El cultivo se considera una planta tolerante a la sal y la sequía y está clasificado como un halófito facultativo que puede tolerar concentraciones de sal de 150 a más de 750 mM de NaCl. Ahora se ha descubierto cuál es el secreto del superpoder de la quinoa.
La quinua, un cultivo alotetraploide originario de América del Sur, es altamente nutritivo, contiene cantidades significativas de proteínas, carbohidratos, aminoácidos esenciales, vitaminas, minerales y antioxidantes y es reconocida mundialmente por sus excepcionales cualidades nutricionales y resistencia al estrés abiótico.
Perú y Bolivia dominan la producción mundial de quinua, representando el 97% en 2020. Aunque el cultivo de quinua en la India está atrayendo la atención, cubre sólo 440 hectáreas con una producción de 1.053 toneladas. Al mismo tiempo, en la India se conoce un genotipo local de quinua con mayor resistencia al estrés, que se ha convertido en objeto de investigación por parte de un equipo de científicos, como informó el profesor Ulhas Kadam, PhD, en el portal Science X Dialog.
Ulhas Kadam es profesor de investigación en el Departamento de Ciencias Aplicadas de la Vida y el Centro de Investigación de Biología Molecular y Biotecnología Vegetal de la Universidad Nacional de Gyeongsang (Corea del Sur). El profesor Kadam recibió su maestría en química biológica y su doctorado en ingeniería biológica de la Universidad de Purdue. Recibió la mundialmente reconocida beca Alexander von Humboldt en Alemania por sus investigaciones en biología vegetal. El profesor Kadam es un investigador altamente calificado y reconocido internacionalmente en los campos de la biología vegetal, la patología molecular y la biotecnología agrícola.
“En un estudio reciente publicado en la revista Genes, nuestro equipo identificó y caracterizó 10 genes antiportadores de sodio/hidrógeno (NHX) del genoma de la quinua que desempeñan un papel fundamental en la capacidad de este notable cultivo para soportar condiciones ambientales adversas. Este descubrimiento proporciona pistas importantes sobre por qué la quinua puede prosperar en condiciones que destruirían la mayoría de los otros cultivos alimentarios, dice Kadam. – Comenzamos nuestra investigación centrándonos en la quinua ( Chenopodium quinoa Willd. ), que nos ha fascinado durante mucho tiempo como una halófita facultativa con una tolerancia excepcional tanto a la sequía como a la salinidad. “Esto hace que la quinua no sólo sea un cultivo alimenticio valioso, sino también un excelente modelo para entender cómo las plantas se adaptan a los desafíos ambientales”.
Utilizando un análisis genómico exhaustivo, los científicos identificaron con éxito 10 genes NHX (antiportador Na+/H+) pertenecientes a la superfamilia del antiportador monovalente de catión/protón 1 (CPA1). Estos genes son componentes críticos en la maquinaria celular de las plantas para gestionar el equilibrio iónico en condiciones de estrés.
«Los genes antiportadores Na+/H+ (NHX) pertenecen a la familia de transportadores monovalentes de cationes/H+ (CPA1), que es parte de la superfamilia más grande de antiportadores de cationes-protones (CPA). Estas proteínas funcionan como bombas y se encuentran en las membranas de las células y orgánulos. «Poseen un dominio intercambiador de Na+/H+ distintivo que desempeña un papel fundamental durante el estrés al transportar iones Na+ a cambio de H+», explicó el investigador.
Los científicos realizaron un análisis detallado de estos genes, estudiando sus relaciones filogenéticas, patrones de motivos y características estructurales. Este estudio cuidadoso permitió clasificarlos en tres subfamilias distintas, cada una de las cuales juega un papel único en el sistema de respuesta al estrés de la planta.
Los científicos investigaron sus propiedades fisicoquímicas, incluido su punto isoeléctrico (pI), valores GRAVY y dominios transmembrana, que proporcionaron información valiosa sobre sus mecanismos funcionales. Las proteínas NHX suelen mantener entre 10 y 12 dominios transmembrana e incluyen un sitio de unión potencial de amilorida (FFIYLLPPI), donde la amilorida se une con una afinidad excepcionalmente alta y funciona como un inhibidor competitivo de los iones Na+ al bloquear sus sitios de unión.
«Nuestro análisis mostró que estos genes NHX están ubicados estratégicamente en diferentes membranas celulares: vacuolar, plasmática y endosómica. Esta distribución no es aleatoria, sino que representa un sistema complejo que permite a la quinua regular la homeostasis iónica en toda la célula. La diversidad estructural y funcional que observamos entre estos genes sugiere que han desarrollado funciones especializadas para ayudar a la planta a adaptarse a diferentes factores estresantes ambientales. Realizamos un análisis detallado del promotor que identificó numerosos elementos cis asociados con respuestas al estrés abiótico, señalización de fitohormonas y regulación de la luz. Este descubrimiento sugiere que estos genes responden a una red compleja de señales ambientales e internas, lo que permite a la quinua ajustar dinámicamente sus respuestas fisiológicas a las condiciones cambiantes. La presencia de estos elementos reguladores explica cómo la quinua puede detectar y responder a los desafíos ambientales con una precisión asombrosa”, afirma Ulhas Kadam.
Para las pruebas experimentales, los científicos utilizaron el genotipo de quinoa Him Shakti obtenido del Centro de Mejoramiento de Cultivos de la Universidad Agrícola Sardar Krushinagar Dantiwada, India. Esta variedad local se ha adaptado especialmente a las condiciones de la India y tiene un excelente valor nutricional con un alto contenido de proteína del 15,64% y un contenido de aceite del 8,91%. También presenta una mayor resistencia a diversos tipos de estrés, lo que lo hace ideal para programas de cría.
“Quizás la parte más sorprendente de nuestro estudio provino de un análisis de PCR cuantitativo donde observamos cómo se comportan estos genes cuando las plantas de quinua se enfrentan al estrés de la sal y la sequía. Las plantas fueron tratadas con 300 mM de NaCl para estrés salino con muestras colectadas a las 0, 6, 12 y 24 h, mientras que el estrés por sequía fue simulado mediante retirada de riego con muestras colectadas a los 0, 3, 5 y 7 días. Encontramos patrones de expresión diferencial interesantes entre los genes CqNHX en estas condiciones de estrés. Particularmente notable fue nuestra observación de que el NHX vacuolar mostró una inducción significativamente mayor en los tejidos de las hojas bajo estrés salino. Este descubrimiento resalta su importante papel en la unión del sodio y el mantenimiento del equilibrio iónico, permitiendo esencialmente que la planta aísle los iones de sal dañinos de los mecanismos celulares sensibles.
Nuestro análisis evolutivo de estos genes reveló un alto grado de conservación dentro de las subfamilias, junto con evidencia de selección purificadora. «Esto sugiere que estos genes se han conservado a lo largo del tiempo evolutivo debido a sus funciones esenciales en la adaptación al estrés, lo que destaca su importancia fundamental para la estrategia de supervivencia de la quinua», señala Ulhas Kadam.
El conocimiento adquirido en este estudio avanza significativamente nuestra comprensión de la base molecular de la resistencia de la quinua al estrés. Al identificar estos genes clave y caracterizar sus funciones, los autores proporcionaron objetivos valiosos para los esfuerzos de ingeniería genética destinados a mejorar la resiliencia de los cultivos a los desafíos ambientales.
En un mundo que enfrenta una creciente incertidumbre climática, en particular con el calentamiento global y suelos problemáticos, estos hallazgos podrían ayudar a desarrollar cultivos alimentarios más resistentes que puedan soportar duras condiciones de crecimiento.
Esta investigación representa un importante paso adelante en nuestra búsqueda para comprender cómo las plantas se adaptan a condiciones ambientales desafiantes y ofrece vías prometedoras para mejorar la seguridad alimentaria frente al cambio climático. Los factores de estrés abióticos como la sequía y la salinidad afectan aproximadamente al 45% de las tierras agrícolas del mundo, lo que hace que este estudio sea particularmente oportuno y relevante.
Al descubrir los secretos genéticos detrás de la notable tolerancia al estrés de la quinua, los investigadores esperan inspirar a sus colegas a desarrollar nuevos enfoques para la mejora de cultivos que podrían beneficiar a los agricultores y consumidores de todo el mundo.
En el estudio participaron la Universidad Agrícola Sardar Krushinagar, Dantiwada, India; División de Plantas Ómicas, CSIR-Instituto Central de Investigación de Productos Químicos Marinos y de Sal (CSIR-CSMCRI), India; Centro de Investigación en Biotecnología y Biología Molecular de Plantas, Universidad Nacional de Gyeongsang, República de Corea.
Fuente: Science X Dialog. Autor: Ulhas Kadam.
