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La levadura y las bacterias juntas biosintetizan las hormonas vegetales para el control de las malas hierbas

planta
Crédito: CC0 Public Domain

Las plantas regulan su crecimiento y desarrollo utilizando hormonas, incluido un grupo llamado estrigolactonas que previenen la formación excesiva de brotes y ramificaciones. 


por Holly Ober, Universidad de California – Riverside


Por primera vez, los científicos dirigidos por UC Riverside han sintetizado estrigolactonas a partir de microbios. El trabajo se publica en la revista de acceso abierto Science Advances .

Las estrigolactonas también ayudan a las raíces de las plantas a formar relaciones simbióticas con los microorganismos que permiten que la planta absorba los nutrientes del suelo. Estos dos factores han llevado a un interés agrícola en el uso de estrigolactonas para controlar el crecimiento de malezas y parásitos de las raíces, así como para mejorar la absorción de nutrientes.

Estos compuestos que extruyen las raíces no están exentos de riesgos. También estimulan la germinación de hierbas brujas y colza, que pueden provocar el fracaso de cosechas enteras de cereales, por lo que la investigación exhaustiva es esencial antes del desarrollo comercial. Los científicos todavía están aprendiendo sobre las funciones fisiológicas que desempeña este diverso grupo de hormonas en las plantas . Hasta hace poco, la fabricación de estrigolactonas puras para estudios científicos ha sido difícil y demasiado costosa para uso agrícola.

«Nuestro trabajo proporciona una plataforma única para investigar la biosíntesis y evolución de la estrigolactona , y sienta las bases para desarrollar procesos de bioproducción microbiana de estrigolactona como fuentes alternativas», dijo el autor correspondiente Yanran Li, profesor asistente de ingeniería química y ambiental de UC Riverside.

Junto con el coautor para correspondencia Kang Zhou de la Universidad Nacional de Singapur, Li dirigió un grupo que insertaba genes vegetales asociados con la producción de estrigolactona en la levadura de panadería común y la bacteria Escherichia coli no patógena que, en conjunto, producían una variedad de estrigolactonas.

Producir estrigolactonas a partir de levadura resultó ser un gran desafío. Aunque se sabe que la levadura manipulada modifica el precursor de la estrigolactona, llamado carlactona, no pudo sintetizar la carlactona con ninguno de los genes específicos utilizados por los investigadores.

«Este proyecto comenzó a principios de 2018, pero durante más de 20 meses básicamente no hubo progreso. La enzima de control DWRF27 no es funcional, no importa cuánto lo intentemos en la levadura», dijo Li. «Kang desarrolló una técnica de consorcio microbiano para producir un precursor de Taxol en 2015 y eso inspiró esta maravillosa colaboración».

El equipo se volvió hacia E. coli , que ya había demostrado ser capaz de producir carlactona. Sin embargo, la carlactona que producía era inestable y no podía modificarse más mediante la ingeniería genética de E. coli en estrigolactonas. El grupo de Li logró optimizar y estabilizar el precursor de carlactona.

Para su deleite, cuando la levadura y las bacterias se cultivaron juntas en el mismo medio, la E. coli y la levadura trabajaron en equipo: E. coli produjo carlactona y la levadura la transformó en varios productos finales de estrigolactona. El método también produjo suficientes estrigolactonas para extraer y estudiar. Usando esta plataforma, el grupo identificó la función de múltiples enzimas biosintéticas de estrigolactona , demostrando que la naranja dulce y la uva tienen el potencial de sintetizar estrigolactonas de tipo orobanchol.

El equipo también diseñó el metabolismo de los microbios para triplicar la producción de estrigolactona a 47 microgramos por litro, suficiente para un estudio científico. Aunque la producción comercial de estrigolactonas aún está muy lejos, el nuevo método para biosintetizarlas de un consorcio de levadura-bacteria ayudará a los científicos a aprender más sobre este importante grupo de hormonas vegetales, especialmente las enzimas involucradas.

Las enzimas son catalizadores de proteínas y son responsables de la modificación de la carlactona por la levadura. Debido a que la carlactona es inestable, no se puede comprar en fuentes comerciales. Como resultado, muchos científicos de plantas tienen dificultades para estudiar nuevas enzimas que pueden funcionar para transformar la carlactona en estrigolactonas.

«El nuevo cocultivo de levadura-bacteria proporciona una forma conveniente para que los científicos completen tales trabajos porque la bacteria produce carlactona in situ», dijo Zhou. «Con el descubrimiento de más enzimas y la optimización del consorcio microbiano, podemos fabricar estrigolactonas en cantidad en el futuro».

El artículo se titula «Establecimiento de un consorcio de levaduras y bacterias productoras de estrigolactona «.



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