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Los descubrimientos de la arquitectura de la raíz podrían ayudar a generar cultivos resistentes a la sequía


Debemos cultivar nuevas variedades de cultivos en función de su arquitectura de raíz, en lugar de concentrarnos únicamente en la mitad superior de la planta, según científicos que analizan cómo cultivar plantas que utilizan el agua de manera más eficiente y que resisten mejor las condiciones de sequía.


Anthony King, de la revista Horizon , Horizon: la revista de investigación e innovación de la UE

Los campos amarillos y secos fueron una vista común en Europa este verano. La severa sequía 2018 causó daños en trigo, maíz y cebada cultivos , con cosechas abajo en muchos países de la UE . Y los científicos del clima predicen que los cultivos europeos sufrirán de un calor más frecuente y extremo en los próximos años.

Los signos más visibles de estrés por calor y escasez de agua se ven en las hojas, pero los científicos de plantas han comenzado a buscar soluciones en «la mitad oculta»: las raíces.

«Se podría argumentar que durante los últimos 10,000 años, hemos seleccionado variedades de cultivos sobre la base de la mitad superior, y no nos hemos centrado en esta parte oculta de los cultivos», dijo Malcolm Bennett, profesor de ciencia vegetal en la Universidad de Nottingham, Reino Unido. . «Si pudiéramos seleccionar nuevas variedades de cultivos basadas en la arquitectura de la raíz , podríamos mejorar significativamente su capacidad de forrajeo para el agua».

Las raíces absorben el agua y los nutrientes del suelo y almacenan los alimentos para la planta. Los cultivos de cereales con raíces más profundas podrían aspirar agua de otras áreas subterráneas, o las raíces densas y poco profundas podrían capturar mejor los nutrientes como el fósforo que se acumula en la superficie.

Las plantas pueden tener una biomasa de raíces similar a la parte que está por encima del suelo: el desafío es cómo ver las raíces vivas para analizarlas.

El profesor Bennett ha encontrado una solución. Ahora escanea las raíces que crecen a través del suelo utilizando una tomografía computarizada con rayos X (micro CT), la misma tecnología que los médicos utilizan habitualmente para ver a los pacientes. Su máquina, sin embargo, es un coloso, de tres a cuatro veces más grande que un escáner médico típico y un único en Europa para las ciencias de la vida.

Es tan grande que un nuevo edificio, la instalación de Hounsfield , fue construido para albergar el escáner gigante, que está encerrado en 20 toneladas de plomo. Un robot pesado lo instaló en un piso especialmente reforzado. «Los escáneres (de este tamaño) se usan normalmente en las industrias automotriz y aeroespacial, donde se usan para escanear partes del motor y del ala en busca de fallas», explicó el Prof. Bennett. ‘Lo nuestro nos permite (para) imaginar raíces vivas’.

Los investigadores cultivan trigo en tubos de plástico de PVC de un metro de altura y luego imaginan sus raíces a lo largo de su vida útil. Se toman más de 8,000 tomas de rayos X y los algoritmos de computadora unen estas secciones para crear una imagen 3D de las raíces que crecen en el suelo en un solo punto en el tiempo. Debido a que las plantas pueden soportar más potencia de rayos X que los humanos, la resolución es mucho más alta y puede revelar incluso el más fino de los pelos radiculares. El escaneo se puede hacer repetidamente para visualizar el crecimiento de las raíces.

Sed

A través de un proyecto llamado FUTUREROOTS, el grupo del Prof. Bennett ha escaneado cientos de variedades de trigo para ver cómo responden a la sed. Compararon los excelentes en el uso de agua limitada con los que son pobres.

‘Notamos algo fascinante. «Las plantas que fueron más eficientes en el uso del agua cambiaron el ángulo de sus raíces cuando aplicaron estrés por sequía», dijo el profesor Bennett. «Los ángulos de enraizamiento más pronunciados les permitieron buscar fuentes de agua más profundas».

Con colaboradores estadounidenses y chinos, el profesor Bennett ha identificado recientemente genes maestros que controlan el ángulo de la raíz en el maíz y el arroz.

Esto puede parecer trivial, pero es muy importante para la producción de alimentos. En el Reino Unido, por ejemplo, la mayoría de los cereales como el trigo se cultivan en el este del país, que recibe menos lluvia y sufrió escasez de agua este verano.

«Para mantener los rendimientos de trigo aquí (en el Reino Unido), necesitamos tener nuevas variedades con raíces que crezcan al menos medio metro, como mínimo», explicó el Prof. Bennett. Otras partes de Europa están igualmente preocupadas por la escasez de agua y su efecto en los cultivos.

Los cultivos de mejoramiento con mejores sistemas de raíces también podrían reducir la cantidad de fertilizante nitrogenado que aplican los agricultores. El nitrógeno es caro y el exceso de nitrógeno escurre y contamina los ríos y lagos, por lo que las raíces mejoradas podrían reducir los costos para los agricultores y al mismo tiempo ayudar al medio ambiente. Un ganar-ganar.

«Podríamos optimizar los sistemas de raíces de los cultivos para absorber los nutrientes de manera más eficiente, como seleccionar variedades de raíces más profundas para capturar el nitrógeno a medida que se adentra en el suelo», dijo el profesor Bennett. «La idea de seleccionar nuevas variedades basadas en la arquitectura de la raíz está ganando apoyo entre las compañías de mejoramiento y los investigadores».

El estudio de las raíces de las malezas también puede dar una idea de cómo producir cultivos más resistentes. Los científicos de plantas en Francia examinaron recientemente una pequeña maleza llamada Arabidopsis,comúnmente conocida como berro de Thale, para comprender mejor la forma en que las raíces aprovechan mejor el agua escasa. Arabidopsis es la planta más popular en investigación, una especie de ratón de laboratorio en el mundo vegetal, y su proyecto DROUGHTROOT estudió la arquitectura de las raíces, las hormonas vegetales y las proteínas de canales de agua especiales en células conocidas como acuaporinas.

Los científicos con sede en Montpellier descubrieron que las plantas tienen un plan A y un plan B por falta de agua. «Una estrategia es cultivar más raíces y absorber mejor el agua, pero en condiciones de sequía severa, las plantas toman una estrategia alternativa. Regula a la baja el sistema hidráulico de su raíz e intenta protegerse de la deshidratación «, explicó el coordinador del proyecto, el Dr. Christophe Maurel, científico de plantas del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS). Esta investigación, para la cual el Dr. Maurel está preparando un manuscrito para publicación, descubrió genes, proteínas y hormonas que contribuyen a la respuesta de una planta a la sequía.

Sequía

El Dr. Maurel ahora está tomando estas lecciones de la maleza de laboratorio y las está aplicando a un cultivo importante: el maíz. El maíz es un cultivo económicamente importante en Europa, y se cultiva especialmente en Francia, el norte de Italia, Alemania y Europa del Este. Puede ser susceptible a la sequía en Europa porque florece en verano, a diferencia del trigo, que florece antes.

El Dr. Maurel está estudiando el crecimiento de las raíces de este cultivo y los genes detrás de su respuesta a la sequía en un proyecto llamado HyArchi , que espera que sirva de conocimiento que ayude a los cultivadores a desarrollar plantas o cultivares, más adecuados para las condiciones de sequía en particular. regiones.

‘Hemos podido medir el rendimiento de diferentes cultivares de maíz. Vemos algunas diferencias agradables y vemos variabilidad genética en la hidráulica de la raíz. «Esto es importante y me hace optimista de que podemos aprovechar su genética (para producir nuevas variedades)», dijo el Dr. Maurel.

En septiembre, el grupo informó que había encontrado un gen maestro en Arabidopsis involucrado en la fabricación de los vasos que transportan el agua dentro de las raíces. La modificación de este gen aumentó el número de vasos. Esto podría ser una buena noticia para las condiciones de sequía . Pero había trampa.

«Cuantos más vasos se encuentren en las puntas de las raíces, más susceptibles serán a la invasión de las bacterias del suelo», dijo el Dr. Maurel, lo que significa que existe un equilibrio entre una mejor capacidad para resistir la sequía y la vulnerabilidad a la infección.

El Dr. Maurel señala que este tipo de investigación fundamental tiene una visión a largo plazo. «Podríamos ayudar a los criadores no en cinco años, sino tal vez de 10 a 20 años», dijo. «De todos modos, en 10 a 20 años enfrentaremos desafíos aún más fuertes con la sequía y el cambio climático».

Proporcionado por: Horizon: la revista de investigación e innovación de la UE


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