha realizado la transferencia de muchos de estos recursos a otros grupos de investigación y empresas de nuestro país.


  Pinus  y Populus

 

Líneas de trabajo

 

Genómica

Los recientes avances tecnológicos en secuenciación han hecho posible la secuenciación de los megagenomas de coníferas y P.pinaster es uno de los modelo más avanzados en estudios de genómica en Europa. En el marco del proyecto proyecto Sustainpine financiado por el programa europeo PLANT-KBBE (http://www.scbi.uma.es/sustainpine/) nuestro grupo ha coordinado la secuenciación de novo del transcriptoma de P. pinaster  (SustainpineDB: http://www.scbi.uma.es/sustainpinedb/home_page). En la actualidad participamos muy activamente en el proyecto ProCoGen (FP7-KBBE) de la Unión Europea (http://www.procogen.eu/) para la secuenciación del genoma de pino. Estos proyectos forman parte de las actividades de la Iniciativa internacional para la secuenciación del genoma de las coníferas y están coordinados con los proyectos desarrollados por grupos americanos y canadienses (proyecto Foresttrac, FP7-KBBE de la Unión Europea).

Distribución por tamaños de los Unigenes de SustainPineDB y perfil del RNA extraído de mustras de tejido de raíz obtenidas de una captura por microdisección láser (LCM).

 

Arboles con mayor producción de biomasa/ biomateriales de interés


Para la producción de biomasa se están utilizando una amplia variedad de especies herbáceas pero es aconsejable el uso de especies leñosas para la generación de biomasa lignocelulósica. Un aspecto clave en la innovación tecnológica en este campo es la domesticación de caracteres importantes que permitan generar y seleccionar árboles con mayor producción de biomasa y de fibra de la calidad necesaria para producir biocombustibles y/o biomateriales de interés. Son varias las dianas que se están estudiando con posibilidades de aplicación y una de ellas es la mejora en la absorción y metabolismo de los nutrientes nitrogenados. Resultados de nuestro grupo de investigación han permitido identificar genes estructurales y posibles genes reguladores que intervienen en el proceso. Nuestro objetivo es comprender la función de estos genes que controlan procesos estrechamente ligados a la productividad forestal y utilizar este nuevo conocimiento para aumentar la producción de biomasa. El desarrollo de plantaciones con variedades seleccionadas de árboles altamente productivos permitirá abastecer de manera sostenible la demanda creciente de madera y otros biomateriales de interés comercial, preservando a la vez las masas forestales naturales.


Arboles para biorremediación de altos niveles de nitrato y aplicaciones en bioenergía (Castro Rodríguez et al. 2015)

 

Síntesis de aminoácidos y economía del nitrógeno


El reciclado y transporte de nitrógeno así como la acumulación y movilización de reservas nitrogenadas son procesos esenciales durante los ciclos anuales de crecimiento que comprometen la salida de las fases de inactividad metabólica estacional y el suministro de nutrientes a los órganos en desarrollo.
Las coníferas acumulan el nitrógeno de forma transitoria en el aminoácido arginina y se ha llegado a proponer que el contenido en arginina puede reflejar mucho mejor el estatus nitrogenado de estos árboles que otros parámetros a menudo utilizados en plantas herbáceas. A largo plazo, el nitrógeno se almacena en forma de proteínas de reserva que se acumulan en las semillas o en órganos vegetativos. Estas reservas nitrogenadas son particularmente ricas en arginina y aminoácidos amídicos y su movilización es esencial para el crecimiento y desarrollo de los árboles tanto en fases tempranas como en los ciclos anuales. Uno de los objetivos del grupo es estudiar la regulación molecular de la biosíntesis de este aminoácido durante la embriogénesis de P. pinaster.
Las coníferas desvían grandes cantidades de carbono en la biosíntesis de los fenilpropanoides, en particular para generar lignina, un componente importante de la madera. Aunque la lignina y otros compuestos fenólicos no contienen nitrógeno, el metabolismo de la fenilalanina tiene un papel central en el flujo de carbono desde los tejidos fotosintéticos hacia el tronco del árbol durante la formación de la madera. Otro de los objetivos del grupo es estudiar la regulación molecular de este proceso.

Flujo de carbono fotosintético hacia la biosíntesis de fenilpropanoides y metabolismo del nitrógeno asociado (Craven-Bartle et al. 2013).

 

Publicaciones recientes

- Canales et al (2011) Plant Cell Environ 34, 1443-1453.
- Castro-Rodríguez et al (2011). BMC Plant Biol 11:119.
- Fernández-Pozo et al (2011) BMC Genomics 12:366.
- Canales et al. (2012) Trees 26: 609–619.
- Coleman et al. (2012). Plant Biotech J 10: 883-889. CLAVE: A
- Canales et al. (2012). Front Plant Sci 3, 100
- Villalobos et al. (2012) BMC Plant Biol 12:100,
- Mackay et al. (2012) Plant Mol Biol 80:555–569.
- Craven-Bartle et al. (2013). Plant J 74, 755-766.
- Flores-Monterroso et al. (2013) Planta 237, 1637-1650.
- Rueda-López et al. (2013). Trees 27, 1547-1557.
- de la Torre et al. (2014). Plant Physiol 164, 92-104.
- Merino et al. (2014). Plant Physiology 164, 978-991.
- Canales et al. (2014). Plant Biotechnol J 12, 286-299.
- de la Torre et al. (2014). J Exp Bot 65, 5527-5534.
- Cañas et al. (2014). Tree Physiol 34, 1278-1288.
- Castro-Rodríguez et al. 2015). BMC Plant Biol15:20 .
- Cañas et al. (2015). J Exp Bot (in press).
- Castro-Rodríguez et al. (2015). Plant Biotechnol J (in press).



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