Efecto de los antibióticos betalactámicos carbenicilina y penicilina en el desarrollo de arabidopsis thaliana

Resumen

El descubrimiento de los antibióticos y su aplicación médica han permitido el tratamiento exitoso de las infecciones bacterianas desde los años 40 del pasado siglo. Sin embargo, el uso generalizado y poco cuidadoso de estos compuestos en la práctica clínica o en el ámbito agropecuario junto con una posible producción de estas sustancias in situ por microorganismos del suelo ha hecho que los antimicrobianos se puedan encontrar en los efluentes de agua y en el suelo, lo que permitiría su contacto con las plantas. Si bien se ha analizado el efecto de algunos antimicrobianos en determinadas especies vegetales, las bases moleculares de los cambios observados en el desarrollo vegetal han sido escasamente estudiadas. Es por esto que en esta Tesis doctoral nos planteamos como objetivo determinar si los antibióticos betalactámicos afectan a procesos moleculares relacionados con el desarrollo radicular de Arabidopsis thaliana Col0. En primer lugar, evaluamos si estos antimicrobianos son capaces de generar un cambio fenotípico en las raíces de Arabidopsis thaliana. Para esto, cultivamos plántulas de Arabidopsis en medio MS suplementado con 100 microgramos por mililitro de carbenicilina o penicilina. Las plántulas cultivadas en estas condiciones presentaron diversos cambios morfológicos como el aumento del diámetro de todas las capas celulares de la raíz y el consecuente incremento del grosor radicular, la reducción en la longitud de la raíz primaria a consecuencia de la disminución de la elongación de las células adyacentes al meristemo sin que la división celular se vea afectada y un incremento del número y desarrollo de pelos radiculares, así como el número de raíces laterales. Ante estos hallazgos, examinamos los cambios en la expresión genética provocados por estos antibióticos. Para ello realizamos el análisis transcriptómico mediante secuenciación de ARN mensajero de raíces cultivadas con 10 microgramos por mililitro de carbenicilina que produjo un enriquecimiento en la expresión de genes relacionados con la respuesta a estrés oxidativo, y una alteración de la señalización hormonal dependiente de auxinas. El primero de los fenómenos se asoció con el mayor desarrollo de pelos radiculares en una región más próxima al ápice radicular merced a un aumento de ROS en las zonas de diferenciación de la raíz provocado por la actividad de la NADPH oxidasa RHD2. La alteración hormonal se evidenció por el aumento de la expresión del gen uidA en la línea transgénica DR5GUS y el aumento del número de raíces laterales. Además, el análisis por ontología génica reveló que los betalactámicos modifican la expresión de genes implicados en la defensa de la planta frente a infecciones causadas por organismos. Para comprobar esto, evaluamos la expresión de los genes relacionados con la vía de síntesis de los glucosinolatos y encontramos una disminución de la expresión del gen CYP81F2 y de la concentración de algunos indolglucosinolatos como el 4 hidroxi indol 3 metil glucosinolato y el 4 metoxi indol 3 metil glucosinolato, relacionados con mecanismos de defensa frente a hongos, y que podrían explicar la reducción significativa del peso húmedo de las plantas de Arabidopsis thaliana irrigadas con 100 microgramos por mililitro de penicilina e inoculadas con 10 mil millones de esporas del hongo endófito Colletotrichum tofieldiae. Por tanto, la carbenicilina y la penicilina no solo provocan una respuesta de estrés en las raíces de Arabidopsis thaliana, sino que los cambios fenotípicos y moleculares están asociados con modificaciones en la expresión de genes relacionados con la vía de señalización dependiente de auxinas y de la síntesis de los indolglucosinolatos, lo que podría explicar la sensibilidad vegetal a la presencia de hongos en el entorno.