Un estudio descubre un gen clave que protege a las plantas de los metales nocivos del suelo

El impacto negativo de la actividad humana en la Tierra no afecta la atmósfera de nuestro planeta, sino que se adentra mucho más en su suelo. Por ejemplo, la aplicación excesiva de estiércol o lodos de depuradora puede aumentar las concentraciones de metales pesados ​​en las tierras agrícolas donde se cultivan los principales cultivos. Uno de estos metales pesados, el zinc, es un micronutriente esencial para la salud de plantas y animales. Además, el zinc es extremadamente perjudicial para las especies de plantas sensibles.

Algunas plantas tienen una alta tolerancia natural al zinc que les permite prosperar en condiciones tóxicas, pero la biología detrás de esto no está clara. En un nuevo estudio, los científicos del Instituto Salk han identificado un gen que ayuda a las plantas a gestionar el exceso de zinc en el suelo.

Investigación publicada en Comunicaciones de la naturaleza, las plantas toleran altos niveles de zinc atrapándolo 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 utilizar esta información para desarrollar y cultivar cultivos que sean más resistentes a la contaminación del suelo. Aumentar la resiliencia de las plantas es un objetivo clave de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk.

«La estructura de la pared celular es como un andamio que puede acumular zinc del resto de la planta, y si el gen TBR está activo, las plantas pueden acumular más zinc», explica el autor principal Wolfgang Busch, profesor y director ejecutivo de la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas. y Cátedra Hess de Ciencias Vegetales en Salk. «Lo interesante de este proceso simple es que puede marcar 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 cambia la estructura de las moléculas de pectina de la esponja dentro de las paredes celulares para que absorban más zinc. Para comprender mejor esto, los investigadores realizaron un estudio de asociación de todo el genoma para identificar genes de plantas asociados con una mayor metilesterificación de pectina.

«Encontramos 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 altos niveles de zinc», dice el primer autor Kaizhen Zhang, ex estudiante de posgrado visitante en el laboratorio de Bush. «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 primeros experimentos se llevaron a cabo en la pequeña planta con flores Arabidopsis thaliana, que los científicos utilizan como organismo modelo para estudiar la biología de las plantas. El siguiente paso para los investigadores es ver si el gen funciona de manera similar en otras plantas, incluidas las principales especies de cultivos.

Para ello, los científicos colocaron Oryza sativa, una variedad común de arroz y cultivo básico para miles de millones de personas, en un suelo con niveles tóxicos de zinc. Compararon específicamente dos versiones de Oryza, una con un gen TBR funcional y otra sin él, y monitorearon el crecimiento de sus raíces como una medida de tolerancia al zinc.

El arroz con un TBR funcional evolucionó, lo que confirma que este mecanismo de supervivencia a la toxicidad del zinc se conserva en múltiples especies de plantas. También se realizó la misma prueba con la leguminosa Lotus japonicus, arrojando el mismo resultado.

«Es emocionante que nuestros datos indiquen que este fenómeno se conserva en todas las plantas con flores, constituyendo la gran mayoría de las especies de plantas y cultivos alimentarios», dice Bush. «Este descubrimiento se puede aplicar para aumentar la resistencia de las plantas a niveles tóxicos de zinc y ayudar a respaldar nuestro futuro suministro de alimentos».

Dado que se prevé que la población mundial aumentará a 11 mil millones para 2080 y la creciente prevalencia de la toxicidad del zinc en nuestros suelos, es imperativo avanzar en el desarrollo de cultivos que puedan resistir estas condiciones. Este estudio es un paso importante hacia el logro de ese objetivo.

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