Las paredes celulares no sólo proporcionan soporte y protección a las plantas, también están repletas de biomateriales ricos en energía que podrían abrir nuevas vías para fuentes adicionales de combustible, productos químicos y materiales en los EE. UU.
por el Laboratorio Nacional de Brookhaven
Es por eso que los biólogos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) están desenredando los complejos mecanismos genéticos que regulan estos útiles materiales vegetales, conocidos como biomasa.
En un estudio recién publicado en el Plant Biotechnology Journal, el equipo de investigación identificó una proteína vegetal que desempeña un papel clave en tres procesos biológicos importantes en las plantas de álamo: las respuestas a la deficiencia de hierro, la biosíntesis de la pared celular y la síntesis de moléculas que combaten enfermedades.
«La proteína se llama PtrbHLH011 y nos llamó la atención por primera vez hace varios años cuando identificábamos genes y proteínas que influyen en la respuesta de las plantas de álamo al estrés nutricional», afirmó Meng Xie, biólogo de Brookhaven y autor principal del nuevo artículo. «Descubrimos que la expresión del gen PtrbHLH011 se reducía considerablemente en plantas estresadas que crecían en un medio deficiente en hierro».
Durante la fotosíntesis, las plantas necesitan hierro para convertir la luz solar en energía química que impulsa su crecimiento. Gracias a una comprensión más profunda del funcionamiento de genes y proteínas vegetales como PtrbHLH011, los biólogos trabajan para desarrollar cultivos bioenergéticos que puedan hiperacumular este importante mineral y prosperar incluso en tierras marginales con deficiencia de hierro.
Tradicionalmente, los investigadores han trabajado para aumentar los azúcares de la pared celular que pueden convertirse en biocombustibles. Sin embargo, en los últimos años, un componente rígido de la pared celular, la lignina, ha captado su atención, ya que puede utilizarse para producir bioproductos valiosos con aplicaciones industriales, como cemento y adhesivos.
«Diferentes factores ambientales pueden afectar no solo la biosíntesis de la pared celular, sino también la proporción de sus componentes, como los azúcares y la lignina», explicó Xie. «Nos propusimos estudiar el mecanismo molecular que subyace a esta denominada ‘plasticidad ambiental’».
Gene ‘noquea’ con una gran recompensa
Dado que algunas proteínas tienen funciones que se solapan —o varias funciones aparentemente inconexas—, puede resultar difícil distinguir la función de una de la de otra. Por ello, los biólogos suelen desactivar un gen para comprender mejor la función de la proteína que codifica.
En este caso, colaboradores de la Universidad de Maryland desarrollaron plantas de álamo que carecían de PtrbHLH011.
Las plantas knockout produjeron simultáneamente el doble de lignina y mostraron un crecimiento mejorado por primera vez en la historia. Esto fue especialmente sorprendente, ya que estudios previos habían demostrado que el aumento del contenido de lignina —y, en consecuencia, el endurecimiento de las paredes celulares— suele desviar energía del crecimiento y limitar la producción total de biomasa.
Las plantas modificadas también acumularon tres veces más hierro en sus hojas y aumentaron la producción de flavonoides, que son compuestos que pueden ayudar a las plantas a combatir enfermedades.
En consonancia con estas observaciones, las plantas diseñadas por biólogos de Brookhaven para sobreexpresar el gen PtrbHLH011 exhibieron características opuestas: crecimiento retardado, paredes celulares más débiles, mayor sensibilidad a las enfermedades y hojas amarillas características del estrés nutricional.
«PtrbHLH011 es un tipo especial de proteína llamado factor de transcripción, lo que significa que se une a secuencias específicas del ADN vegetal y regula la expresión de varios genes diana», explicó Yuqiu Dai, investigador postdoctoral en Brookhaven Lab y primer autor del nuevo artículo. «Por lo tanto, esperábamos que la alteración del gen PtrbHLH011 afectara a varios procesos biológicos asociados con sus genes diana».
Sin embargo, los investigadores se sorprendieron al descubrir que la eliminación de la proteína PtrbHLH011 aumentaba varios procesos que requieren cantidades significativas de energía, lo que normalmente impondría una carga metabólica significativa para las plantas.
«Sospechamos que el aumento de tres veces en el contenido de hierro en las hojas impulsó la fotosíntesis en las plantas, generando en última instancia más energía para apoyar el crecimiento de las plantas y la síntesis de lignina y flavonoides», dijo Xie.
El aumento en la síntesis de flavonoides es especialmente convincente a medida que biólogos de Brookhaven y otras partes del mundo intensifican sus esfuerzos de biopreparación para proteger las plantas bioenergéticas estadounidenses de enfermedades. Mediante futuros estudios que examinen cómo responden las plantas a infecciones y enfermedades, los investigadores buscan descubrir mecanismos subyacentes que podrían aprovecharse para fortalecer la resistencia de los cultivos a patógenos que reducen la producción de biomasa.
Con la identificación de un mecanismo regulador genético modulado por PtrbHLH011, los investigadores de Brookhaven también están trabajando para ajustar la expresión de sus genes objetivo específicos.
«Si podemos modular los genes diana individuales ‘corriente abajo’, en lugar de un factor de transcripción que los regule todos, podremos controlar con mayor precisión un proceso biológico a la vez», dijo Dai.
Xie agregó: «La comprensión fundamental que establecimos durante este estudio permitirá que nuestros esfuerzos biotecnológicos avancen en la producción de bioenergía y materias primas para bioproductos.
«Estos hallazgos fueron el resultado de la exitosa integración de múltiples instalaciones y capacidades de la Oficina de Ciencias del DOE», afirmó Xie. Por ejemplo, colaboradores del Instituto Conjunto del Genoma midieron los niveles de expresión génica en las plantas modificadas, y un colaborador de Molecular Foundry aportó información sobre cómo el mecanismo regulador recién descubierto se adaptó a medida que evolucionaban las plantas terrestres, como el álamo.
Los investigadores de Brookhaven utilizaron microscopía confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) para visualizar la expresión de PtrbHLH011 en las células vegetales. Midieron el contenido de lignina en la biomasa en el Departamento de Biología de Brookhaven. Con la colaboración de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), realizaron experimentos de bioimagen de rayos X en las líneas de luz de Espectroscopía de Rayos X de Resolución Submicrónica (SRX) y Dispersión de Rayos X en Ciencias de la Vida (LiX) para estudiar la acumulación de hierro y la estructura de la pared celular en los álamos.
Más información: Dimiru Tadesse et al., PopulusPtrbHLH011 es un corregulador transcripcional involucrado en la activación de la biosíntesis de la pared celular por privación de hierro, Plant Biotechnology Journal (2025). DOI: 10.1111/pbi.70275
