‘Engañan’ a las plantas para que sobrevivan a la sequía

Los cultivos y otras plantas se enfrentan constantemente a las condiciones adversas del medio ambiente, tales como el aumento de las temperaturas (2014 fue el año más caluroso de la historia) o la disminución de los suministros de agua dulce, que reducen los rendimientos y cuestan a los agricultores pérdidas millonarias cada año.

La sequía es un importante factor de estrés ambiental que afecta el crecimiento y desarrollo de las plantas. Cuando las plantas se encuentran con la sequía, es natural que produzcan ácido abscísico (ABA), una hormona del estrés que inhibe el crecimiento de la planta y reduce el consumo de agua.

Específicamente, la hormona se convierte en un receptor (proteína especial) en las plantas cuando se une al receptor, como una mano encaja en un guante, lo que da como resultado cambios beneficiosos -tales como el cierre de los estomas de las hojas para reducir la pérdida de agua- que ayudan a la planta a sobrevivir.

Imitar sintéticamente la respuesta natural

Si bien es cierto que los cultivos podrían ser rociados con ABA para ayudar a su supervivencia durante la sequía, el ABA es costoso de hacer, se inactiva rápidamente en el interior de las células vegetales y es sensible a la luz, y por lo tanto no se le ha logrado encontrar mucha utilidad directa en la agricultura.

Varios grupos de investigación están trabajando para desarrollar imitadores sintéticos de ABA para modular la tolerancia a la sequía, pero una vez descubiertos se espera que estos imitadores se enfrenten a largos y costosos procesos de desarrollo.

El agroquímico mandipropamid, sin embargo, ya se usa ampliamente en la producción agrícola para controlar las plagas de tizón tardío en los cultivos de frutas y hortalizas. ¿Podrían los cultivos amenazados por la sequía ser diseñados para responder a mandipropamid como si se tratara de ABA, y por lo tanto mejorar su supervivencia durante la sequía?

Sí, según un equipo de científicos, dirigido por Sean Cutler, de la Universidad de California en Riverside (UCR, EE.UU.).  Estos investigadores trabajaron con Arabidopsis, una planta modelo utilizado ampliamente en los laboratorios de biología de plantas, y con planta de tomate. En el laboratorio, utilizaron métodos de biología sintética para desarrollar una nueva versión de los receptores del ácido abscísico de estas plantas, diseñados para activarse con mandipropamid en lugar de con ABA.

Los investigadores demostraron que cuando las plantas reprogramadas eran pulverizadas con mandipropamid, sobrevivían en efecto a la sequía mediante la activación de la ruta del ácido abscísico, que cierra los estomas de sus hojas para evitar la pérdida de agua.

Biología sintética

El hallazgo pone de manifiesto el poder de los enfoques de biología sintética para la manipulación de los cultivos y abre nuevas puertas para el mejoramiento de cultivos que podrían beneficiar a una población mundial en crecimiento.

«Hemos reutilizado con éxito un producto agroquímico para una nueva aplicación mediante la ingeniería genética de un receptor de una planta, algo que no se había hecho antes», recalca Cutler, profesor asociado de ciencias botánicas y de las plantas, en la información de la universidad. «Esta técnica servirá para controlar otras características, como la resistencia a enfermedades o las tasas de crecimiento, por ejemplo.»

Cutler explica que el descubrimiento de un nuevo producto químico y tener que evaluarlo y aprobarlo para su uso es un proceso extremadamente costoso y complejo que puede durar años. «Hemos eludido este obstáculo mediante la biología sintética: en esencia, tomamos algo que ya funciona en el mundo real y reprogramamos la planta para que el químico pueda controlar el uso del agua», explica.

La ingeniería de proteínas es un método que permite la construcción sistemática de muchas variantes de proteínas; también las prueba en busca de nuevas propiedades. Cutler y sus colaboradores utilizaron la ingeniería de proteínas para crear receptores modificados de plantas en las que pudiera encajar el mandipropamid y causar la activación del receptor.

El receptor rediseñado se introdujo en Arabidopsis y en la planta del tomate, que luego respondieron a mandipropamid como si estuvieran siendo tratados por ABA. En ausencia de mandipropamid, estas plantas mostraron una diferencia mínima con respecto a las plantas que no poseían proteínas rediseñadas. La Oficina de Comercialización de Tecnología de la UCR ha presentado una solicitud de patente sobre esta tecnología.

Referencia bibliográfica:

Sang-Youl Park, Francis C. Peterson, Assaf Mosquna, Jin Yao, Brian F. Volkman, Sean R. Cutler. Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14123.