Grupo Interacciones Beneficiosas Planta-Microorganismo

Grupo Interacciones Beneficiosas Planta-Microorganismo

Las líneas de investigación del grupo se centran en el estudio de la simbiosis Rhizobium-leguminosa y la simbiosis ectomicorrícica y sus mecanismos de tolerancia a estreses ambientales con el objetivo de optimizar su aplicación en agricultura y en la recuperación de suelos y ecosistemas degradados.


Principales líneas de investigación:
  • Estudio de las simbiosis leguminosa-rizobio y ectomicorrícica.
  • Análisis de la diversidad microbiana en sistemas agrícolas y forestales.
  • Evaluación de la respuesta de plantas y microorganismos a estreses abióticos y cambio global.
  • Fitorremediación y restauración de suelos mediante asociaciones simbióticas.


Jefe de Grupo

PUEYO, JOSÉ J.
Profesor de Investigación de OPIs

Personal

LUCAS SÁNCHEZ, M. MERCEDES
Investigador Científico de OPIs

QUIÑONES GOMEZ, MIGUEL ÁNGEL
Científico Titular de OPIs

RINCÓN HERRANZ, ANA M.
Científico Titular de OPIs

PRIETO RUBIO, JORGE
Investigador Pre-doctoral FPI

ZABAL AGUIRRE, MARIO
Titulado Superior. Contratado con cargo a proyecto

FAJARDO MOLINA, SUSANA
Ayudante de Investigación de OPIs

MORCILLO BLANCO, CÉSAR NATALIO
Ayudante de Investigación de OPIs

PALLOL IGEÑO, BEATRIZ
Ayudante de Investigación de OPIs

  •     Análisis de la tolerancia de alfalfa (Medicago sativa L.) a salinidad y metales para su uso en suelos salinizados y contaminados

    Referencia:
    COOPA20458
    Entidad Financiadora:
    CSIC
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, Instituto Politécnico Nacional (México)
    Investigador Principal:
    José J. Pueyo (ICA-CSIC), Soledad Vásquez-Murrieta (IPN)
    Año inicio:
    2021
    Año fin:
    2022
    Resumen:
    El suelo es la base para el desarrollo sostenible de la agricultura y nuestra supervivencia. Las amenazas son crecientes e incluyen degradación por variedad de causas como la salinización, y la contaminación por metales pesados. La calidad alimentaria depende de la calidad de los suelos y la posible acumulación en las partes comestibles de la planta. El trabajo se realiza con variedades alfalfa (Medicago sativa L.) tolerantes a la salinidad para estudiar el efecto de los metales pesados combinado con la salinidad, ya que está puede facilitar su movilidad y vice versa. Las leguminosas son plantas pioneras en la fitoestabilización de suelos contaminados por altas concentraciones de sales por su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico. El estudio se realiza mediante la participación de ambos grupos de trabajo para determinar la tolerancia y el efecto de la salinidad y metales tóxicos sobre la germinación y desarrollo de alfalfa, la evaluación de calidad del suelo a través de sus propiedades fisicoquímicas y actividad enzimática y la respuesta transcriptómica a la combinación de estreses para la identificación de proteínas y genes potencialmente en la respuesta y tolerancia de la planta.


  •     Molecular strategies for adaptation by legumes to toxic environments

    Referencia:
    JGI 506073
    Entidad Financiadora:
    U.S. Department of Energy’s (DOE) Office of Science
    Entidades Participantes:
    Brookhaven National Laboratory-DOE (USA) ICA-CSIC
    Investigador Principal:
    Timothy Paape (BNL-DOE) José J. Pueyo (ICA-CSIC)
    Año inicio:
    2020
    Año fin:
    2021
    Resumen:
    Legume species are essential for ecosystem function by their contribution to the nitrogen cycle and have been proposed as potential plant resources for growing crops on marginal soils, replenishing nitrogen in marginal soils, and phytoremediation of toxic soils. We have tested a large collection of the legume species Medicago truncatula (230 plant genotypes) for tolerance to that cadmium (Cd) and mercury (Hg). The plant genotypes with the highest and lowest tolerance to each metal will be sequenced using tissue specific RNA-seq for differential expression analysis. Leaf accumulation of either Cd or Hg metals has been measured. Having both tolerant and non-tolerant genotypes with high and low metal accumulation will allow differential expression patterns to be compared as divergent expression based on genotypic variation between tolerant and non-tolerant accessions, accumulating and non-accumulating cultivars and which genes are differentially up or down-regulated following metal treatments, which might contribute to metal tolerance and accumulation.


  •     Transcriptome analysis of cadmium and mercury tolerant rhizobia and the impacts of tolerance on symbiosis with legumes

    Referencia:
    JGI 506402
    Entidad Financiadora:
    U.S. Department of Energy’s (DOE) Office of Science
    Entidades Participantes:
    Brookhaven National Laboratory-DOE (USA) ICA-CSIC
    Investigador Principal:
    Timothy Paape (BNL-DOE) José J. Pueyo (ICA-CSIC)
    Año inicio:
    2020
    Año fin:
    2021
    Resumen:
    The Almadén mine region in Central Spain was in operation for nearly 2000 years and contaminated the surrounding environment with heavy metals. The host plants Medicago and Trifolium grow throughout the mine region and have adapted to high levels of heavy metals such as cadmium (Cd) and mercury (Hg). Currently, the genetic mechanisms of Cd or Hg tolerance are unknown in legumes such as Medicago or in symbiotic rhizobia. We have isolated and tested several strains of Sinorhizobium medicae (from Medicago host-plants) and Rhizobium leguminosarum (from Trifolium host-plants) that show wide variation in tolerance to heavy metals. Transcriptomics (RNA-seq) data for S. medicae and R. leguminosarum will provide useful functional understanding of genes involved in heavy metal detoxification and stress tolerance. A combination of genome assemblies of variable rhizobia strains (and two species) with transcriptomic data will provide a powerful comparative genomics analysis of genome structure, copy number variation, gene duplication, and differential gene regulation.


  •     Diseño e implementación de sistemas multiproductivos sostenibles en truficultura y análisis de los servicios ecosistémicos asociados (TUBERSYSTEMS)

    Referencia:
    RTI2018-093907-B-C22
    Entidad Financiadora:
    Agencia Estatal de Investigación
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, IRTA
    Coordinador:
    Xavier Parladé (IRTA)
    Investigador Principal:
    Ana Rincón (Subproyecto SP2, ICA-CSIC)
    Año inicio:
    2019
    Año fin:
    2022
    Resumen:
    El principal objetivo es el desarrollo y aplicación de técnicas de manejo de microorganismos rizosféricos y de entomofauna para optimizar el diseño de agrosistemas multiproductivos de trufa negra (Tuber melanosporum). Como hipótesis general, proponemos que los sistemas multiproductivos sostenibles, basados en el conocimiento de las interacciones entre macro y microorganismos, proporcionarán una mejora de los servicios ecosistémicos relacionados con la Truficultura. El proyecto se estructura en dos subproyectos (liderados por IRTA e ICA-CSIC) con tres objetivos generales: i) estudio de la diversidad de macro y microorganismos y sus interacciones en sistemas productores de trufa, ii) selección y manejo de estos organismos para el establecimiento de plantaciones multiproductivas de trufa y plantas aromáticas, y iii) análisis de los servicios ecosistémicos asociados a sistemas productores de trufa. La finalidad última es conseguir generar directrices de manejo basadas en el conocimiento de la ecología de la trufa negra y aplicables a una Truficultura sostenible.
    URL:
    https://www.tubersystems.com


  •     Respuesta de la simbiosis rizobio-leguminosa a metales pesados: de análisis ómicos a la fitorremediación de suelos contaminados

    Referencia:
    AGL2017-88381-R
    Entidad Financiadora:
    Agencia Estatal de Investigación
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, Universidad de Zúrich (Suiza), CEAZA (Chile)
    Investigador Principal:
    José J. Pueyo y M. Mercedes Lucas
    Año inicio:
    2018
    Año fin:
    2021
    Resumen:
    La contaminación por metales pesados o su abundancia natural en los suelos constituye un grave problema agrícola y medioambiental. La simbiosis rizobio-leguminosa es considerada una herramienta con gran potencial en la fitorremediación de suelos contaminados gracias al carácter pionero de las leguminosas y al efecto beneficioso de las bacterias, las cuales, además de hacer posible la fijación biológica de nitrógeno, pueden tener mecanismos de detoxificación propios que favorecen el establecimiento de las plantas. Las leguminosas forrajeras como Medicago truncatula, de crecimiento rápido, alta biomasa y buena cobertura, cumplen los requisitos deseables en una planta efectiva en fitorremediación, siempre que se disponga de variedades con tolerancia al metal. Además de cultivarse en algunos países y ser autóctona en España, M. truncatula es una potente herramienta para estudios genómicos y transcriptómicos. En concreto, se dispone de la colección HapMap que cuenta con más de 300 haplotipos naturales secuenciados. Se propone el fenotipado de esta colección respecto a la tolerancia a cadmio y mercurio y un estudio de asociación del genoma completo (GWAS), que permitirá identificar variedades tolerantes y determinar qué genes potencialmente implicados en la tolerancia. Un estudio GWAS preliminar realizado con un número limitado de variedades y un experimento previo de transcriptómica que hemos llevado a cabo, han mostrado que la familia de las UDP-glicosiltransferasas (UGTs) está claramente implicada en la respuesta a estrés por Hg en M. truncatula. Las UGTs participan en la biosíntesis de flavonoides y antocianinas. Se realizará un estudio de expresión de genes de UGTs por qPCR, para confirmar los análisis transcriptómicos, y un análisis metabolómico de antocianinas y compuestos relacionados. Identificados los mejores genes UGTs candidatos, se sobreexpresarán en M. truncatula y se verificará su posible efecto en la tolerancia a Hg. Los rizobios tienen un papel fundamental en el establecimiento y la tolerancia de la leguminosa por lo que se realizará un estudio transcriptómico y proteómico para identificar componentes de la respuesta bacteriana al estrés por Hg. En bacterias el operón mer está relacionado con la detoxificación de HgNuestros datos preliminares indican que la tolerancia en Ensifer meliloti está asociada a la actividad mercurio reductasa y que merA, responsable de la misma, está presente, aunque en principio no parece que merB, responsable de la detoxificación de compuestos organomercuriales, lo esté. Se propone la identificación de genes mer y su análisis funcional en rizobios en vida libre y en simbiosis. Se estudiará la presencia de merB en nuestra colección de rizobios tolerantes a Hg y se llevará a cabo la transformación estable de E. meliloti para sobreexpresar merA y merB y evaluar su papel en la tolerancia. Se comprobará en suelos contaminados por Hg la eficiencia de las plantas y de las cepas de rizobios más tolerantes y de las plantas y rizobios genéticamente modificados. Se determinará la capacidad de detoxificación de los rizobios en vida libre y la de las leguminosas noduladas. Los resultados ampliarán nuestro conocimiento sobre la respuesta de la simbiosis rizobio-leguminosa a metales pesados y su potencial en la detoxificación de suelos contaminados.


  •     La biodiversidad edáfica como recurso esencial para el funcionamiento de los ecosistemas y el uso sostenible de los recursos naturales (ECOSOIL)

    Referencia:
    CGL2017-90635-REDT
    Entidad Financiadora:
    Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO)
    Entidades Participantes:
    Asoc BC3 Basque Centre for Climate Change; INIA; UVIGO; UPM (ETSMFMN); CSIC (CIDE; ICA; CEBAS; MNCN; IPE; IPNA)
    Investigador Principal:
    Jorge Curiel Yuste (Red Temática)
    Año inicio:
    2018
    Año fin:
    2020
    Resumen:
    La red reune expertos en diversos campos de conocimiento - ecología, microbiología, edafología, zoología, botánica – para avanzar en la comprensión del sistema suelo, sus niveles de organización y su relación con el funcionamiento de los ecosistemas terrestres. Esta red pretende estimular la generacion de conocimiento de frontera a través de la búsqueda de un lenguaje común entre las diferentes disciplinas, la estimulacion de la colaboración entre grupos, la armonización de metodologías y el desarrollo de marcos conceptuales y nuevas ideas que promuevan nuevos marcos experimentales. La red persigue el desarrollo de una visión holistica del funcionamiento del sistema suelo, ya que en el convive un cuarto de la biodiversidad global y es responsable de la genesis, formacion y mantenimiento de la matriz edáfica que sostiene la vida en el planeta.


  •     Metal tolerance in Medicago truncatula (HapMap Collection) and in nitrogen-fixing rhizobia: Genome wide association and comparative genomics studies

    Referencia:
    I-LINK1093
    Entidad Financiadora:
    CSIC
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, Universidad de Zúrich (Suiza), Universidad de Minnesota (USA)
    Investigador Principal:
    José J. Pueyo (ICA-CSIC), Kentaro Shimizu (U. Zúrich), Peter Tiffin (U. Minnesota)
    Año inicio:
    2017
    Año fin:
    2018
    Resumen:
    The model legume Medicago truncatula has a native Mediterranean distribution that includes heavy metal contaminated areas. Almost no molecular mechanisms of adaptation or tolerance to heavy metals have been identified in legumes, or in their nitrogen-fixing symbiotic partners. The first part of this study combines genome wide single nucleotide polymorphism (SNP) data from the Medicago HapMap collection of over 250 plant genotypes (www.medicagohapmap.org), and phenotyping of these genotypes for relative root growth under mercury (Hg) and cadmium (Cd) stress, and Cd leaf accumulation. This will allow identifying genome wide associations (GWAS) of metal tolerance candidate genes and the genetic architecture of metal tolerance in Medicago. The second objective of the proposal aims to sequence and assemble Ensifer medicae and Rhizobium lemuminosarum strains collected from Medicago or Trifolium ssp. host plants growing in the Almaden mine region. Using these strains plus an additional global sample of E. medicae and R. leguminosum strains, we will conduct genome scans for selection and adaptation. The results will provide new knowledge of the mechanisms underlying heavy-metal tolerance in legumes and rhizobia, as well as a basis for the selection of legumes and their associated rhizobia with potential aplication in soil phytoremediation.


  •     Utilización de variedades de alfalfa en la fitorremediación de suelos salinos y contaminados por metales pesados

    Referencia:
    MHE-200034
    Entidad Financiadora:
    CSIC
    Entidades Participantes:
    Universidad Nacional de San Luis (Argentina), ICA-CSIC
    Investigador Principal:
    José J. Pueyo (ICA-CSIC), Hilda Pedranzani (UNSL)
    Año inicio:
    2017
    Año fin:
    2019
    Resumen:
    La progresiva salinización de los suelos agrícolas, combinada con problemas de contaminación por metales pesados, ocasionada entre otras causas por el uso excesivo de agroquímicos, puede aumentar la biodisponibilidad de los metales, afectando al rendimiento de los cultivos y constituyendo además un riesgo agroalimentario. Ello hace necesario ampliar el conocimiento de las interacciones entre el estrés salino y el estrés por metales pesados y encontrar variedades de cultivos que presenten una baja acumulación de los metales en los órganos susceptibles de ser empleados en la alimentación humana o animal. Las leguminosas, debido a su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico, reducen la necesidad de fertilización nitrogenada y tienen especial importancia en el contexto de una agricultura sostenible, con el valor añadido de sus proteínas de alta calidad. El uso de inoculantes bacterianos puede facilitar el establecimiento y desarrollo de las leguminosas por lo que se utilizarán cepas de rizobios de colección tolerantes a estreses. La Provincia de San Luis (Argentina) posee atomización de los ambientes palustres salinos y una considerable variabilidad hidrológica y edáfica, por lo cual es difícil abordarlos unitariamente, por lo que nos centraremos en un ambiente representativo como “el Bajo la Salada”. Esta zona además de salina, es utilizada para agricultura con el consecuente uso de herbicidas, provocando una concentración de metales pesados. En este ambiente se establecerán dos variedades de cultivos de alfalfa, utilizando como inoculantes cepas de rizobios de colección tolerantes a estreses para beneficiar el establecimiento y desarrollo de las leguminosas. Un mejor conocimiento de los mecanismos de respuesta y tolerancia de las leguminosas y de su simbiosis al estrés por metales, salinidad y a ambos estreses combinados, puede también facilitar la selección de leguminosas más tolerantes para ser cultivadas en suelos marginales y utilizadas en fitorremediación.


  •     Estudio de las redes de interacciones plantas-hongos micorrícicos y su implicación en los mecanismos que regulan el reclutamiento entre plantas [En COEXMED II: Mecanismos implicados en la estructuración de las redes de reemplazamiento planta-planta]

    Referencia:
    Plan Nacional (CGL2015-69118-C2-2-P)
    Entidad Financiadora:
    Ministerio de Economía y Competitividad
    Investigador Principal:
    Concepción Azcón (EEZ-CSIC). Coordinador: Julio Alcántara (Univ. Jaén)
    Año inicio:
    2016
    Año fin:
    2018
    Resumen:
    Los hongos micorrícicos son reconocidos por su capacidad para aliviar los estreses que sufren las plantas e incrementar la resiliencia de individuos y comunidades vegetales, efectos especialmente importantes en un escenario de cambio global. Además, estos hongos están implicados en la dinámica de las comunidades vegetales, ej. reclutamiento de plantas, competencia entre ellas, ya que establecen las redes de micelio que conectan plantas distintas. En este proyecto se estudia la diversidad y composición específica de las comunidades de hongos formadores de micorrizas en bosques mixtos de quercineas y pinos, en el Parque Natural de la sierra de Segura y en la sierra Sur de Jaén. Se analizan distintas especies de plantas leñosas y por tanto, dos tipos de simbiosis: micorrizas arbusculares y ectomicorrizas, y las comunidades fúngicas son caracterizadas mediante técnicas de metagenómica. Nuestro principal objetivo es analizar las redes de interacción entre plantas y hongos micorrícicos y su implicación en el reclutamiento de plantas y, en último término, en los mecanismos que posibilitan la coexistencia de distintas especies en la comunidad vegetal


  •     Utilización de altramuz en la fitorremediación de suelos contaminados por mercurio y arsénico

    Referencia:
    i-COOP 2016SU0005
    Entidad Financiadora:
    CSIC
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, CEAZA-Chile
    Investigador Principal:
    José J. Pueyo (CSIC), Teodoro Coba de la Peña, Alexandra Stoll (CEAZA, Chile)
    Año inicio:
    2016
    Año fin:
    2017
    Resumen:
    Se plantea el estudio del potencial fitorremediador de Lupinus microcarpus, especie de altramuz nativa del norte de Chile y de variedades de altramuces europeos (L. albus y L. angustifolius), en combinación con sus rizobios simbiontes, en suelos mineros contaminados con As y Hg. Esta aproximación puede facilitar la recuperación de suelos para la agricultura y/o fijar e inmovilizar los metales del suelo disminuyendo su accesibilidad, utilizando un procedimiento de bajo coste y no agresivo con el medio ambiente. Se proponen viajes y estancias de los participantes para realizar el estudio propuesto y talleres para facilitar la capacitación de jóvenes investigadores.


  •     Selección de variedades de altramuz y alfalfa y sus rizobios asociados para su uso en suelos salinos y/o contaminados por metales pesados

    Referencia:
    Plan Nacional (AGL2013-40758-R)
    Entidad Financiadora:
    Ministerio de Economía y Competitividad
    Entidades Participantes:
    ICA-CSIC, CEU- San Pablo
    Investigador Principal:
    José Javier Pueyo, M. Mercedes Lucas
    Año inicio:
    2014
    Año fin:
    2017
    Resumen:
    La progresiva salinización de los suelos agrícolas, combinada con la contaminación por metales pesados, puede aumentar la biodisponibilidad de los metales, afectando al rendimiento de los cultivos y constituyendo además un riesgo agroalimentario. Ello hace necesario ampliar el conocimiento de las interacciones entre el estrés salino y el estrés por metales pesados y encontrar variedades de cultivos que presenten una baja acumulación de metales en los órganos empleados en la alimentación humana o animal. Las leguminosas, capaces de fijar nitrógeno atmosférico simbióticamente, reducen la necesidad de fertilización nitrogenada y tienen especial importancia en el contexto de una agricultura sostenible, con el valor añadido de su proteína de alta calidad. En el presente proyecto se propone la selección de variedades de las leguminosas altramuz y alfalfa que presenten elevada tolerancia a salinidad y metales pesados y limitada traslocación de los metales a la parte aérea. El altramuz es una leguminosa de grano, principalmente de secano, con una notable tolerancia a estreses abióticos y efectos positivos demostrados sobre la diabetes o la hipercolesterolemia. La alfalfa es una forrajera, principalmente de regadío, ampliamente cultivada en nuestro país y más sensible a los estreses abióticos. Para identificar variedades tolerantes de estas leguminosas se analizarán bancos de germoplasma. Se estudiará el efecto de la sal sobre la tolerancia y la acumulación de metales (Cd y Hg) en las variedades tolerantes a ambos estreses y se analizarán diferentes parámetros fisiológicos para identificar indicadores de tolerancia. Se utilizarán cepas de rizobios de nuestra colección, altamente tolerantes a metales y a sal, para evaluar su efecto sobre la tolerancia a estos estreses y la acumulación de metales en las plantas inoculadas. Esto permitirá la selección de pares leguminosa-rizobio con potencial uso en suelos salinos y/o contaminados, que se ensayarán en suelos contaminados en condiciones confinadas y riego con agua salina y en parcelas acotadas del Distrito Minero de Almadén. Un mejor conocimiento de los mecanismos de respuesta y tolerancia de las leguminosas y de su simbiosis al estrés por metales y/o salinidad puede establecer bases para la futura selección, por genética tradicional, de variedades más tolerantes para ser cultivadas en suelos marginales. Por ello se propone estudiar los perfiles de expresión de genes potencialmente implicados en la tolerancia a dichos estreses y de small RNAs y sus genes diana en cultivares tolerantes de Medicago truncatula previamente identificados. Además, se obtendrán plantas compuestas (raíz transgénica pero no parte aérea) con niveles alterados de expresión génica de transportadores de iones o de small RNAs, para evaluar su implicación en la tolerancia.