Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan identificaron una proteína que permite a las plantas reorganizar sus defensas químicas y reservar el azufre disponible para funciones esenciales de crecimiento y supervivencia.
Redactor: Valentina Ríos
Editor: Javier Morales O.
La disminución del azufre disponible en los suelos está obligando a los científicos a estudiar cómo las plantas distribuyen este nutriente limitado entre dos necesidades fundamentales: crecer y defenderse de plagas y enfermedades.
Una investigación de la Universidad Estatal de Michigan identificó un mecanismo molecular que permite a las plantas reajustar la fabricación de sus compuestos defensivos cuando el azufre escasea, sin desconectar por completo su sistema inmunitario.
El mecanismo está regulado por una proteína denominada CDK8, que actúa de manera semejante a un regulador de intensidad. En lugar de limitarse a encender o apagar las defensas químicas, permite aumentar o reducir la producción de diferentes sustancias de acuerdo con la disponibilidad del nutriente.
Los resultados fueron publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences y aportan información sobre la manera en que las plantas administran recursos limitados entre funciones biológicas que compiten entre sí.
El azufre cumple funciones irremplazables en las plantas
El azufre es un nutriente esencial para la formación de aminoácidos, proteínas y otros componentes necesarios para el crecimiento vegetal. También interviene en la producción de numerosos compuestos químicos utilizados por las plantas para protegerse de insectos, patógenos y otras amenazas.
Cuando la disponibilidad de este elemento disminuye, la planta no puede dejar de utilizarlo en estructuras esenciales. Por esa razón, debe modificar otras rutas metabólicas y encontrar alternativas menos costosas para mantener sus defensas.
Hideki Takahashi, coautor del estudio y profesor asociado de bioquímica y biología molecular, explicó que las plantas necesitan desplegar estrategias químicas costosas para mantenerse sanas y resistentes.
La importancia agrícola de este nutriente también se refleja en las decisiones de fertilización. La disponibilidad y permanencia del azufre aplicado a los cultivos dependen de su forma química, las condiciones del suelo y la actividad de los microorganismos.
CDK8 funciona como un regulador de las defensas
La proteína CDK8 ayuda a aumentar la actividad de genes activados por hormonas que participan en la defensa vegetal. Estos genes permiten fabricar sustancias capaces de limitar el daño causado por herbívoros y microorganismos patógenos.
En condiciones normales, las plantas pueden producir una combinación amplia de compuestos defensivos con diferentes cantidades de azufre.
Cuando el nutriente escasea, CDK8 reorganiza esa línea de producción molecular. La planta aumenta la fabricación de sustancias que requieren menos azufre y reduce aquellas cuyo costo nutricional es mayor.
Este comportamiento permite mantener una protección química funcional y reservar parte del azufre para procesos en los que no puede ser reemplazado, como la síntesis de aminoácidos esenciales.
Los compuestos con menos azufre aumentaron casi ocho veces
Los investigadores cultivaron plantas de Arabidopsis thaliana en condiciones de deficiencia de azufre y analizaron cómo cambiaba la producción de sus compuestos defensivos.
En presencia de una proteína CDK8 funcional, la producción de sustancias que contenían un solo átomo de azufre aumentó casi ocho veces.
Al mismo tiempo, disminuyó la fabricación de compuestos que necesitaban dos o tres veces más azufre. La planta sustituyó así algunas defensas costosas por alternativas que requerían una inversión nutricional menor.
Este ajuste no significa que todas las sustancias sean equivalentes, sino que la planta reorganiza su metabolismo para obtener la mayor protección posible con los recursos disponibles.
La estrategia recuerda otros mecanismos mediante los cuales las plantas y los microorganismos del suelo responden al estrés provocado por la deficiencia de azufre.
Las plantas sin CDK8 perdieron capacidad defensiva
El equipo también estudió plantas modificadas para que la proteína CDK8 permaneciera inactiva. En estos ejemplares, el regulador molecular quedaba desconectado y no podía reorganizar la producción de sustancias defensivas.
Las plantas con CDK8 inactiva presentaron niveles inferiores de compuestos basados en azufre y mostraron una menor resistencia frente a plagas y enfermedades.
Los ejemplares fueron más vulnerables al ataque de larvas del gusano medidor de la col, un insecto herbívoro que se alimenta de los tejidos vegetales.
La respuesta demostró que CDK8 no solo favorece la fabricación de compuestos de defensa, sino que también resulta necesaria para adaptar esas defensas cuando disminuye el azufre disponible.
El papel de las hormonas en la inmunidad vegetal
El estudio analizó la relación entre CDK8 y el jasmonato, una hormona vegetal que activa genes vinculados con la defensa frente a insectos y determinados patógenos.
Cuando una planta es atacada, la señalización mediante jasmonato pone en marcha procesos que producen sustancias tóxicas, repelentes o capaces de dificultar la alimentación de los herbívoros.
La proteína CDK8 coordina esa respuesta hormonal con la disponibilidad de azufre. De este modo, la planta no activa una defensa química sin considerar el costo nutricional que supone producirla.
La coordinación entre señales celulares y nutrientes se suma a otros mecanismos de percepción, como el sensor basado en cobre que activa defensas frente al estrés, identificado en investigaciones sobre inmunidad vegetal.
Un equilibrio entre crecimiento y protección
La fabricación de defensas químicas consume energía y nutrientes que también podrían emplearse en desarrollar hojas, raíces, tallos o estructuras reproductivas.
Las plantas deben decidir continuamente cómo distribuir esos recursos. Una inversión insuficiente en defensa aumenta la vulnerabilidad frente a plagas, mientras que una inversión excesiva puede reducir el crecimiento.
Cuando el azufre es limitado, las plantas pueden presentar malnutrición, crecer con mayor lentitud y alcanzar un tamaño menor. La acción de CDK8 reduce parte de esos efectos al liberar azufre que puede destinarse a procesos esenciales.
Gregg Howe, profesor distinguido de la Universidad Estatal de Michigan e investigador del Laboratorio de Investigación Vegetal MSU–DOE, destacó que los sistemas biológicos distribuyen activamente sus recursos entre necesidades que compiten entre sí.
En el maíz también se ha observado que el fortalecimiento de la defensa frente a las plagas puede reducir el crecimiento cuando las plantas destinan más recursos a la protección.
El azufre disponible disminuye en los suelos
La investigación adquiere relevancia porque las reservas de azufre accesible para las plantas y los aportes atmosféricos que históricamente las reponían están disminuyendo en distintas regiones del mundo.
En Estados Unidos, el azufre disponible para las plantas en los suelos se redujo hasta un 86 % durante las últimas dos décadas.
Durante muchos años, las emisiones industriales liberaron compuestos de azufre que posteriormente se depositaban sobre los terrenos agrícolas.
La reducción de la contaminación atmosférica mejoró la calidad del aire, pero también disminuyó ese aporte involuntario de nutrientes a los suelos. Al mismo tiempo, las cosechas retiran azufre del terreno cada temporada.
La deficiencia puede causar amarillamiento de los tejidos jóvenes, crecimiento atrofiado, retrasos en la maduración y pérdidas de rendimiento. El elemento participa en la formación de aminoácidos y en el funcionamiento de los cloroplastos, donde ocurre la fotosíntesis.
Implicaciones para el desarrollo de cultivos resistentes
El descubrimiento ofrece pistas para desarrollar cultivos capaces de utilizar el azufre con mayor eficiencia y conservar su resistencia cuando disminuye la disponibilidad de nutrientes.
Una planta con mejor capacidad para reorganizar sus defensas podría mantener la protección frente a enfermedades e insectos sin comprometer en exceso su crecimiento.
Sin embargo, el trabajo describe un mecanismo molecular fundamental y no representa todavía una solución lista para aplicarse directamente en las explotaciones agrícolas.
Los investigadores deberán estudiar cómo se comporta este sistema en diferentes cultivos, suelos, climas y situaciones de presión fitosanitaria.
También será necesario determinar si la modificación de esta vía puede generar efectos no deseados sobre el rendimiento, la reproducción o la respuesta frente a distintos tipos de patógenos.
El siguiente paso será estudiar cómo detectan los nutrientes
El equipo propone investigar ahora cómo las plantas perciben la cantidad de nutrientes presente a su alrededor y cómo esa información llega hasta los mecanismos que regulan el metabolismo.
Comprender esa percepción permitiría explicar con mayor precisión cómo una planta decide cuándo mantener una defensa costosa, cuándo sustituirla y qué recursos debe reservar para crecer.
El estudio, encabezado por Qiang Guo, fue publicado con el título CDK8 coordinates jasmonate-induced immunity with sulfur-responsive defense in Arabidopsis.
La identificación de CDK8 como regulador conecta la nutrición mineral, la señalización hormonal y la inmunidad vegetal en un mismo mecanismo de asignación de recursos.
Fuente(s) referenciales
Phys.org: Researchers identify “dimmer switch” for plants’ immune system
