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 crucial en la capacidad de este extraordinario cultivo para resistir condiciones ambientales adversas.
por Ulhas Kadam
Este descubrimiento proporciona información importante sobre por qué la quinua puede prosperar en condiciones que devastarían la mayoría de los demás cultivos alimentarios.
Comenzamos nuestra investigación centrándonos en la quinua (Chenopodium quinoa Willd.), que nos ha fascinado desde hace tiempo como una halófita facultativa con una tolerancia excepcional tanto al estrés por sequía como por salinidad. Esto la convierte no solo en un valioso cultivo alimentario, sino también en un excelente modelo para comprender cómo las plantas se adaptan a los desafíos ambientales.
La quinua es altamente nutritiva, contiene cantidades significativas de proteínas, carbohidratos, aminoácidos esenciales , vitaminas, minerales y antioxidantes, y es reconocida mundialmente por sus excepcionales cualidades nutricionales y tolerancia al estrés abiótico.
Mediante un análisis genómico exhaustivo, identificamos con éxito 10 genes NHX pertenecientes a la superfamilia del antiportador monovalente de cationes/protones 1 (CPA1). Estos genes son componentes esenciales de la maquinaria celular de la planta para gestionar el equilibrio iónico en condiciones de estrés.
Durante nuestra investigación, realizamos un análisis detallado de estos genes, examinando sus relaciones filogenéticas , patrones de motivos y características estructurales. Este exhaustivo análisis nos permitió clasificarlos en tres subfamilias distintas, cada una con funciones únicas en el sistema de respuesta al estrés de la planta.
También investigamos sus propiedades fisicoquímicas, incluyendo su punto isoeléctrico (pI), valores de GRAVY y dominios transmembrana, lo que proporcionó información valiosa sobre sus mecanismos funcionales. Las proteínas NHX suelen mantener entre 10 y 12 dominios transmembrana e incluyen un sitio de unión potencial a amilorida (FFIYLLPPI), donde la amilorida se une con una afinidad excepcionalmente alta y funciona como un inhibidor competitivo de los iones Na + al obstruir sus sitios de unión.
Localización y función de los genes
Nuestro análisis reveló que estos genes NHX se ubican estratégicamente en diferentes membranas celulares: vacuolar, plasmática y endosómica. Esta distribución no es aleatoria, sino que representa un sistema sofisticado que permite a la quinua regular la homeostasis iónica en toda la célula. La diversidad estructural y funcional observada en estos genes sugiere que han desarrollado funciones especializadas para ayudar a la planta a adaptarse a diversos estresores ambientales.
Realizamos un análisis detallado de promotores que reveló numerosos elementos cis asociados con respuestas al estrés abiótico, la señalización de fitohormonas y la regulación lumínica. Este hallazgo sugiere que estos genes responden a una compleja red de señales ambientales e internas, lo que permite a la quinua ajustar dinámicamente sus respuestas fisiológicas a condiciones cambiantes. La presencia de estos elementos reguladores explica cómo la quinua puede detectar y responder a los desafíos ambientales con notable precisión.
Para nuestra validación experimental, utilizamos el genotipo de quinua Him Shakti, obtenido del Centro de Mejoramiento de Cultivos de la Universidad Agrícola de SD, Sardarkrushinagar, India. Esta variedad, desarrollada localmente, se ha adaptado específicamente a las condiciones de la India y posee un valor nutricional superior, con un alto contenido de proteína del 15,64 % y un contenido de aceite del 8,91 %. Además, demuestra una mayor resiliencia a diversos tipos de estrés, lo que la hace ideal para programas de mejoramiento.
Patrones de expresión bajo estrés por salinidad y sequía
Quizás la parte más reveladora de nuestro estudio provino del análisis de PCR cuantitativa, donde examinamos el comportamiento de estos genes ante el estrés salino y hídrico de las plantas de quinua. Las plantas se sometieron a un tratamiento con 300 mM de NaCl para el estrés salino, con muestras recolectadas a las 0, 6, 12 y 24 horas, mientras que el estrés hídrico se simuló suspendiendo el riego con muestras recolectadas a los 0, 3, 5 y 7 días.
Encontramos fascinantes patrones de expresión diferencial entre los genes CqNHX en estas condiciones de estrés. Cabe destacar que los NHX vacuolares mostraron una inducción significativamente mayor en los tejidos foliares bajo estrés salino.
Este hallazgo subraya su papel fundamental en el secuestro de sodio y el mantenimiento del equilibrio iónico, permitiendo esencialmente que la planta compartimente los iones de sal dañinos lejos de la maquinaria celular sensible.
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 mantenido a lo largo de la evolución debido a sus funciones esenciales en la adaptación al estrés, lo que destaca su importancia fundamental para la estrategia de supervivencia de la quinua.
Implicaciones para la mejora futura de los cultivos en un entorno cambiante
Los conocimientos adquiridos con esta investigación amplían significativamente nuestra comprensión de la base molecular de la tolerancia al estrés en la quinua. Al identificar estos genes clave y caracterizar sus funciones, los autores han proporcionado objetivos valiosos para las iniciativas de ingeniería genética destinadas a mejorar la resiliencia de los cultivos a los desafíos ambientales.
En un mundo que enfrenta una creciente incertidumbre climática, específicamente durante el calentamiento global y los suelos problemáticos, nuestros hallazgos podrían contribuir al desarrollo de cultivos alimentarios más resistentes que puedan soportar duras condiciones de crecimiento.
Esta investigación representa un avance significativo en nuestra búsqueda por comprender cómo las plantas se adaptan a entornos desafiantes y ofrece vías prometedoras para mejorar la seguridad alimentaria ante el cambio climático. El estrés abiótico, como la sequía y la salinidad, afecta aproximadamente al 45 % de las tierras agrícolas del mundo, lo que hace que esta investigación sea particularmente oportuna y relevante.
Al desentrañar los secretos genéticos detrás de la notable tolerancia al estrés de la quinua , esperamos inspirar nuevos enfoques para el mejoramiento de cultivos que podrían beneficiar a los agricultores y consumidores de todo el mundo.
Esta historia forma parte del Diálogo Science X , donde los investigadores pueden informar sobre los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre el Diálogo Science X y cómo participar.
Más información: Yalla Santhoshi et al., Análisis exhaustivo de la familia de genes NHX y su regulación bajo estrés salino y hídrico en quinua (Chenopodium quinoa Willd.), Genes (2025). DOI: 10.3390/genes16010070
El Prof. Ulhas Kadam, Ph.D., es Profesor de Investigación en la División 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 Prof. Kadam obtuvo una Maestría en Química Biológica y un Doctorado en Ingeniería Biológica en la Universidad de Purdue. Recibió la prestigiosa Beca Alexander von Humboldt en Alemania para investigación en biología vegetal. El Prof. Kadam es un investigador de gran trayectoria y reconocimiento internacional en biología vegetal, patología molecular y biotecnología agrícola.
