El tallo en maiz, ademas de un soporte conductor, un reservorio dinamico de carbohidratos"

“El tallo en maíz, además de un soporte conductor, un reservorio

dinámico de carbohidratos ”

Irapuato, Guanajuato a 23 enero 2013

[email protected]

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


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


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


* 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


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


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.


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


CONTENIDO

MATERIALES Y MÉTODOS



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


Para familiarizarnos con los términos…

Hoja laminar (Leaf blade)

Vaina (Leaf sheath)

Pelos (Silk)

Jilote (Ear)

Vaina

Lígula

Hoja Laminar


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


CONTENIDO

RESULTADOS



¿Que CHO están presentes en el tallo de maíz?

HPLC-RID


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.


El tallo de maíz tiene almidon!!!!

Principalmente en los nudos y en el tallo floral


PERFIL AZÚCARES: Tallo Maíz

Tres experimentos y sus factores…




5 híbridos 3-Asgrow and 2-DowIrapuato, Gto., Mx



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


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


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



• 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.





5 híbridos 3-Asgrow and 2-DowIrapuato, Gto., Mx



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


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 ‘*’


¿Cómo se comportan los CHO después del tratamiento?

Gráficos por cada CHO comparando TRAT


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.






5 híbridos

14 genotypesTlaltizapan, Mor, Mx


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


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 ‘*’


¿Cómo afecta la sequía los parámetros bioquímicos?

Gráficos de los CHO evaluados comparando los 2 tratamientos



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


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


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.


Tallo maíz niveles CNE: 50-250mM c/u

Niveles de metabolitos (CNE): uso potencial como trait o marcadores bioquímicos

CONTENIDOAGRADECIMIENTOS

CONTENIDOAGRADECIMIENTOS

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Documents

El tallo en maiz, ademas de un soporte conductor, un reservorio dinamico de carbohidratos"