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Cómo las plantas perciben el fosfato

Cómo las plantas perciben el fosfato
Las plantas convierten su estado de fosfato (Pi) en InsP8 (molécula de señalización que controla la adquisición de fosfato). ITPK1 juega un papel clave en este proceso al generar o eliminar el precursor de InsP8 de acuerdo con los cambios dependientes de fosfato en el ATP. Crédito: Gabriel Schaaf / Universidad de Bonn

Un nuevo estudio realizado por la Universidad de Bonn y el Instituto Leibniz de Genética Vegetal e Investigación de Plantas de Cultivos (IPK) en Gatersleben arroja luz sobre el mecanismo utilizado por las plantas para monitorear la cantidad de fosfato de nutrientes disponible y decidir cuándo estrategias movilizar y absorber más fosfato del suelo debe activarse. 


por la Universidad de Bonn


La enzima ITPK1 juega un papel clave en este proceso. Los investigadores también pudieron demostrar que un grupo particular de moléculas de señalización involucradas en la detección de fosfato responden de manera muy sensible al fosfato y que esta regulación tiene lugar no solo en plantas sino también en células humanas. A largo plazo, los resultados podrían conducir a la obtención de nuevas variedades de cultivos que requieran menos fertilizantes fosfatados. La versión final del estudio ya se ha publicado en la revista Molecular Plant..

El fosfato es un elemento mineral esencial para todos los organismos vivos. Al mismo tiempo, los recursos de fosfato en la Tierra adecuados para la producción de fertilizantes son limitados y no renovables; las estimaciones indican que los depósitos de fosfato pueden agotarse en los próximos 300 años. Otro tema que puede venir a la mente de alguien cuando se habla de fosfato es que el fosfato utilizado en la agricultura puede contaminar ecosistemas acuáticos como ríos, lagos y océanos. La razón: el aumento de los niveles de nutrientes como el fosfato en las aguas, conocido como eutrofización, puede resultar en un crecimiento excesivo de algas y eventualmente resultar en el agotamiento de oxígeno en estos ecosistemas.

Por lo tanto, la reducción de las entradas de fosfato en la agricultura (sin afectar negativamente los rendimientos) tendría dos ventajas: las reservas de fosfato podrían durar más y menos fosfato terminaría en los lagos y océanos. Para lograr esto, los investigadores están trabajando en estrategias para hacer que los cultivos sean más eficientes en fosfato. Esto significa plantas que pueden movilizar, absorber y, si es necesario, reciclar fosfato de manera más eficiente.

Las plantas controlan sus reservas de fosfato

Se desconocen en gran medida los mecanismos exactos que utilizan las plantas y otros organismos para reconocer si tienen suficiente fosfato para ejecutar sus procesos celulares o si se debe absorber más de este nutriente del suelo. En los últimos años, los científicos han descubierto que las plantas no perciben el fosfato directamente, sino indirectamente a través de la molécula de señalización InsP8, un tipo de pirofosfato de inositol. Las llamadas proteínas SPX ayudan con esto. «Lo que indican estos resultados es que los pirofosfatos de inositol como InsP8 sirven como proxy del estado general del fosfato de la planta», dice el Dr. Ricardo Giehl, investigador principal financiado por DFG del Instituto Leibniz de Genética de Plantas e Investigación de Plantas de Cultivos (IPK). .

Sin embargo, anteriormente no estaba claro cómo las plantas producen InsP8 y su precursor InsP7. Para resolver este acertijo, el equipo de investigación de la Universidad de Bonn ha utilizado recientemente un truco genético: los científicos utilizaron levadura de panadería para expresar quinasas vegetales relevantes, es decir, enzimas capaces de transferir un residuo de fosfato del ATP, la «moneda de energía» de la célula, a otros sustratos. Con este enfoque, identificaron a ITPK1 como una supuesta quinasa InsP6 para poner en movimiento las importantes moléculas de señalización.

En el nuevo estudio, los científicos muestran que la enzima ITPK1 funciona de hecho como una quinasa InsP6 funcional en planta y genera 5-InsP7, el precursor directo de InsP8. Los investigadores también pudieron demostrar que la síntesis de pirofosfatos de inositol reacciona de manera muy sensible al fosfato y que esta regulación tiene lugar no solo en las plantas (incluidos los musgos) sino también en las células humanas.

«Debido a que los pirofosfatos de inositol son muy inestables, solo pudimos detectarlos en plantas después de desarrollar un nuevo método en nuestro laboratorio hace unos años», explica Esther Riemer del Instituto de Ciencia de Cultivos y Conservación de Recursos (INRES) de la Universidad de Bonn y primer autor del estudio. «Dependiendo del estado de energía celular y, por lo tanto, indirectamente también de la cantidad de fosfato disponible, ITPK1 puede iniciar la síntesis de InsP8, que inhibe la adquisición de fosfato, o funcionar como una ATP sintasa, que finalmente apaga la señal de InsP8 activando así la movilización de fosfato. y captación «, dice el Dr. Ricardo Giehl.

Con la ayuda de un nuevo método de espectrometría de masas desarrollado por el equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Henning Jessen del Instituto de Química Orgánica de la Universidad de Friburgo, los científicos también identificaron nuevas formas de pirofosfatos de inositol de plantas. «Estos incluyen el isómero 4/6-InsP7. Aunque todavía no sabemos qué hace en las plantas, este tipo de pirofosfato de inositol parece no participar en la regulación de las respuestas de deficiencia de fosfato», dice Esther Riemer.

En camino hacia la producción agrícola sostenible

«Los resultados de este y de estudios anteriores tienen consecuencias de gran alcance para nuestra comprensión de cómo los organismos perciben la deficiencia de fosfato y cómo se generan las respuestas fisiológicas dependiendo del estado energético», dice el Prof. Dr. Gabriel Schaaf de INRES en la Universidad de Bonn. «Nuestro trabajo proporciona nuevos objetivos de reproducción y abre vías sobre cómo los nuevos métodos de reproducción, como la edición del genoma, podrían utilizarse para aumentar la eficiencia del uso del fosfato y contribuir así a una producción de cultivos más respetuosa con el medio ambiente y que ahorre recursos».



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