La duplicación genética gobierna la simbiosis de fijación de nitrógeno entre leguminosas y bacterias


Los investigadores han descubierto que las bacterias rizobianas están secuestrando una proteína clave en las legumbres involucrada en el transporte molecular para controlar cómo se forman las estructuras celulares simbióticas que permiten a las plantas absorber nitrógeno entre los dos organismos.


Los procesos que gobiernan la formación de estructuras simbióticas entre las bacterias fijadoras de nitrógeno y las leguminosas en las raíces de estas últimas siguen siendo en gran medida un misterio para la ciencia, pero investigadores del Instituto de Microbiología de la Academia de Ciencias de China han descubierto recientemente que se trata de una duplicación de los genes. jugando un papel clave. El estudio fue publicado en la revista Nature Plants .

El nitrógeno es uno de los ingredientes más importantes de la vida. Es un componente integral de los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos que forman el ADN y el ARN, los componentes básicos de los organismos vivos. Si las plantas, los animales, los hongos, las bacterias o cualquier otro organismo sufren deficiencia de nitrógeno, es casi seguro que morirán. Alrededor del 80 por ciento de la atmósfera está compuesta por gas nitrógeno, por lo que uno podría pensar que la deficiencia de nitrógeno es poco probable. Pero el nitrógeno en esta forma (moléculas compuestas por dos átomos de nitrógeno unidos, o N 2 ) no puede ser utilizado por casi todos los organismos.

Las bacterias fijadoras de nitrógeno son las únicas bacterias en la naturaleza que pueden romper el enlace triple increíblemente fuerte de N 2 y unir los átomos de nitrógeno al hidrógeno para producir amoníaco (NH 3) – una especie de molécula a base de nitrógeno que los organismos pueden tomar y usar. Este proceso se llama fijación biológica de nitrógeno. Muchas plantas pueden absorber el amoníaco sintetizado por las bacterias fijadoras de nitrógeno, y otros organismos, incluidos los animales, pueden comer esas plantas o comer animales que han comido esas plantas, y de esta manera obtener su ‘fijación’ de nitrógeno.

También hay un pequeño número de plantas, en particular las leguminosas, que disfrutan de una relación simbiótica con los rizobios en la que las bacterias se incorporan a algunas de las células de las raíces, formando pequeños crecimientos en forma de nódulos. La negociación simbiótica entre las bacterias y las plantas implica que los rizobios intercambien parte de su amoníaco por otros tipos de nutrientes necesarios para el desarrollo. Pero muchos cultivos no disfrutan de esta relación simbiótica. En estos casos, los agricultores necesitan esparcir estiércol o fertilizante sintético en sus campos para que estos cultivos puedan acceder al nitrógeno vital del amoníaco.

El fertilizante sintético se produce a altas temperaturas y presiones para combinar nitrógeno atmosférico con hidrógeno para producir amoníaco. La forma más fácil y económica de obtener el ingrediente de hidrógeno es romper las moléculas de metano que componen el gas natural con dióxido de carbono como subproducto. Esto hace que la producción de fertilizantes sea una de las principales causas del calentamiento global en la agricultura. Además, tanto el estiércol como los fertilizantes sintéticos provocan la escorrentía agrícola de amoníaco en los ríos y arroyos, lo que provoca la contaminación por nitrógeno, incluida la proliferación de algas mortales.

″Si los científicos pueden aprender más sobre cómo ocurre la simbiosis entre rizobios y leguminosas, tal vez podamos diseñar otros tipos de plantas que puedan formar tal simbiosis, o incluso fijar nitrógeno directamente″, dijo KONG Zhaosheng del Instituto de Microbiología y coautor de el papel. ″Esto podría reducir radicalmente nuestra dependencia del estiércol y los fertilizantes sintéticos, y ha sido durante mucho tiempo el Santo Grial de la agricultura sostenible.″

Se sabe que la membrana del simbiosoma derivado de la planta proporciona una interfaz para el intercambio de nutrientes y «señales» (directrices químicas) entre los dos simbiontes, la planta y la bacteria, y que el citoesqueleto de la célula vegetal juega un papel clave en esta interfaz. Los investigadores sospecharon que la vacuola central probablemente juega un papel en el simbiosoma, ya que ejerce fuerza sobre la célula y la pared celular para mantener el equilibrio de la presión, lo que ayuda a coordinar la organización interna de la célula. Pero los mecanismos subyacentes de cómo funciona esto siguen siendo en gran parte desconocidos.

En la hepática común, Marchantia polymorpha , hay una proteína llamada proteína de unión a calmodulina similar a la cinesina.(KCBP). Las cinesinas son proteínas ‘motoras’ que funcionan para transportar moléculas a través de las células de muchos tipos diferentes de organismos ‘caminando’ a lo largo de las estructuras internas de los microtúbulos. Sin embargo, KCBP es exclusivo de las plantas y en las hepáticas es esencial para el crecimiento de sus rizoides, estructuras similares a raíces de estas plantas tempranas. Se cree que la proteína es uno de los desarrollos evolutivos clave que permitió que las plantas se adaptaran a la tierra.

En la planta de trébol de barril (un tipo de leguminosa), los genes responsables de la producción de este KCBP se activan casi en todas partes en los pelos de la raíz en la etapa de infección. Centrándose en los genes que codifican KCBP, los investigadores utilizaron el análisis de la herramienta de búsqueda de alineación local básica, un programa que compara secuencias genéticas o de proteínas de organismos específicos con bases de datos de tales secuencias, para encontrar regiones similares.

Descubrieron que en el genoma del trébol barril hay una duplicación de los mismos, y donde ocurre esta duplicación de genes que codifican KCBP, su actividad parece estar solo relacionada con las interacciones entre el trébol barril y las bacterias rizobias que permiten la formación del simbiosoma. El análisis filogenético separado, una historia evolutiva de cambios genéticos en especies ancestrales a lo largo del tiempo, mostró que esta duplicación de genes que codifican KCBP solo ocurre en las leguminosas que forman simbiosomas.

Los investigadores creían que los rizobios están secuestrando el KCBP duplicado de la planta para dirigir un enlace cruzado de microtúbulos dentro de la célula para controlar cómo se forma la vacuola central en las células simbióticas.

En el futuro, los investigadores pretenden identificar qué impulsa la activación (expresión) de los genes KCBP duplicados.

Fuente: ACADEMIA CHINA DE CIENCIAS



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