Cómo responden las plantas a la escasez de fosfato en el suelo

Por: Sarahi Galicia, Instituto de Fisiología Celular-UNAM.

Aun cuando los suelos sean ricos en fósforo, su absorción en forma de fosfato puede verse comprometida cuando la presencia de bacterias y hongos cambia la composición química del suelo donde crecen las plantas, dificultando su correcta metabolización.

Estos y otros factores reducen la cantidad de fosfato disponible y, en consecuencia, los agricultores obtienen un menor rendimiento de sus cultivos porque este nutriente, además del nitrógeno y potasio, es crucial para el crecimiento y desarrollo de las plantas.

Este problema se ha intentado resolver con el uso de fertilizantes enriquecidos en fósforo, pero representa un problema ambiental por su acumulación en el suelo tras su aplicación.

Además, esta vía para garantizar el cultivo no es sustentable puesto que casi todo el fósforo que se utiliza actualmente proviene de fuentes de fosforita ubicadas en Estados Unidos, China y Marruecos, y cuya demanda superará la oferta para el 2035, según un estudio publicado en 2010.

A su vez, la escasez de fósforo podría aumentar los precios de los alimentos y se pondría en riesgo la seguridad alimentaria debido a una disminución en la producción de los cultivos, por ejemplo, el arroz, trigo, cebada, maíz y hortalizas.

Para conocer a detalle cómo responden las plantas a la escasez de fosfato a nivel genómico y proponer alternativas de mejoramiento a nivel agrícola, se integró un equipo conformado por investigadores de los laboratorios de Félix Recillas en el Instituto de Fisiología Celular (IFC) de la UNAM y Luis Herrera Estrella en el Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (Langebio) del Cinvestav.

Los resultados del estudio podrían servir para mejorar genéticamente a plantas de importancia agrícola para que respondan de manera más eficiente a ambientes bajos en fosfato.

Respuesta a nivel genómico

El equipo usó como modelo a la planta Arabidopsis thaliana, cuyos mecanismos de adaptación ya habían sido caracterizados previamente, pero no a nivel molecular.

Mediante una técnica conocida como «ATAC-seq», el equipo identificó  la respuesta regulatoria de A. thaliana ante la falta de fósforo. Esta técnica permite evaluar la accesibilidad de la cromatina a lo largo del genoma. Es decir, que permite ver cuáles genes pueden ser leídos y eventualmente traducidos a proteínas para que lleven a cabo diferentes funciones.

Esta técnica ha revolucionado el campo de la epigenética, estudio del “prendido y apagado” de los genes, y de la cromatina, estructura que «empaca» el ADN regulando la expresión de los genes.

Se sabía, por ejemplo, que la planta ha logrado adaptarse a esta falta de nutrientes a través de diversas respuestas biológicas, como el desarrollo de sistemas de raíces amplias que buscan el fósforo o la producción de sustancias químicas para liberar el nutriente del suelo, e incluso la sobreexpresión de proteínas transportadoras de fósforo para elevar su absorción en las raíces.

La mayoría de estas estrategias de respuesta ante escasez de fosfato buscan elevar la disponibilidad y la adquisición de fosfato para optimizar su uso en los procesos metabólicos.

«Estas respuestas están controladas a nivel transcripcional [es decir, lectura de genes] y en este estudio buscamos comprender los mecanismos moleculares que influyen en la respuesta transcripcional a la ausencia de fósforo, y cómo en su conjunto se establece una respuesta robusta en la planta que tiene como consecuencia, entre otras cosas, el crecimiento de la raíz», explicó Rodrigo Arzate, quien realizó sus estudios doctorales en el IFC.

Esta serie de respuestas adaptativas han sido estudiadas en A. thaliana y arroz (Oryza sativa) principalmente, de tal manera que ya se han caracterizado las respuestas bioquímicas y moleculares involucradas, además de los elementos que la regulan. Tal es el caso de PHR1, el regulador transcripcional maestro que activa los genes específicos en este escenario.

Tras realizar el estudio sobre A. thaliana, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los investigadores encontraron que PHR1 no solo participa en la activación de esta respuesta, sino lo hace a través de regular la accesibilidad a la cromatina. Es decir, permite que ciertas regiones del ADN puedan ser “leídas” por proteínas reguladoras y así controlar la actividad de los genes.

Según explica el estudiante del Cinvestav Alfonso Barragán, esto es importante ya que no se había reportado que el factor transcripcional PHR1 pudiera inducir cambios globales en la regulación de la expresión de los genes, lo cual complementa el conocimiento sobre la respuesta genómica ante la escasez de fosfato.

“Aún no sabemos exactamente cómo es que PHR1 está actuando en la regulación de la cromatina, pero es posible que interactúe directamente con alguna proteína involucrada su remodelación, por lo que habría que estudiarlo”, agrega Baragán.

Además, los investigadores encontraron que otros 4 factores transcripcionales pertenecientes a la misma familia que PHR1 pueden desencadenar la respuesta a escasez de fosfato sin la presencia de PHR1. “Son como un disco duro. El hecho de que no sea fácil retirar la respuesta adaptativa de la planta aún sin PHR1, sugiere que la respuesta a la deficiencia de fósforo es bastante estable”, explica Barragán.

Mejoramiento de cultivos

Esta línea de investigación se enmarca en el objetivo más amplio de desarrollar plantas con atributos que les permitan afrontar la escasez de fósforo.

Un ejemplo de esto es la estrategia premiada por el MIT en 2012, que bajo la asesoría de Herrera Estrella, generó plantas transgénicas de A. thaliana capaces de usar el fosfito como fertilizante, una forma diferente del fosfato que no puede ser metabolizado por los microorganismos.

Además, el estudio demostró que estas plantas requieren un menor aporte de fósforo cuando se fertilizan con fosfito para lograr una productividad similar a la obtenida con fertilizantes fosforados.

En México, el uso de transgénicos continúa siendo un tema de discusión, pero considerando que la seguridad alimentaria podría estar en riesgo si el uso de fertilizantes decae por la escasez de fósforo en las minas, Barragán confía en que “la estrategia transgénica podría ser la mejor por el momento.”