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

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

Científicos de Salk encuentran un gen para mejorar la tolerancia de las plantas al zinc, un paso importante para producir cultivos resistentes a los metales pesados

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

Algunas plantas tienen una tolerancia natural más alta al zinc que les permite prosperar en condiciones de toxicidad, 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 manejar el exceso de zinc en el suelo.

Los hallazgos, publicados en Comunicaciones de la Naturaleza el 11 de julio de 2024, se revela que las plantas toleran altos niveles de zinc al atraparlo en las paredes celulares de sus raíces, un proceso facilitado por un gen llamado birrefringencia de tricomas o TBR. Los científicos y agricultores ahora pueden usar esta información para desarrollar y cultivar cultivos más resistentes a la contaminación del suelo. Mejorar la resiliencia de las plantas es un objetivo importante del Salk Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas.

“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 away", explica el autor principal Wolfgang Busch, profesor, director ejecutivo de la Harnessing Plants Initiative y titular Hess en Ciencias Vegetales en Salk. “Lo interesante de este simple proceso 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 pectina, un proceso que altera la estructura de las moléculas de pectina esponjosas dentro de las paredes celulares para que puedan absorber más zinc. Para comprender mejor esto, los investigadores realizaron un estudio de asociación en todo el genoma para identificar genes de plantas asociados con una mayor metilesterificación de pectina.

“Descubrimos que las variantes del alelo 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 Kaizhen Zhong, primer autor y ex estudiante graduado visitante en el laboratorio de Busch. “Saber esto es realmente importante porque ahora podemos introducir o activar 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 usan como organismo modelo para estudiar biología vegetal. El siguiente paso de los investigadores fue ver si este gen funciona de manera similar en otras plantas, incluidas especies de cultivos importantes.

Para hacer esto, los científicos colocaron Oryza sativa, una cepa común de arroz y cultivo básico para miles de millones de personas, en suelos con niveles tóxicos de zinc. Compararon específicamente dos versiones de Oryza—uno con el gen TBR funcional y otro sin él— 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 por zinc se conserva en múltiples especies de plantas. La misma prueba se realizó también con la leguminosa Lotus japonicus, produciendo el mismo resultado.

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

Con la población mundial proyectada a aumentar hasta 11 mil millones para 2080 y la creciente prevalencia de toxicidad por zinc en nuestros suelos, es imperativo que se logre un progreso en el desarrollo de cultivos que puedan soportar estas condiciones. Este estudio es un paso importante para alcanzar ese objetivo.

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

El trabajo fue apoyado por la Cátedra Hess en Ciencia de las Plantas 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).

DOI: 10.1038/s41467-024-50106-5