Un hallazgo genera cultivos resistentes a malas condiciones

Desde chicos estudiamos que en las plantas, las raíces cumplen dos funciones centrales: permiten permanecer ancladas al suelo, y absorben agua y nutrientes fundamentales para su crecimiento y supervivencia. Estas tareas clave las logran gracias a los pelos radicales, esas finitas estructuras que sobresalen de la superficie de la raíz y se expanden a través de la tierra en un solo sentido, de una manera muy similar a los axones de una neurona; es lo que se llama crecimiento polarizado.

 

Conscientes de la importancia de dilucidar los mecanismos involucrados en la expansión de los pelos radicales para generar plantas que aprovechen mejor las condiciones del suelo y sean capaces de mantener su productividad aún en condiciones ambientales adversas, un grupo liderado por científicos de la Fundación Instituto Leloir (FIL) logró revelar el rol fundamental, hasta ahora desconocido, de una enzima que degrada proteínas que modifican la estructura de la pared celular.

 

“Describimos el papel de las cisteínas endopeptidasas (Atceps) como nuevos reguladores del crecimiento de los pelos radicales. Hay elementos que muestran que estas enzimas del grupo de las proteasas podrían modularlo negativamente mediante el procesamiento de unas glicoproteínas llamadas extensinas que se encuentran en la pared celular”, explicó la bióloga Diana Rodríguez García, becaria doctoral en el Laboratorio Bases Moleculares del Desarrollo Vegetal de la FIL, que dirige el investigador del Conicet José Estévez.

 

Primera autora del trabajo publicado en la revista Plant Physiology, Rodríguez García señaló que el estudio se realizó con ejemplares de arabidopsis thaliana, una planta que comparte mecanismos biológicos con cultivos de gran importancia agrícola como el maíz, el trigo y la soja.

 

 Autora. La bióloga Diana Rodríguez García, becaria doctoral en el Laboratorio Bases Moleculares del Desarrollo Vegetal, dirige la investigación.

 

 

Mediante el análisis de imágenes tomadas con microscopía láser confocal y otros estudios, los investigadores verificaron que estas enzimas –Atceps– se expresan en los pelos radicales y reprimen su crecimiento.

 

Asimismo, Rodríguez García y sus colegas determinaron que un factor de transcripción llamado NAC1 activa la expresión de las Atceps en las raíces para limitar el crecimiento de los pelos radicales. Esto es importante porque se encontró un “regulador maestro” del crecimiento de estos componentes estructurales, antes desconocido y que solo actúa sobre ellos. Así, por ejemplo, se podría bloquear este factor de crecimiento para obtener plantas cuyas raíces tengas pelos radicales más largos y entonces presenten una mayor capacidad para adquirir agua y nutrientes.

 

“Mostramos que las paredes celulares de los pelos radicales en plantas con la función afectada de estas enzimas tienen niveles reducidos de extensinas. Esto sugiere que los defectos en el alargamiento del pelo radical están relacionados con alteraciones en el procesamiento y la acumulación de estas glicoproteínas, las cuales juegan un papel esencial como componentes estructurales de la pared celular”, resaltó Rodríguez García.

 

Junto a su grupo de la FIL, Estévez ya había logrado determinar el mecanismo molecular por el cual los pelos radicales de las plantas se hacen más extensos en condiciones de baja temperatura y deficiencia de nutrientes. Ahora, con este nuevo hallazgo, los científicos dieron un paso más en la modulación de la arquitectura de las raíces para generar cultivos súper adaptables a condiciones adversas.

 

 

Plantas “súper adaptables”

 

Fruto de un convenio internacional entre investigadores de la Fundación Instituto Leloir y de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Hunan, en China, el estudio estableció el mecanismo molecular por el cual los pelos radicales de las plantas –encargados de absorber agua y nutrientes del suelo– se hacen más extensos en condiciones de baja temperatura y deficiencia de nutrientes.

 

Un hallazgo clave para pensar soluciones frente a los efectos del cambio climático.

 

Luego del estrés que genera la sequía en las plantas, el causado por las bajas temperaturas es una de las condiciones más desfavorables para su crecimiento, y también afecta la distribución geográfica de los cultivos. Por eso, el estudio de ciertas células de las raíces encargadas de absorber agua y nutrientes y de interactuar con microorganismos del suelo –llamadas pelos radicales–, es clave para pensar en el desarrollo de plantas “súper adaptables” a condiciones ambientales adversas, sobre todo cuando los efectos del cambio climático ya se hacen notar con fuerza.

 

“Habíamos identificado que las plantas sometidas a 10°C presentaban un crecimiento exacerbado de la longitud de los pelos radicales similar al que les producen condiciones de bajos niveles de fosfato y nitrato, que los impulsan a encontrar concentraciones de estos nutrientes para permitir el desarrollo vegetal; entonces, hipotetizamos que la baja temperatura afecta la disponibilidad y movilidad de los nutrientes y de agua hacia la raíz que promueve el crecimiento de los pelos”, señala el doctor en Biología José Manuel Estévez, jefe del Laboratorio Bases Moleculares del Desarrollo Vegetal de la Fundación Instituto Leloir (FIL).

 

 Proteína fluorescente. Imagen por microscopía electrónica que muestra los pelos radicales de una raíz.

 

 

Junto a su grupo, Estévez logró determinar el mecanismo molecular por el cual los pelos radicales de las plantas se hacen más extensos en condiciones de baja temperatura y deficiencia de nutrientes. “Esto sienta las bases para el desarrollo de plantas súper adaptables, con pelos más largos que permitan una mayor absorción de nutrientes en condiciones desfavorables, promoviendo así el desarrollo y crecimiento de la raíz y de la planta en general”, asegura el investigador. Y explica que “uno de los rasgos peculiares de los pelos radicales es que pueden crecer varios cientos de veces su tamaño original”.

 

El biólogo Javier Martínez Pacheco, del laboratorio de Estévez en la FIL, es el primer autor del trabajo publicado en la revista New Phytologist. El estudio se realizó con ejemplares de arabidopsis thaliana, una planta que comparte mecanismos biológicos con los cultivos de mayor importancia agrícola, como el maíz, el trigo y la soja. E involucró a laboratorios de diversos países incluyendo China, Chile, Alemania, Francia y República Checa, así como a otros colegas de Argentina. Se trata del cuarto trabajo que surge como fruto de un convenio internacional firmado en 2019 para afianzar la colaboración científica entre el grupo de Estévez en la FIL y el Laboratorio Bases de Adaptación Celular que lidera el profesor Feng Yu en la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Hunan, en China.

 

 

Avance prometedor

 

Los científicos sometieron a diversos tratamientos de temperatura y a bajos niveles de nutrientes a diferentes ejemplares modificados genéticamente de arabidopsis thaliana. Por medio de distintos estudios (fenotipado, microscopia confocal, western blot e inmunofluorescencia) lograron identificar a tres proteínas con un rol activo en este mecanismo que permite el crecimiento del pelo radical: el receptor de membrana feronia, el complejo quinasa tor y la proteína GTPasa ROP2.

 

“Estas proteínas tienen diversas funciones previamente descritas, pero nuestra investigación brinda información novedosa sobre su interrelación en el contexto del crecimiento y desarrollo del pelo radical bajo condiciones de frío y escasez de nutrientes”, enfatiza Estévez.

 

Si bien en el laboratorio de Estévez se dedican a la investigación básica, también está presente la búsqueda de una aplicación práctica de sus investigaciones que favorezca el desarrollo de cultivos comerciales. “Que una planta que se cultive en temporada de otoño o invierno tenga pelos más largos puede ayudar a una mayor absorción de nutrientes y agua del suelo favoreciendo su desarrollo desde etapas tempranas; y, al tener un mejor anclaje, a que la raíz pueda alcanzar una mayor profundidad, permitiendo la extracción de nutrientes de capas del suelo más profundas”, concluye el investigador.

 

 

Nitrato en el suelo

 

El exagerado crecimiento de las plantas puede poner en riesgo el rendimiento de los cultivos, porque si son muy altas se pueden quebrar o volcar por la acción del viento y esto hace, entre otras cosas, que las cosechadoras no lleguen a alcanzar los granos.

 

En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), investigadores del Conicet en la Fundación Instituto Leloir (FIL) y el Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura (Ifeva) de la UBA revelaron el mecanismo molecular que participa en el control del crecimiento del tallo frente a cambios en la abundancia de nitrato, fuente de un nutriente indispensable en suelos agrícolas, un descubrimiento abre las puertas al desarrollo de cultivos más eficientes.

 

Durante la “revolución verde” se adoptaron tecnologías que aumentaron la producción de los cultivos agrícolas de manera muy marcada.

 

En trigo o arroz, por ejemplo, se incorporaron genes de enanismo y así se obtenían ejemplares que no se volcaban tan fácilmente. Un efecto colateral de este desarrollo es que se reduce la eficiencia de la planta para utilizar el nitrógeno del suelo.

 

Redacción/INTA