Ciencias de la Vida y de la Tierra

Agrobiotecnología

Los grandes retos a los que se enfrentan las próximas generaciones como son el cambio climático, crecimiento demográfico o la seguridad alimentaria, demandan desde el punto de vista de la investigación nuevos enfoques que apuesten por la sostenibilidad del ecosistema.

El grupo de Agrobiotecnología aprovecha los conocimientos adquiridos en fisiología, patología, microbiología del suelo, biología molecular, productos naturales y química orgánica, qué interactuando de forma transversal dan respuesta a estos retos de la sociedad.

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Agrobiotecnologia
Presentación

El Grupo de Agrobiotecnología está formado por tres líneas que se complementan. En la línea de Nutrición Vegetal y Fertilidad de los suelos investigamos los sistemas sostenibles en cultivos de interés económico para Canarias y cómo estos sistemas servirían como subproductos de origen vegetal y animal que hoy en día su gestión constituye un problema medioambiental. Otra de las líneas de investigación del grupo se centra el uso de Activadores Químicos de las Defensas Naturales de las Plantas como alternativa sostenible frente al estrés biótico y abiótico. Parte de los resultados obtenidos en los últimos años han sido protegidos y licenciadas a la industria dando lugar a formulados comercializados a nivel nacional e internacional. Por último, la línea de Biotecnología de Macromoléculas utiliza la tecnología del ADN recombinante y la biología sintética para la producción de biofármacos y otras macromoléculas de interés terapéutico, diagnóstico, cosmético, agroalimentario, veterinario y fitosanitario.

Biotecnología de Macromoléculas

La biotecnología proporciona una serie de herramientas valiosas con las que luchar contra las plagas y los parásitos y contribuye al desarrollo de una agricultura sostenible. La resistencia a los antibióticos está aumentando a niveles peligrosamente altos en todas partes del mundo. Nuestra investigación pretende desarrollar macromoléculas de interés terapéutico, cosmético, agroalimentario y/o fitosanitario. Para ello buscamos nuevos compuestos antimicrobianos a partir de fuentes naturales, que sean respetuosos con el medio ambiente, biodegradables, económicamente rentables y que no generen resistencias. Particularmente, estudiamos los mecanismos de defensa inmunitaria en animales altamente expuestos a patógenos y realizamos un análisis de su potencial biotecnológico. Nuestros proyectos de investigación se basan en la aproximación “one health” y en temáticas multidisciplinares enfocados hacia la generación de conocimiento y la transferencia de tecnología. Nuestro reto es la producción de nuevos agentes antimicrobianos rentables y escalables industrialmente.

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Macromoléculas

Entre las macromoléculas que nos interesan se encuentran:

  • Anticuerpos policlonales
  • Péptidos antimicrobianos
  • Biopolímeros naturales activos

Investigador Principal: José Manuel Pérez de La Lastra

Fertilidad de Suelos y Nutrición Vegetal

Esta línea estudia la fertilidad de los suelos y nutrición mineral de numerosos cultivos, así como la regeneración (química y microbiológica) de los suelos con el uso de biofertilizantes ecológicos con aprovechamiento de subproductos procedentes de la agricultura y ganadería (purines, suero de las queserías, estiércoles,…). Esta línea se ha dedicado al estudio de la fertilidad de los suelos y nutrición mineral de numerosos cultivos, incluyendo aguacate, fresa, papa, papaya, piña tropical, platanera, rosa para flor cortada, viña, etc., así como efectos de la salinidad sobre suelos de diversos cultivos, y posibilidades de contaminación por metales pesados en suelos y plantas situados en las cercanías de las centrales eléctricas de Tenerife y Gran Canaria. Actualmente, los esfuerzos mayoritarios se centran en la viña y la protea para flor cortada.​

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Fertilidad de suelos

Dada la importancia que ha adquirido la agricultura sostenible en general para todo tipo de cultivos, se está realizando, en la isla de La Palma, un estudio sobre la sostenibilidad de plataneras tratadas con purines enriquecidos y compost, comparándolas asimismo con las cultivadas con el sistema convencional. Del mismo modo, se estudiarán las propiedades químicas (nutrientes, antioxidantes, vitaminas, etc) de los frutos en ambos tipos de agricultura. Esta línea cuenta con un servicio externo de apoyo, donde se analizan propiedades químicas de suelos para uso agrícola, material vegetal (frutos, hojas, flores), compost de diferentes orígenes, tés de compost, purines. 

Investigadora Principal: María Mercedes Hernández González

Activadores Químicos de las Defensas Naturales de la Planta

Los estreses bióticos (patógenos y plagas) y abióticos (salinidad,heladas, metales pesados, calor, etc) se encuentran entre las causas fundamentales de la pérdida de rendimiento de los cultivos. El conocimiento de los mecanismos de defensa que subyacen a la resistencia o tolerancia y, de como las plantas responden al estrés, podría ayudarnos a desarrollar alternativas de protección de nuestros cultivos sostenibles y respetuosas con el medioambiente para afrontar el reto que supone alimentar a una población mundial en constante crecimiento. Las plantas son organismos sésiles, es decir, que no tienen la posibilidad de huir de un entorno hostil que tienen los animales. Por tanto, a lo largo de la evolución han tenido que desarrollar complejos mecanismos de defensa para poder sobrevivir y desarrollarse adecuadamente. Entre estos mecanismos, en los últimos años se ha descubierto que, al igual que los animales, las plantas son capaces de desarrollar mecanismos moleculares de “memoria del estrés”, de forma que, tras sobreponerse a un primer episodio de estrés (primer estímulo) desarrollan resistencia o tolerancia a sucesivos episodios de estrés, incluso no relacionados con el primero. Este fenómeno conocido como “priming” puede ser inducido en las plantas mediante la aplicación de algunas moléculas químicas no tóxicas. Además, este tipo de resistencia inducida a través de un priming no da lugar, en ausencia del mencionado segundo estímulo (un patógeno, daño mecánico por hervíboros, calor, etc), a una pérdida de energía, por lo que el rendimiento del cultivo no se ve afectado a consecuencia de los tratamientos y, en caso de que la planta se vea amenazada por un estrés, es capaz de resistirlo de forma más adecuada y a un menor coste energético.

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Defensa nat plantas

Esta línea de investigación ha venido investigando, en los últimos veinte años, sobre la inducción de resistencia de las plantas a las enfermedades. Estas investigaciones hicieron posible el descubrimiento de nuevas propiedades de la Vitamina K3 (primera utilización terapéutica de la Vitamina K3 en la agricultura) y han dado origen al registro y publicación de diferentes patentes de invención y licenciados a empresas del sector agroquímico. Estas patentes desarrollan una nueva tecnología basada en una de clase activadores químicos de las defensas naturales de la planta seguros desde el punto de vista medioambiental que son sistémicos, biodegradables, no pesticidas, así como inocuos para las personas, los animales y las propias plantas, a las dosis recomendadas para su uso en agricultura, floricultura, jardinería y plantas ornamentales.

Actualmente, el Grupo está llevando a cabo una búsqueda de nuevos agentes de priming y caracterizando los mecanismos de priming activados en la planta por uno de los derivados hidrosolubles de la Vitamina K3, denominado MSB (menadiona sodio bisulfito), y relacionados con la respuesta de la planta al estrés biótico(activación de los mecanismos naturales de defensa frente a los ataques de patógenos y plagas), y al estrés abiótico (ver apartado de publicaciones y patentes de invención). La transferencia a la industria de esta nueva tecnología del CSIC desarrollada por el Grupo, ha permitido la salida al mercado nacional e internacional de varios formulados comerciales para su uso en la agricultura, basados en el MSB.

Investigador Principal: Andrés A. Borges Rodríguez

Ciencias Sociales y Agrobiología

La línea de investigación en Ciencias Sociales y Agrobiología pretende establecer una conexión entre las ciencias sociales y las ciencias naturales como parte de un enfoque integral, interdisciplinar y sostenible aplicado a las prácticas y los procesos agrobiológicos. Esta línea busca comprender los procesos por los que los productos agrícolas tradicionales generan imágenes de calidad, se diferencian en el mercado y permiten la valorización del producto, con el objetivo último de promover la transición hacia un sistema agrobiológico y alimentario sano, sostenible y ecológico. A través de la antropología y la sociología del patrimonio y la alimentación, busca caracterizar la interrelación entre procesos productivos y el ámbito del consumo.

Específicamente, se analiza el sector vitivinícola canario en la encrucijada entre la conservación patrimonial y la promoción del turismo sostenible. Este sector presenta importantes desafíos en torno a la tipificación y caracterización de productos tradicionales, diferenciados, locales y auténticos, cuya supervivencia depende de la adaptación tanto al cambio climático como a transformaciones en el ámbito del consumo. Se vinculan la necesidad de preservar la historia, el patrimonio, la autenticidad, la tradición y las cualidades del vino canario con la necesidad de la promoción de la imagen o marca de calidad del vino con la potencialidad de alcanzar diferentes públicos, tanto locales como enoturísticos.

Investigador Principal: Pablo Alonso González

 

Publicaciones destacadas

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Lettuce plants

Lettuce plants treated with L-pyroglutamic acid increase yield under water deficit stress

Water scarcity is one of the main challenges faced by modern agriculture, leading to a substantial drop in crop productivity and a threat to food security. Thus, novel agricultural approaches are necessary and urgent to face this problem. Some natural compounds such as amino acids have been shown to increase yield and mitigate the effects of drought stress. In this study, we demonstrate that the application of pyroglutamic acid (PG) is capable of increasing lettuce yield, under field conditions with 30% less than optimal irrigation. PG treatment showed a clearly protective effect in stressed plants, enhancing their fresh weight by 37% and yield by 31%, in comparison to untreated plants. PG appears to promote drought tolerance effects in deficit irrigated lettuce plants, with several advantages. It acts by enhancing photosynthesis rate and antioxidant defences, while maintaining osmotic and water balance, without toxicity to soil microorganisms. This illustrates the potential use of PG to combat productivity losses due to water scarcity.

David Jiménez-Arias, Francisco J.García-Machado, Sarai Morales-Sierra, Juan C.Luis, Emma Suarez, Mercedes Hernández, Francisco Valdés, and Andrés A. Borges

Environmental and Experimental Botany 158: 215-222 (2019)
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Menadione Sodium Bisulphite tomato

Menadione Sodium Bisulphite (MSB) enhances the resistance response of tomato, leading to repel mollusc pests

[Background]: Snails and slugs are terrestrial gastropods representing an important biotic stress that adversely affects crop yields. These pests are typically controlled with molluscicides,which produce pollution and toxicity and further induce the evolution of resistance mechanisms, making pest management even more challenging. In our work, we have assessed the efficacy of two different plant defence activators,menadione sodium bisulphite (MSB) and 1,2,3-benzothiadiazole-7 thiocarboxylic acid S-methyl ester (BTH), as inducers of resistance mechanisms of the model plant for defence, Solanum lycopersicum, against the generalist mollusc Theba grasseti (Helicidae). The study was designed to test the feeding behaviour and choice of snails, and also to analyse the expression profile of different genes specifically involved in defence against herbivores and wounds.
[Results]: Our data suggest that, through the downregulation of the terpene volatile genes and the production of proteinase inhibitors, treatedMSBplantsmay be less apparent to herbivores that use herbivore-induced plant volatiles for host location. By contrast, BTHwas not effective in the treatment of the pest, probably owing to an antagonistic effect derived fromthe induction of both salicylic-acid-dependent and jasmonic-acid-dependent pathways.
[Conclusions]:This information is crucial to determine the genetic basis of the choice of terrestrial gastropod herbivores in tomato, providing valuable insight into how the plant defence activators could control herbivore pests in plants. Our work not only reports for the first time the interaction between tomato and a mollusc pest but also presents the action of two plant defence inductors that seems to produce opposed responses by inducing resistance mechanisms through different defence pathways.

Carrillo‐Perdomo, Estefanía; Jiménez Arias, David; Aller, Ángel; Borges, Andrés A.

Pest Management Science 72(5): 950-960 (2015)
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Priming effect of menadione sodium bisulphite

Priming effect of menadione sodium bisulphite against salinity stress in Arabidopsis involves epigenetic changes in genes controlling proline metabolism

Plants are able to develop numerous defence strategies to face stress. Amongst these, higher plants are capable of demonstrating stress imprint, a mechanism related with the phenomenon of priming. This is usually defined as genetic or biochemical modifications induced by a first stress exposure that leads to enhanced resistance to a later stress. Menadione sodium bisulphite (MSB), a water-soluble addition compound of vitamin K3, was first studied as a plant growth regulator and has been later widely shown to function as plant defence activator against several pathogens in a number of plant species. We recently reported that treating Arabidopsis seeds with MSB primes salt tolerance by inducing an early acclimation to salt stress. Here we describe the analysis of the effect of MSB on cytosine methylation in a salt stress background demonstrating that one of the mechanisms underlying this early acclimation to salt stress is an epigenetic mark. Specifically, MSB leads to a hypomethylation state at the promoter region of genes involved in the biosynthesis (P5CS1) and degradation (ERD5) of proline, affecting mainly CHG and CHH sites(where H is any nucleotide except G). The epigenetic changes detected are correlated with the observed expression patterns of P5CS1 (upregulation) and ERD5 (downregulation) genes and the increase in proline accumulation.

Jiménez-Arias, David; Borges, Andrés A.; Luis, Juan C.; Valdés, Francisco; Sandalio, Luisa M.; Pérez, José A.

Environmental and Experimental Botany 120: 23-30 (2015)
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Treating seeds in menadione sodium bisulphite primes

Treating seeds in menadione sodium bisulphite primes salt tolerancein Arabidopsis by inducing an earlier plant adaptation

For the majority of crops, salinity is one of the most important abiotic stresses, since about 20% of irrigated agricultural land is adversely affected by it. Menadione sodium bisulphite (MSB), a water-soluble vitamin K3 o menadione derivative, has been previously reported as a plant defence activator against several pathogens in a number of species. We have further explored the MSB effects on salt tolerance. In this study, Arabidopsis thaliana wild ecotype Col-0 plants were exposed to prolonged salt (50 mM) stress. Salt treatment resulted in severe growth inhibition. This detrimental effect was lower in terms of relative growth rate (RGR) in plants from seeds soaked in 20 mM of MSB. In these plants, the drop in RGR was nearly 30% lower than untreated plants after 7 days in salt. Furthermore, we found that the salt stress imposed was not enough to disturb photosystem II or induce the expression of several detoxification genes. These functional impairments are characteristic of ionic injuries due to high levels of reactive oxygen species (ROS). At the end of the second week of the experiment, salt-treated plants recover RGR levels close to those of the control. Under our experimental conditions plants seem to be challenged by an osmotic stress with a minimum ionic imbalance. Those from MSB-treated seeds were primed to induce an earlier proline accumulation. Although no significant expression of ROS detoxification genes was found, several transcription factors involved in ROS signalling were detected after salt addition. In this context, MSB treatment was able to prime these transcription factors, resulting in an early adaptation of plants in response to salt stress.

Jiménez-Arias, David; Pérez, José A.; Luis, Juan C.; Martín Rodríguez, Vanesa; Valdés, Francisco; Borges, Andrés A.  

Environmental and Experimental Botany 109: 23-30 (2015)
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MSB Treatment

Priming crops against biotic and abiotic stresses: MSB as a tool for studying mechanisms

Biotic and abiotic stresses are the main problems affecting agricultural losses. Consequently, understanding the mechanisms underlying plant resistance or tolerance helps us to develop fruitful new agricultural strategies. These will allow us to face the challenges of producing food for a growing human population in a sustainable and environmentally friendly way.

Borges, Andrés A.; Jiménez-Arias, David; Expósito Rodríguez, Marino; Sandalio, Luisa M.; Pérez, José A.

Frontiers in Plant Science 5: 642 (2014)
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Molecular analysis of menadione‐induced Arabidosis

Molecular analysis of menadione-induced resistance against biotic stress in Arabidopsis

Menadione sodium bisulphite (MSB) is a water-soluble derivative of vitamin K3, or menadione, and has been previously demonstrated to function as a plant defence activator against several pathogens in several plant species. However, there are no reports of the role of this vitamin in the induction of resistance in the plant model Arabidopsis thaliana. In the current study, we demonstrate that MSB induces resistance by priming in Arabidopsis against the virulent strain Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pto) without inducing necrosis or visible damage. Changes in gene expression in response to 0.2 mm MSB were analysed in Arabidopsis at 3, 6 and 24 h post-treatment using microarray technology. In general, the treatment with MSB does not correlate with other publicly available data, thus MSB produces a unique molecular footprint. We observed 158 differentially regulated genes among all the possible trends. More up-regulated genes are included in categories such as 'response to stress' than the background, and the behaviour of these genes in different treatments confirms their role in response to biotic and abiotic stress. In addition, there is an over-representation of the G-box in their promoters. Some interesting functions are represented among the individual up-regulated genes, such as glutathione S-transferases, transcription factors (including putative regulators of the G-box) and cytochrome P450s. This work provides a wide insight into the molecular cues underlying the effect of MSB as a plant resistance inducer.

Borges, Andrés A.; Dobón, Albor; Expósito Rodríguez, Marino; Jiménez Arias, David; Borges-Pérez, Andrés; Casañas-Sánchez, Verónica; Pérez Méndez, J. A.; Luis, Juan C.; Tornero, Pablo 

Plant Biotechnology Journal 7: 744-762 (2009)

Colaboraciones

Otros grupos de investigación

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