En un artículo que aparece en Science Advances , investigadores de la Universidad Estatal de Michigan han desentrañado un sorprendente misterio genético centrado en los azúcares que se encuentran en lo que los jardineros conocen como "alquitrán de tomate".
Cualquiera que haya podado plantas de tomate con las manos desnudas probablemente haya encontrado sus dedos oscurecidos con una sustancia pegajosa de color negro dorado que no se quita del todo con el lavado. Este alquitrán de tomate es pegajoso por una buena razón. Está hecho de azúcares (acilazúcares, para ser precisos) y actúa como una especie de papel matamoscas natural para posibles plagas.
"Las plantas han evolucionado para producir tantos venenos sorprendentes y otros compuestos biológicamente activos", afirmó el investigador del estado de Michigan, Robert Last, líder del nuevo estudio.
El laboratorio Last se especializa en acilazúcares y las pequeñas estructuras parecidas a pelos donde se producen y almacenan, conocidas como tricomas. Alguna vez se pensó que se encontraba exclusivamente en los tricomas, pero otros investigadores informaron recientemente que también encontraron acilazúcares en las raíces del tomate. Esto fue una sorpresa para la comunidad científica de las plantas.
En su estudio, el equipo de la Universidad Estatal de Michigan quería saber cómo funcionaban estos acilazúcares de raíz y de dónde procedían. Descubrieron que las plantas de tomate no sólo sintetizan acilazúcares químicamente únicos en sus raíces y tricomas, sino que estos acilazúcares se producen a través de dos vías metabólicas paralelas.
Esto es el equivalente a las líneas de montaje en una fábrica de automóviles que fabrican dos modelos diferentes del mismo automóvil, pero nunca interactúan.
Estos descubrimientos están ayudando a los científicos a comprender mejor la resiliencia y la historia evolutiva de las solanáceas, o solanáceas, una extensa familia de plantas que incluye tomates, berenjenas, patatas, pimientos, tabaco y petunias. También podrían ayudar a informar a los investigadores que buscan desarrollar moléculas creadas por plantas para convertirlas en compuestos que ayuden a la humanidad.
"Desde productos farmacéuticos hasta pesticidas y protectores solares, muchas moléculas pequeñas que los humanos hemos adaptado para diferentes usos provienen de la carrera armamentista entre plantas, microbios e insectos", dijo Last.
Más allá de las sustancias químicas esenciales para el crecimiento, las plantas también producen un tesoro de compuestos que desempeñan un papel crucial en las interacciones ambientales. Estos pueden atraer polinizadores útiles y son la primera línea de defensa contra organismos nocivos.
"Lo que es tan notable acerca de estos metabolitos especializados es que normalmente se sintetizan en células y tejidos de alta precisión", afirmó Rachel Kerwin, investigadora postdoctoral en MSU y primera autora del último artículo.
"Tomemos, por ejemplo, los acilazúcares. No los encontrarás producidos en las hojas o los tallos de una planta de tomate. Estos metabolitos de defensa físicamente pegajosos se producen justo en la punta de los tricomas".
Cuando se informó que también se podían encontrar acilazúcares en las raíces de los tomates, Kerwin lo tomó como una llamada a realizar un trabajo de detective genético a la antigua usanza.
"La presencia de estos acilazúcares en las raíces fue fascinante y generó muchas preguntas. ¿Cómo sucedió esto, cómo se fabrican y si son diferentes de los tricomas acilazúcares que hemos estado estudiando?"
Para comenzar a abordar el enigma evolutivo, los miembros del laboratorio colaboraron con especialistas del Núcleo de Espectrometría de Masas y Metabolómica de MSU, así como con el personal de las instalaciones de Resonancia Magnética Nuclear Max T. Rogers.
Al comparar los metabolitos de las raíces y los brotes de las plántulas de tomate, aparecieron diversas diferencias. La composición química básica de los acilazúcares aéreos y subterráneos era notablemente diferente, hasta el punto de que podrían definirse como clases completamente diferentes de acilazúcares.
Por último, un profesor universitario distinguido en el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y el Departamento de Biología Vegetal de la Facultad de Ciencias Naturales de MSU, ofrece una analogía útil para explicar cómo un genetista aborda la biología.
"Imagínese tratar de descubrir cómo funciona un automóvil rompiendo un componente a la vez", dijo. "Si pinchas los neumáticos de un coche y notas que el motor sigue funcionando, has descubierto un hecho crítico incluso si no sabes qué hacen exactamente los neumáticos". Cambie las piezas de automóviles por genes y obtendrá una imagen más clara del trabajo realizado por el último laboratorio para descifrar aún más el código de los acilazúcares de raíz.
Al observar los datos públicos de secuencia genética, Kerwin notó que muchos de los genes expresados en la producción de tricomas acilazúcar del tomate tenían parientes cercanos en las raíces. Después de identificar una enzima que se cree que es el primer paso en la biosíntesis del acilazúcar de la raíz, los investigadores comenzaron a "romper el auto".
Cuando eliminaron el gen candidato del acilazúcar de la raíz, la producción de acilazúcar de la raíz desapareció, dejando intacta la producción de tricomas acilazúcar. Mientras tanto, cuando el bien estudiado gen del tricoma acilazúcar fue eliminado, la producción de acilazúcar de la raíz continuó como de costumbre.
Estos hallazgos ofrecieron una prueba sorprendente de una sospecha de duplicación metabólica.
"Junto a la vía del azúcar acílico que hemos estado estudiando durante años, aquí encontramos este segundo universo paralelo que existe bajo tierra", dijo Last.
"Esto confirmó que tenemos dos vías coexistiendo en la misma planta", añadió Kerwin.
Para aclarar este avance, Jaynee Hart, investigadora postdoctoral y segunda autora del último artículo, examinó más de cerca las funciones de los tricomas y las enzimas de las raíces. Así como las enzimas tricomas y los acilazúcares que producen son una combinación química bien estudiada, también encontró un vínculo prometedor entre las enzimas de la raíz y los acilazúcares de la raíz.
"El estudio de enzimas aisladas es una herramienta poderosa para determinar su actividad y sacar conclusiones sobre su papel funcional dentro de la célula vegetal", explicó Hart.
Estos hallazgos fueron una prueba más de las vías metabólicas paralelas que existen en una sola planta de tomate.
"Las plantas y los automóviles son muy diferentes, pero similares en el sentido de que cuando abres el proverbial capó te das cuenta de la multitud de piezas y conexiones que los hacen funcionar. Este trabajo nos brinda nuevos conocimientos sobre una de esas partes en las plantas de tomate y nos impulsa a profundizar más. investigación sobre su evolución y función y si podemos utilizarlo de otras maneras", dijo Pankaj Jaiswal, director de programa de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
"Cuanto más aprendemos sobre los seres vivos (desde los tomates y otros cultivos hasta los animales y los microbios), mayores serán las oportunidades de emplear ese aprendizaje en beneficio de la sociedad", añadió.
El artículo también informa sobre un giro fascinante e inesperado relacionado con los grupos de genes biosintéticos o BGC. Los BGC son conjuntos de genes que se agrupan físicamente en el cromosoma y contribuyen a una ruta metabólica particular.
Anteriormente, el laboratorio Last identificó un BGC que contiene genes vinculados a tricomas acilazúcares en plantas de tomate. Kerwin, Hart y sus colaboradores han descubierto ahora que la enzima acilazúcar expresada en la raíz reside en el mismo grupo.
"Por lo general, en los BGC, los genes se coexpresan en los mismos tejidos y en condiciones similares", afirmó Kerwin.
"Pero aquí tenemos dos grupos de genes separados pero interconectados. Algunos se expresan en tricomas y otros se expresan en raíces".
Esta revelación llevó a Kerwin a sumergirse en la trayectoria evolutiva de las especies de Solanaceae, con la esperanza de identificar cuándo y cómo se desarrollaron estas dos vías únicas de acilazúcar.
En concreto, los investigadores llamaron la atención sobre un momento hace unos 19 millones de años en el que se duplicó la enzima responsable de los tricomas acilazúcares. Esta enzima algún día sería responsable de la recién descubierta vía del acilazúcar expresado en la raíz.
Aún se desconoce el mecanismo exacto que "activó" esta enzima en las raíces, lo que allana el camino para que el último laboratorio continúe desentrañando los secretos evolutivos y metabólicos de la familia de las solanáceas.
"Trabajar con Solanaceae proporciona muchos recursos científicos, así como una sólida comunidad de investigadores", afirmó Kerwin. "Por su importancia como cultivos y en horticultura, estas son plantas que los humanos han cuidado durante miles de años."
Para Last, estos avances también son un recordatorio de la importancia de los pesticidas naturales, que en última instancia representan los metabolitos de defensa como los acilazúcares.
"Si descubrimos que estos acilazúcares de raíz son eficaces para repeler organismos nocivos, ¿podrían incorporarse a otras solanáceas, ayudando así a que las plantas crezcan sin la necesidad de fungicidas y pesticidas sintéticos nocivos?" Última pregunta.
"Estas son preguntas centrales en la búsqueda de la humanidad de agua más pura, alimentos más seguros y una menor dependencia de químicos sintéticos dañinos".
Más información: Rachel Kerwin et al, Los metabolitos especializados de la raíz de tomate evolucionaron a través de la duplicación de genes y la divergencia regulatoria dentro de un grupo de genes biosintéticos, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad Estatal de Michigan
