Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Los genes de defensa de las plantas naturales brindan pistas para proteger de forma segura el sorgo en grano


Las malezas a menudo emergen al mismo tiempo que las plántulas de cultivos vulnerables y se escabullen entre las plantas a medida que crecen los cultivos. ¿Cómo los matan los agricultores sin dañar los cultivos?


Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Las compañías de semillas y productos químicos han desarrollado dos tecnologías principales para evitar daños a los cultivos causados ​​por herbicidas aplicados al suelo y foliares: cultivos tolerantes a herbicidas modificados genéticamente; y protectores, productos químicos que protegen selectivamente, y misteriosamente, ciertos cultivos contra daños. En un nuevo estudio de la Universidad de Illinois, los investigadores identifican los genes y las vías metabólicas responsables de la eficacia segura en el sorgo en grano .

El descubrimiento explica en gran medida cómo funcionan los protectores. Según Dean Riechers, científico especializado en malas hierbas en el Departamento de Ciencias de la Cosecha en la U de I y coautor del estudio Frontiers in Plant Science , los científicos descubrieron de forma fortuita los protectores a finales de los años cuarenta. Las plantas de tomate cultivadas en invernadero se expusieron inadvertidamente a una hormona vegetal sintética durante un experimento. Los tomates no mostraron síntomas de exposición a la hormona en sí, pero cuando se roció un herbicida más tarde, quedaron ilesos. Sin entender completamente cómo funcionaban, los investigadores comenzaron a experimentar para encontrar más «antídotos herbicidas» antes de comercializar el primer protector (dichlormid) para el maíz en 1971.

Hoy, después de casi 50 años de uso comercial en maíz, arroz, trigo y sorgo en grano, los protectores siguen siendo un misterio. La existencia de productos químicos sintéticos que protegen selectivamente los cultivos de cereales de alto valor y no los cultivos de hoja ancha o las malezas es fascinante, pero no tiene sentido intuitivo, según Riechers. Averiguar cómo el mecanismo de protección se activa en los cultivos de cereales podría algún día ayudar a los científicos a inducir la protección en cultivos de hoja ancha, como la soja y el algodón.

«Encontrar un protector que funcione en cultivos de dicotiledóneas sería el Santo Grial», dice Riechers.

El primer paso, sin embargo, es entender qué sucede dentro de las células de los cultivos de cereales cuando se exponen a los protectores. En ensayos previos con sorgo de grano, el equipo de investigación observó un aumento masivo en la producción de glutatión S-transferasas (GST). Estas enzimas importantes, presentes en todos los organismos vivos, desintoxican rápidamente los herbicidas y otras sustancias químicas extrañas antes de que puedan causar daño. Pero eso no redujo mucho el pajar.

«Estos cultivos de cereales tienen hasta 100 GST, y no sabíamos si uno o más estaba proporcionando el efecto protector», dice Riechers. «Tampoco pudimos decir por qué aumentaron los GST».

El equipo utilizó un enfoque conocido como un estudio de asociación de genoma completo. Cultivaron 761 granos de líneas puras de sorgo en un invernadero y compararon plantas tratadas solo con protector, solo con herbicida, o con tanto protector como con herbicida. Recorriendo el genoma en busca de diferencias, encontraron genes específicos y regiones de genes que se activaron en las plantas tratadas con protectores. No en vano, eran genes que codificaban dos GST.

«Aunque sospechamos que las GST estaban involucradas, esta técnica aparentemente localizó el gen responsable de la protección del sorgo, SbGSTF1 , junto con un segundo gen GST en tándem», dice Riechers.

Además de encontrar este gen clave para la desintoxicación, los investigadores también analizaron las moléculas de ARN expresadas en plantas tratadas con protectores y revelaron una vía de defensa de la planta que ejercía una doble función.

Según Riechers y su coautor Patrick Brown, el sorgo es bien conocido por producir aleloquímicos, o defensas químicas, contra insectos y patógenos. Uno de estos, dhurrin, es un químico con un grupo de cianuro. Cuando está bajo ataque, el sorgo lanza una «bomba de cianuro», matando al insecto o patógeno. Resulta que algunos genes implicados en la síntesis de dhurrin y el metabolismo también se activaron en respuesta a los protectores.

«Este vínculo con dhurrin fue una especie de pista, tal vez el protector esté aprovechando una vía de defensa química que la planta ya está usando para protegerse», dice Riechers. «Este es un concepto nuevo que nadie ha propuesto antes en el sorgo. Nos da una idea de por qué el protector podría estar provocando esta respuesta en la planta».

La capacidad de activar las defensas y las vías de protección con protectores podría tener todo tipo de aplicaciones, según Riechers. «No parece lógico que haya un camino que sea específico para los herbicidas sintéticos», dice. «Tal vez se podrían implementar protectores para proteger los cultivos contra insectos herbívoros, contaminantes químicos o estrés ambiental. Las posibilidades y aplicaciones son muy prometedoras».

Los investigadores tienen planes y fondos para expandir el experimento al trigo, y en última instancia esperan identificar combinaciones más seguras de herbicida-herbicida que podrían eventualmente traducirse en cultivos de hoja ancha .

El artículo, «Los estudios de perfiles de transcriptomas y asociación de genoma completo revelan GST y otros genes de defensa implicados en múltiples vías de señalización inducidas por herbicida protector en sorgo de grano «, se publica en Frontiers in Plant Science .

Más información: You Soon Baek et al, Estudios de perfiles de transcriptoma y asociación de genoma completo revelan GST y otros genes de defensa involucrados en múltiples vías de señalización inducidas por herbicida Safener en grano sorgo, Frontiers in Plant Science (2019). DOI: 10.3389 / fpls.2019.00192 

Proporcionado por: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Información de: phys.org


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