Date post: | 27-Jun-2015 |
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“El tallo en maíz, además de un soporte conductor, un reservorio
dinámico de carbohidratos ”
Irapuato, Guanajuato a 23 enero 2013
Lab. Metabolómica y Fisiología Molecular
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
M. En C. Sheila Juárez Colunga
1er Taller Nacional de Maíz Forrajero
CONTENIDO
I. INTRODUCCIÓN
II. HIPÓTESIS
III. OBJETIVOS
IV. METODOLOGÍA
V. RESULTADOS
- Perfil azúcares HPLC-RID
- Etapas de desarrollo
- Remoción fuente-sumidero
- Estrés hídrico
VI. CONCLUSIONES GENERALES
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
INTRODUCCIÓN
Órganos principales:
Tallo
Raíz
Hojas
Flores / frutos
Soporte y transporte de metabolitos
Producción de CHO
Absorción de agua y minerales
Almacenamiento de CHO
Clasificación en base a su disponibilidad para el metabolismo de la planta:
- Estructurales: Pectina, Celulosa, Hemicelulosa
- No estructurales (CNE)
• Solubles: Glc, Frc, Suc, Malt
• Insolubles: Almidón
Los azúcares son transportados en sus formas NO reductoras
Suc es NO reductor
Principal azúcar transportado en el floema
Winter y col., 1992
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
INTRODUCCIÓN
Fuente / Source: órganos / tejidos fotosintéticamente activos que producen carbohidratos y los aportan para otros órganos y para sí mismos
Sumidero / Sink: órganos /tejidos que demandan los carbohidratos que se producen en otros órganos
Chikov y Bakirova, 2004; Blanke, 2009
HOJAS
MAZORCA
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
* Modelo Fuente-Sumidero
VI. CONCLUSIONESRelevancia del estudio de tallos de maíz…
Características deseables en los cultivos para ser usados en la producción de biocombustibles
Recursos genéticos susceptibles para mejoramiento
Disponibilidad y equipo técnico para su producción y cosecha
Ragauskas y col., 2006; White y col., 2011
Calidad nutricional de los forrajes determinada por la cantidad de azúcares solubles y almidón
Caña de azúcar: 218 – 614mM CNEWelbaum y Meinzer,1990; Zhu y col., 1997
Uso de “traits” secundarios en mejoramiento genético ayuda a seleccionar mejor bajo condiciones de estrés
ASI, número de granos, altura de la planta, mazorcas por planta
Banziger y col, 2000
Paziani y col., 2009
15% proyectos apoyados por SAGARPA, usan maíz
Monneveux y col., 2008
Aprovechar residuos vegetativos
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Importancia MaízLa mayoría de estudios bioquímicos y moleculares se han enfocado a órganos como las hojas y la mazorca
Tallo es el menos estudiado
¿Relevancia de los carbohidratos del tallo de maíz en mejoramiento genético?
INTRODUCCIÓN
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Referencia Especie Condición EfectoScofiel et al., 2009. Annals of Botany
Trigo Etapas de desarrollo, estrés por deficiencia de Nitrógeno
Cambios en contenido de CNE alrededor de la floración. Incremento en el contenido de Azúcares solubles en bajo N
Zheng et al., 2009. Plant Production Science
Papa Sequía y Sombreado durante 17d (ensanchamiento tubérculo)
Los CNE almacenados en la base del tallo contribuyen al ensachamiento del tubérculo en 37% y 54% al Peso seco por ambos factores, respectivamente
Walton et al., 2010. Postharvest Biology and Technology
Paeonia lactiflora
Pall.
Poscosecha, condiciones de almacenamiento y através del tiempo
Los tallos de Paeonia lactiflora Pall. tienen suficientes reservas de CNE para brotar y florear después de haber sido cortados,y almacenados hasta por 8 semanas a 0°C, y tener un tiempo de vida en florero de 10d
HIPÓTESIS
El tallo en maíz además de dar soporte a la planta y ser un conducto de transporte de sacarosa, cumple una función de almacenamiento de otros carbohidratos. Los cuales se ven afectados por diferentes condiciones como la etapa de desarrollo, remoción de órganos fuente y sumidero, estrés por sequía, época de siembra y por el genotipo.
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
OBJETIVOS
General
Determinar si hay una movilización dinámica de carbohidratos en tallos de maíz bajo diferentes condiciones de crecimiento y manejo del cultivo.
Particulares
Cuantificar glucosa, fructosa, sacarosa y almidón en tallos de maíz bajo las siguientes condiciones:
I. Estados de desarrollo y fechas de siembra
II. Remoción del sumidero (mazorca) y de la fuente (hoja)
III. Riego normal y sequía
IV. Diferentes genotipos
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CONTENIDO
MATERIALES Y MÉTODOS
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Tres grandes experimentos
Cambios bioquímicos en el tallo de maíz dados por :
I. Etapas de Desarrollo
III. Estrés Hídrico
II. Remoción Fuente - Sumidero
5 híbridos
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Para familiarizarnos con los términos…
Hoja laminar (Leaf blade)
Vaina (Leaf sheath)
Pelos (Silk)
Jilote (Ear)
Vaina
Lígula
Hoja Laminar
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Cin
vestav
Uni
dad
Ira
pua
toIr
ap
uato
SECUENCIA en los muestreos
Siembra Muestrea la planta a una edad especifica Se registran parámetros agronómicos ** Se eliminan la espiga y las láminas foliares Se pesa el tallo (con vainas)
Se muele con un extractor Se pesa la cantidad de jugo Se toman alícuotas 1mL de jugo Se congelan y almacenan a -80°C hasta realizar las mediciones bioquímicas
MÉTODOS
3 lavados c/ C-activado
Sob
rena
dant
e
Perfil de CHOs solubles
Cuantificación de CNE
Análisis estadístico
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CONTENIDO
RESULTADOS
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
¿Que CHO están presentes en el tallo de maíz?
HPLC-RID
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
PERFIL AZÚCARES: Jugo Tallo Maíz
WW - E147
Glu
Fru
SucLos azúcares principales del tallo son: Suc, Glc y Frc .
Hay un cuarto azúcar. Identidad desconocida.
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
El tallo de maíz tiene almidon!!!!
Principalmente en los nudos y en el tallo floral
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
PERFIL AZÚCARES: Tallo Maíz
Tres experimentos y sus factores…
I. Etapas de Desarrollo
III. Estrés Hídrico
II. Remoción Fuente - Sumidero
5 híbridos 3-Asgrow and 2-DowIrapuato, Gto., Mx
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
MATERIAL BIOLÓGICO
Hybrid Common Name Company Origin Grain color
H1 Puma Asgrow HybAsgrow_Puma White
H2 Oso Asgrow HybAsgrow_Oso White
H3 Leopardo Asgrow HybAsgrow_Leopardo White
H4 Dow2A Dow HybDOW_2A120 Yellow
H5 Dow2B Dow HybDOW_2B150 Yellow
Date of sampling Age of plants sown in May (DAS*)
Age of plants sown in June (DAS*)
July 22nd 60 46
July 29th 67 53
August 5th 74 60
August 12th 81 67
August 19th 88 74
August 26th 95 81
September 2nd 102 88
*Days After Sowing
DICIVA, Universidad de Guanajuato
Muestreo
1) Etapas de Desarrollo
3 plantas x 2 fecha x 7 semana x 5 gen
¿Qué factor tiene más influencia en los parámetros bioquímicos?
Fenotipo
ANOVA
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
GEN, DAS, SD
ANOVA: Etapas de desarrollo
Parameter 2
caused by DAS (Df=8)
2 caused
by GEN (Df=4)
2 caused
by SD (Df=1)
2 caused by
GEN x DAS (Df=32)
2 caused by
GEN x SD (Df=4)
2 caused by
DAS x SD (Df=4)
2 caused by
DAS x GEN x SD (Df=16)
2 Residual (unexplained
variance) (Df=140)
Total fresh weight
28% *** 4% ** 8% *** 11% 4% ** 4% ** 7% * 35%
Plant height 90% *** 4% *** 1% *** 2% *** 0% *** 0% 0% * 2%
Ears per plant
62% *** 2% ** 2% *** 8% ** 2% *** 4% *** 2% 17%
Total ears weight
87% *** 2% *** 0% ** 2% * 1% ** 1% *** 1% 6%
Stem weight 21% *** 5% *** 9% *** 15% ** 3% * 3% * 9% ** 35%
Stem juice weight
43% *** 5% *** 3% *** 10% ** 3% * 1% * 5% ** 31%
Stem juice percentage
71% *** 4% *** 0% *** 4% 1% 0% 1% 18%
Glucose 41% *** 6% *** 0% 9% ** 3% *** 9% *** 10% *** 21%
Fructose 36% *** 8% *** 2% *** 12% *** 3% *** 8% *** 8% *** 22%
Sucrose 78% *** 3% *** 1% *** 6% *** 0% 5% *** 1% * 6%
Starch 39% *** 4% *** 1% * 11% *** 3% *** 21% *** 6% *** 15%
Total amino-acids
32% *** 4% ** 6% *** 16% *** 0% 7% *** 5% 30%
Significance codes: < 0.001 ‘***’ 0.01 ‘**’ 0.05 ‘*’ Cinvestav
Unidad IrapuatoIrapuato
¿Cómo se comportan los CHO durante el desarrollo?
Boxplots
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Etapas desarrollo: Carbohidratos evaluados
Glucose Fructose
Sucrose Starch
a) b)
c) d)
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
40
60
80
100
120
140
160
Fructose
DAS
mm
ol/L
mm
ol/L
mm
ol/L
Days After Sowing (DAS) Days After Sowing (DAS)
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
50
100
150
200
250
Glucose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
50
100
150
200
250
Glucose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
50
100
150
200
250
Glucose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
50
100
150
200
250
Glucose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
50
100
150
200
250
Glucose
DAS
mm
ol/L
102d 46d 53d 60d 67d 74d 81d 89d 96d
0
1
2
3
Starch
DAS
mm
ol/L
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
• Sacarosa incrementa a través del tiempo
• Hexosas presentan un pico transitorio alrededor de la floración
• Almidón disminuye = 50% de sus niveles iniciales
Etapas de desarrollo
Hybrid 1
0
50
100
150
200
250
60d 67d 74d 81d 88d 96d 102d
DAS
Suc
,Glu
or
Fru
(m
mol
/L)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Starch (m
mol G
lu/L)
Suc Glu Fru Starch
Flowering Resultados sugieren:
1) metabolismo activo en el tallo de maíz
2) Posible función de Almidón como FUENTE de C usados a través de etapas reproductivas en otros órganos o tejidos.
Tres experimentos y sus factores…
I. Etapas de Desarrollo
III. Estrés Hídrico
II. Remoción Fuente - Sumidero
5 híbridos 3-Asgrow and 2-DowIrapuato, Gto., Mx
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
MATERIAL BIOLÓGICO
Muestreo:
2) Remoción “Fuente-Sumidero”
2) 5 plantas x 4 trat x 5 gen
1. Control Antes / control before (cortar día 0)
2. Control Después / control after (cortar día 4)
3. Sin Jilotes / without ears (cortar día 4)
4. Sin Hojas / without leaves (cortar día 4)
ANTES
7-14 daa
Colectar 4 días después del tratamiento
Control
Sin Hojas (sin fuente productora de fotosintatos)
Sin Jilotes (sin fuente
consumidora)
¿Qué sucede con los
carbohidratos?daa= dayafter anthesis
10 dda
dda= días después de la antesis
¿Que tanta influencia tiene el tratamiento sobre los parámetros bioquímicos?
ANOVA
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Fenotipo GEN, TRAT
ANOVA: Remoción Fuente - Sumidero
Parameter 2 caused by
TREAT(Df=2) 2
caused by GEN (Df=4)
2 caused by
TREAT x GEN (Df=8)
2 Residual (unexplained
variance) (Df=8)
Total Fresh Weight 28% *** 5% 12% 55%
Plant Height 2% 43% *** 12% 43%
Total Ears Weight 71% *** 7% *** 5% * 16%
Stem Weight 1% 4% 11% 85%
Stem Juice Weight 4% 5% 10% 81%
Glucose 28% *** 9% ** 37% *** 26%
Fructose 30% *** 7% ** 43% *** 20%
Sucrose 55% *** 18% *** 4% 24%
Starch 40% *** 19% *** 15% *** 26%
Total Aminoacids 6% . 26% *** 8% 59%
Significance codes: < 0.001 ‘***’ 0.01 ‘**’ 0.05 ‘*’
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
¿Cómo se comportan los CHO después del tratamiento?
Gráficos por cada CHO comparando TRAT
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Sink-Source: Cambios en Sacarosa y Almidón
Suc disminuye por ambas remociones de órganos en todos los genotipos
Almidón se acumuló en el tratamiento “wE” (SJ), mientras que en “wL”(SH) tendió a
disminuir respecto al control
0
50
100
150
1 2 3 4 5
Hybrid
mm
ol/L
0
1
2
3
4
1 2 3 4 5
Hybrid
mm
ol G
lc /
L
cA w E w La)
b)
SUCROSE STARCH
Plant Height
200
250
300
1 2 3 4 5
control After w ithout Ears w ithout Leaves
Cambios en todos los CHO evaluados: Glc, Frc,
Suc y Almidón
Resultados sugieren: Metabolismo activo en el tallo de maíz cuando
se altera la relación fuente-sumidero.
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Tres experimentos y sus factores…
I. Etapas de Desarrollo
III. Estrés Hídrico
II. Remoción Fuente - Sumidero
5 híbridos
14 genotypesTlaltizapan, Mor, Mx
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Entry Pedigree
8 DTPYC9-F143-5-4-1-2-B*5/CML312SR
20 DTPWC9-F24-2-3-1-1-B*5/CML312SR
26 CML323-BB/CML312SR
69 LaPostaSeqC7-F78-2-1-1-1-B*4/CML312SR
72 CML486-BB/CML312SR
87 CML311/MBRC3BcF95-2-2-1-B*7/CML312SR
89 LaPostaSeqC7-F96-1-2-1-3-B*4/CML312SR
104 [[KILIMAST94A]-30/MSV-03-1-10-B-1-BB-1xP84c1F27-4-1-6-B-5-B]F8-3-2-2-1xG16SeqC1F47-2-1-2-1-B*5-xP84c1F26-2-2-6-B-3-B]-3-1-B/CML395]-1-1-BB/CML312SR
125 CML311xCML311/CML311xMBRC1BcF94-3-1-1-B*4-1-1-B*7/CML312SR
132 CLQ-RCWQ83=(CML146xCML150)-B-32-1-2-B-1-B*4/CML312SR
143 CL02450Q/CML451QLocalCheckQPM2
147 LaPostaSeqC7-F64-2-6-2-2-BB/CML495=Check2IntermediateMaturity
91 DTPYC9-F69-3-5-1-1-B*4/CML312SR
99 LaPostaSeqC7-F64-2-6-2-2-BB/CML312SR
MATERIAL BIOLÓGICO
Tlaltizapán, Morelos
Estrés hídrico moderado en prefloración
Edad de las plantas 90 DAS
Muestreo: 6 plantas x 2 trat x 14 gen
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
2 tratamientos: Riego Normal (WW) y Sequía (WS)
ANOVA: Estrés Hídrico
Parameter 2
caused by WATER
REGIMEN (Df=1)
2 caused by
GEN (Df=13)
2 caused by
WATER REGIMEN x GEN (Df=13)
2 Residual (unexplained variance)
(Df=134)
Total Fresh Weight 44% *** 10% ** 3% 43%
Plant Height 0% 58% *** 6% 36%
Total Ears Weight 46% *** 4% 4% 46%
Ears per Plant 43% *** 7% * 14% *** 36%
Stem Juice Weight 33% *** 21% *** 4% 41%
Juice Stem Percentage 24% *** 17% *** 11% ** 48%
Glucose (mM) 56% *** 10% *** 6% * 29%
Fructose (mM) 45% *** 15% *** 6% 35%
Sucrose (mM) 2% * 43% *** 5% 50%
Starch (mM) 13% *** 22% *** 7% 58%
Total Amino-acids (mM) 63% *** 8% *** 4% 25%
Free Proline (mM) 82% *** 3% ** 3% ** 12%
Significance codes: < 0.001 ‘***’ 0.01 ‘**’ 0.05 ‘*’
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
¿Cómo afecta la sequía los parámetros bioquímicos?
Gráficos de los CHO evaluados comparando los 2 tratamientos
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Estrés hídrico: CHO evaluados
Starch
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
E-8
E-2
0
E-2
6
E-6
9
E-7
2
E-8
7
E-8
9
E-9
1
E-9
9
E-1
04
E-1
25
E-1
32
E-1
43
E-1
47
Genotype
mm
ol G
lu/L
WSWW
* ***
*
*
**
*
Fructosa
60
100
140
180
220
E-8
E-2
0
E-2
6
E-6
9
E-7
2
E-8
7
E-8
9
E-9
1
E-9
9
E-1
04
E-1
25
E-1
32
E-1
43
E-1
47
Genotype
mm
ol/L
WSWW
* ** ***
** ***
*** ******
***
***
***
Glucose
60
100
140
180
220
E-8
E-2
0
E-2
6
E-6
9
E-7
2
E-8
7
E-8
9
E-9
1
E-9
9
E-1
04
E-1
25
E-1
32
E-1
43
E-1
47
Genotype
mm
ol/L
Water Stressed Well Watered
*** ******
***
***
***** **
**
**
**** *
a) b)GLUCOSE FRUCTOSE
c) d)SUCROSE STARCH
Glucose
60
100
140
180
220
E-8
E-20
E-26
E-69
E-72
E-87
E-89
E-91
E-99
E-104
E-125
E-132
E-143
E-147
Genotype
mm
ol/L
Water Stressed Well Watered
*** ******
***
***
***** **
**
**
**** *
Sucrose
0
50
100
150
200
E-8
E-2
0
E-2
6
E-6
9
E-7
2
E-8
7
E-8
9
E-9
1
E-9
9
E-1
04
E-1
25
E-1
32
E-1
43
E-1
47
Genotype
mm
ol/L
WS WW
****
*
El rendimiento de grano, ¿con qué parámetros bioquímicos está
correlacionado?
ANÁLISIS DE CORRELACIÓN
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Análisis de correlación
Gluc
70 100 130
0.822.9e-11
0.070.17
0.6 1.2
0.350.00095
0.831.3e-11
0.2 0.4
0.861.7e-12
0.896e-14
30 45 60
120
180
0.792e-10
7011
0 Fruc
0.090.12
0.180.025
0.744.2e-09
0.711.6e-08
0.736.9e-09
0.625.9e-07
Suc
0.0650.19
0.00490.72
0.0170.51
0.0680.18 80
120
0.0830.14
0.6
1.2
Starch
0.150.045
0.280.0041
0.310.0019
0.430.00014
AA
0.841.1e-11
0.779.6e-10
13
57
0.694.4e-08
0.2
0.4
Pro
0.845.2e-12
0.801e-10
PesGrano
2000
5000
0.901.3e-14
120 180
3045
60
80 120 1 3 5 7 2000 5000
P200Granos
Grain_W
W_200ker
Glc
Frc
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
VI. CONCLUSIONESCONCLUSIONES
1. El tallo de maíz no contiene sólo sacarosa, presenta almidón en los nudos principalmente.
2. Los niveles de CNE no fueron constantes; éstos cambiaron de acuerdo a la etapa de desarrollo, a las manipulaciones de remoción fuente-sumidero, así como al régimen hídrico. Además hubo diferencias significativas entre genotipos.
3. Nuestros resultados indican que el tallo de maíz tiene un metabolismo activo, el cual parece modular la proporción de hexosas/Suc así como los niveles de almidón.
4. Basados en estos y otros resultados, concluimos que los CNE en el tallo ni son estáticos ni tampoco son una simple reflexión del transporte de sacarosa a través del floema.
5. Por lo tanto, sugerimos que en lugar de catalogar al tallo de maíz como un conducto limitado a dar soporte a la planta y cumplir una función de transporte, éste debería ser entendido como un reservorio dinámico de CHOs, el cual modula el suplemento de azúcares hacia tejidos y órganos SUMIDERO.
CinvestavUnidad IrapuatoIrapuato
Tallo maíz niveles CNE: 50-250mM c/u
Niveles de metabolitos (CNE): uso potencial como trait o marcadores bioquímicos
CONTENIDOAGRADECIMIENTOS
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