Estudio de diferentes aspectos agronómicos, fisiológicos y moleculares de la aplicación de H2S en plantas de Brassica oleracea CV. BRONCO

Abstract

En el capítulo 1, se investigaron los efectos potenciales del sulfuro de hidrógeno en la biomasa de la parte aérea, la calidad nutricional y la capacidad antioxidante de Brassica oleracea, mediante la aplicación de dosis crecientes de NaHS (NaHS como donador de H2S; 0,5, 1, 2,5 y 5 mM). Los resultados mostraron que los tratamientos 0,5 y 1 mM de NaHS aumentaron la biomasa y la calidad nutricional de la col 'Bronco' (es decir, clorofilas, carotenoides, antocianinas, flavonoles, fenoles totales y sinigrina). Por otra parte, hubo un aumento en la peroxidación de lípidos y el contenido de peróxido de hidrógeno tras la aplicación de dosis superiores a 2,5 mM NaHS. Por lo tanto, seleccionamos las dosis de 0,5 y 1 mM NaHS como óptimas para las plantas de Col. La aplicación de 2,5 y 5 mM de NaHS produjo una excesiva peroxidación de lípidos, disminuciones en la biomasa de las plantas y pérdidas de clorofilas, siendo todos ellos considerados efectos negativos, y claras evidencias de estrés en las plantas. En cuanto a aplicaciones prácticas, este estudio sugiere que la aplicación exógena de NaHS como donador de H2S a 0,5 y 1 mM puede ser útil como bioestimulante para aumentar el rendimiento y la composición promotora de la salud de la planta de Col (Brassica oleracea L. 'Bronco'). Dada la relación íntima que guardan los procesos de asimilación de N y S en plantas, en el capítulo 2, se estudiaron los efectos de diferentes dosis de sulfuro de hidrógeno en forma de NaSH (0, 0,5, 1,2,5 y 5 mM) sobre la formación y asimilación del NH4 + en plantas de Brassica oleracea L. 'Bronco'. Según nuestros resultados, los tratamientos 0,5 y 1 mM de NaSH aumentaron la biomasa mientras disminuían la concentración de NO3 -. En el tratamiento 0,5 mM de NaSH, la acumulación de NH4 + disminuyó con la estimulación de la actividad GS, resultando en un mayor contenido en ciertos aminoácidos (AAs) y proteínas solubles, lo que podría estar relacionado con la mayor biomasa encontrada en este tratamiento. Sin embargo, los tratamientos 2,5 y 5 mM de NaSH indujeron la formación y acumulación de NH4 +, así como la fotorrespiración. Esta acumulación excesiva de NH4 + pudo ser responsable de la menor biomasa en estos tratamientos (2,5 y 5 mM de NaSH). Por ello, en este capítulo concluimos que la acumulación excesiva de NH4 + puede ser responsable de la disminución de la biomasa en los tratamientos 2,5 y 5 mM de NaSH. Por otro lado, concluimos que la aplicación de 0,5 mM de NaSH podría ser una estrategia beneficiosa para mejorar los procesos involucrados en la asimilación del N, acompañada de un aumento de la biomasa de los cultivos de col. A continuación, en el capítulo 3, se investigó cómo la aplicación de sulfuro de hidrógeno (0,5 mM de NaHS) en Brassica oleracea L. 'Bronco' influye en los procesos implicados en la homeostasis del glutatión y la tolerancia al estrés alcalino (50mM NaHCO3:Na2CO3). Según nuestros resultados, el estrés alcalino aumenta el contenido en O2 .-, la peroxidación de lípidos y las actividades de las enzimas glioxalasa I (Gly I) y glioxalasa II (Gly II) que desintoxican el metilglioxal (MG) al tiempo que disminuyen la biomasa, la actividad de la superóxido dismutasa (SOD), la actividad de las enzimas que intervienen en la síntesis de glutatión (GSH) y en el ciclo AsA-GSH, así como el contenido en glutatión reducido y las diferentes formas de ascorbato (AsA). Por otro lado, la aplicación del NaHS mejoró la respuesta antioxidante, induciendo la actividad SOD y mejorando los procesos involucrados en la homeostasis del glutatión, impulsando el contenido en glutatión reducido (GSH) así como la actividad de las enzimas clave en la síntesis del glutatión y en el ciclo de AsAGSH. En consecuencia, la aplicación de H2S en forma de NaHS a una concentración de 0,5 mM podría fortalecer la tolerancia de Brassica oleracea L. 'Bronco' frente a estrés alcalino. Por último, en el capítulo 4 se investigó como la aplicación de sulfuro de hidrógeno (50 μM de NaHS) en plantas de Arabidopsis thaliana L. influyó sobre la expresión relativa de los genes implicados en la asimilación del azufre, la homeostasis del glutatión y la implicación de éstos en la tolerancia al estrés alcalino (50mM NaHCO3:Na2CO3). De acuerdo con nuestros resultados la aplicación de H2S (NaHS) mitigó el efecto nocivo del estrés alcalino evidenciado por la reducción en la perdida de biomasa del 31 % tras aplicar H2S a plantas sometidas a estrés alcalino. Por otro lado, no se observaron incrementos significativos específicos en respuesta a la aplicación de H2S sobre la expresión relativa de los genes implicados en la biosíntesis de las enzimas e isoenzimas claves en la regulación de los procesos de asimilación de SO4 -2 (Serat 1,1; OAS TL, OAS TL B; OAS TL C; ATPS ; ATPS 2, ATPS 3; ATPS 4 y APR 1) y la homeostasis del glutatión (GMPasa; GDPME; L-GAL PPasa; LGALDH; L-GLDH; SOD 1;SOD 2; APX; MDHAR; GR2; GR 1; gsh 1; gsh 2 y GPX) bajo condiciones de estrés alcalino.

In chapter 1, the potential effects of hydrogen sulfide on the biomass of the aerial part, the nutritional quality and the antioxidant capacity of Brassica oleracea were investigated, through the application of increasing doses of NaHS (NaHS as a donor of H2S; 0.5, 1, 2.5 and 5 mM). The results showed that the treatments 0.5 and 1 mM of NaHS increased the biomass and the nutritional quality of the 'Bronco' cabbage (that is, chlorophylls, carotenoids, anthocyanins, flavonols, total phenols and sinigrin). On the other hand, there was an increase in lipid peroxidation and hydrogen peroxide content after the application of doses above 2.5 mM NaHS. Therefore, we selected the doses of 0.5 and 1 mM NaHS as optimal for the plants of Col. The application of 2.5 and 5 mM NaHS produced an excessive peroxidation of lipids, decreases in the biomass of the plants and losses of chlorophylls, being all of them considered negative effects, and clear evidence of stress in the plants. In terms of practical applications, this study suggests that the exogenous application of NaHS as a donor of H2S at 0.5 and 1 mM can be useful as a biostimulant to increase the yield and healthpromoting composition of the cabbage plant (Brassica oleracea L. 'Bronco'). Given the intimate relationship between the processes of assimilation of N and S in plants, in chapter 2, the effects of different doses of hydrogen sulfide in the form of NaSH (0, 0.5, 1,2,5 and 5 mM) on the formation and assimilation of NH4 + in plants of Brassica oleracea L. 'Bronco' were studied. According to our results, the 0.5 and 1 mM NaSH treatments increased the biomass while decreasing the NO3 - concentration. In the 0.5 mM NaSH treatment, NH4 + accumulation decreased with the stimulation of GS activity, resulting in a higher content of certain amino acids (AAs) and soluble proteins, which could be related to the higher biomass found in this treatment. However, the 2.5 and 5 mM NaSH treatments induced the formation and accumulation of NH4 +, as well as photorespiration. This excessive accumulation of NH4 + could be responsible for the lower biomass in these treatments (2.5 and 5 mM NaSH). Therefore, in this chapter we conclude that the excessive accumulation of NH4 + may be responsible for the decrease in biomass in the 2.5 and 5 mM NaSH treatments. On the other hand, we conclude that the application of 0.5 mM of NaSH could be a beneficial strategy to improve the processes involved in the assimilation of N, accompanied by an increase in the biomass of cabbage crops. Next, in Chapter 3, we investigated how the application of hydrogen sulfide (0.5 mM NaHS) in Brassica oleracea L. 'Bronco' influences the processes involved in glutathione homeostasis and alkali stress tolerance (50 mM NaHCO3:Na2CO3). According to our results, alkaline stress increases the O2 .- content, lipid peroxidation and the activities of the enzymes glyoxalase I (Gly I) and glyoxalase II (Gly II) which detoxify methylglyoxal (MG) while decreasing the biomass, superoxide dismutase (SOD) activity, the activity of the enzymes involved in glutathione (GSH) synthesis and in the AsA-GSH cycle, as well as the reduced glutathione content and the different forms of ascorbate (AsA) On the other hand, the application of NaHS improved the antioxidant response, inducing SOD activity and improving the processes involved in glutathione homeostasis, boosting the reduced glutathione (GSH) content as well as the activity of key enzymes in glutathione synthesis and the AsA-GSH cycle. Consequently, the application of H2S in the form of NaHS at a concentration of 0.5 mM could strengthen the tolerance of Brassica oleracea L. 'Bronco' to alkaline stress. Finally, in Chapter 4 it was investigated how the application of hydrogen sulfide (50 μM NaHS) in Arabidopsis thaliana L. plants influenced the relative expression of genes involved in sulfur assimilation, glutathione homeostasis and the involvement of these genes in alkali stress tolerance (50 mM NaHCO3:Na2CO3). According to our results, the application of H2S (NaHS) mitigated the harmful effect of alkaline stress evidenced by the reduction in biomass loss of 31% after applying H2S to plants subjected to alkaline stress. On the other hand, no significant specific increases were observed in response to the application of H2S on the relative expression of genes involved in the biosynthesis of enzymes and isoenzymes key to the regulation of SO4 2- (Serat 1,1) assimilation processes; OAS TL, OAS TL B; OAS TL C; ATPS ; ATPS 2, ATPS 3; ATPS 4 and APR 1) and glutathione homeostasis (GMPase; GDPME; L-GAL PPase; LGALDH; L-GLDH; SOD 1;SOD 2; APX; MDHAR; GR2; GR 1; gsh 1; gsh 2 and GPX) under alkaline stress conditions.