[ES]La ausencia parcial o total de gravedad afecta al crecimiento y desarrollo de las plantas. Conocer estos efectos es muy importante porque las plantas forman una parte esencial de los Sistemas de Soporte Vital, necesarios para la futura exploración de la Luna, Marte e incluso de planetas fuera de nuestro Sistema Solar, al aportar oxígeno y alimento para los seres humanos. El crecimiento y desarrollo de las plantas son funciones vitales que se basan en la coordinación de procesos celulares como la proliferación y el crecimiento en los tejidos meristemáticos de la planta (“competencia meristemática”). La magnitud del vector gravedad en nuestro planeta (9,8 m/s2 o 1g) ha sido constante a lo largo de la evolución de las plantas y su falta en oscuridad causa la pérdida de la competencia meristemática en la raíz, como demostró nuestro grupo en experimentos realizados en la Estación Espacial Internacional (ISS) y en simuladores de microgravedad en Tierra. El objetivo principal de este trabajo es profundizar en los estudios previos sobre el efecto combinado del ambiente espacial (ausencia de señal gravitatoria) y la luz (señal lumínica) sobre el crecimiento y proliferación celular en la especie modelo Arabidopsis thaliana. En concreto, se pretende conocer en qué medida la luz puede actuar como una señal capaz de contrarrestrar los efectos adversos causados por la ausencia de gravedad e incluso estimular el crecimiento y la proliferación celular, y si la radiación, en dosis equivalentes a las sufridas en el interior de la ISS y en combinación con microgravedad, puede tener un efecto pernicioso acumulativo. Además, se plantea conocer si los niveles de gravedad parcial, como los presentes en la Luna y Marte, alteran de la misma manera la competencia meristemática. La consecución de estos objetivos ha sido posible por la realización de experimentos en la ISS dentro del marco del experimento “Seedling Growth” (SG) y otros complementarios en el simulador de microgravedad en Tierra RPM (Random Posistioning Machine), tanto en su modo regular, como modificado (RPMHW y RPMSW), complementado con luces LEDs. Para obtener respuesta a las cuestiones planteadas se han utilizado distintas líneas de Arabidopsis thaliana además de la silvestre, entre las que se encuentran mutantes de las proteínas nucleolares NUC1 y NUC2 implicadas en el crecimiento celular, mutantes de los fitocromos PHYA y PHYB (fototropismo), la línea reportera de expresión de la CYCB1;1 como marcadora de proliferación y la línea DII-VENUS, reportera del patrón de distribución de auxinas, base del gravitropismo. La proliferación y el crecimiento celular en el cilindro cortical de la raíz se han analizado midiendo el número de células por unidad de longitud en las capas meristemáticas, la expresión del gen de la ciclina B1 y el área del nucléolo marcada por inmunofluorescencia anti-fibrilarina (proteína nucleolar). A nivel molecular, la proliferación celular ha sido estudiada analizando la expresión de los genes marcadores CYCB1;2 y CK2A;2 y el crecimiento celular por la expresión de los marcadores NUC1, NUC2 y FIB, así como por el análisis del procesamiento del pre-rRNA 45S por cuantificación de los rRNAs producidos en este proceso. El estudio a nivel celular de la proliferación y el crecimiento celular en plantas sometidas a microgravedad (μg), y a niveles parciales de gravedad correspondientes a los de la Luna (0,17g) y Marte (0,38g) simulados en la RPM, confirmó que la microgravedad produce un desacople entre estos dos procesos en condiciones de oscuridad. A 0,17g este desacople es más pronunciado al producirse un aumento en la tasa de proliferación y una disminución en el crecimiento más marcados que en microgravedad. En cambio, a 0,38g los valores de los parámetros indicadores de estos dos procesos son similares a los obtenidos en el control a gravedad terrestre (1g).

[EN] Lack of gravity, either totally or partially, affects plant growth and development. Understanding these effects is very important because plants are an essential part of Life Support Systems, necessary for the future exploration of the Moon, Mars and even of planets outside our Solar System, being a source of oxygen and food for the human being. Plant growth and development are vital functions based on the coordination of cellular processes such as proliferation and growth in the plant meristematic tissues ("meristematic competence"). The gravity vector magnitude in our planet (9.8 m/s2 or 1g) has been constant throughout the plant evolution and its lack in darkness causes the loss of the root meristematic competence, as our group demonstrated in experiments carried out in the International Space Station (ISS ) and in microgravity simulators on Earth.The main objective of this work is to extend previous studies on the combined effect of the space environment (no gravitational cue) and light (light cue) on cell growth and cell proliferation in the model species Arabidopsis thaliana. Specifically, it is intended to know to what extent light can act as a signal capable of counteracting the effects caused by the lack of gravity and even stimulating cell growth and cell proliferation, and whether radiation, at doses equivalent to those existing within the ISS, together with the lack of gravity, may have an accumulative detrimental effect. In addition, we also want to know whether partial gravity levels, such as those present on the Moon and Mars, alter the meristematic competence in the same extent as microgravity does. The achievement of these objectives has been possible by conducting experiments in the ISS within the framework of the experiment "Seedling Growth" (SG) and other complementary assays in the microgravity simulator on Earth, RPM (Random Positioning Machine), either in its regular or modified (RPMHW and RPMSW) operation mode, complemented with LED lights incorporation. To answer the questions raised, we have used different lines of Arabidopsis thaliana in addition to the wild type, among which mutants of the nucleolar proteins NUC1 and NUC2, involved in cell growth, mutants of phytochromes PHYA and PHYB (phototropism), the CYCB1;1 gene expression reporter line and DII-VENUS line, as reporter of auxin distribution pattern, the basis of gravitropism. Cell proliferation and growth in the root cortical cylinder have been analyzed by measuring the number of cells per unit length in the meristem layers, the cyclin B1 gene expression and the nucleolar area labeled by anti-fibrillarin (nucleolar protein) immunofluorescence. At the molecular level, cell proliferation has been studied by analyzing the expression of the CYCB1;2 and CK2A;2 marker genes and cell growth by the expression of the NUC1, NUC2 and FIB markers and the analysis of 45S pre-rRNA processing, by quantifying the rRNAs produced in this process. The study at the cellular level of cell proliferation and cell growth in plants subjected to microgravity (μg), and to partial gravity levels corresponding to those present on the Moon (0.17g) and on Mars (0.38g), simulated in the RPM, confirmed that microgravity produces a decoupling between these two processes in darkness conditions. At 0.17g this decoupling is more pronounced, with an increase in the proliferation rate and a decrease in cell growth more marked than in microgravity. On the other hand, at 0.38g the values of the indicator parameters of these two processes do not differ from those obtained in the control of terrestrial gravity (1g).

La incorporación de un régimen lumínico de fotoperiodo en la RPM convencional produjo la no existencia de cambios a nivel celular entre la condición experimental y la control, aun existiendo un peor procesamiento del pre-rRNA 45S y una disminución de la expresión del gen CYCB1;2 en microgravedad. En las plantas tratadas en la RPM y sometidas a radiación se produce un aumento en la proliferación y el crecimiento celular, alcanzando los mismos niveles que sin radiación. En cambio, en el control 1g con radiación, estos dos procesos están reprimidos. El estudio a nivel molecular del crecimiento y la proliferación celular de la línea silvestre y de los dos mutantes de fitocromos fotoestimulados con luz roja y sometidos a distintos niveles de gravedad en el experimento SG mostró que la microgravedad real altera estos dos procesos en todas la líneas, pero a medida que aumenta la magnitud del vector gravedad en la línea silvestre estas diferencias desaparecen antes que en líneas mutantes que captan deficientemente este estímulo lumínico. Finalmente, el análisis transcriptómico de genoma completo de plantas fotoestimuladas con luz roja frente a otras mantenidas en oscuridad, crecidas en microgravedad real, mostró que las plantas fotoestimuladas poseían un menor número de genes con expresión desregulada y no implicados en la proliferación y el crecimiento celular. El estudio a nivel celular de estos dos procesos en estas plantas resultó en valores más próximos al control 1g en las irradiadas con luz roja.Las principales conclusiones obtenidas del presente trabajo son: • El valor umbral para la percepción con normalidad del vector gravedad está comprendido entre 0,17g y 0,38g, siendo la gravedad presente en Marte suficiente para que se produzca un desarrollo adecuado de las plantas. • La iluminación con un régimen de fotoperiodo es suficiente para contrarrestar significativamente los efectos causados en el crecimiento de las plantas por la falta de gravedad en oscuridad. • La fotoestimulación con luz roja activa el crecimiento y la proliferación celular, como se demostró en las plantas crecidas en el experimento espacial “Seedling Growth” .• La cantidad de radiación que reciben las plantas durante su crecimiento en la ISS, así como un fondo genético menos sensible, pueden atenuar los efectos producidos por el estrés gravitatorio y ser útiles para la agricultura espacial.

The incorporation of a light regime of photoperiod in the conventional RPM resulted in the absence of any change at the cellular level between the experimental condition and the control. However, 45S pre-rRNA processing showed alterations and CYCB1;2 gene expression was decreased, in microgravity. In the plants grown in the RPM and subjected to radiation, there is an increase in cell proliferation and growth, reaching the same levels as those recorded without radiation. In contrast, in control 1g with radiation, these two processes are repressed.The study at the molecular level of the cell growth and cell proliferation in the wild-type and in the two phytocrome mutants photostimulated with red light and subjected to different gravity levels in the SG experiment showed that the real microgravity alters these two processes in all the lines, but, as the magnitude of the gravity vector increases, these differences disappear in the wild-type before than in mutant lines, which have a limited ability in the capture of this light stimulus. Finally, the full-genome global transcriptomic analysis of red-light-photostimulated plants versus plants grown in dakness, in real microgravity, showed that photostimulated plants had a lower number of genes with deregulated expression and not involved in cell proliferation and cell growth. The study at the cellular level of these two processes in these plants resulted in values closer to the 1g control in those irradiated with red light.The main conclusions obtained from this work are: • The threshold value for normal perception of the gravity vector is comprised between 0.17g and 0.38g, being the gravity present in Mars sufficient for an adequate development of plants.• Lighting with a photoperiod regime is sufficient to significantly counteract the effects caused in the growth of plants due to the lack of gravity, in darkness.• Photostimulation with red light activates cell growth and cell proliferation, as it was shown on plants grown in the space experiment "Seedling Growth".• The radiation received by plants during their growth in the ISS, as well as a less sensitive genetic background, act as attenuating factors for the effects produced by gravitational stress, and may be useful for space agriculture.

Este trabajo ha sido financiado por el programa de “ContratosPredoctorales para la Formación de Doctores” (BES-2013-063933) y por los proyectos de investigación (AYA2012-33982) y (ESP2015-64323-R).otorgados por el Ministerio de Economía y Competitividad.

277 p.-98 fig.-25 tab.

Peer reviewed