La duplicación genética controla la simbiosis fijadora de nitrógeno entre leguminosas y bacterias
Los investigadores han descubierto que las bacterias rizobianas secuestran una proteína clave en las legumbres involucrada en el transporte molecular para controlar cómo se forman las estructuras celulares simbióticas que permiten a las plantas absorber nitrógeno entre los dos organismos.
Los procesos que controlan la formación de estructuras simbióticas entre las bacterias fijadoras de nitrógeno y las leguminosas en las raíces de estas últimas siguen siendo en gran medida un misterio para la ciencia, pero investigadores del Departamento de Microbiología de la Academia de Ciencias de China han descubierto recientemente que se trata de una duplicación. de molestias. juega un papel clave. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza Plantas .
El nitrógeno es uno de los ingredientes más importantes de la vida. Es un componente integral de los aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos que forman el ADN y el ARN, los componentes básicos de los organismos vivos. Si plantas, animales, hongos, bacterias o cualquier otro organismo sufre de deficiencia de nitrógeno, es casi seguro que morirá. Alrededor del 80 por ciento de la atmósfera está compuesta de gas nitrógeno, por lo que podría pensar que es poco probable que haya una deficiencia de nitrógeno. Pero el nitrógeno en esta forma (moléculas que consisten en dos átomos de nitrógeno unidos o N 2 ) no puede ser utilizado por casi todos los organismos.
Las bacterias fijadoras de nitrógeno son las únicas bacterias en la naturaleza que pueden romper el enlace triple increíblemente fuerte de N 2 y unir los átomos de nitrógeno al hidrógeno para producir amoníaco (NH 3 ), un tipo de molécula a base de nitrógeno que los organismos pueden tomar y usar. Este proceso se llama fijación biológica de nitrógeno. Muchas plantas pueden absorber el amoníaco sintetizado por las bacterias fijadoras de nitrógeno, y otros organismos, incluidos los animales, pueden comer estas plantas, o comer animales que hayan comido estas plantas, logrando así su ‘fijación’ de nitrógeno.
También hay una pequeña cantidad de plantas, especialmente leguminosas, que tienen una relación simbiótica con los rizobios, donde las bacterias se incorporan a algunas de las células de la raíz y forman pequeños crecimientos en forma de nódulos. La negociación simbiótica entre bacterias y plantas implica que los rizobios intercambien parte de su amoníaco con otro tipo de nutrientes necesarios para su desarrollo. Pero muchos cultivos no disfrutan de esta relación simbiótica. En estos casos, los agricultores deben esparcir estiércol o fertilizantes sintéticos en sus campos para que estos cultivos puedan acceder al nitrógeno vital del amoníaco.
Los fertilizantes sintéticos se producen a altas temperaturas y presiones para combinar nitrógeno atmosférico con hidrógeno para producir amoníaco. La forma más fácil y económica de obtener el ingrediente hidrógeno es descomponer las moléculas de metano que componen el gas natural con dióxido de carbono como subproducto. Esto convierte a la producción de fertilizantes artificiales en una de las principales causas del calentamiento global en la agricultura. Además, tanto el estiércol animal como los fertilizantes sintéticos provocan la escorrentía de amoníaco agrícola en los ríos y arroyos, lo que genera contaminación por nitrógeno, incluida la proliferación de algas mortales.
“Si los científicos pueden aprender más sobre cómo ocurre la simbiosis entre los rizobios y las leguminosas, podríamos diseñar otros tipos de plantas que puedan formar tal simbiosis, o incluso fijar nitrógeno directamente”, dijo KONG Zhaosheng del Departamento de Microbiología y co- autor del artículo. . “Esto puede reducir radicalmente nuestra dependencia de fertilizantes y fertilizantes sintéticos y ha sido durante mucho tiempo el santo grial de la agricultura sostenible”.
Se sabe que la membrana del simbiosoma derivado de plantas proporciona una interfaz para el intercambio de nutrientes y “señales” (señales químicas) entre los dos simbiontes, la planta y la bacteria, y que el citoesqueleto de la célula vegetal juega un papel clave. role. papel en esta interfaz. Los investigadores sospecharon que la vacuola central probablemente desempeña un papel en el simbiosoma, ya que ejerce fuerza sobre la célula y la pared celular para mantener el equilibrio de presión, lo que ayuda a coordinar la organización interna de la célula. Pero los mecanismos subyacentes de cómo funciona esto siguen siendo en gran parte desconocidos.
En la hepática común, Marchantia polimorfa hay una proteina llamada proteina unión a calmodulina tipo cinesina.(KCBP). Las cinesinas son proteínas ‘motoras’ que funcionan para transportar moléculas a través de las células de muchos tipos diferentes de organismos ‘caminando’ a lo largo de las estructuras internas de los microtúbulos. Sin embargo, KCBP es exclusivo de las plantas, y en las hepáticas es esencial para el crecimiento de sus rizoides, estructuras parecidas a raíces de estas plantas tempranas. Se cree que la proteína es uno de los desarrollos evolutivos más importantes que permitió que las plantas se adaptaran a la tierra.
En la planta del trébol (un tipo de leguminosa), los genes responsables de la producción de este KCBP se activan casi en todas partes en los pelos de la raíz en la etapa de infección. Centrándose en los genes que codifican para KCBP, los investigadores utilizaron el análisis de la Herramienta de búsqueda de alineación local básica, un programa que compara secuencias genéticas o de proteínas de organismos específicos con bases de datos de tales secuencias, para encontrar regiones similares.
Descubrieron que en el genoma del trébol hay una duplicación del mismo, y donde se produce esa duplicación de genes que codifican KCBP, su actividad parece estar relacionada únicamente con las interacciones entre el trébol y la bacteria rizobios que permiten la formación del simbiosoma. Un análisis filogenético separado, una historia evolutiva de cambios genéticos en especies ancestrales a lo largo del tiempo, mostró que esta duplicación de genes que codifican KCBP ocurre solo en leguminosas formadoras de simbiosomas.
Los investigadores creían que los rizobios secuestran la KCBP duplicada de la planta para dirigir el entrecruzamiento de microtúbulos dentro de la célula para controlar cómo se forma la vacuola central en las células simbióticas.
En el futuro, los investigadores pretenden identificar qué impulsa la activación (expresión) de los genes KCBP duplicados.
Fuente: ACADEMIA CHINA DE CIENCIAS
