Deciphering the nitric oxide function in the onset of seed dormancy and germination in Arabidopsis

Abstract

La dormición de semillas se define como la incapacidad de semillas viables para completar la germinación aun cuando las condiciones son favorables para ello. En estas condiciones, las semillas no durmientes germinan sin impedimento (Bewley, 1997). Esta característica de las semillas establece varias ventajas para la supervivencia de la planta, ya que está relacionada con la detección de las estaciones y de los cambios en el entorno que pueden ser perjudiciales para el establecimiento de una nueva planta. Sin embargo, este rasgo es considerado indeseado en las prácticas agrícolas. En la agricultura, se busca la producción máxima, y para ello, es importante que exista homogeneidad en el tiempo de germinación para obtener un rendimiento óptimo. La variación en el tiempo de germinación provocada por la dormición de semillas constituye una desventaja en agricultura. La domesticación de cultivos ha llevado a la selección de semillas no durmientes a lo largo del tiempo. A pesar de ello, la completa eliminación de la dormición puede provocar problemas, tales como la germinación prematura de las semillas dentro de la planta madre (viviparismo) o la pérdida de producción del cultivo debido a que las semillas germinan cuando las condiciones ambientales no son adecuadas. Como en cualquier otro aspecto de la vida, es necesario un equilibrio (Née et al., 2017; Rodríguez et al., 2015). La dormición está influenciada, en gran medida, por las señales ambientales, como la temperatura, y por señales internas, como el diálogo establecido entre las diferentes fitohormonas que controlan distintos aspectos de los procesos de desarrollo. Las temperaturas bajas durante la maduración de la semilla incrementan los niveles de dormición (Murphey et al., 2015). De manera similar, el ácido abscísico (ABA) promueve el establecimiento de la dormición mediante su actuación durante la maduración de semillas. Las rutas de síntesis, percepción y señalización de ABA se han estudiado en detalle a lo largo de los años, observándose que niveles altos de ABA durante la embriogénesis y maduración dan lugar a semillas más durmientes (Nambara & Marion-Poll, 2005). Por otro lado, las giberelinas (GAs) actúan de manera antagónica al ABA, promoviendo la germinación de semillas, así como otros procesos relacionados con el crecimiento de las plantas. La interacción entre estas dos fitohormonas se establece durante la maduración, dormición y germinación, permitiendo o no la ruptura de la dormición (Finkelstein, 2013; Zentella et al., 2007). Sin embargo, la dormición puede romperse mediante diferentes mecanismos como la estratificación o el almacenamiento en seco (after-ripening), o mediante tratamientos con distintos compuestos como el nitrato y nitrito, inhibidores del ABA o donadores de óxido nítrico (NO). El gasotransmisor NO juega un papel importante en la eliminación de la dormición, promoviendo la germinación. También actúa de manera antagónica a la ruta de señalización del ABA, ya que el NO inactiva o promueve la degradación de varios componentes de esta ruta (Albertos et al., 2015; Castillo et al., 2015; Gibbs et al., 2014; Wang & Perry, 2013). Se han descrito diferentes rutas de biosíntesis de NO en plantas, que pueden ser clasificadas en rutas reductoras y oxidativas. La síntesis reductora del NO usa nitrito y nitrato como sustratos de reacciones catalizadas por distintas enzimas (Gupta & Igamberdiev, 2011; Moreau et al., 2010). Además, la conversión de nitrito a NO a través de esta ruta reductora puede ocurrir también debido a cambios ocasionados por el carácter ácido del apoplasto de la capa de aleurona en cereales (Bethke et al., 2004). Por otro lado, las rutas oxidativas utilizan L-arginina, poliaminas e hidroxilaminas como sustratos. Estos compuestos son oxidados para dar lugar a NO mediante la acción de enzimas como NOA (NO ASSOCIATED PROTEIN 1) o cobre aminooxidasas (CuAO) (Groß et al., 2017; Moreau et al., 2008). El NO regula los procesos en los que está involucrado a través de modificaciones postraduccionales (PTMs) de residuos de proteínas. Estas PTMs incluyen la nitración de residuos de tirosina, nitrosilación de metales y la S-nitrosilación de cisteínas. Todas estas modificaciones tienen un efecto en la actividad, estabilidad o localización de la proteína y, en algunos casos, pueden provocar la degradación de la misma (Astier & Lindermayr, 2012). Es a través de estas PTMs que el NO contrarresta la señalización de ABA. La dormición también se ve afectada por la variación natural, y su estudio llevó a la identificación y mapeo de locus de carácter cuantitativo (QTL) de dormición y del gen DELAY OF GERMINATION 1 (DOG1) (Alonso-Blanco et al., 2003). Este gen codifica la proteína DOG1, que une grupos hemo, y cuyo mecanismo de acción es aún desconocido, pero que constituye un regulador maestro de la dormición. DOG1 se expresa durante la maduración de las semillas y sus niveles de transcrito disminuyen en semilla seca (Bentsink et al., 2006). La acumulación de la proteína DOG1 está altamente influenciada por la temperatura de maduración de las semillas, que determina el fenotipo de dormición en semillas recién recogidas (Murphey et al., 2015; Nakabayashi et al., 2012). Al tratarse de uno de los reguladores más importantes en el establecimiento de la dormición de semillas, la regulación de DOG1 ocurre a muchos niveles, incluidas la expresión génica y la acumulación de proteínas. DOG1 sufre splicing alternativo y poliadenilación alternativa, lo cual determina las distintas isoformas de proteínas producidas. DOG1-ß/gamma/epsilon es la forma más abundante de splicing y se corresponde también con la forma de DOG1 corto (short DOG1, shDOG1) derivada de poliadenilación alternativa (Cyrek et al., 2016; Nakabayashi et al., 2015). La expresión de DOG1 también está regulada por un transcrito antisentido llamado asDOG1 que reprime la expresión de DOG1 (Fedak et al., 2016) así como por distintas modificaciones de la cromatina (Haider & Farrona, 2024). DOG1 y el ABA son los dos reguladores principales que establecen la dormición de semillas. DOG1 y el complejo formado por ABA y el receptor PYR/PYL/RCAR se unen por separado a las fosfatasas de la familia PP2C, inactivándolas y, por tanto, permitiendo la actividad de los siguientes elementos de la ruta de señalización, lo que promueve la entrada y mantenimiento de la dormición (Née et al., 2017; Nishimura et al., 2018). El NO afecta a la estabilidad y actividad de estos componentes, así como a la función del factor de transcripción basic LEUCINE ZIPPER 67 (bZIP67), que es un activador de la expresión de DOG1 (Bryant et al., 2019; Sánchez-Vicente et al., 2024). Por tanto, nuestros estudios se centran en la caracterización de la función de DOG1 en la modulación de la dormición de semillas, así como del efecto del NO sobre este regulador, ya que el NO tiene una acción promotora de la germinación. Nuestros resultados confirman la relevancia del NO y de la temperatura de maduración de las semillas en la regulación de DOG1. Adicionalmente, hemos analizado la influencia de residuos clave en la estructura de DOG1, así como su modificación por NO, en la función de esta proteína. Con los resultados obtenidos, planteamos un modelo hipotético donde se explica la posible implicación del NO en la regulación de la dormición a través de la modificación de la proteína DOG1.