Agricultura Botánica y Genética Cereales Estados Unidos

Los genes naturales de defensa de las plantas proporcionan pistas para una protección más segura en el grano de sorgo


Las malas hierbas a menudo surgen 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?


por 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 por los herbicidas aplicados en el suelo y en las hojas: cultivos tolerantes a herbicidas genéticamente modificados; y protectores, productos químicos que protegen selectivamente (y misteriosamente) ciertos cultivos del daño. En un nuevo estudio de la Universidad de Illinois, los investigadores identifican los genes y las vías metabólicas responsables de la eficacia del protector en el sorgo de grano .

El descubrimiento explica en gran medida cómo funcionan los protectores. Según Dean Riechers, científico de malezas en el Departamento de Ciencias de Cultivos de la U de I y coautor del estudio Fronteras en Ciencias de las Plantas , los científicos descubrieron casualmente protectores a fines de la década de 1940. Las plantas de tomate cultivadas en invernadero fueron expuestas 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, no sufrieron daños. Sin comprender completamente cómo funcionaban, los investigadores comenzaron a experimentar para encontrar más «antídotos herbicidas» antes de comercializar el primer protector (diclormida) para el maíz en 1971.

Hoy, después de casi 50 años de uso comercial en maíz, arroz, trigo y sorgo de 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 malezas es fascinante, pero no tiene sentido intuitivo, según Riechers. Descubrir cómo se activa el mecanismo de protección en los cultivos de cereales algún día podría ayudar a los científicos a inducir protección en los 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.

Sin embargo, el primer paso es comprender lo que sucede dentro de las células de los cultivos de cereales cuando se exponen a protectores. En ensayos previos con sorgo de grano, el equipo de investigación notó 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 otros productos químicos extraños antes de que puedan causar daños. Pero eso no redujo mucho el pajar.

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

El equipo utilizó un enfoque conocido como estudio de asociación de todo el genoma. Cultivaron 761 líneas endogámicas de sorgo de grano en un invernadero y compararon plantas tratadas solo con un protector, solo con herbicida, o tanto con protector como con herbicida. Al buscar diferencias en el genoma, encontraron genes específicos y regiones genéticas que se activaron en las plantas tratadas con el protector. No es sorprendente que fueran genes codificados para dos GST.

«Aunque sospechamos que los GST estaban involucrados, esta técnica aparentemente identificó el gen responsable de proteger el 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 de forma más segura y revelaron una vía de defensa de la planta que realiza un doble trabajo.

Según Riechers y el 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 libera una «bomba de cianuro», matando al insecto o al patógeno. Resulta que algunos genes involucrados 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 está aprovechando una vía de defensa química que la planta ya está utilizando para protegerse», dice Riechers. «Este es un concepto nuevo que nadie ha propuesto antes en el sorgo. Nos está dando una idea de por qué el protector podría estar provocando esta respuesta en la planta».

Según Riechers, la capacidad de activar defensas y vías de protección con protectores podría tener todo tipo de aplicaciones. «No parece lógico que haya una vía que sea específica para los herbicidas sintéticos», dice. «Quizás se podrían implementar protectores para proteger los cultivos contra los herbívoros de insectos, los contaminantes químicos o el 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 herbicidas y cultivos seguros que eventualmente podrían traducirse en cultivos de hoja ancha .

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


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