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TÍTULO DEL PROYECTO: Mejora del conocimiento de las funciones de metabolitos y proteínas en la homeostasis de metales en plantas
INVESTIGADORES PRINCIPALES: Javier Abadía, Ana-Flor López-Millán

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RESUMEN

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Algunos metales como Fe, Mn y Zn son microelementos esenciales para los cultivos, y por otro lado otros metales tóxicos como el Cd pueden ser adquiridos por las plantas si están presentes en los medios de crecimiento. Cuando los metales esenciales son escasos o cuando los metales tóxicos se acumulan en exceso se producen alteraciones en diferentes procesos biológicos que son fundamentales para el desarrollo de las plantas. Así pues, las plantas deben regular finamente la homeostasis de metales, lo que incluye mecanismos tanto de adquisición de metales desde el medio como de transporte y distribución entre los diferentes órganos y compartimentos celulares una vez en la planta. Se denomina homeostasis a la tendencia hacia un equilibrio relativamente estable entre mecanismos interdependientes sustentados por procesos fisiológicos. La homeostasis de metales evita su acumulación en exceso, manteniendo a la vez un suministro adecuado de aquellos que son esenciales. A pesar de los avances recientes en el tema, aún tenemos un conocimiento incompleto de la homeostasis de metales en plantas. Los objetivos del proyecto recogen estudios sobre: i) nuevas perspectivas sobre la toma de metales por las raíces de las plantas, incluyendo los cambios en los perfiles proteicos de membrana plasmática de raíces en respuesta a estreses metálicos, así como la exportación e importación de compuestos orgánicos involucrados en la adquisición de metales por la raíz; ii) un enfoque integral sobre el transporte a larga distancia de metales en plantas, incluyendo la identificación y cuantificación de especies metálicas en fluidos vegetales, así como la localización de metales y ligandos en la descarga de xilema y floema; y iii) un aumento del conocimiento sobre el transporte de metales en la parte aérea de plantas, incluyendo los cambios en los perfiles proteicos tanto de fluidos vegetales como de diversos tipos de membranas de la hoja en respuesta a estreses metálicos, así como estudios de transporte de metales por transportadores de membrana de la hoja. Una mejor comprensión de la homeostasis de metales en las plantas nos ayudará a obtener una base científica sólida, tanto para resolver problemas agrícolas, tales como deficiencias y toxicidades de metales, como para conseguir la biofortificación de alimentos de origen vegetal y la fitorremediación de suelos contaminados con metales, en línea con el Reto Social en el que se enmarca el proyecto. Esta propuesta es una continuación del proyecto actualmente en curso, AGL2010-16515, que acaba en junio de 2014, y complementa los esfuerzos actuales del grupo en el estudio de la homeostasis de metales en plantas. La propuesta incluye tres científicos de plantilla del CSIC, dos doctores más contratados y un estudiante de postgrado. Cuatro científicos extranjeros, dos de EE.UU., uno de Hungría y otro de Japón, colaborarán a tiempo parcial en determinadas tareas del proyecto.

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PROJECT TITLE: Towards an understanding of the roles of metabolites and proteins in plant metal homeostasis
PRINCIPAL INVESTIGATORS: Javier Abadía, Ana-Flor López-Millán

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SUMMARY

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Metals such as Fe, Zn and Mn are essential microelements required by crops. On the other hand, toxic metals such as Cd can be acquired by plants when they are present in the growth media. When metal micronutrients are scarce or when metals are accumulated in excess, alterations in different biological processes essential for plant development occur. Therefore, plants must finely regulate metal acquisition, transport and partitioning within different organ and cell compartments, in order to prevent excess accumulation of metals while obtaining an adequate intake of metal micronutrients. The tendency towards a relatively stable equilibrium between those interdependent mechanisms, as maintained by physiological processes, is called homeostasis. Despite recent advances, we only have a very limited knowledge of metal homeostasis in plants. The objectives of the project are: i) to provide new insights on metal uptake by roots, increasing the knowledge on the changes in the protein profiles of the plant root plasma membrane in response to metal stress, and on the export and import of organic compounds involved in metal acquisition at the plant root level; ii) to provide a comprehensive approach to long distance metal transport, carrying out the identification and quantification of metal species in plant fluids, and the localization of metals and ligands in xylem and phloem unloading; and iii) to increase the knowledge of metal transport between plant compartments in shoots, studying changes in the protein profiles of plant fluids and different leaf membrane types in response to metal stress, and advancing in the characterization of metal transport by specific membrane transporters in the leaf. A better understanding of processes involved in metal homeostasis within plants would contribute not only to solve agricultural problems such as metal deficiencies and toxicities, but also to improve the metal micronutrient content of plant foods -biofortification-, as well as to promote phytoremediation of metal contaminated soils, in line with the Societal Challenge “Food security, sustainable agriculture..” of the Horizon 2020 EU Framework Programme for Research and Innovation. This proposal is a continuation of the project currently in course, AGL2010-61948, which ends in June 2014, and complements the efforts of the group to study metal homeostasis in plants. The proposal includes three staff CSIC scientists, two PhDs more on contract and one graduate student. Four foreign scientists, two from the USA, one from Hungary and another from Japan, will collaborate on a part time basis in some objectives of the project.

TÍTULO DEL PROYECTO: Fertilizantes foliares multielementales con oligoelementos de alta eficacia agronómica
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Javier Abadía

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RESUMEN

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De acuerdo a los antecedentes citados, se considera de importancia vital un proyecto de investigación básica y aplicada que explore la posible interacción molecular y funcional de los oligoelementos (Fe, Mn, Zn y Cu) normalmente aplicados vía foliar en cultivos de clima mediterráneo.

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A nivel más concreto, el objetivo general del proyecto será:

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Desarrollar una nueva generación de fertilizantes foliares multi-elementales con oligoelementos (FOMH), que incrementen sustancialmente la eficiencia de la fertilización, salvando las barreras químicas, moleculares, fisiológicas y tecnológicas existentes.

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Este objetivo será acometido por un consorcio de gran sinergia. En el proyecto se propone combinar la experiencia práctica a nivel internacional de la empresa TIMAC AGRO en el diseño, fabricación, control de calidad y venta de fertilizantes FOMH, con los conocimientos del Grupo de investigación “Fisiología de estrés abiótico en plantas” de la EEAD-CSIC, que posee gran experiencia a nivel internacional tanto en la biología y bioquímica de la nutrición de Fe (ver reciente revisión del grupo sobre el tema: Abadía et al., 2011), como en la caracterización y aplicación práctica de fertilizantes de Fe via foliar (ver revisiones recientes del grupo sobre este tema específico: Fernández et al., 2009, El-Jendoubi et al., 2011).

TÍTULO DEL PROYECTO: ESTRATEGIAS INNOVADORAS PARA MEJORAR LA NUTRICIÓN FÉRRICA EN FRUTALES
Investigador Principal: Anunciación Abadía Bayona

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RESUMEN
El principal objetivo del proyecto es conseguir bases científicas que permitan innovar en el control de la nutrición férrica de los frutales, ampliando el conocimiento sobre los procesos de toma de hierro tanto en raíces como en hojas. La propuesta es continuación de las investigaciones llevadas a cabo por el grupo en los últimos años y que han puesto de manifiesto la necesidad de desarrollar nuevas líneas en el estudio de la nutrición mineral en frutales, área todavía poco conocida. Así pues, el proyecto está basado en los resultados obtenidos en estudios previos y abre nuevas líneas de investigación en el campo de la nutrición en plantas. Recientes investigaciones sobre nutrición, tanto de nuestro grupo como de otros, han puesto de manifiesto la necesidad de llevar a cabo estudios encaminados a utilizar estrategias naturales usadas por las plantas tolerantes a ambientes con baja disponibilidad de Fe. Así, investigaciones sobre los compuestos sintetizados en las raíces y excretados a la rizosfera pueden servir como modelo para diseñar nuevas estrategias de corrección en nutrición vegetal, que sean respetuosas con el medio ambiente y que permitan aumentar la competitividad del sector. Siguiendo esta línea, el proyecto propone dos objetivos concretos para el estudio del control de los factores limitantes en la toma de Fe en plantas, especialmente dirigidos al caso de frutales. Estos dos objetivos son: 1) estudio de las respuestas específicas de la adquisición de hierro en la raíz en especies y genotipos de alta eficiencia; y 2) búsqueda de nuevos enfoques para optimizar el suministro de hierro, tanto por raíces como por hojas. Los objetivos se focalizan en: i) estudios innovadores sobre las estrategias naturales utilizadas por las plantas cuando se enfrentan a la escasez de hierro, mediante la identificación de los compuestos sintetizados y liberados por las raíces de las plantas cultivadas con un suministro limitado de Fe, y explorando la posibilidad de utilizar los resultados de esta investigación de una manera práctica, ii) caracterización de las fronteras de absorción de nutrientes por las raíces mediante técnicas de proteómica; iii) seguimiento del destino del Fe aplicado y estudio de sus efectos en los compartimentos de transporte como la savia de xilema y apoplasto, y iv) estudio de los mecanismos de acción de compuestos naturales y fertilizantes de Fe. El proyecto está dirigido a optimizar la absorción de Fe por la planta, con el objeto de disminuir los gastos de fertilizantes y desarrollar estrategias ambientales amigables para corregir la clorosis férrica en los cultivos.

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PROJECT TITLE: Innovative strategies for improving Fe nutrition in fruit tree crops
PRINCIPAL INVESTIGATOR: Anunciación Abadía Bayona

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SUMMARY
The main aim of this proposal is to obtain scientific basis to facilitate innovation of the iron- nutrition control in fruit trees, gaining new knowledge on iron uptake processes in roots and leaves. This proposal is a follow-up of the research on fruit tree mineral nutrition developed in the past years by the proponent research group, and opens new possibilities in the study of the Fe nutrition field. Previous studies have outlined the need to carry out new research to advance in the understanding of fruit trees mineral nutrition. Recent research on plant mineral nutrition carried out both by our group and others have highlighted the need for further studies to exploit natural strategies elicited by tolerant plants exposed to iron deficiency and other nutritional disorders. New insights on compounds synthesized and released by roots and new developments on fertilizers will generate information to design competitive, innovative and environmentally friendly fertilization strategies. The project proposes two main objectives to gain knowledge for controlling limiting factors in the Fe uptake by plants, and is especially focused to the case of fruit trees. The objectives are: 1) to study specific root Fe acquisition responses in highly efficient plant species and genotypes; and 2) to search new approaches to optimize Fe supply both to roots and leaves. Studies are focused on: i) innovative studies on the natural strategies used by plants when facing Fe shortage, through the identification of compounds synthesized and released by roots of plants grown with a limited supply of Fe, and exploring the possibility of using the results of this research in a practical way; ii) the characterization of root nutrient uptake frontiers using proteomic approaches; iii) monitoring the fate of the applied Fe, studying its effects on transport compartments such as the xylem sap and apoplast; and iv) the study of the mechanisms of action of natural compounds and Fe-fertilizers. The project is aimed to optimize plant Fe uptake, decrease fertilizer costs and develop competitive and environmentally friendly strategies to control Fe chlorosis in crops.

TÍTULO DEL PROYECTO: Metalómica vegetal: Una aproximación a la homeostasis de metales en plantas mediante espectrometría de masas integrada
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Javier Abadía

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RESUMEN
Algunos metales como Zn y Fe son microelementos esenciales necesarios para los cultivos. Además, las plantas pueden adquirir metales tóxicos como el Cd, si éstos están presentes en los medios de crecimiento. Cuando los metales esenciales son escasos o cuando los metales se acumulan en exceso se presentan alteraciones en diferentes procesos biológicos fundamentales para el desarrollo de la planta. Así, las plantas deben regular cuidadosamente la adquisición de los metales, su transporte y la distribución entre los diferentes órganos y compartimentos celulares, a fin de evitar su acumulación en exceso, manteniendo un suministro adecuado de aquellos que son esenciales. Se denomina homeostasis a la tendencia hacia un equilibrio relativamente estable entre mecanismos interdependientes sustentados por procesos fisiológicos. A pesar de los avances recientes, aún tenemos un conocimiento muy limitado de la homeostasis de metales en plantas. Los objetivos del proyecto son: i) estudiar la especiación de metales en fluidos vegetales, llevando a cabo la detección e identificación de complejos metálicos y avanzando hacia la cuantificación de los mismos; ii) desarrollar nuevas metodologías para estudiar algunos pasos cruciales en la homeostasis de metales por espectrometría de masas: ensayos de Fe(III)-reductasa, ensayos para medir flujos de metales y estudios sobre la acumulación en la raíz y excreción por la misma de metabolitos al medio de crecimiento; iii) estudiar el metabolismo de los desequilibrios causados por la deficiencia y toxicidad de metales con un enfoque combinado metabolómica/proteómica, investigando las principales diferencias encontradas mediante un análisis dirigido; y iv) estudiar la micro-localización de metales y componentes relacionados con la homeostasis de metales (proteínas y metabolitos) en plantas. Una mejor comprensión de los procesos implicados en la adquisición, transporte, quelación y almacenamiento de los metales en las plantas nos ayudarán a controlar no sólo problemas agrícolas, tales como deficiencias y toxicidades de metales, sino también a mejorar el contenido de metales en los alimentos de origen vegetal, así como promover la fitorremediación de suelos contaminados con metales. Esta propuesta es una continuación del proyecto actualmente en curso, AGL2007-61948, que acaba en octubre de 2010, y complementa los esfuerzos actuales del grupo en el estudio de la homeostasis de metales en plantas. La propuesta incluye cuatro científicos de plantilla del CSIC, uno más contratado, y dos estudiantes de postgrado. Cuatro científicos extranjeros, dos de EE.UU., uno de Hungría y otro de Japón, colaborarán a tiempo parcial en algunas tareas del proyecto.

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PROJECT TITLE: Plant metallomics: An integrated mass spectrometry approach to study metal homeostasis in plants
PRINCIPAL INVESTIGATOR: Javier Abadía

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SUMMARY
Metals such as Zn and Fe are essential microelements required by crops. On the other hand, plants also acquire toxic metals such as Cd when they are present in the growth media. When nutrient metals are scarce or when metals are accumulated in excess, alterations in different biological processes essential for plant development occur. Thus, plants must carefully regulate metal acquisition, transport and partitioning within different organ and cell compartments in order to prevent excess accumulation while obtaining an adequate intake. The tendency toward a relatively stable equilibrium between those interdependent mechanisms, as maintained by physiological processes, is called homeostasis. Despite recent advances, we only have a very limited knowledge of metal homeostasis in plants. The objectives of the project are: i) to study metal speciation in plant fluids, carrying out detection and identification of metal-complexes and progressing towards metal bio-complexes quantification; ii) to develop novel methodologies to study crucial steps in metal homeostasis using mass spectrometry, including Fe(III)-reductase assays, assays for metal fluxes and studies on root accumulation and excretion of metabolites; iii) to study the metabolism of metal imbalances with a combined metabolomics/proteomics approach, and to exploit the main differences found by using targeted analysis; and iv) to carry out the micro-localization of metals and metal homeostasis-related components (proteins and metabolites) in plants. A better understanding of processes involved in the acquisition, transport, chelation and storage of metals within plants would help us not only to control agricultural problems such as metal deficiencies and toxicities, but also to improve the metal ion content of plant foods, as well as to promote phytoremediation of metal contaminated soils. This proposal is a continuation of the project currently in course, AGL2007-61948, which ends in October 2010, and complements the efforts of the group to study metal homeostasis in plants. The proposal includes four staff CSIC scientists, one scientist more on contract and two graduate students. Four foreign scientists, two from the USA, one from Hungary and another from Japan, will collaborate on a part time basis in some tasks of the project.

AGL2010-16515 (2011-13) Report 2013 (pdf)

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Presentación MINECO 11 Junio (pdf)