Llegando a la raíz de cómo las plantas toleran demasiado hierro

Llegando a la raíz de cómo las plantas toleran demasiado hierro

Los científicos de Salk descubren un gen responsable de ayudar a las plantas a prosperar en entornos estresantes

LA JOLLA—El hierro es esencial para el crecimiento de las plantas, pero con fuertes lluvias y poca aireación, muchos suelos ácidos se vuelven tóxicos con exceso de hierro. En países con temporadas de inundaciones dramáticas, como África occidental y Asia tropical, los niveles tóxicos de hierro pueden tener consecuencias nefastas en la disponibilidad de alimentos básicos, como el arroz.

A pesar de docenas de intentos en las últimas dos décadas para descubrir los genes responsables de la tolerancia al hierro, estos siguieron siendo esquivos hasta hace poco. Ahora, los científicos de Salk han encontrado un importante regulador genético de la tolerancia al hierro, un gen llamado GSNOR. Los hallazgos, publicados en Nature Communications el 29 de agosto de 2019, podría conducir al desarrollo de especies de cultivos que produzcan mayores rendimientos en suelos con exceso de hierro.

"Esta es la primera vez que se identifica un gen y sus variantes naturales para la tolerancia al hierro", dice el profesor asociado. Wolfgang Busch, autor principal del artículo y miembro del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk, así como de su Laboratorio de Biología Integrativa. “Este trabajo es emocionante porque ahora entendemos cómo las plantas pueden crecer en condiciones estresantes, como altos niveles de hierro, lo que podría ayudarnos a hacer cultivos más resistentes al estrés”.

En plantas como el arroz, los niveles elevados de hierro en el suelo causan daño celular directo al dañar las grasas y las proteínas, lo que reduce la capacidad de crecimiento de las raíces. Sin embargo, algunas plantas parecen tener una tolerancia inherente a los altos niveles de hierro; los científicos querían entender por qué.

“Creíamos que había mecanismos genéticos que subyacen a esta resistencia, pero no estaba claro qué genes eran los responsables”, dice el primer autor Baohai Li, becario postdoctoral en el laboratorio de Busch. "Para examinar esta pregunta, utilizamos el poder de la variación natural de cientos de diferentes cepas de plantas para estudiar la adaptación genética a altos niveles de hierro".

Los científicos primero probaron una serie de cepas de una pequeña planta de mostaza (Arabidopsis thaliana), para observar si había variación natural en la resistencia del hierro. Algunas de las plantas mostraron tolerancia a la toxicidad del hierro, por lo que los investigadores utilizaron un enfoque llamado estudios de asociación del genoma completo (GWAS) para localizar el gen responsable. Sus análisis identificaron el gen GSNOR como la clave para permitir que las plantas y las raíces crezcan en entornos con mucho hierro.

Los investigadores también encontraron que el mecanismo de tolerancia al hierro está, para su sorpresa, relacionado con las actividades del óxido nítrico, una molécula gaseosa con una variedad de funciones en las plantas, incluida la respuesta al estrés. Los altos niveles de óxido nítrico indujeron el estrés celular y afectaron la tolerancia de las raíces de las plantas a los niveles elevados de hierro. Esto ocurrió cuando las plantas no tenían un gen GSNOR funcional. Es probable que GSNOR desempeñe un papel central en el metabolismo del óxido nítrico y regula la capacidad de las plantas para responder al estrés y al daño celular. Este mecanismo de óxido nítrico y el gen GSNOR también afectaron la tolerancia al hierro en otras especies de plantas, como el arroz (Oryza sativa) y una legumbre (loto japonicus), lo que sugiere que este gen y sus actividades son probablemente críticos en muchas, si no en todas, las especies de plantas.

“Al identificar este gen y sus variantes genéticas que confieren tolerancia al hierro, esperamos ayudar a las plantas, como el arroz, a volverse más resistentes al hierro en regiones con niveles tóxicos de hierro”, dice Busch. “Dado que descubrimos que este gen y vía se conservaron en múltiples especies de plantas, sospechamos que pueden ser importantes para la resistencia al hierro en todas las plantas superiores. Además, este gen y vía también pueden desempeñar un papel en los seres humanos y podrían conducir a nuevos tratamientos para las condiciones asociadas con la sobrecarga de hierro”.

A continuación, Li iniciará su propio laboratorio en la Universidad de Zhejiang, en China. Planea identificar las variantes genéticas relevantes en el arroz y observar si las variantes de tolerancia al hierro podrían aumentar el rendimiento de los cultivos en los campos chinos inundados.

Otros autores incluyeron a Jianyan Huang y Joanne Chory de Salk, Li Sun y Weiming Shi de la Academia de Ciencias de China y Christian Göschl de la Academia de Ciencias de Austria.

El trabajo fue financiado por el programa Lise Meitner del Austrian Science Fund (FWF) (M1826), el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud (R01GM127759), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31430095) y la Academia de Ciencias de Austria a través del Instituto Gregor Mendel.

DOI: 10.1038/s41467-019-11892-5