Las plantas responden al estrés ambiental desviando recursos de los procesos de crecimiento a los de defensa, lo que a menudo resulta en una reducción de la producción. Esto genera compensaciones entre crecimiento y defensa, donde las mejoras en un proceso se producen a expensas del otro. Comprender los mecanismos moleculares subyacentes a estas compensaciones ayudará a desarrollar variedades de cultivos con una mejor tolerancia al estrés y una mayor producción. Para estudiar las compensaciones entre crecimiento y defensa en el contexto del metabolismo, los científicos crearon una reconstrucción a gran escala del metabolismo de la papa, que abarca todo el metabolismo secundario conocido en una especie de cultivo importante. El modelo permite un análisis amplio de las interacciones entre los procesos de crecimiento y defensa, como se demuestra en el estudio, y proporciona una excelente plataforma para un mayor desarrollo y aplicación.
El problema de garantizar un suministro fiable de alimentos a la creciente población del planeta está asociado no sólo con el aumento del rendimiento y la calidad, sino también de la resistencia al estrés de los principales cultivos agrícolas.
Además de los efectos perjudiciales del estrés abiótico, como los cambios de temperatura, las sequías y las inundaciones, el estrés biótico causa pérdidas anuales de rendimiento de hasta el 80 %. En el caso de la papa, las infecciones virales y las infestaciones de plagas herbívoras son especialmente devastadoras, como el virus Y de la papa (PVY) y el escarabajo de la papa, respectivamente.
Sin embargo, los procesos moleculares que subyacen y vinculan el rendimiento y las respuestas de defensa aún son poco conocidos. Las plantas atacadas por estresores bióticos ralentizan su crecimiento para conservar recursos moleculares y redirigirlos a fines defensivos, incluyendo la producción de compuestos de señalización y defensa. Por el contrario, el crecimiento rápido de las plantas para mejorar la disponibilidad de recursos (p. ej., la búsqueda de luz durante la germinación o debido a entornos con alta densidad de población) suele ir acompañado de una mayor susceptibilidad a plagas y patógenos, ya que se prioriza el crecimiento sobre la defensa.
Este equilibrio entre crecimiento y defensa es un principio fundamental de la economía vegetal, que permite a las plantas equilibrar el crecimiento y la defensa según las condiciones externas.
Los cultivos modernos, como la papa, se han mejorado para maximizar las características relacionadas con el rendimiento y el crecimiento, en detrimento de las características beneficiosas relacionadas con la defensa. Por ello, comprender mejor los mecanismos moleculares que subyacen a las compensaciones entre crecimiento y defensa es un paso crucial para mejorar las estrategias de mejoramiento que podrían ayudar a desarrollar cultivos superiores que combinen un alto rendimiento con la capacidad de defenderse del estrés.
Para estudiar el equilibrio entre el crecimiento y la defensa de las plantas en el contexto del metabolismo de los cultivos, científicos de la Universidad de Potsdam, la Universidad de Erlangen, el Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas y el Instituto Nacional de Biología de Liubliana han creado un modelo metabólico compartimentado a escala del genoma (GEM) de las patatas: potato-GEM.
Esta reconstitución metabólica a gran escala, la primera de su tipo, representa un recurso valioso para el desarrollo de variedades de plantas con mayor tolerancia al estrés y altos rendimientos en el futuro.
Un equipo de investigadores investigó la relación entre crecimiento y defensa mediante técnicas de modelado basadas en modelos metabólicos a escala genómica (GEM) de la papa. Los resultados del estudio se publicaron en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Además de la reconstrucción a gran escala del metabolismo primario, el modelo incluye el metabolismo secundario completo conocido de la papa, abarcando más de 566 reacciones que median la biosíntesis de 182 metabolitos secundarios diferentes de la papa.
El modelado basado en restricciones muestra que el mayor número de vías secundarias (de defensa) se activa cuando la tasa de crecimiento relativo de las hojas de papa disminuye debido a los costos relacionados con la defensa. Posteriormente, los científicos extrajeron datos transcriptómicos de experimentos en los que las hojas de papa se expusieron a dos escenarios de estrés biótico, un herbívoro y un patógeno viral, y los utilizaron como restricciones para crear modelos específicos del entorno. Demostraron que estos modelos reproducen la reducción observada experimentalmente en la tasa de crecimiento relativo entre tratamientos, así como los cambios en los niveles de metabolitos entre ellos, lo que permite identificar con precisión la reestructuración metabólica que subyace a las compensaciones entre crecimiento y defensa.
«La reconstrucción metabólica a gran escala de la papa GEM refleja todo el metabolismo secundario conocido de esta importante especie de cultivo», afirma Zoran Nikoloski, profesor de Bioinformática en la Universidad de Potsdam y jefe de grupo en el Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas. El modelo matemático permite un análisis profundo de la interacción entre los procesos de crecimiento y defensa, y constituye una excelente plataforma para su posterior desarrollo y aplicación práctica.
«Comprender los mecanismos moleculares que subyacen a las respuestas de las plantas al estrés puede mejorar las estrategias de mejoramiento y ayudarnos a desarrollar variedades de cultivos con mejor tolerancia al estrés, rendimiento y calidad», concluyó el investigador.
Fuente: Universidad de Potsdam. DOI: 10.1073/pnas.2502160122
La foto muestra una planta de patata infectada con el virus (izquierda) y otra sana (derecha). Foto: Sarah Fischer, Instituto Nacional de Viticultura y Vinificación de Liubliana.
