Cambios mediados por el ozono sobre la simbiosis entre pastos y hongos endófitos de transmisión vertical

Abstract

El ozono es uno de los mayores contaminantes de la tropósfera alcanzando, según las proyecciones, niveles perjudiciales para los sistemas biológicos. Los efectos del estrés oxidativo del ozono pueden ocasionar muerte celular, reducción en el crecimiento y en la producción de semillas. Sus impactos sobre las plantas han sido bastante estudiados, pero no se ha considerado los efectos sobre las interacciones de éstas con los simbiontes benéficos. La simbiosis entre pastos y hongos Epichloë es considerada mutualista ya que, a los endófitos de transmisión vertical se los asocia con mejoras en el desempeño de las plantas. Sin embargo, los efectos del ozono sobre el balance redox de las plantas podrían impactar negativamente sobre el simbionte y los beneficios brindados a la planta hospedante. En esta tesis se estudiaron los efectos del ozono sobre la relación planta-endófito, con énfasis en los procesos que pueden afectar su persistencia y la transmisión del hongo. Se estudiaron los efectos del ozono sobre la interacción pasto-endófito a lo largo del ciclo de vida del hospedante (y sus consecuencias transgeneracionales), mediante la evaluación de dos procesos cruciales en la determinación de la frecuencia de la simbiosis en la población: (i) efecto del endófito sobre el desempeño del hospedador (o aptitud diferencial de plantas con y sin endófito) y (ii) eficiencia de transmisión o persistencia del endófito. Los resultados mostraron que el ozono causó daño oxidativo afectando el crecimiento de los pastos en general. Sin embargo, sus consecuencias negativas fueron más evidentes en plantas con endófito modificando la asignación de recursos hacia los órganos reproductivos. A su vez, la longevidad de las semillas producidas en las plantas simbióticas fue notablemente disminuida independientemente del ozono transgeneracional. Ello podría estar explicado por el mayor nivel de glutatión en estado oxidado (GSSG) y el mayor contenido hídrico mostrado por las semillas con endófitos. Por otro lado, el ambiente estresante experimentado por las plantas madre se transmitió a la descendencia; las plántulas provenientes de madres expuestas a ozono presentaron mayor supervivencia cuando se las exponía al ozono. Si bien en términos generales, las plántulas sin endófito mostraron una mayor supervivencia, las plántulas con endófito siempre presentaron una mejor respuesta transgeneracional al ozono: las plántulas provenientes de plantas tratadas con ozono mostraron una mayor supervivencia solo en escenarios de ozono. La transmisión del hongo desde la planta a la semilla no fue afectada por el ozono. Contrariamente el ozono afectó negativamente la longevidad del hongo impactando la transmisión de semilla a plántula y tuvo efectos más marcados en plantas expuestas al ozono en etapas vegetativas. Finalmente, se encontró una correlación positiva entre la biomasa del hongo y las defensas de origen fúngico (i.e. alcaloides), siendo ésta la primera vez que se documenta en semillas. En conclusión, las respuestas de la simbiosis frente al ozono fueron complejas dependiendo de la etapa ontogénica del hospedante que fue afectada por el contaminante. Si bien en algunas etapas y procesos, el endófito mejoró el desempeño del hospedante (e.g. biomasa, daño oxidativo, aptitud ecológica de la progenie), en otros ocurrió lo contrario (e.g. esfuerzo reproductivo, longevidad de semillas). Además, la persistencia del endófito en las semillas producidas por plantas expuestas a ozono, podría ser compensada por la mayor supervivencia de las plantas producidas por estas semillas en ambientes estresantes. Esta tesis contribuye con un nuevo conocimiento sobre los cambios en la relación simbiótica pasto-endófito bajo condiciones ambientales nóveles como es el aumento en la contaminación atmosférica por ozono a causa de la actividad antrópica.

Ozone is one of the most important pollutants in the troposphere reaching, according to the projections, harmful levels for biological systems. The effects of ozone oxidative stress can cause cell death, reduced growth and seed production. Its impacts on plants have been well studied, but the effects on their interactions with beneficial symbionts have not been considered. The symbiosis between grasses and fungi Epichloë is considered mutualistic since the endophytes of vertical transmission are associated with improvements in the performance of plants. However, the effects of ozone on the redox balance of the plants could negatively impact the symbiont and the benefits provided to the host plant. This thesis studied the effects of ozone on the plant-endophyte relationship, with emphasis on the processes that can affect its persistence and transmission. The effects of ozone on grass -endophyte interaction throughout the host life cycle and its transgenerational consequences were studied by evaluating two crucial processes in determining the frequency of symbiosis in the population: (i ) endophyte effect on host performance (or differential ability of plants with and without endophyte) and (ii) efficiency of transmission or persistence of the endophyte. The results showed that ozone caused oxidative damage affecting the growth of grasses in general. However, its negative consequences were more evident in plants with endophyte, modifying the allocation of resources to the reproductive organs. In turn, the longevity of the seeds produced by symbiotic plants was markedly diminished independently of transgenerational ozone. This could be explained by the higher level of glutathione in the oxidized state (GSSG) and the higher water content shown by the seeds with endophytes. On the other hand, the stressful environment experienced by the mother plants was transmitted to the offspring; seedlings from mothers exposed to ozone showed greater survival. Although in general terms, the seedlings without endophyte showed greater survival, the endophyte seedlings always presented a better transgenerational response to ozone: the seedlings from plants treated with ozone showed a greater survival only in current ozone scenarios. There were no changes in the transmission of the fungus from the plant to the seed due to ozone. The ozone negatively affected the longevity of the fungus (transmission of seed to seedling) and had more marked effects on plants exposed in vegetative stages. Finally, a positive correlation was found between the biomass of the fungus and the defences of fungal origin (i.e. alkaloids), this being the first time documented in seeds. In conclusion, the responses of the symbiosis to ozone were complex depending on the ontogenic stage of the host that was affected by the contaminant. Although in some stages and processes, the endophyte improved host performance (e.g. biomass, oxidative damage, fitness’s progeny), in others the opposite occurred (e.g., reproductive effort, the longevity of seeds). In addition, the persistence of the endophyte in the seeds produced by plants exposed to ozone could be compensated by the greater survival of the plants produced by these seeds in stressful environments. This thesis providing knowledge about the changes in the symbiotic grassendophyte relationship under new environmental conditions such as the increase in atmospheric pollution by ozone due to anthropic activity.