Descubren gen clave que protege a las plantas de metales dañinos en el suelo

LA JOLLA (18 de julio de 2024). El impacto negativo de la actividad humana en la Tierra no solo afecta la atmósfera de nuestro planeta, sino que se extiende mucho más profundo, hasta sus suelos. Por ejemplo, la aplicación excesiva de estiércol o lodos de depuración puede aumentar las concentraciones de metales pesados en las tierras agrícolas donde se cultivan cultivos vitales. Uno de estos metales pesados es el zinc, un micronutriente necesario para la salud de las plantas y los animales. Sin embargo, en exceso, el zinc puede ser extremadamente dañino para las especies vegetales sensibles.

Algunas plantas tienen una tolerancia naturalmente más alta al zinc que les permite prosperar en condiciones que de otro modo serían tóxicas, pero la biología detrás de esto no estaba clara anteriormente. En un nuevo estudio, científicos del Instituto Salk identificaron un gen que ayuda a las plantas a controlar el exceso de zinc en el suelo.

Los hallazgos, publicados en Nature Communications el 11 de julio de 2024, revelan que las plantas toleran altos niveles de zinc atrapándolo en las paredes celulares de sus raíces, un proceso facilitado por un gen llamado birefringencia de tricomas o TBR. Los científicos y agricultores ahora pueden usar esta información para desarrollar y cultivar cultivos que sean más resistentes a la contaminación del suelo. Mejorar la resiliencia de las plantas es un objetivo principal de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk.

“La estructura de la pared celular es como un andamio que puede almacenar zinc lejos del resto de la planta, y si el gen TBR está activo, las plantas pueden almacenar más zinc”, explica el autor principal, Wolfgang Busch, profesor, director ejecutivo de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas y presidente Hess de Ciencias Vegetales en Salk. “Lo interesante de este proceso simple es que puede ser la diferencia entre la vida y la muerte para una planta expuesta a condiciones tóxicas”.

La capacidad de la pared celular para almacenar zinc depende en gran medida de un proceso llamado metilesterificación de la pectina, un proceso que altera la estructura de las moléculas esponjosas de pectina dentro de las paredes celulares para que puedan absorber más zinc. Para comprender mejor esto, los investigadores realizaron un estudio de asociación de genoma completo para identificar genes vegetales asociados con una mayor metilesterificación de la pectina.

“Encontramos que las variantes alélicas TBR influyen en los cambios en la metilesterificación de la pectina y ayudan a determinar la capacidad de una planta para tolerar niveles más altos de zinc”, dice la primera autora Kaizhen Zhong, una antigua estudiante visitante de posgrado en el laboratorio de Busch. “Saber esto es realmente importante porque ahora podemos introducir o activar potencialmente este gen en otras plantas para crear cultivos que sean más resistentes a los cambios ambientales”.

Estos experimentos iniciales se realizaron en Arabidopsis thaliana, una pequeña planta con flores que los científicos utilizan como organismo modelo para estudiar la biología vegetal. El siguiente paso de los investigadores fue ver si este gen funciona de manera similar en otras plantas, incluidas las especies de cultivos importantes.

Para hacer esto, los científicos colocaron Oryza sativa, una cepa común de arroz y un cultivo básico para miles de millones de personas, en suelo con niveles tóxicos de zinc. Compararon específicamente dos versiones de Oryza, una con un gen TBR funcional y otra sin, y monitorearon su crecimiento radicular como medida de tolerancia al zinc.

El arroz con TBR funcional prosperó, confirmando que este mecanismo de supervivencia para la toxicidad del zinc está conservado en múltiples especies de plantas. La misma prueba también se realizó con la leguminosa Lotus japonicus, produciendo el mismo resultado.

“Lo emocionante es que nuestros datos sugieren que este fenómeno está conservado en todas las plantas con flores, que constituyen la gran mayoría de las especies vegetales y los cultivos alimentarios”, dice Busch. “Este solo descubrimiento podría aplicarse para aumentar la resistencia de las plantas a los niveles tóxicos de zinc y ayudar a sostener nuestro futuro suministro de alimentos”.

Con la población mundial proyectada para aumentar hasta los 11 mil millones para 2080 y la creciente prevalencia de la toxicidad del zinc en nuestros suelos, es imperativo que se avance para desarrollar cultivos que puedan resistir estas condiciones. Este estudio es un paso importante para lograr ese objetivo.

Otros autores incluyen a Matthieu Pierre Platre, Wenrong He, Ling Zhang, Anna Małolepszy y Min Cao de Salk; Peng Zhang, Xiangjin Wei, Shikai Hu y Shaoqing Tang del Instituto Nacional de Investigación del Arroz en China; Baohai Li de Salk y la Universidad de Zhejiang en China; y Peisong Hu del Instituto Nacional de Investigación del Arroz en China y la Universidad Agrícola de Jiangxi.

El trabajo fue apoyado por la Cátedra Hess de Ciencias Vegetales de Salk, la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Zhejiang de China (LDQ23C130001), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (32188102, 32071991), el Programa Clave de Investigación y Desarrollo de la Provincia de Zhejiang (2020R51007, 2021C02056-1) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (32172656).

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