Un nuevo estudio ha revelado la estructura tridimensional de una proteína de la raíz de cebada que protege a las plantas del aluminio tóxico en suelos ácidos.
A diferencia de la mayoría de los transportadores, esta proteína exporta citrato (un anión que se une a los iones de aluminio dañinos), protegiendo así las raíces. Los hallazgos ofrecen nuevas perspectivas sobre cómo las plantas se adaptan a suelos hostiles y podrían ayudar a orientar el desarrollo de variedades de cultivos capaces de prosperar en tierras agrícolas ácidas en todo el mundo.
Para miles de millones de personas en todo el mundo, la salud del suelo es un factor decisivo para la seguridad alimentaria . Casi el 40% de la tierra cultivable del mundo es ácida, lo que crea un entorno hostil para los cultivos. En estos suelos, se liberan grandes cantidades de iones de aluminio , que envenenan las raíces de las plantas , perjudican la absorción de nutrientes y reducen drásticamente la producción. Los agricultores suelen intentar abordar este problema modificando el suelo, pero estas soluciones son costosas, temporales y, a menudo, inalcanzables para los pequeños agricultores de las regiones en desarrollo.
Para sobrevivir en estas condiciones adversas, algunas plantas han desarrollado defensas naturales contra el estrés por aluminio. Una estrategia común es la liberación de ácidos orgánicos, como citrato, malato u oxalato, desde sus raíces. Estos ácidos se unen a los iones de aluminio del suelo, neutralizando su toxicidad y protegiendo el crecimiento radicular.
La cebada, uno de los cereales más importantes del mundo para la alimentación humana, animal y cervecera, suele ser susceptible a los suelos ácidos y a los efectos tóxicos del aluminio. Sin embargo, algunas variedades de cebada destacan por su notable resiliencia: poseen una proteína radicular especializada que bombea activamente citrato al suelo, neutralizando así el aluminio antes de que pueda dañar la planta.
Esta adaptación permite que estos cultivares selectos prosperen en entornos difíciles donde la mayoría de las demás cebadas, y muchos cultivos, tienen dificultades para crecer. Sin embargo, hasta ahora, la estructura detallada de esta proteína protectora, y el mecanismo molecular que subyace a su función, se desconocían.
Para explorar este mecanismo, un nuevo estudio publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias el 5 de agosto de 2025 fue dirigido por el profesor Michihiro Suga, del Instituto de Investigación para la Ciencia Interdisciplinaria de la Universidad de Okayama (Japón). El equipo también incluyó a Tran Nguyen Thao, el Dr. Namiki Mitani-Ueno y el profesor Jian Feng Ma, todos de la Universidad de Okayama. Juntos, descubrieron la primera estructura detallada de HvAACT1, la proteína de la raíz de cebada que permite a la planta tolerar suelos ácidos ricos en aluminio. Esto proporciona la primera base estructural del eflujo de citrato en las plantas, llenando un vacío de conocimiento de larga data.
HvAACT1 pertenece a la familia de transportadores de proteínas de extrusión de compuestos tóxicos y multifármacos (MATE), ampliamente presentes en plantas, animales y microbios. «HvAACT1 es diferente a la mayoría de las proteínas MATE estructuralmente caracterizadas», explica el profesor Suga. «Mientras que muchos transportadores MATE transportan moléculas con carga positiva, este se especializa en exportar moléculas de citrato con carga negativa. Una vez liberado, el citrato se une al aluminio tóxico fuera de la raíz, lo que hace que el suelo sea más seguro para la planta».
Para capturar la proteína en acción, los investigadores emplearon potentes herramientas de biología estructural. Determinaron su estructura mediante cristalografía de rayos X en una instalación de sincrotrón, combinada con simulación de dinámica molecular y análisis mutacional, creando imágenes de alta resolución que revelan el diseño de la proteína con un detalle casi atómico. Estas imágenes mostraron que HvAACT1 contiene dos sitios separados pero coordinados: uno que reconoce el citrato y otro que une protones (iones de hidrógeno). La interacción entre estos sitios permite que la proteína bombee citrato eficientemente al suelo.
Este avance no solo explica cómo la cebada gestiona el estrés por aluminio, sino que también destaca un nuevo tipo de biología transportadora. A diferencia de otras proteínas de la misma familia, que suelen transportar moléculas con carga positiva o aromáticas, HvAACT1 transporta compuestos con carga negativa. Esta inusual capacidad amplía la comprensión científica de la resiliencia vegetal y la versatilidad de las proteínas.
«Comprender la estructura exacta de HvAACT1 nos proporciona un modelo de cómo las plantas gestionan el estrés por aluminio», afirma el profesor Suga. «Es la primera evidencia clara de cómo este tipo de transportador mueve moléculas con carga negativa a nivel molecular».
Este descubrimiento se basa en investigaciones previas que identificaron por primera vez el transportador de cebada responsable de la tolerancia al aluminio. El estudio actual proporciona la tan esperada explicación estructural del funcionamiento de la proteína, abriendo posibilidades para aplicaciones prácticas en la agricultura y otros ámbitos.
«Como científicos, siempre nos inspira cómo la naturaleza resuelve los problemas», añade el profesor Suga. «Al revelar la estructura de esta proteína, ahora tenemos una base para diseñar o mejorar cultivos que resistan suelos ácidos, garantizando cosechas estables incluso en condiciones difíciles».
En general, el estudio destaca cómo comprender las estrategias ocultas de las plantas puede ayudar a abordar uno de los mayores desafíos de la agricultura. Dado que los suelos ácidos siguen limitando la producción de alimentos a nivel mundial, los conocimientos de la biología molecular podrían allanar el camino hacia prácticas agrícolas resilientes y soluciones biotecnológicas innovadoras, ofreciendo la esperanza de un suministro mundial de alimentos más seguro y sostenible.
Más información: Tran Nguyen Thao et al., Perspectivas estructurales de un transportador de citrato que media la tolerancia al aluminio en la cebada, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). DOI: 10.1073/pnas.2501933122
