Las condiciones ambientales desfavorables representan un estrés considerable para las plantas. Un alto nivel de contenido de sal (cloruro de sodio, NaCl) en el suelo es un factor estresante que tiene un impacto negativo en las plantas.
por Kathrin Kottke, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
La salinización es un problema grave en la agricultura, especialmente en las regiones secas del mundo. Biólogos de la Universidad de Münster ahora han descubierto, por primera vez, que el estrés salino desencadena señales de calcio en un grupo especial de células en las raíces de las plantas, y que estas señales forman un «nicho de detección de sodio». Además, los investigadores identificaron una proteína fijadora de calcio (CBL8) que contribuye a la tolerancia a la sal específicamente en condiciones severas de estrés salino. Los resultados del estudio se han publicado ahora en la revista Developmental Cell.
El estrés salino es causado por la acumulación de concentraciones excesivas de sal en el suelo. Esto inhibe el crecimiento de la planta y, en última instancia, puede provocar la muerte de la planta. Por esta razón, los investigadores de plantas están interesados en obtener una mejor comprensión del estrés salino para poder criar plantas tolerantes a la sal. El Prof. Jörg Kudla y su equipo del Instituto de Biología y Biotecnología de las Plantas de la Universidad de Münster estudiaron la cuestión de cómo las plantas miden la intensidad del estrés salino y cómo reaccionan ante él. La planta modelo que usaron para sus pruebas fue el berro thale (Arabidopsis thaliana), que es miembro del grupo más grande de plantas con flores: las crucíferas o Brassicaceae. Estos incluyen muchas plantas alimenticias y forrajeras como coles, mostaza y rábanos.
«En primer lugar», dice Jörg Kudla, «examinamos las raíces de Arabidopsis para ver si tenían algún tipo de células que reaccionaran especialmente al estrés salino, o si toda la raíz mostraría una reacción uniforme. También llevamos a cabo investigaciones para ver si la intensidad del estrés salino se reflejó cuantitativamente en la intensidad de la señal de calcio».
El resultado sorprendió a los expertos: aunque todo el sistema de raíces de la planta estuvo expuesto al estrés, solo un grupo específico de células reaccionó, y solo este grupo formó la llamada señal de calcio oligocelular. Este grupo de células se encuentra en la zona de diferenciación de la raíz de la planta y está formado por unos pocos cientos de células. Solo a modo de comparación: una raíz tiene muchos miles de células. Los investigadores llaman a esta área el «nicho de detección de sodio».
«Este grupo de células», explica Kudla, «no es visible, y solo podemos distinguirlas funcionalmente de otras células por medio de tecnología de biosensores de alta resolución. Fue un descubrimiento casual que fue extremadamente revelador y significativo». La razón es que es en estas células funcionalmente especializadas donde se forma la señal primaria de calcio. En el proceso, los biólogos de plantas encontraron que cuanto mayor es el nivel de estrés salino, más fuerte es la señal de calcio.
En otras palabras, la planta es capaz de proporcionar información al organismo sobre la intensidad del estrés encontrado. Esto condujo a la pregunta de cómo las células vegetales pueden distinguir entre señales de calcio débiles y fuertes para poder reaccionar en consecuencia. Generalmente, las señales de calcio son decodificadas por varias proteínas de unión al calcio que actúan como sensores de calcio.
Proteínas CBL importantes para la tolerancia a la sal
En las plantas, esta importante tarea a menudo la realizan las denominadas proteínas CBL (similares a la calcineurina B). Se sabe desde hace algún tiempo que la proteína CBL4 es importante para la tolerancia a la sal y que los mutantes correspondientes sin ninguna proteína CBL4 funcional son extremadamente sensibles al estrés por sal. En su trabajo, los investigadores descubrieron que los mutantes de otra proteína CBL, CBL8, también tienen una menor tolerancia a la sal. Sin embargo, los mutantes cbl8, en contraste con los mutantes cbl4, mostraron inhibición del crecimiento solo bajo estrés salino severo. Después de realizar análisis bioquímicos, los investigadores encontraron que una alta concentración de calcio activa la proteína CBL8, mientras que la proteína CBL4 también está activa en concentraciones más bajas de calcio. «Solo en condiciones de alto estrés salino, CBL8 ayuda a bombear la sal fuera de la planta», explica la Dra. Leonie Steinhorst, quien también participó en el estudio. «Es una especie de mecanismo de cambio controlado por la concentración de calcio».
Un aspecto interesante que los biólogos descubrieron en este sentido es la evolución de las proteínas CBL. La mayoría de los tipos de cereales, como el maíz, el trigo y la cebada, son los llamados monocotiledóneas. Solo tienen la proteína CBL4; en otras palabras, carecen de este mecanismo de cambio para adaptarse al estrés salino severo. También hay dicotiledóneas, como el tabaco y los tomates, y en este caso fue posible demostrar que la duplicación de genes tuvo lugar temprano en el proceso evolutivo y que CBL8 se desarrolló a partir de esto. Como resultado, estas plantas tuvieron una mejor oportunidad de reaccionar al estrés salino.
«Entonces, un enfoque interesante», dice Jörg Kudla, «sería introducir la proteína CBL8 en las monocotiledóneas para que también puedan adaptarse mejor al estrés salino. Es probable que esta sea una medida cada vez más importante para los fitomejoradores en el futuro con el fin de lidiar mejor con la sequía y el estrés salino «.
La microscopía de alta resolución, utilizando tecnología de biosensores de calcio molecular en plantas, permitió descubrir las señales oligocelulares de calcio ya descritas. Estos biosensores visualizan cambios en las concentraciones de sustancias bioactivas como el calcio en células y tejidos. Estos estudios que involucran tecnología de biosensores in vivo se combinaron con otros métodos genéticos, biológicos celulares y bioquímicos para dilucidar en detalle los mecanismos subyacentes.
Más información: Leonie Steinhorst et al, Un interruptor de sensor de Ca2+ para la tolerancia al estrés salino elevado en Arabidopsis,
Developmental Cell (2022). DOI: 10.1016/j.devcel.2022.08.001
