Investigaciones recientes han proporcionado información crítica sobre cómo las plantas han desarrollado sus sistemas naturales de desintoxicación para lidiar con metales tóxicos como el cadmio y el arsénico. Un estudio realizado por científicos de la Fundación Edmund Mach y la Universidad de Pisa ha destacado el papel de las fitoquelatina sintasas (PCS), enzimas responsables de la producción de fitoquelatinas, pequeños péptidos que ayudan a atrapar iones metálicos nocivos y prevenir el daño celular.
Históricamente, los genes PCS individuales se han estudiado en organismos modelo como Arabidopsis thaliana, pero la trayectoria evolutiva más amplia de estos genes en diferentes especies de plantas sigue siendo un misterio. Los nuevos hallazgos, publicados en investigación hortícolarevelan la aparición de una antigua duplicación de genes PCS, que se remonta a la evolución temprana de las plantas con flores. Esta duplicación condujo al surgimiento de dos linajes diferentes, D1 y D2, cada uno con un papel bioquímico específico en la defensa de las plantas contra el estrés por metales pesados.
El equipo de investigación examinó más de 130 genomas vegetales completos para rastrear la evolución de los genes PCS. Su análisis indicó un evento, también llamado «duplicación D», que ocurrió durante la diversificación inicial de eudicots. Este evento resultó en el mantenimiento de dos familias distintas de genes PCS: D1, con una función más estabilizadora, y D2, que mostró una actividad mejorada.
Los experimentos de laboratorio con medicamentos de manzana y barril mostraron que las enzimas PCS de tipo D2 superaron a sus contrapartes D1 en su capacidad para sintetizar fitoquelatinas y unirse a metales tóxicos. Además, las plantas que expresan genes D2 mostraron una mayor recuperación y una mayor tolerancia al estrés por metales en comparación con las plantas que expresan genes D1, que mantuvieron principalmente el equilibrio de tioles y una capacidad de desintoxicación moderada. Un análisis de secuencia detallado reveló dos residuos de aminoácidos críticos que probablemente contribuyen a la divergencia funcional entre estos tipos de genes.
El Dr. Claudio Varotto, autor correspondiente del estudio, destacó la importancia evolutiva de este sistema genético dual y sugirió que se ha mantenido durante más de cien millones de años debido a su naturaleza complementaria: D1 proporciona estabilidad y D2 mejora el poder de desintoxicación. Esta innovación evolutiva proporciona a las plantas la flexibilidad para adaptarse a diferentes desafíos relacionados con los metales, proporcionando un marco valioso para comprender la resiliencia de las plantas.
Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de la biología evolutiva y podrían potencialmente allanar el camino para prácticas agrícolas sostenibles. Los mejoradores podrían utilizar estos conocimientos genéticos para mejorar la expresión del gen PCS o transferir la actividad PCS de tipo D2 a cultivos sensibles a los metales pesados. Esto podría dar como resultado variedades de plantas que puedan prosperar en suelos contaminados y al mismo tiempo minimizar la acumulación de metales tóxicos en las partes comestibles.
El estudio también subraya el potencial de las estrategias de fitorremediación que utilizan plantas para limpiar ambientes contaminados, abordando un problema urgente a medida que aumenta la contaminación del suelo en todo el mundo. Al aclarar nuestra comprensión de la evolución de las plantas y sus mecanismos para tolerar metales tóxicos, esta investigación proporciona inspiración y soluciones prácticas para mejorar la seguridad y la sostenibilidad de la agricultura frente a la contaminación.
