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Por qué los cultivos de cereales son mejores

Por qué los cultivos de cereales son mejores
Procesos en el poro de una hoja (estoma) de gramíneas. Cuando las hojas se abren y cierran, un servicio de transporte lleva iones de un lado a otro entre las celdas de guardia y las celdas subsidiarias. Crédito: Dietmar Geiger

Los cultivos de cereales son mucho más tolerantes a la sequía que otras plantas. Los investigadores de Würzburg ahora han descubierto por qué es así. Su conocimiento podría ayudar a generar cultivos que sean más resistentes a la sequía.


por Julius-Maximilians-Universität Würzburg


La cebada, el trigo, el maíz y el arroz comprenden todos los cereales principales. Son vitales para alimentar a la población mundial. Los agricultores producen el 80 por ciento de todos los alimentos de origen vegetal a partir de cultivos de pasto. Este éxito se debe en parte a la capacidad de las plantas para adaptarse más rápidamente a las condiciones secas y soportar la falta de agua mejor que otras plantas.

Pero, ¿por qué los pastos son más tolerantes a la escasez de agua? ¿Se pueden cultivar otros cultivos alimentarios para esta propiedad también para asegurar o aumentar los rendimientos agrícolas en el futuro? Esto podría ser importante ante una población mundial en crecimiento y el cambio climático que conllevará más períodos de clima seco y caluroso.

Los investigadores de plantas, el profesor Rainer Hedrich, el profesor Dietmar Geiger y el Dr. Peter Ache de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en Baviera, Alemania, están investigando estas preguntas. Estudiaron la elaboración de cebada para determinar por qué los pastos son más tolerantes al estrés y, por lo tanto, son plantas de cultivo «mejores» que las papas y similares.

Dos aminoácidos marcan la diferencia

Los científicos descubrieron que esta diferencia se puede atribuir a la proteína SLAC1 de las células de guarda. Solo dos aminoácidos , los componentes básicos que componen las proteínas, son responsables de la tolerancia a la sequía de la planta. «Ahora queremos saber si esta pequeña diferencia se puede aprovechar para hacer que las patatas, los tomates o la colza también sean más tolerantes al estrés», dice Rainer Hedrich.

Los nuevos conocimientos se han publicado en la prestigiosa revista Current Biology , en la que Hedrich, Geiger y Ache describen cómo identificaron la pequeña diferencia entre los pastos y otras plantas.

El transporte de iones es un proceso clave

Los investigadores de JMU comenzaron a escudriñar los poros de las hojas microscópicamente pequeños llamados estomas. Estas aberturas admiten dióxido de carbono para la fotosíntesis en la planta. Pero también sirven como salidas de agua. Para evitar perder demasiada agua por evaporación, las plantas terrestres han aprendido durante la evolución a abrir y cerrar activamente sus estomas utilizando células de protección especiales. Las proteínas de membrana como SLAC1 juegan un papel clave en este proceso regulador: actuando como canales, guían los iones hacia adentro y hacia afuera de las células.

Hedrich está convencido de que una comprensión básica de los sucesos moleculares durante el transporte de iones a través de la membrana plasmática de las células protectoras es la clave para mejorar la tolerancia a la sequía y el rendimiento de las plantas agrícolas.

Los transbordadores de iones hacen que los poros de las hojas sean más eficientes

Los estomas de las gramíneas tienen una característica especial: el poro está bordeado por dos pares de células, mientras que otras plantas solo tienen un par de células. Los cereales de pasto cuentan con dos células de protección en forma de pesa que forman y regulan el poro. Además, están flanqueados por dos celdas subsidiarias.

Los investigadores de la JMU han demostrado que las células subsidiarias absorben y almacenan el potasio y el cloruro de las células protectoras cuando se cierra el poro. Cuando se abre el estoma, devuelven los iones a las células de guarda. «Nuestros cereales utilizan las células subsidiarias como un depósito dinámico para iones osmóticamente activos. Este servicio de lanzadera de iones entre la celda protectora y la celda subsidiaria permite que la planta regule los poros de manera particularmente eficiente y rápida», explica Dietmar Geiger.

Dos sistemas de medición para una mayor resistencia a la sequía

Existe un segundo mecanismo que hace que los pastos sean más tolerantes a las condiciones secas. Cuando el agua escasea, las plantas producen la hormona del estrés ABA (ácido abscísico). Dentro de las células de guarda , activa los canales iónicos de la familia SLAC1, iniciando así el cierre de los estomas para evitar que la planta se marchite en cuestión de minutos.

«Curiosamente, encontramos que el nitrato debe estar presente en la elaboración de cebada y otros cereales de pasto además de ABA para permitir que se cierre el poro», dice Peter Ache. La concentración de nitrato permite que la cebada mida la forma en la que se encuentra la fotosíntesis. Si funciona sin problemas, los niveles de nitrato son bajos.

Por lo tanto, la cebada se basa en dos sistemas de medición: utiliza ABA para registrar la disponibilidad de agua y nitrato para evaluar el rendimiento de la fotosíntesis. «Al combinar los dos, la cebada es más capaz que otras plantas para negociar entre los extremos de ‘morir de hambre’ y ‘morir de sed’ cuando se enfrenta a la escasez de agua», explica Rainer Hedrich.

Prueba del sensor de nitrato en otras plantas

¿Qué mecanismo es responsable de la diferencia en la regulación del estoma a nivel molecular? Para responder a esto, los investigadores analizaron los canales SLAC1 de varias plantas herbáceas en comparación con las gramíneas. Esto les permitió identificar el «sensor de nitrato» de las gramíneas: está compuesto por un motivo de dos aminoácidos que aparecieron por primera vez en el musgo durante la evolución y que posteriormente se optimizó aún más para dar a las células de guarda sus propiedades únicas.

En un siguiente paso, el equipo de investigadores quiere establecer si los cultivos agrícolas herbáceos también se benefician de tener un sensor de nitrato. Para lograr esto, los científicos quieren adaptar las plantas de arabidopsis que carecen del canal SLAC1 con el canal SLAC1 de la cebada. «Si este paso aumenta su tolerancia al estrés, podemos considerar el cultivo optimizado de patatas, tomates o colza», dice Hedrich.



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