Análisis fisiológico y transcriptómico de la respuesta a déficit hídrico en cacao (Theobroma cacao L.) para la identificación de genes candidatos de tolerancia a estrés

Abstract

El cacao (Theobroma cacao L.) es un árbol perenne tropical nativo de la cuenca Amazónica de América del Sur, de gran importancia económica debido a que, de sus frutos, se obtienen las semillas que son la materia prima de la industria chocolatera. Su cultivo representa el principal sustento económico de pequeños agricultores de varias regiones productoras de África, América Central y América del Sur. El cacao es sensible a los cambios en los patrones meteorológicos generados por el calentamiento global, y en los próximos decenios se prevé que la mayoría de las zonas de cultivo serán afectadas por el cambio climático con el aumento de la incidencia de los períodos de limitación hídrica en el suelo. Se caracterizó la respuesta de T. cacao al estrés por déficit hídrico empleando dos aproximaciones la fisiología y la transcriptómica. 1) Se llevó a cabo la caracterización fisiológica de la respuesta al déficit hídrico de siete clones evaluando los parámetros fisiológicos de relaciones hídricas, intercambio de gases y actividad fotoquímica del PSII. Para esto, las plantas fueron sometidas a dos tratamientos: riego a capacidad de campo y déficit hídrico por suspensión de riego hasta que el potencial hídrico de las hojas (Ѱ) alcanzó valores entre -3.0 a -3.5 MPa. Alcanzado este punto de máximo estrés, se reanudó el riego y se evaluó su recuperación. De esta caracterización se seleccionaron los clones EET8 e ICS60, por ser los más contrastantes en cuanto a sus parámetros fotosintéticos, junto con el clon TSH565 que mantuvo el mayor Ѱ a pesar de la limitación hídrica. Estos clones fueron sometidos a una segunda evaluación fisiológica de la respuesta al estrés donde, además de los parámetros fisiológicos empleados en la primera caracterización, se evaluaron parámetros de crecimiento. Los resultados mostraron que EET8 fue el más afectado, presentando el Ѱ más bajo, así como una mayor reducción en la fotosíntesis neta y afectación en el aparato fotosintético, lo que se reflejó en la mayor reducción en su crecimiento. En contraste, el clon TSH565 tuvo la mayor eficiencia en el uso del agua y la menor afectación en el aparato fotosintético y por lo tanto en el crecimiento. Con estos dos clones se realizó la 2) Caracterización molecular a nivel transcriptómico de la respuesta al déficit hídrico, para identificar genes candidatos de tolerancia a este estrés en cacao. Se empleó la secuenciación de ARN (RNAseq) a partir de ARNm total foliar de los clones mencionados. El análisis de expresión diferencial entre la condición de estrés y su respectivo control permitió identificar un número similar de genes diferencialmente expresados entre los dos clones, muchos de ellos compartidos, así como otros específicos de la respuesta de cada clon. El análisis de enriquecimiento funcional y de rutas metabólicas permitió evidenciar que la respuesta de tolerancia al estrés observada en el clon TSH565, estuvo relacionada con su capacidad para activar de forma específica genes de XVIII respuesta a estrés, y de respuesta a estímulos, sobresaliendo la activación de rutas de señalización hormonal como la del ABA, la fosforilación de proteínas, o las categorías de unión a ácidos nucleicos y de funciones catalíticas, las cuales reflejan un importante proceso de reprogramación tanto de la expresión génica, como metabólica. El clon EET8 también toleró el déficit hídrico, las categorías funcionales enriquecidas estaban relacionadas con procesos metabólicos muy diversos, de biosíntesis y de respuesta a estímulos abióticos, bióticos y químicos. Además, en este clon se encontraron reprimidos algunos genes relacionados con la estabilidad del aparato fotosintético, las reacciones lumínicas de la fotosíntesis y el transporte de electrones en el fotosistema I, confirmando lo observado a nivel fisiológico en cuanto a afectación del aparato fotosintético debido al estrés. Se evidenciaron mecanismos comunes y específicos de respuesta a DH entre clones, permitiendo proponer un modelo de respuesta mediante la integración con las respuestas observadas a nivel fisiológico. Finalmente, esta caracterización integrada, permitió identificar una selección de genes candidatos que podrían estar relacionados con la tolerancia de T. cacao al déficit hídrico. Estos resultados representan un primer aporte al conocimiento de la respuesta transcriptómica del cacao al déficit hídrico, y el primer reporte de la caracterización de los mecanismos fisiológicos y moleculares de su tolerancia a este estrés abiótico. La caracterización de la respuesta de clones híbridos de importancia comercial, pero, sobre todo, el recurso genómico generado, así como los genes candidatos de tolerancia identificados, en espera de su validación, constituyen un insumo valioso para los programas de mejoramiento del cacao, en búsqueda de materiales más tolerantes a las nuevas condiciones climáticas.