CÓMO LAS PLANTAS DETECTAN NIVELES BAJOS DE OXÍGENO PARA SOBREVIVIR A LAS INUNDACIONES.

23 de Octubre de 2011.

Este avance encontrado por investigadores de la UC Riverside y la Universidad de Nottingham podría conducir a la producción de cultivos tolerantes a las inundaciones.

Países como Pakistán, Bangladesh, Vietnam y algunas zonas de Estados Unidos y del Reino Unido -Y COLOMBIA- han sido víctimas de inundaciones catastróficas en los últimos años, la tolerancia de los cultivos a la inmersión parcial o total es un objetivo clave para la seguridad alimentaria global. Por la falta de éste (el oxígeno), los cultivos no pueden sobrevivir a una inundación durante largos períodos de tiempo, dando lugar a reducciones drásticas en los rendimientos para los agricultores.

El estudiante graduado de la UC Riverside, Seung Cho Lee (izquierda) y su asesora Julia Bailey-Serres. Julia Bailey-Serres se observa en el laboratorio con una bandeja de plantas de Arabidopsis. La Arabidopsis es una pequeña planta con flores ampliamente utilizada por biólogos vegetales como organismo modelo. Foto: UCR Comunicaciones Estratégicas.

Los expertos de la Universidad de California en Riverside y la Universidad de Nottingham informan ahora que han descubierto cómo las plantas detectan los niveles bajos de oxígeno para sobrevivir a las inundaciones - un hallazgo que podría conducir eventualmente a la producción de cultivos de alto rendimiento, resistentes a las inundaciones, beneficiando a los agricultores, los mercados y los consumidores en todas partes.
En concreto, los investigadores identificaron el mecanismo molecular involucrado. Este mecanismo de control de las proteínas clave en la planta, provocan que éstas sean inestables cuando los niveles de oxígeno son normales. Cuando las raíces o brotes están inundadas y hay descenso de los niveles de oxígeno, estas proteínas se estabilizan.

"Cuando una célula vegetal está escasa de oxígeno, no puede generar de manera eficiente trifosfato de adenosina o ATP, moléculas de alto consumo de energía para el almacenamiento de energía en las plantas", explicó Julia Bailey-Serres, uno de los principales investigadores participantes en el estudio y profesor de genética en el Departamento de Botánica y Ciencias vegetales en la Universidad de California Riverside. "Debido a que la planta no puede generar suficiente energía para sostener el crecimiento normal, se trata de un enfoque diferente: se nutre de sus reservas de energía, resultando en la ruptura de más azúcares, a diferencia de cuando se dispone de oxígeno, para producir ATP. Estos cambios sutiles en el metabolismo son característicos de estrés por oxígeno bajo en las células vegetales y animales. Es similar a la producción de ácido láctico en el cuerpo cuando hacemos ejercicio. Estamos produciendo ácido láctico como un subproducto, porque no somos productores de energía aeróbica. "
El estudio que describe el mecanismo de rotación de la proteína sensor de oxígeno aparecio en línea el 23 de octubre en la revista Nature.

"El mecanismo de los controles clave del regulador de las proteínas, llamado factores de transcripción que pueden pasar de otros genes dentro y fuera", explicó Michael Holdsworth, profesor de ciencias agrícolas de la Universidad de Nottingham, que co-dirigió el proyecto de investigación con Bailey-Serres. "Se trata de la inusual estructura de estas proteínas que se destinan para su destrucción en los niveles de oxígeno normales, pero cuando bajan los niveles de oxígeno, se convierten en estables. Los resultados de la estabilidad en los cambios en la expresión génica y el metabolismo que mejoran la supervivencia en las condiciones de bajo oxígeno provocadas por las inundaciones. Cuando las plantas vuelvan a los niveles normales de oxígeno, las proteínas son degradadas de nuevo, proporcionando un mecanismo de control de retroalimentación. "

Bailey-Serres, miembro del Instituto para la Biología Integradora del Genoma de la UCR y un experto internacional en respuesta de las plantas a las inundaciones, ha estado trabajando desde 2003 sobre los mecanismos celulares que regulan la tolerancia a la sumersión en el arroz. Su laboratorio se ha centrado en un gen SUB1A, un gen responsable de la tolerancia de la inmersión completa en el arroz y se encuentra sólo en algunas variedades de arroz de bajo rendimiento en la India y Sri Lanka. Su laboratorio es reconocido por haber caracterizado las funciones de los genes SUB1A que ha sido reproducido en las variedades modernas de arroz para permitir que las plantas puedan sobrevivir dos semanas o más de la inmersión completa causada por las lluvias del monzón.

En el presente trabajo, los investigadores realizaron sus experimentos en Arabidopsis, una pequeña planta con flores que se utiliza ampliamente en los laboratorios de biología vegetal como organismo modelo.Las proteínas similares al gen SUB1A están presentes en otras plantas, incluyendo Arabidopsis. Si bien el objetivo del mecanismo de rotación de proteínas es el gen SUB1A similar a las proteínas en la Arabidopsis, los investigadores encontraron, para su sorpresa, que el gen SUB1A del arroz es resistente al mecanismo de recambio de proteínas.

"Creemos que la capacidad de el gen SUB1A para evadir su destrucción por el mecanismo de rotación de proteínas en los niveles normales de oxígeno puede permitir que proporcione su propio servicio a las plantas de arroz sumergidas", dijo Bailey-Serres. "El gen SUB1A se enciende por el gas etileno que se acumula dentro de las células durante la inmersión. Dado que la proteína no requiere de una escasez de oxígeno para ser estable, puede ir a trabajar pronto para ayudar a la planta ".

Holdsworth, y un experto internacional en biología de la semilla y un mecanismo de rotación de proteína llamado "vía de la norma de la N-final de la proteólisis dirigida," tuvo la primera pista del descubrimiento mientras investigaban la regulación de la expresión génica durante la germinación de las semillas. Se conectó con la vía de la norma de la N-final de las proteínas similares a el SUB1A de Arabidopsis y su regulación en los genes asociados con el estrés de bajo nivel de oxígeno que Bailey-Serres ha estudiado extensamente en Arabidopsis.

"Las piezas del rompecabezas cayeron rápidamente en su lugar cuando la experiencia de los dos equipos se combinó", dijo.
El equipo de investigación espera que en los próximos diez años los científicos serán capaces de manipular el mecanismo de rotación de proteínas en una amplia gama de cultivos propensos a sufrir daños por las inundaciones.

Fuente: U. de California, Riverside, NSF.