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Los investigadores muestran dónde y cómo las plantas detectan el nutriente potasio

Los investigadores muestran dónde y cómo las plantas detectan el nutriente potasio
Concentración de potasio en las células de la raíz (citosol) inmediatamente después del inicio de la deficiencia de potasio (serie temporal, desde la izquierda). Representación en colores falsos; rojo (concentración más alta)> amarillo> verde> azul (concentración más baja). Crédito: WWU – AG Kudla

El potasio es un nutriente esencial para todos los seres vivos. Las plantas lo necesitan en grandes cantidades, especialmente para el crecimiento y para resistir mejor el estrés. 


por la Universidad de Münster


Por este motivo, absorben grandes cantidades de potasio del suelo. En la agricultura, esto conduce a una falta de potasio disponible en el suelo, razón por la cual el mineral es un componente importante en los fertilizantes. Un equipo de investigadores alemanes y chinos ha demostrado, por primera vez, dónde y cómo las plantas detectan la deficiencia de potasio en sus raíces, y qué vías de señalización coordinan la adaptación del crecimiento de las raíces y la absorción de potasio para mantener el suministro de potasio de las plantas.

Antecedentes: la absorción y el transporte de potasio a nivel de células individuales se han caracterizado relativamente bien, y se conocen muchas de las estructuras y mecanismos moleculares que intervienen en estos procesos. Además, los investigadores demostraron hace décadas que las plantas se adaptan muy específicamente a la deficiencia de potasio. Un enigma que aún permanece, sin embargo, es cómo las plantas detectan la disponibilidad de potasio en el suelo y qué mecanismos están detrás de las reacciones de adaptación en el organismo de la planta. El nuevo estudio arroja luz sobre estas cuestiones. Los resultados han sido publicados en la revista Developmental Cell

Las observaciones contradicen los libros de texto.

Los investigadores examinaron las plantas de berro (Arabidopsis thaliana) que se transformaron con la proteína informadora de potasio recientemente desarrollada GEPII. Esta proteína informadora permite la detección microscópica de la concentración y distribución de iones de potasio en células y tejidos. Incluso cuando no había deficiencia de potasio, el equipo de investigación hizo un descubrimiento muy sorprendente: la concentración de este nutriente en el citoplasma de las células aumentaba con cada capa celular dentro de la raíz, desde el exterior hacia el interior.

«Estas observaciones fueron realmente sorprendentes», dice el profesor Jörg Kudla del Instituto de Biología Vegetal y Biotecnología de la Universidad de Münster (Alemania). «Contradice los libros de texto, que dicen que los nutrientes se transmiten de manera uniforme, de afuera hacia adentro, hacia el tejido vascular de la raíz, no solo de una célula a otra, sino también a través de los espacios intercelulares».

El «nicho sensible al potasio» reacciona a la deficiencia de potasio

Posteriormente, el equipo de investigadores examinó cómo reaccionan las raíces a la deficiencia de potasio. Al hacerlo, demostraron por primera vez que si las plantas están sujetas a deficiencia de potasio, la concentración de potasio se reduce solo dentro de ciertas células en la punta de la raíz. Estas «células postmeristemáticas» directamente encima de las células madre viables en la punta de la raíz reaccionan extremadamente rápido a la deficiencia de potasio; la concentración de potasio dentro de la célula (en el citoplasma) disminuye en segundos. Hasta ahora no se sabía que cierto grupo de células ubicadas en el centro del ápice de la raíz reacciona a una deficiencia de potasio en su entorno. Los investigadores llamaron a este grupo de células «nicho sensible al potasio».

«Estas observaciones también fueron muy sorprendentes», dice Kudla. «Si las plantas están privadas de potasio, solo las células en el nicho sensible al potasio muestran una reacción; la concentración de potasio en las otras células de la raíz permanece sin cambios. Anteriormente se suponía que, naturalmente, las células en la capa celular más externa, la epidermis, reaccionaría primero a una reducción en la concentración de potasio en el suelo «.

Visualizando el camino del potasio

Simultáneamente con la disminución de la concentración de potasio en el nicho sensible al potasio, las señales de calcio ocurren en estas células y se esparcen por la raíz. Como sustancia mensajera, el calcio controla muchos procesos en los organismos vivos, tal como lo hace aquí: las señales de calcio inician una compleja cascada de señales moleculares. Esta cadena de señales, que los investigadores fueron los primeros en definir en detalle, en última instancia provoca no solo una mayor formación de proteínas transportadoras de potasio, sino que también provoca cambios en la diferenciación tisular de la raíz. Esto facilita una absorción más eficiente de los iones de potasio y mantiene su distribución en la planta. «Por primera vez», dice Kudla, «utilizando métodos de imágenes, hemos visualizado el camino del potasio en un organismo vivo».

Los resultados proporcionan información fundamental sobre dónde las plantas detectan la disponibilidad del nutriente esencial potasio y cómo se adaptan a él. La comprensión de estos procesos podría ayudar en el futuro a producir mejores plantas para fines agrícolas y utilizar fertilizantes de una manera más personalizada.

La metodología

Para visualizar la distribución del potasio en las raíces de la planta, los investigadores utilizaron métodos microscópicos especiales (por ejemplo, transferencia de energía por resonancia de Förster, FRET), en combinación con proteínas sensoras de potasio, calcio y peróxido de hidrógeno. Para examinar los mecanismos moleculares, los investigadores produjeron y compararon plantas transgénicas de Arabidopsis que, debido a diferentes mutaciones genéticas, mostraban síntomas de deficiencia de potasio. Utilizaron una variedad de métodos genéticos, biológicos moleculares y bioquímicos para identificar y caracterizar las proteínas y los mecanismos involucrados en la transmisión de las señales de potasio y calcio.




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