Una edición genética clave en álamos mediante el silenciamiento de un solo gen, fue suficiente para duplicar la producción de lignina (un recurso valioso para bioproductos como biocombustibles, adhesivos y biomateriales), además de acelerar notablemente el crecimiento y triplicar la acumulación de hierro en hojas, fortaleciendo al mismo tiempo la respuesta inmune de las plantas.
Brookhaven National Laboratory / 3 de septiembre, 2025.- Las paredes celulares no solo brindan soporte y protección a las plantas, sino que también contienen biomateriales ricos en energía que podrían abrir nuevas vías para obtener más fuentes de combustible, sustancias químicas y materiales en EE. UU. Por eso, biólogos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están desentrañando los complejos mecanismos genéticos que regulan estos útiles materiales vegetales, conocidos como biomasa.
En un estudio recién publicado en la revista Plant Biotechnology Journal, el equipo de investigación identificó una proteína vegetal que desempeña un papel clave en tres procesos biológicos importantes en las plantas de álamo: la respuesta a la deficiencia de hierro, la biosíntesis de la pared celular y la síntesis de moléculas que combaten enfermedades.
«La proteína se llama PtrbHLH011 y nos llamó la atención por primera vez hace varios años cuando identificábamos genes y proteínas que influyen en la respuesta de las plantas de álamo al estrés nutricional», afirmó Meng Xie, biólogo de Brookhaven y autor principal del nuevo artículo. Descubrimos que la expresión del gen PtrbHLH011 se redujo considerablemente en plantas estresadas que crecían en un medio deficiente en hierro.
Durante la fotosíntesis, las plantas necesitan hierro para convertir la luz solar en energía química que impulsa su crecimiento. Con una comprensión más profunda del funcionamiento de genes y proteínas vegetales como PtrbHLH011, los biólogos están trabajando para desarrollar cultivos bioenergéticos que puedan hiperacumular este importante mineral y prosperar incluso en tierras marginales con deficiencia de hierro.
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Tradicionalmente, los investigadores han trabajado para aumentar los azúcares de la pared celular que pueden convertirse en biocombustibles. Pero en los últimos años, un componente rígido de la pared celular llamado lignina ha captado su atención porque puede utilizarse para producir bioproductos valiosos con aplicaciones industriales, como cemento y adhesivos.
«Diferentes factores ambientales pueden afectar no solo la biosíntesis de la pared celular, sino también la proporción de sus componentes, como los azúcares y la lignina», explicó Xie. Nos propusimos estudiar el mecanismo molecular subyacente a esta denominada ‘plasticidad ambiental’.
Desactivación de genes con grandes beneficios
Dado que algunas proteínas tienen funciones que se solapan, o varias funciones aparentemente no relacionadas, puede ser difícil desentrañar la función de una de otra. Por ello, los biólogos suelen desactivar un gen para comprender mejor la función de la proteína que codifica.
En este caso, colaboradores de la Universidad de Maryland desarrollaron plantas de álamo carentes de PtrbHLH011.
Las plantas editadas produjeron simultáneamente el doble de lignina y mostraron un crecimiento mejorado por primera vez. Esto fue especialmente sorprendente, ya que estudios previos habían demostrado que el aumento del contenido de lignina —y, en consecuencia, el endurecimiento de las paredes celulares— suele desviar energía del crecimiento y limitar la producción total de biomasa.
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Las plantas editadas también acumularon tres veces más hierro en sus hojas y aumentaron la producción de flavonoides, compuestos que pueden ayudar a las plantas a combatir enfermedades.
En consonancia con estas observaciones, las plantas diseñadas por biólogos de Brookhaven para sobreexpresar el gen PtrbHLH011 exhibieron características opuestas: retraso en el crecimiento, paredes celulares más débiles, mayor sensibilidad a enfermedades y hojas amarillas características del estrés nutricional.
«PtrbHLH011 es un tipo especial de proteína llamada factor de transcripción, lo que significa que se une a secuencias específicas del ADN vegetal y regula la expresión de varios genes diana», explicó Yuqiu Dai, investigador postdoctoral en el Laboratorio de Brookhaven y primer autor del nuevo artículo. «Por lo tanto, esperábamos que la alteración del gen PtrbHLH011 afectara varios procesos biológicos asociados con sus genes diana».
Sin embargo, los investigadores se sorprendieron al descubrir que la eliminación de la proteína PtrbHLH011 aumentaba varios procesos que requieren cantidades significativas de energía, lo que normalmente supondría una carga metabólica significativa para las plantas.
«Sospechamos que triplicar el contenido de hierro en las hojas impulsó la fotosíntesis en las plantas, generando así más energía para apoyar su crecimiento y la síntesis de lignina y flavonoides», afirmó Xie.
El aumento en la síntesis de flavonoides es especialmente relevante a medida que biólogos de Brookhaven y otras regiones intensifican sus esfuerzos de biopreparación para proteger las plantas bioenergéticas estadounidenses de enfermedades. Mediante futuros estudios que examinen cómo responden las plantas a infecciones y enfermedades, los investigadores buscan descubrir mecanismos subyacentes que podrían aprovecharse para fortalecer la resistencia de los cultivos a patógenos que reducen el rendimiento de biomasa.
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Con la identificación de un mecanismo regulador genético modulado por PtrbHLH011, los investigadores de Brookhaven también están trabajando para ajustar la expresión de sus genes diana específicos.
«Si podemos modular los genes diana individuales ‘de abajo hacia arriba’, en lugar de un factor de transcripción que los regule a todos, podremos controlar con mayor precisión un proceso biológico a la vez», concluyó Dai.
Xie añadió: «El conocimiento fundamental que establecimos durante este estudio permitirá que nuestros esfuerzos en biotecnología impulsen la producción de bioenergía y materias primas para bioproductos».
«Estos hallazgos fueron el resultado de la exitosa integración de múltiples instalaciones y capacidades de la Oficina de Ciencias del DOE», afirmó Xie. Por ejemplo, colaboradores del Instituto Conjunto del Genoma midieron los niveles de expresión génica en las plantas editadas y un colaborador de Molecular Foundry aportó información sobre cómo el mecanismo regulador recién descubierto se adaptó a medida que evolucionaban las plantas terrestres, como el álamo.
Los investigadores de Brookhaven utilizaron microscopía confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) para visualizar dónde se expresaba PtrbHLH011 en las células vegetales. Midieron el contenido de lignina en la biomasa en el Departamento de Biología de Brookhaven. Y con colaboradores de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), los investigadores realizaron experimentos de bioimagen de rayos X en los laboratorios de Espectroscopía de Rayos X de Resolución Submicrónica (SRX) y Dispersión de Rayos X en Ciencias de la Vida (LiX). Líneas de luz para estudiar la acumulación de hierro y la estructura de la pared celular en las plantas de álamo.