Los científicos han comprendido desde hace mucho tiempo cómo la privación de oxígeno puede afectar a los animales e incluso a las bacterias, pero hasta hace poco se sabía muy poco acerca de cómo las plantas reaccionan a la hipoxia (bajo nivel de oxígeno). Una nueva colaboración de investigación entre la Universidad de Oxford y el Instituto Leibniz de Bioquímica Vegetal, publicada esta semana en Nature Communications, ha respondido a algunas de estas preguntas y arroja luz sobre cómo entender estas reacciones podría mejorar la seguridad alimentaria. La Dra. Emily Flashman, autor principal del estudio y profesora de investigación en el Departamento de Química de Oxford, analiza los hallazgos clave:
¿Por qué es tan importante este estudio?
La mayoría de los seres vivos necesitan oxígeno para sobrevivir, incluidas las plantas, pero las inundaciones son una amenaza importante para la agricultura y la vegetación. Los niveles de oxígeno de una planta se ponen en peligro durante una inundación, y básicamente no pueden respirar. Para protegerse de las inundaciones y sobrevivir más tiempo, las plantas tienen una estrategia de supervivencia por estrés incorporada, que re-configura su metabolismo y las apoya para generar más energía.
Los científicos sabían acerca de esta respuesta al estrés, pero no sabían exactamente cómo se controlaba. Nuestra investigación subraya no sólo una comprensión de cómo las plantas responden a la pérdida de oxígeno, sino también cómo esta respuesta podría ser manipulada para protegerlas a largo plazo. Con el cambio climático y su mayor prevalencia en la sociedad actual, las inundaciones son una fuente constante de preocupación, por lo que es aún más importante para nosotros entender cómo la hipoxia afecta a las plantas y cultivos, para así encontrar nuevas formas de preservarlos y protegerlos. La manipulación de las enzimas involucradas en el proceso puede ayudarnos a cultivar nuevos cultivos e incluso a impermeabilizarlos.
¿Cómo les afecta esta reacción?
Cuando el oxígeno es escaso, la respuesta de estrés de una planta detiene eficazmente su metabolismo, y activa una vía alternativa que le permite vivir durante un corto período de tiempo, con oxígeno reducido. Durante este tiempo la planta tiene mucha menos energía, pero todavía es capaz de sobrevivir y funcionar en un nivel básico. Al igual que cuando alguien sostiene su respiración bajo el agua, sus reservas de oxígeno les permiten sobrevivir por un corto período de tiempo, a pesar de que no pueden respirar oxígeno fresco.
¿Cuál fue el objetivo de su investigación?
Queríamos analizar este proceso, y entender cómo funcionan las enzimas que lo activan. Una vez que se conoce esta información, se puede determinar cómo inhibir las enzimas y controlar la vía de respuesta a la inundación y, al hacerlo, mantener la planta viva por más tiempo. El objetivo general es modificar genéticamente los cultivos para hacerlos tolerantes a las inundaciones. Comprender cómo funcionan estos procesos es el primer paso para lograrlo. Hasta ahora los detalles moleculares de la respuesta a estrés de la planta por hipoxia no fueron probados, pero nuestra investigación cambia esto.
Los científicos entendieron que la respuesta de una planta a la hipoxia está controlada por factores de transcripción conocidos como “factores de respuesta a etileno” (ERFs, por su sigla en inglés) – estas proteínas provocan cambios en la expresión génica. A su vez, la estabilidad de los ERFs se controla de una manera dependiente del oxígeno por un conjunto de enzimas, las Oxidasas de Cisteína de Plantas (PCOs, por sus siglas en inglés). Las PCOs aceleran la descomposición (degradación) de estos factores de transcripción ERFs, a través de uno de los sistemas de eliminación y reciclado de proteínas de la célula, llamado proteasoma.
Esencialmente, nuestra investigación mostró cómo las PCOs usan oxígeno para trabajar, y cómo esto permite que los ERFs sean reconocidos por el siguiente paso de la vía de degradación. Por lo tanto, toda la vía necesita oxígeno molecular para funcionar. Así, en tiempos de suministro regular de oxígeno, los ERFs se degradan antes de que lleguen al núcleo celular y antes de que puedan activar los genes de respuesta al estrés. Sin embargo, cuando el oxígeno es limitado, como es el caso durante la inundación, las PCOs no pueden trabajar eficientemente, por lo que los ERFs no estarán marcados por la degradación y pueden activar la respuesta al estrés hipóxico necesaria para que la planta sobreviva.
¿Cómo pueden utilizarse los resultados para mejorar la seguridad alimentaria?
Con el cambio climático que resulta en eventos de inundación cada vez más frecuentes en todo el mundo, la comprensión de cómo los cultivos responden a las inundaciones es importante, con el fin de controlar o manipular el proceso. Nuestra investigación apoya la comprensión de esta respuesta en un nivel molecular – hasta el papel desempeñado por las enzimas individuales en el proceso. Se ha demostrado que la estabilización de los factores de transcripción ERFs mejora la tolerancia a las inundaciones, por lo que la inactivación dirigida de las enzimas que regulan su estabilidad puede ayudar a sembrar cultivos capaces de soportar inundaciones más largas y más eficientes.
¿Cómo pueden construirse los hallazgos en el futuro?
Ahora entendemos lo que hacen las enzimas, estamos buscando más en los detalles de su estructura y mecanismo para entender con precisión cómo funcionan. Esto nos ayudará a orientar la forma más efectiva de manipularlas para inhibir artificialmente su actividad y mejorar la estabilidad de los ERFs, primero utilizando los componentes aislados de la vía antes de realizar pruebas en las plantas.