Controlar la dirección del crecimiento de las raíces podría ayudar a salvar cultivos y mitigar el cambio climático

Controlar la dirección del crecimiento de las raíces podría ayudar a salvar cultivos y mitigar el cambio climático

Los científicos de Salk descubren que se puede utilizar una vía de señalización de etileno altamente conservada para controlar la dirección del crecimiento de las raíces, creando a su vez sistemas de raíces más profundos que retienen el carbono y eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera.

LA JOLLA—En la superficie, las plantas se extienden hacia el sol. Bajo tierra, las plantas hacen túneles a través de la tierra. A medida que las raíces absorben agua y nutrientes del suelo circundante, crecen y se estiran para desarrollar arquitecturas distintas del sistema radicular. La arquitectura del sistema de raíces determina si las raíces permanecen en las capas poco profundas del suelo o crecen más y alcanzan capas más profundas del suelo. Los sistemas de raíces son fundamentales para la supervivencia y la productividad de las plantas, ya que determinan el acceso de la planta a los nutrientes y al agua y, por lo tanto, la capacidad de la planta para resistir el agotamiento de nutrientes y condiciones climáticas extremas como la sequía.

Ahora, los científicos de Salk han determinado cómo una conocida hormona vegetal es crucial para controlar el ángulo en el que crecen las raíces. El estudio, publicado en Cell Reports El 13 de febrero de 2024 es la primera vez que se demuestra que la hormona, llamada etileno, está involucrada en la regulación de los ángulos laterales de las raíces que dan forma a los sistemas de raíces, lo que convierte los hallazgos en una revelación para los científicos de plantas que optimizan los sistemas de raíces.

Investigadores en Iniciativa de plantas de aprovechamiento de Salk ahora planean centrarse en la vía de señalización del etileno en sus esfuerzos por diseñar plantas y cultivos que puedan resistir las tensiones ambientales del cambio climático y la sequía, así como eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera y almacenarlo a gran profundidad para ayudar a mitigar el cambio climático.

"Las raíces profundas conducen a un almacenamiento de carbono más duradero en el suelo y pueden hacer que las plantas sean más resistentes a la sequía, por lo que la capacidad de controlar cómo crecen las raíces profundas es realmente emocionante para los científicos que buscan diseñar mejores sistemas de raíces", dice el autor principal. Wolfgang Busch, profesor, director ejecutivo de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas y Cátedra Hess de Ciencias Vegetales en Salk. "Estamos especialmente entusiasmados de que la vía que encontramos se conserva en muchos tipos de plantas, lo que significa que nuestros hallazgos pueden aplicarse ampliamente para optimizar la arquitectura de las raíces en todas las plantas terrestres, incluidos los cultivos alimentarios, forrajeros y combustibles".

Los factores ambientales, como la precipitación promedio o la abundancia de ciertos nutrientes, pueden influir en la forma del sistema de raíces de una planta. El ángulo en el que crecen las raíces produce resultados diferentes en la arquitectura radicular general: los ángulos de raíz horizontales crean un sistema de raíces menos profundo y los ángulos de raíces verticales crean un sistema de raíces más profundo. Pero los científicos no entendían claramente cómo se determinaban estos ángulos de raíz a nivel molecular.

Las hormonas vegetales como las auxinas y las citoquininas se han relacionado con el ángulo de crecimiento de las raíces en el pasado, pero los mecanismos de esa conexión siguen siendo poco comprendidos. En la búsqueda de moléculas y vías implicadas en el establecimiento del ángulo de crecimiento de las raíces, el equipo analizó genéticamente Arabidopsis thaliana(una pequeña maleza con flores de la familia de la mostaza) para los cambios del sistema de raíces en respuesta a miles de moléculas.

"Nos dimos cuenta de que esta molécula llamada mebendazol hacía que las raíces crecieran más horizontalmente", dice el primer autor Wenrong He, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Busch. "Cuando buscamos con qué proteínas objetivo o vías interactuaba el mebendazol para tener este efecto, Descubrimos que era una señalización de etileno, y que el etileno desempeñaba un papel tan esencial en la arquitectura del sistema radicular era realmente intrigante”.

El equipo observó que los genes de la vía de señalización del etileno se activaban en respuesta al mebendazol y, a su vez, la vía llevaba a cabo los cambios resultantes en el crecimiento de las raíces. La investigación bioquímica de esta relación reveló que el mebendazol inhibe la actividad de una proteína quinasa llamada CTR1. Esta enzima regula negativamente la señalización del etileno, lo que a su vez promueve un sistema de raíces poco profundo.

"Dado que la señalización del etileno es un proceso ampliamente conservado en las plantas terrestres, apuntar a la ruta del etileno es una técnica muy prometedora para la ingeniería del sistema radicular", dice Busch. "Con suerte, ahora podremos utilizar esta herramienta para hacer que las especies de cultivos sean más resilientes y crear Salk Ideal Plants® que capturen más carbono bajo tierra para ayudar en la lucha contra el cambio climático".

La implicación recién descubierta del etileno en la arquitectura del sistema radicular inspira nuevas preguntas, incluyendo si existe otra molécula que, a diferencia del mebendazol, haga que los sistemas radiculares sean más profundos, o si hay genes específicos en la vía de señalización del etileno, ya bien catalogada, que puedan ser dirigidos más eficazmente a promover raíces más profundas en cultivos y Plantas Ideales Salk.

Otros autores incluyen a Hai An Truong, Ling Zhang, Min Cao y Kaizhen Zhong de Salk; Neal Arakawa de UC San Diego; Yao Xiao del Instituto de Investigación Scripps; y Yingnan Hou de UC Riverside y la Universidad Shanghai Jiao Tong en China.

El trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk, un Premio Especial Salk Mujeres y Ciencia, un Premio Académico Postdoctoral del Fondo Pioneer, los Institutos Nacionales de Salud (NIH-NCI CCSG: P30 CA01495, NIH-NIA San Diego Nathan Shock Center P30 AG068635) , Fundación Chapman y Helmsley Charitable Trust.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113763