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Descubren una importante asociación planta-hongo para crear mejores cultivos

Laccaria bicolor está dando frutos sobre el suelo y colonizando el sistema de raíces de la planta Populus deltoides bajo el suelo en un entorno de invernadero. Crédito: Jessy Labbe / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de los Estados Unidos

Un equipo de científicos liderado por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de Estados Unidos, descubrió un gen específico que controla una importante relación simbiótica entre las plantas y los hongos del suelo. Además, al ser transferido mediante ingeniería genética facilita exitosamente la simbiosis en una planta que generalmente se resiste a tal simbiosis.

ORNL / 22 de julio de 2019.- El descubrimiento podría llevar al desarrollo de cultivos alimentarios y bioenérgeticos que puedan soportar duras condiciones de crecimiento, resistir patógenos y plagas, requieran menos fertilizantes químicos y produzcan plantas más grandes y más abundantes por hectárea.

Los científicos en los últimos años han desarrollado una comprensión más profunda de la compleja relación que las plantas tienen con los hongos micorrízicos. Cuando se unen, los hongos forman una vaina alrededor de las raíces de las plantas con notables beneficios. La estructura fúngica se extiende lejos del huésped de la planta, aumentando la absorción de nutrientes e incluso comunicándose con otras plantas para “advertir” de la propagación de patógenos y plagas. A cambio, las plantas alimentan con carbono al hongo, lo que fomenta su crecimiento.

Se cree que estas simbiosis por asociación micorrízica han apoyado la antigua colonización de la tierra por las plantas, lo que permite que los ecosistemas tengan éxito, como vastos bosques y praderas. Se estima que el 80% de las especies de plantas tienen hongos micorrízicos asociados con sus raíces.

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“Si podemos entender el mecanismo molecular que controla la relación entre las plantas y los hongos benéficos, entonces podemos comenzar a usar esta simbiosis para adquirir condiciones específicas en plantas como la resistencia a la sequía, los patógenos, la mejora de la absorción de nitrógeno, nutrición y más”, dijo el genetista molecular del ORNL Jessy Labbe. “Las plantas resultantes crecerían más y necesitarían menos agua y fertilizante, por ejemplo”.

Encontrar los desencadenantes genéticos en una planta que permiten que se produzca la simbiosis ha sido uno de los temas más desafiantes en el campo de las ciencias vegetales. El descubrimiento, descrito en Nature Plants, se produjo después de 10 años de investigación en ORNL e instituciones asociadas que exploran formas de producir mejores cultivos para bioenergía, como Populus (o álamo). El trabajo se realizó mediante mejoras durante la última década en secuenciación genómica, genética cuantitativa y computación de alto rendimiento, combinada con biología experimental.

Los científicos estaban estudiando la simbiosis formada por ciertas especies de Populus y el hongo Laccaria bicolor (L. bicolor). El equipo utilizó recursos de supercomputación en la Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) en ORNL, junto con las secuencias de genomas producidas en el DOE Joint Genome Institute, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, para estrechar la búsqueda de una proteína receptora particular, PtLecRLK1. Una vez que habían identificado el gen candidato probable, los investigadores lo llevaron al laboratorio para validar sus hallazgos.

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“La validación experimental es la clave de este descubrimiento, ya que el mapeo genético reveló asociaciones estadísticas entre la simbiosis y este gen, pero las validaciones experimentales proporcionaron una respuesta definitiva de que este gen en particular controla la simbiosis”, dijo el biólogo molecular de plantas ORNL Jay Chen.

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Los investigadores eligieron Arabidopsis, una planta que tradicionalmente no interactúa con el hongo L. bicolor, e incluso lo considera una amenaza, para sus experimentos. Crearon una versión genéticamente modificada de la planta que expresa la proteína PtLecRLK1 y luego inocularon las plantas con el hongo. El hongo L. bicolor envolvió completamente las puntas de las raíces de la planta, formando una vaina micótica indicativa de formación de simbiontes.

El hongo Laccaria bicolor, en verde, se muestra colonizando la raíz de un huésped natural Populus trichocarpa. Una mejor comprensión de las simbiosis planta-hongos podría conducir a la ingeniería de asociaciones planta-hongos y mejorar la absorción de nitrógeno y nutrición junto con la resistencia de las plantas a la sequía y los patógenos. Crédito: Jessy Labbe / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de los Estados Unidos y Kevin Cope / Universidad de Wisconsin, Madison

“Demostramos que podemos convertir a un no-anfitrión en un anfitrión de este simbionte”, dijo el genetista cuantitativo del ORNL Wellington Muchero. “Si podemos hacer que la Arabidopsis interactúe con este hongo, entonces creemos que podemos hacer otros cultivos de biocombustibles como hierba de césped, o cultivos alimentarios como el maíz también interactúen y brinden exactamente los mismos beneficios. Abre todo tipo de oportunidades en diversos sistemas de plantas. Sorprendentemente, un gen es todo lo que necesitas “.

Los científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison, la Universidad de Lorena en Francia y el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología en Alabama también contribuyeron al proyecto. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE, el Centro de Innovación Bioenergética (CBI) del DOE y su antecesor, el Centro de Ciencia BioEnergy (BESC). Uno de los objetivos clave de CBI es crear cultivos de materia prima de biomasa sostenibles utilizando la ingeniería y la genómica de plantas. Tanto BESC como CBI han desarrollado enfoques experimentales y computacionales que aceleran la identificación de la función del gen en las plantas.

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“Este es un logro notable que podría llevar al desarrollo de cultivos bioenergéticos con la capacidad de sobrevivir y prosperar en tierras marginales y no agrícolas”, dijo el director de CBI, Jerry Tuskan. “Podríamos apuntar hasta 20-40 millones de acres de tierra marginal con cultivos bioenergéticos resistentes que necesitan menos agua, aumentando las perspectivas de éxito en las economías rurales y de base biológica que brindan alternativas sostenibles para la gasolina y las materias primas industriales”.

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