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Descubrimiento podría ayudar a aumentar el rendimiento agrícola ante escasez de fosfato

Científicos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill han identificado un interruptor genético clave que ayuda a que las bacterias del suelo (que viven dentro y dentro de las raíces de una planta) cosechen un nutriente vital con suministro limitado a nivel mundial. El nutriente, conocido como fosfato, absorbido por las raíces de la planta, la ayuda a aumentar su rendimiento.

El estudio publicado en la edición del 15 de marzo de Nature, plantea la posibilidad de probióticos, o tratamientos con microbios para las plantas a fin de aumentar su uso eficiente de fosfato. La forma del fosfato que las plantas pueden usar está en peligro de alcanzar su límite (cuando el suministro no pueda mantenerse a la altura de la demanda) en sólo 30 años, disminuyendo potencialmente la tasa de rendimiento de los cultivos mientras la población mundial sigue aumentando y el calentamiento global aumentando el estrés en los cultivos, lo cual podría tener efectos perjudiciales sobre el suministro mundial de alimentos.

“Demostramos precisamente cómo una clave ‘proteína reguladora’, PHR1, controla la respuesta a bajos niveles de fosfato, un gran estrés en la planta, y también controla el sistema inmune de la planta”, dijo Jeff Dangl, Profesor Distinguido e Investigador del Instituto Médico Howard Hughes. “Cuando la planta está estresada debido a este importante nutriente, reduce su sistema inmunológico para que pueda concentrarse en la recolección de fosfato del suelo. Esencialmente, la planta establece sus prioridades a nivel celular”.

El grupo de investigadores  encontraron evidencia de que las bacterias del suelo pueden hacer uso de este equilibrio entre la búsqueda de nutrientes y la defensa inmune, para potencialmente ayudar a establecer relaciones simbióticas con las plantas. Las bacterias parecen mejorar esta respuesta de estrés por fosfato, en parte simplemente por competir por el fosfato, pero también por ‘decirle’ en forma actica a la planta que active su respuesta de estrés fosfato.

En estudios recientes de biología vegetal, ha habido indicios de una relación entre los niveles de fosfato vegetal y la actividad del sistema inmunológico de la planta – una relación que algunos microbios pueden manipular. En el nuevo estudio, Dangl y sus colegas profundizaron profundamente en esta relación, utilizando versiones mutantes de Arabidopsis thaliana, una planta que ha sido usada durante mucho tiempo el modelo (o “rata de laboratorio”) estándar de la investigación de biología vegetal.

En un experimento, el equipo de Dangl encontró que las plantas de Arabidopsis con versiones mutantes del gen PHR1 no sólo habían alterado las respuestas de estrés fosfato, sino que también desarrollaron diferentes comunidades de microbios en y alrededor de sus raíces cuando las cultivaron en un suelo nativo de Carolina del Norte. Este fue el caso incluso en un ambiente de abundante fosfato (donde la competencia de fosfato no habría sido un factor) insinuando que algo más estaba sucediendo en las plantas para desencadenar el crecimiento de diferentes comunidades microbianas. Los investigadores encontraron resultados similares en el estudio de PHL1, una proteína estrechamente relacionada con PHR1 y con funciones similares pero más débiles.

En otro experimento, en condiciones de laboratorio, los investigadores colonizaron las raíces de las plantas normales de Arabidopsis, de crecimiento estéril, con un conjunto de 35 especies bacterianas aisladas de raíces de plantas cultivadas previamente en el mismo suelo nativo. En estas plantas re-colonizadas, la respuesta al estrés fosfato aumentó cuando se expuso a una condición de bajo fosfato.

Investigando aún más, el equipo mostró que PHR1 (y probablemente en menor medida PHL1) no sólo activa la respuesta al estrés por fosfato, sino que también desencadena un patrón de expresión génica que reduce la actividad inmune y, por lo tanto, facilita la supervivencia de los microbios residentes.

Los hallazgos sugieren que los microbios que viven en el suelo han descubierto cómo llevarse bien con sus plantas huéspedes, al menos en parte activando PHR1/PHL1 para suprimir las respuestas inmunes a ellos. El equipo de Dangl también piensa que estos microbios pueden incluso ser necesarios para que las plantas respondan normalmente a las condiciones de bajo contenido de fosfato. Podría ser posible, entonces, aprovechar esta relación (a través de probióticos o tratamientos de cultivos) para permitir que las plantas se desarrollen con menos fosfato.

“El fosfato es un recurso limitado y no lo usamos muy eficientemente”, dijo Dangl, quien también es profesor adjunto de microbiología e inmunología en la Facultad de Medicina de la UNC. “Como parte del fertilizante, el fosfato se escapa hacia las vías fluviales donde puede afectar adversamente los ecosistemas fluviales y marinos. Sería mejor si pudiéramos usar fosfato de una manera más eficiente”.

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