Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Llegando a la raíz de cómo las plantas toleran demasiado hierro


El hierro es esencial para el crecimiento de las plantas, pero con fuertes lluvias y poca aireación, muchos suelos ácidos se vuelven tóxicos con el exceso de hierro. En países con dramáticas temporadas de inundaciones, como en África occidental y Asia tropical, los niveles tóxicos de hierro pueden tener graves consecuencias sobre la disponibilidad de alimentos básicos, como el arroz.


por el Instituto Salk


A pesar de docenas de intentos en las últimas dos décadas para descubrir los genes responsables de la tolerancia al hierro, estos se mantuvieron esquivos hasta hace poco. Ahora, los científicos de Salk han encontrado un importante regulador genético de la tolerancia al hierro, un gen llamado GSNOR. Los hallazgos, publicados en Nature Communications el 29 de agosto de 2019, podrían conducir al desarrollo de especies de cultivos que producen mayores rendimientos en suelos con exceso de hierro .

«Esta es la primera vez que se identifica un gen y sus variantes naturales para la tolerancia al hierro», dice el profesor asociado Wolfgang Busch, autor principal del artículo y miembro del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk, así como su Laboratorio de Biología Integrativa . «Este trabajo es emocionante porque ahora entendemos cómo las plantas pueden crecer en condiciones estresantes, como altos niveles de hierro, lo que podría ayudarnos a hacer cultivos más resistentes al estrés».

En plantas como el arroz, los niveles elevados de hierro en el suelo causan daño celular directo al dañar las grasas y las proteínas, disminuyendo la capacidad de crecimiento de las raíces. Sin embargo, algunas plantas parecen tener una tolerancia inherente a los altos niveles de hierro; Los científicos querían entender por qué.

Llegando a la raíz de cómo las plantas toleran demasiado hierro
Desde la izquierda: Baohai Li y Wolfgang Busch. Crédito: Instituto Salk

«Creíamos que había mecanismos genéticos que subyacen a esta resistencia, pero no estaba claro qué genes eran responsables», dice el primer autor Baohai Li, un becario postdoctoral en el laboratorio de Busch. «Para examinar esta pregunta, utilizamos el poder de la variación natural de cientos de cepas diferentes de plantas para estudiar la adaptación genética a altos niveles de hierro».

Los científicos primero probaron varias cepas de una pequeña planta de mostaza ( Arabidopsis thaliana ), para observar si había una variación natural en la resistencia al hierro. Algunas de las plantas exhibieron tolerancia a la toxicidad del hierro, por lo que los investigadores utilizaron un enfoque llamado estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) para localizar el gen responsable. Sus análisis identificaron el gen GSNOR como la clave para permitir que las plantas y raíces crezcan en ambientes pesados ​​de hierro.

Los investigadores también encontraron que, para su sorpresa, el mecanismo de tolerancia al hierro está relacionado con las actividades del óxido nítrico, una molécula gaseosa con una variedad de funciones en las plantas, incluida la respuesta al estrés. Los altos niveles de óxido nítrico inducen el estrés celular y deterioran la tolerancia de las raíces de las plantas a los niveles elevados de hierro. Esto ocurrió cuando las plantas no tenían un gen GSNOR funcional. GSNOR probablemente juega un papel central en el metabolismo del óxido nítrico y regula la capacidad de las plantas para responder al estrés y daño celular. Este mecanismo de óxido nítrico y el gen GSNOR también afectaron la tolerancia al hierro en otras especies de plantas, como el arroz ( Oryza sativa ) y una leguminosa ( Lotus japonicus), lo que sugiere que este gen y sus actividades son probablemente críticos en muchas, si no todas, las especies de plantas.

«Al identificar este gen y sus variantes genéticas que confieren tolerancia al hierro, esperamos ayudar a las plantas, como el arroz, a volverse más resistentes al hierro en regiones con niveles tóxicos de hierro», dice Busch. «Dado que descubrimos que este gen y esta vía se conservaron en múltiples especies de plantas, sospechamos que pueden ser importantes para la resistencia al hierro en todas las plantas superiores. Además, este gen y esta vía también pueden desempeñar un papel en los humanos y podrían conducir a nuevas tratamientos para afecciones asociadas con sobrecarga de hierro «.

Luego, Li comenzará su propio laboratorio en la Universidad de Zhejiang, en China. Planea identificar las variantes genéticas relevantes en el arroz y observar si las variantes de tolerancia al hierro podrían aumentar el rendimiento de los cultivos en los campos chinos inundados.


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