El hierro influye en la inmunidad de las plantas y puede promover la resiliencia contra el cambio climático

El hierro influye en la inmunidad de las plantas y puede promover la resiliencia contra el cambio climático

Los investigadores de Salk descubren que la molécula IMA1 vincula la nutrición del hierro de las plantas y la inmunidad, proporcionando un nuevo objetivo potencial para ayudar a mejorar la resiliencia de las plantas.

LA JOLLA—Tanto las plantas como los animales dependen del hierro para el crecimiento y la regulación de los microbiomas: colecciones de bacterias, hongos y más que coexisten en lugares como el intestino humano o el suelo alrededor de las raíces de una planta. Las plantas enfrentan un desafío especial al adquirir hierro, ya que las estrategias que utilizan para aumentar la disponibilidad de hierro alteran el microbioma de la raíz y, sin darse cuenta, pueden beneficiar a las bacterias dañinas que habitan en el suelo.

Ahora, los científicos de Salk han descubierto cómo las plantas gestionan la deficiencia de hierro sin ayudar a que prosperen las bacterias "malas": eliminando IMA1, la señal molecular de la deficiencia de hierro en las raíces en riesgo de ataque bacteriano. Además, descubrieron que una mayor cantidad de IMA1 en las hojas puede hacerlas más resistentes al ataque bacteriano, lo que sugiere que la vía de señalización de la deficiencia de hierro y el sistema inmunológico de la planta están profundamente entrelazados.

Los hallazgos fueron publicados en Naturaleza en enero 10, 2024.

"Existe una relación establecida desde hace mucho tiempo entre la nutrición del hierro de las plantas y las bacterias", dice el autor principal Wolfgang Busch, profesor y director ejecutivo de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk. "Explorar esta relación con más matices nos permitió encontrar una nueva y sorprendente vía de señalización que las plantas utilizan para desactivar la absorción de hierro como estrategia de defensa contra bacterias amenazantes que también altera la respuesta inmune de la planta".

Debido a que el hierro biodisponible (hierro en un estado que las plantas y los animales pueden utilizar) es un nutriente relativamente escaso, la deficiencia de hierro (y el consiguiente retraso en el crecimiento de las plantas) no es infrecuente. Dado que detener el crecimiento no es lo ideal, las plantas han desarrollado técnicas para estimular la absorción de hierro en ambientes bajos en hierro. Desafortunadamente, esas técnicas pueden alterar todo el microbioma alrededor de las raíces y aumentar la disponibilidad de hierro no sólo para la planta, sino también para las bacterias dañinas que viven cerca.

Para desentrañar la compleja relación entre la salud de las plantas, los niveles de hierro y la amenaza bacteriana, los investigadores recurrieron a una pequeña planta modelo llamada Arabidopsis thaliana. Cultivaron la planta en un sustrato de crecimiento (suelo) bajo y alto en hierro, luego agregaron fragmentos de flagelos (pequeñas colas que las bacterias usan para moverse) para imitar la presencia de bacterias.

"Presumimos que habría algún tipo de competencia entre la planta y las bacterias por el hierro", dice el primer autor Min Cao, investigador postdoctoral en el laboratorio de Busch. "Pero descubrimos que cuando las plantas se sienten amenazadas por bacterias dañinas, están dispuestas a dejen de adquirir hierro y dejen de crecer: se privarán a sí mismos para privar al enemigo”.

Cuando las raíces fueron expuestas a flagelos en ambientes bajos en hierro, las plantas montaron una respuesta inesperada: en lugar de la esperada batalla por el hierro entre la planta y las bacterias, la planta inmediatamente perdió al eliminar la señal de deficiencia de hierro IMA1. Cuando las raíces estuvieron expuestas a flagelos en ambientes con alto contenido de hierro, IMA1 no se eliminó, pero no fue necesario expresarlo ya que los niveles de hierro eran suficientes.

En las plantas que eliminaron IMA1 en respuesta a niveles bajos de hierro y flagelos, los investigadores encontraron otra sorpresa: cuanto más IMA1, más resistentes eran las hojas de las plantas al ataque bacteriano. Esta observación llevó a la conclusión de que la disponibilidad de hierro y la señalización de la deficiencia de hierro ayudan a orquestar la respuesta inmune de la planta.

Busch cree que IMA1 puede ser un objetivo útil para optimizar la inmunidad de las plantas, que será cada vez más importante a medida que el clima del planeta siga cambiando y las enfermedades comiencen a evolucionar más rápidamente. Descubrir que las plantas detendrán la absorción de hierro y detendrán su crecimiento frente a la posibilidad Las bacterias dañinas es el comienzo de una historia mucho más larga sobre la resiliencia de las plantas, los microbiomas de plantas y animales y el cambio climático.

"Los microbios determinan el destino del carbono en el suelo, por lo que descubrir cómo reaccionan las plantas e impactan su microambiente del suelo puede enseñarnos mucho sobre cómo optimizar el almacenamiento de carbono de las plantas", dice Busch, quien también es catedrático Hess de Ciencias Vegetales en Salk. "En relación con esto, comprender cómo las plantas regulan la señalización y las respuestas inmunes frente a la escasez ambiental, como las deficiencias de hierro, será crucial a medida que los científicos optimicen la salud de las plantas en nuestro clima en continuo cambio".

En el futuro, los investigadores explorarán si apuntar a IMA1 puede cambiar la resistencia de las plantas a las enfermedades y cómo exactamente las células individuales en las raíces de las plantas cierran la vía de señalización de IMA1. Aprender sobre las raíces de las plantas puede enseñar a los científicos sobre otros tejidos de absorción, como el intestino humano, para que puedan comprender mejor la intersección de los microbiomas de los mamíferos, los sistemas inmunológicos y el hierro para optimizar la salud.

Otros autores incluyen a Matthieu Pierre Platre, Ling Zhang, Tatsuya Nobori, Yingtong Chen, Wenrong He, Lukas Brent y Joseph Ecker de Salk; Huei-Hsuan Tsai y Niko Gelder de la Universidad de Lausana; y Laia Armengot y Nuria Coll del Centro de Investigación en Agrícolagenómica de Bellaterra, España.

El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01GM127759, NCI CCSG: P30 014195), el Programa de Ciencias de la Frontera Humana (LT000661/2020-L), la Fundación Chapman, el Helmsley Charitable Trust, el Ministerio de Universidades, la Unión Europea , el Ministerio de Ciencia e Innovación y Agencia Estatal de Investigació (PID2019-108595RB-I00, 10.13039/501100011033, TED2021-1311457B-I00), el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (111-2917-I-564-021) y el Centros de Recerca de Catalunya.

DOI: 10.1038 / s41586-023-06891-y