Los científicos han podido desentrañar un sorprendente misterio genético relacionado con los azúcares contenidos en lo que los jardineros llaman “resina de tomate”.
Cualquiera que haya cortado tomates sin guantes probablemente haya experimentado que sus dedos se oscurecen con una sustancia pegajosa de color negro dorado que no se elimina por completo. Esa resina de tomate es pegajosa por una razón. Está elaborado a partir de azúcares (azúcares acilo) y actúa como una especie de velcro natural para posibles plagas.
«Las plantas han evolucionado para producir tantos venenos sorprendentes y otros compuestos biológicamente activos», dijo el investigador de la Universidad Estatal de Michigan, Robert Last, quien dirigió el estudio publicado en la revista Science Advances.
El laboratorio de Last se especializa en azúcares acilo y las pequeñas estructuras parecidas a pelos en las que se producen y almacenan, conocidas como tricomas. Si bien alguna vez se pensó que los azúcares acilo se encontraban exclusivamente en los tricomas, otros investigadores han informado recientemente de la presencia de azúcares acilo en las raíces de tomate. Esto fue una sorpresa para la comunidad científica de las plantas.
En su estudio, el equipo de la Universidad Estatal de Michigan quería saber cómo funcionan estos acilazúcares de raíz y de dónde provienen. Descubrieron que las plantas de tomate no sólo sintetizan acilazúcares químicamente únicos en sus raíces y tricomas, sino que estos acilazúcares se producen mediante dos vías metabólicas paralelas, comparables a las líneas de montaje de una fábrica de automóviles que producen dos modelos diferentes del mismo automóvil, pero nunca interactúen entre sí.
Estos descubrimientos ayudan a los científicos a comprender mejor la resiliencia y la historia evolutiva de las solanáceas, una amplia familia de plantas que incluye tomates, berenjenas, patatas, pimientos, tabaco y petunias. También pueden ayudar a los investigadores que buscan transformar moléculas vegetales en compuestos que ayudarán a la humanidad.
«Desde productos farmacéuticos hasta pesticidas y protectores solares, muchas de las pequeñas moléculas que los humanos han adaptado para diversos fines surgieron de una carrera armamentista entre plantas, microbios e insectos», dijo Last.
Además de los productos químicos clave necesarios para el crecimiento, las plantas también tienen un tesoro de compuestos que desempeñan un papel fundamental en la forma en que interactúan con su entorno. Pueden atraer polinizadores beneficiosos y son la primera línea de defensa contra las plagas.
«Lo notable de estos metabolitos especializados es que normalmente se sintetizan en células y tejidos muy precisos», dijo Rachel Kerwin, becaria postdoctoral en la Universidad de Michigan y primera autora del último artículo. – Tomemos como ejemplo el azúcar acilo. No los encontrarás en las hojas ni en los tallos del tomate. Estos metabolitos protectores físicamente pegajosos se producen justo en las puntas de los tricomas”.
Cuando se supo que los acilazúcares también se podían encontrar en las raíces del tomate, Kerwin lo tomó como una llamada a un trabajo de detective genético a la antigua usanza: “La presencia de estos acilazúcares en las raíces fue sorprendente y planteó muchas preguntas. ¿Cómo sucedió esto, cómo se producen y son diferentes de los tricomas acilo que estudiamos?
Para resolver los misterios de la evolución, el personal del laboratorio interactuó con especialistas del Centro de Espectrometría de Masas y Metabolómica de la universidad, así como con personal del Centro Max T. Rogers de Resonancia Magnética Nuclear.
Al comparar los metabolitos de las raíces y los brotes de tomate, surgieron varias diferencias. La química básica de los azúcares acilo aéreos y subterráneos era marcadamente diferente, hasta el punto de que podían definirse completamente como clases diferentes de azúcares acilo.
Finalmente, el profesor emérito del Departamento de Bioquímica, Biología Molecular y Vegetal de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Michigan ofrece una analogía útil para explicar cómo un genetista aborda la biología.
“Imagínese tratar de entender cómo funciona un automóvil rompiendo un componente a la vez. Si pinchaste las llantas de tu auto y notaste que el motor aún está en marcha, has descubierto un hecho importante, incluso si no sabes qué hacen exactamente las llantas. Reemplace las piezas de automóviles con genes y obtendrá una imagen más clara del trabajo que ha realizado el laboratorio de Last para descifrar aún más el código de los azúcares acilo de raíz, explica.
Mientras estudiaba datos de secuencias genéticas disponibles públicamente, Kerwin notó que muchos de los genes expresados en la producción de azúcar acilo en los tricomas del tomate tenían parientes cercanos en las raíces. Después de identificar la enzima que se cree que es el primer paso en la biosíntesis del azúcar acilo en las raíces, los investigadores comenzaron a romper la máquina.
Cuando eliminaron el gen candidato del acilazúcar de la raíz, la producción de acilazúcar de la raíz desapareció, dejando intacta la producción de tricomas acilazúcar. Mientras tanto, cuando el bien estudiado gen del tricoma acilazúcar fue eliminado, la producción de acilazúcar en las raíces continuó con normalidad.
Estos resultados proporcionaron evidencia sorprendente para el reflejo metabólico propuesto.
«Además de la vía del azúcar acilo en la superficie que hemos estado estudiando durante años, aquí estamos descubriendo un segundo universo paralelo que existe bajo tierra», dijo Last.
«Esto confirmó que coexisten dos vías en la misma planta», añadió Kerwin.
Para demostrar este avance, Janie Hart, becaria postdoctoral y segunda autora del artículo, examinó más de cerca las funciones de los tricomas y las enzimas de las raíces. Debido a que las enzimas tricomas y los azúcares acilo que producen están bien estudiados, también encontró una conexión prometedora entre las enzimas de la raíz y los azúcares acilo de la raíz.
«El estudio de enzimas aisladas es una herramienta poderosa para establecer su actividad y sacar conclusiones sobre sus funciones funcionales dentro de la célula vegetal», explicó Hart.
Estos resultados proporcionan más evidencia de la existencia de vías metabólicas paralelas en la misma planta de tomate.
“Las plantas y los automóviles son muy diferentes, pero similares en el sentido de que cuando abres el proverbial capó, te das cuenta de las muchas piezas y conexiones que los hacen funcionar. El trabajo nos aporta nuevos conocimientos sobre una de estas partes de la planta del tomate y sugiere acciones futuras. investigar sobre su evolución y funcionamiento y si podemos utilizarlo de otras maneras. Cuanto más aprendamos sobre los seres vivos (desde tomates y otros cultivos hasta animales y microbios), mayor será la oportunidad de utilizar ese conocimiento en beneficio de la sociedad”, dijo Pankaj Jaiswal, director de programas de la Fundación Nacional de Ciencias.
El artículo también informa sobre un interesante e inesperado giro de los acontecimientos que involucran grupos de genes biosintéticos o BGC. Los BGC son conjuntos de genes que se agrupan físicamente en un cromosoma y participan en una vía metabólica específica.
Anteriormente, el laboratorio de Last identificó un BGC que contenía genes asociados con tricomas acilo en plantas de tomate. Kerwin, Hart y sus colegas descubrieron que una enzima acilazúcar expresada en la raíz se encuentra en el mismo grupo.
“Normalmente, en los BGC, los genes se coexpresan en los mismos tejidos y en las mismas condiciones. Pero aquí tenemos dos grupos de genes separados pero interrelacionados. Algunos se expresan en tricomas y otros en raíces”, dice Kerwin.
Este descubrimiento impulsó una inmersión en la trayectoria evolutiva de las especies de solanáceas con la esperanza de determinar cuándo y cómo evolucionaron estas dos vías únicas de acilazúcar.
En particular, los investigadores observaron un momento hace unos 19 millones de años en el que se duplicó la enzima responsable de los acilazúcares en los tricomas. Esta enzima algún día será responsable de la vía recién descubierta del acilazúcar expresada en las raíces.
Aún se desconoce el mecanismo exacto que activa esta enzima en las raíces, lo que allana el camino para que el laboratorio de Last continúe descubriendo los secretos evolutivos y metabólicos de la familia de las solanáceas. El trabajo también recuerda la importancia de los pesticidas naturales, que en última instancia representan metabolitos protectores como los azúcares acilo.
«Si descubrimos que estos azúcares acilo de las raíces son eficaces para repeler plagas, ¿podrían cruzarse con otras solanáceas, ayudando así a que las plantas crezcan sin la necesidad de fungicidas y pesticidas sintéticos?» – Los científicos también van a encontrar la respuesta a la pregunta.
Fuente y foto: Universidad Estatal de Michigan.
