Un estudio del CSIC muestra que la señalización del pH en plantas activa la respuesta celular ante la falta de potasio asociada a la agricultura intensiva
CSIC/DICYT Las plantas necesitan mantener unos niveles equilibrados de potasio para garantizar la estabilidad de sus células. Para ello, absorben este nutriente del suelo y lo almacenan en su interior para recurrir a esta reserva en situaciones de estrés hídrico o nutricional. Ahora, un estudio del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), dependiente del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MICIU), muestra el papel esencial del pH de las plantas para detectar niveles bajos de potasio y activar las proteínas que lo recuperan de la reserva intracelular. Este hallazgo, publicado en Science Advances, permitirá reducir el uso de fertilizantes y mejorar el rendimiento de las plantas en periodos de sequía.
El potasio es un nutriente esencial para las plantas, ya que regula su estado hídrico y el funcionamiento de los estomas (pequeños poros presentes en los tallos y hojas que permiten el intercambio de gases y agua con la atmósfera). De hecho, su supervivencia depende de la capacidad para mantener en su interior una concentración estable de potasio (K+). Este equilibrio es esencial para su estabilidad celular, por lo que cualquier alteración puede conducir a la muerte de las células.
Las plantas absorben el potasio del suelo con avidez y almacenan el excedente en un compartimento intracelular llamado vacuola. Se trata de una especie de bolsa gigante que tienen las células vegetales en su interior para almacenar agua, sales minerales o sustancias de reserva, como el potasio. “Cuando el potasio en el suelo es bajo, las plantas recuperan lo almacenado en la vacuola. Si este proceso no proporciona los niveles de potasio necesarios, las plantas necesitan fertilizantes”, explica Armando Albert, investigador del Instituto de Química Física Blas Cabrera (IQF-CSIC).
Dentro de la planta, este flujo de potasio está regulado por proteínas transportadoras que se ubican en las membranas celulares y vacuolares, que se activan o desactivan en función de su disponibilidad. “Nuestro objetivo es comprender cómo las células vegetales detectan niveles suficientes de potasio para regular estos transportadores en la vacuola”, aclara Albert.
El intercambio de iones de hidrógeno (H+), cuya concentración determina el pH de la planta, con el de iones de potasio ayuda al transporte del nutriente a través de las membranas. Es decir, cada ion de potasio que entra en el citosol (sustancia acuosa que rodea a los orgánulos y al núcleo de las células) libera un ion de hidrógeno fuera de la célula. Al mismo tiempo, cada ion de potasio que se almacena en la vacuola libera un ion de hidrógeno en el citosol. Cuando existen niveles bajos de potasio en el suelo, el almacenamiento vacuolar se detiene para evitar el agotamiento de potasio en el citosol y reducir la acumulación de iones de hidrógeno citosólico, es decir, del pH.
Calcio, el segundo mensajero de iones
En plantas y animales, muchos procesos de equilibrio iónico están regulados indirectamente por el calcio (Ca²⁺), que actúa como segundo mensajero. Esta función se debe a que proteínas específicas regulan la actividad de los transportadores en las membranas celulares al detectar cambios en los niveles de calcio.
“Este trabajo desentraña aspectos clave de la regulación de la homeostasis del potasio en plantas y demuestra que es el pH, y no el calcio, donde se alberga la información clave para activar la respuesta ante la falta de nutrientes”, señala José Manuel Pardo, investigador del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (IBVF, CSIC-US). Los resultados muestran el hallazgo de una proteína de unión al calcio, llamada CML18, que, a diferencia de la gran mayoría de esta gran familia de proteínas, sirve como sensor molecular de los niveles de los iones de hidrógeno. “CML18 actúa como el interruptor de la luz, cuando el pH baja (hay más iones de H+ libres), CML18 interacciona con iones de hidrogeno, en ese momento bloquea la función de los transportadores de potasio interrumpiendo la corriente de potasio a la vacuola”, explica Albert. “Esto demuestra por primera vez que es el pH, y no el calcio como se pensaba, lo que vincula la disponibilidad de potasio con las acciones del transportador en la membrana vacuolar”, señala Pardo.
Los resultados del estudio, junto a investigaciones anteriores, muestran cómo los niveles de pH controlan el transporte de potasio en las plantas, y proporcionan conocimientos fundamentales para desarrollar nuevas herramientas biotecnológicas y mejorar el rendimiento de las plantas bajo estrés abiótico.
Investigación para mejorar el rendimiento de las cosechas
Este estudio, fruto de la colaboración entre los investigadores Pardo y Albert, tiende puentes entre la fisiología vegetal y la biología estructural para proporcionar una visión completa del funcionamiento de los transportadores de iones en diversas condiciones ambientales, lo que resulta muy prometedor para la innovación agrícola.
Estos resultados se relacionan con línea de investigación, desarrollada por Armando Albert, que busca comprender cómo las plantas se adaptan a entornos difíciles. Muestra de ello es el método patentado por el CSIC para desarrollar fármacos que permitan activar a voluntad mecanismos para mejorar la resistencia de las plantas de cosecha ante los efectos de la sequía.
Estas investigaciones son complementadas por el trabajo de José Manuel Pardo, focalizado en comprender los mecanismos que regulan la absorción y el transporte de nutrientes en condiciones de estrés. Su investigación sobre el potasio y otros iones esenciales influye en el avance de prácticas agrícolas sostenibles destinadas a mejorar la resistencia de los cultivos.
“El empleo masivo de fertilizantes trae consigo la contaminación del agua y del suelo. Además, cuando el potasio se filtra a los acuíferos y ríos que vierten en mares interiores, como el Mar Menor o la Albufera de Valencia, contribuye a la eutrofización, promoviendo el crecimiento de algas que consumen oxígeno y perjudican la vida de los peces que viven allí”, explica Albert.
“Todos estos conocimientos biofísicos ofrecen a los fitomejoradores valiosas herramientas para aumentar la resistencia de las plantas al estrés por salinidad y sequía, y minimizar así la dependencia de los fertilizantes”, concluyen los investigadores.
