Un equipo de investigadores dirigido por Jörg Kudla del Instituto de Biología y Biotecnología de la Universidad de Münster son los primeros en demostrar, utilizando la planta modelo thale cress (Arabidopsis thaliana), cómo las plantas perciben la deficiencia de manganeso y qué procesos tienen lugar posteriormente en el planta a nivel molecular.
por la Universidad de Münster
Todo organismo vivo necesita el elemento manganeso como nutriente esencial. En las plantas, por ejemplo, juega un papel importante en la descomposición del agua en oxígeno e hidrógeno durante la fotosíntesis. Un equipo de investigadores alemanes y chinos son los primeros en demostrar, utilizando la especie modelo berro thale (Arabidopsis thaliana), cómo las plantas detectan la deficiencia de manganeso y qué procesos tienen lugar en la planta a nivel molecular.
Los investigadores demostraron que un grupo de células hasta ahora no detectado en la raíz de la planta juega un papel decisivo. Los investigadores esperan que los resultados de su trabajo conduzcan en el futuro a métodos para hacer que las plantas sean más resistentes a la deficiencia de manganeso, una condición que a menudo ocurre en suelos alcalinos y calcáreos.
El Prof. Jörg Kudla del Instituto de Biología Vegetal y Biotecnología de la Universidad de Münster es uno de los principales autores del estudio. Él dice que «se han realizado muchos estudios centrados en qué proteínas están involucradas en la absorción y el transporte de manganeso dentro de una célula. Pero se desconoce por completo cómo se regula el equilibrio de manganeso a nivel del organismo».
Debido a que el calcio está involucrado como sustancia mensajera en muchos otros procesos de regulación en la planta, los investigadores se preguntaron si también desempeña un papel en la regulación del equilibrio de manganeso.
La deficiencia de manganeso desencadena señales de calcio oscilantes
El equipo identificó un grupo celular especial en la raíz de la planta y le dio el nombre de «nicho sensible al manganeso». A diferencia de todas las demás células de la raíz, estas células muestran una reacción especial en respuesta a la deficiencia de manganeso: la concentración de calcio dentro de las células aumenta y disminuye, varias veces seguidas, mientras dure la deficiencia. Cada oscilación dura aproximadamente 30 minutos.
«Nadie había observado previamente tales oscilaciones multicelulares en la concentración de calcio que se acumulan a través de la aparición coordinada de señales de calcio en las células individuales de las plantas», dice Kudla. Solo unos pocos cientos de células construyen conjuntamente la señal. Las células epidérmicas, las células en la capa más externa de la raíz, son las primeras en comenzar a aumentar la concentración de calcio. Luego, las células situadas más adentro gradualmente siguen su ejemplo, antes de que todo el proceso se invierta.
Se descubre el tercer «nicho sensible» específico del estímulo
En un trabajo anterior, los investigadores dirigidos por Jörg Kudla ya habían descubierto otros dos «nichos sensibles» en otras áreas de la raíz: un nicho sensible al potasio y un nicho sensible al sodio. Aquí, también, las raíces reaccionaron produciendo señales de calcio multicelulares en grupos celulares específicos en respuesta a cambios en las concentraciones de iones en el ambiente. Sin embargo, los investigadores no observaron ninguna oscilación, a diferencia del nicho sensible al manganeso.
En su estudio actual, los investigadores descubrieron que las oscilaciones de calcio provocadas por la deficiencia de manganeso activan dos enzimas especiales, las llamadas proteínas quinasas dependientes de calcio (CPK21 y CPK23), y que estas dos enzimas, a su vez, estimulan la absorción de manganeso. .
«A medida que la quinasa se libera del calcio, estos vuelven a quedar inactivos. Nuestra hipótesis es que cada oscilación inicia este proceso de nuevo, hasta que la planta ha logrado una absorción suficiente de manganeso», dice Kudla. El transportador de manganeso NRAMP1, que es responsable de transportar el manganeso a las células de la raíz, es parte del proceso. Las proteínas quinasas CPK21 y CPK23 interactúan con este transportador y regulan la captación de manganeso mediante la fosforilación de un aminoácido específico (Thr498).
Para demostrar la aparición de las señales de calcio, los investigadores utilizaron microscopía de alta resolución y, por primera vez, biosensores de calcio molecular ultrasensibles. Los biosensores generalmente visualizan cambios en las concentraciones de sustancias bioactivas como el calcio en células y tejidos. El equipo combinó estos estudios, que involucran «tecnología de biosensores in vivo», con métodos genéticos, biológicos celulares y bioquímicos para aclarar los mecanismos moleculares subyacentes.
Además de los investigadores de Münster, también participaron científicos de la Facultad de Ciencias de la Vida, la Universidad Northwest A&F en Shaanxi y el Instituto de Investigación de Biotecnología, la Academia China de Ciencias Agrícolas en Beijing (China), así como de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. .
La investigación fue publicada en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Más información: Dali Fu et al, La fosforilación dependiente de Ca 2
+ de NRAMP1 por CPK21 y CPK23 facilita la captación de manganeso y la homeostasis en Arabidopsis,
Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204574119
