Una planta acuática que a menudo se pasa por alto y que puede duplicar su biomasa en dos días, capturar nitrógeno del aire (lo que la convierte en un valioso fertilizante verde) y alimentar a aves y ganado podría servir como alimento que salve vidas humanas en caso de una catástrofe o desastre, sugiere un nuevo estudio dirigido por investigadores de Penn State.

Originaria del este de EE. UU., la planta Azolla caroliniana Willd, comúnmente conocida como Carolina azolla, también podría reducir la inseguridad alimentaria en un futuro cercano, según hallazgos publicados recientemente en Food Science & Nutrition . Los investigadores descubrieron que la cepa Carolina de azolla es más digerible y nutritiva para los seres humanos que las variedades de azolla que crecen en la naturaleza y también se cultivan en Asia y África para alimentar al ganado.

El estudio, dirigido por Daniel Winstead, asistente de investigación en los laboratorios de Michael Jacobson, profesor de ciencia y gestión de ecosistemas, y Francesco Di Gioia, profesor asistente de ciencia de cultivos de hortalizas, es parte de un proyecto de investigación interdisciplinario más amplio llamado Resiliencia alimentaria. Ante Eventos Catastróficos Globales realizado en la Facultad de Ciencias Agrícolas.

«Otras especies de azolla se han utilizado en todo el mundo durante varios miles de años como alimento para el ganado y como ‘abono verde’ para fertilizar cultivos debido a la capacidad de la planta para fijar nitrógeno», dijo Jacobson. «Se pensaba que el uso de azolla para consumo humano estaba limitado por su alto contenido de polifenoles totales, lo que interfiere con su digestibilidad. Pero esta investigación demuestra que el contenido fenólico de la cepa Carolina es mucho menor, y cocinar la planta lo disminuye aún más.»

Los polifenoles, que son compuestos naturalmente abundantes que se encuentran en las plantas, en concentraciones más bajas son beneficiosos para la salud humana debido a su actividad antioxidante; sin embargo, las altas concentraciones de polifenoles pueden limitar la absorción de nutrientes en el cuerpo y actuar como factores antinutricionales, explicó Jacobson. El ácido gálico es un fenol estable y se ha convertido en una medida estándar para determinar el contenido de fenol en los alimentos.

En el estudio, Carolina azolla, que se ha descrito como de textura crujiente y sabor neutro, se cultivó en un invernadero ubicado en el campus de Penn State University Park. Los investigadores determinaron que Carolina azolla tiene un contenido fenólico total de aproximadamente 4,26 gramos, equivalentes de ácido gálico por kilogramo de peso seco.

Esta medida se compara con las frutas, señaló Winstead, que generalmente están entre 1,4 y 6,2; los frijoles entre 1,2 y 6,6; y nueces, entre 0,5 y 19. En comparación, añadió, otras especies de azolla que crecen en Asia y África pesan entre 20 y 69 gramos, equivalentes de ácido gálico por kilogramo de peso seco, demasiado alto para que los humanos lo digieran cómodamente.

Los investigadores probaron tres métodos de cocción (hervir, cocción en olla a presión y fermentación natural) que, según han demostrado múltiples estudios, pueden disminuir el contenido de polifenoles en los alimentos. Las pruebas mostraron que el contenido total de fenol se redujo en un 88%, 92% y 62% con la ebullición, la cocción a presión y la fermentación natural, respectivamente, en comparación con la planta cruda.

Carolina azolla, a veces conocida como helecho mosquito, o helecho acuático, tiene un excelente potencial para su uso como cultivo de rápido crecimiento y de temporada corta que requiere insumos, mantenimiento y procesamiento mínimos, señaló Winstead, y agregó que la planta podría usarse para aumentar el suministro de alimentos.

«Nuestro estudio destaca el valor nutricional y el contenido moderado de proteínas de Carolina azolla y demuestra que los métodos de cocción reducen fácil y significativamente el contenido fenólico total», dijo. «Los moderados rendimientos proteicos y altos minerales de Azolla hacen que esta especie sea deseable para el cultivo».

La naturaleza fácil y de rápido crecimiento del cultivo de azolla lo convierte en un recurso ideal durante desastres y catástrofes, así como para uso regular en pequeñas granjas y áreas de bajos ingresos, dijeron los investigadores. Es una planta comestible silvestre multipropósito que tiene un gran potencial de beneficios económicos, agrícolas, nutricionales y de resiliencia, pero necesita mayor desarrollo, dijeron.

«Ya sea para una solución rápida en escenarios de catástrofe o para un plan de resiliencia a largo plazo, Carolina azolla tiene el potencial de proporcionar grandes cantidades de proteínas y calorías para la alimentación de personas y ganado», afirmó, destacando que la planta incluso se ha considerado se incluya en el programa espacial de Estados Unidos. «Si los sistemas de cultivo y preparación de azolla pueden hacerse más eficientes, su cultivo en interiores o exteriores después de desastres naturales podría proporcionar una producción suplementaria de nutrientes que sean resilientes al clima».

Este estudio se vincula con otras revisiones sistemáticas en curso realizadas por los mismos investigadores de Penn State que examinan cultivos alimentarios regionales, resilientes y resistentes a la sequía y una mayor agrobiodiversidad ante desastres cada vez más frecuentes y que a menudo resultan en alteraciones del sistema alimentario. Por ejemplo, un artículo publicado en Frontiers in Sustainable Food Systems analiza la gran cantidad de plantas comestibles silvestres de América del Norte que rara vez se utilizan y que alguna vez fueron utilizadas abundantemente por los nativos americanos.

«Actualmente estamos haciendo revisiones en las regiones africanas», dijo Jacobson. «Con suerte, exponer la viabilidad de las plantas menos utilizadas puede ayudar a la sociedad a estar más preparada para tener un sistema alimentario resiliente».

Referencias

Universidad Estatal de Pensilvania. (19 de Febrero de 2024). Common plant could help reduce food insecurity, researchers find. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2024-02-common-food-insecurity.html

Una nueva investigación dirigida por la Universidad de Oxford ha descubierto que, después de todo, la RUBISCO, la enzima que alimenta toda la vida en la Tierra, no está estancada en una rutina evolutiva. El mayor análisis realizado hasta ahora sobre RUBISCO ha descubierto que mejora todo el tiempo, pero muy, muy lentamente. Estos conocimientos podrían potencialmente abrir nuevas rutas para mejorar la seguridad alimentaria.

El artículo «RUBISCO está evolucionando para mejorar la eficiencia catalítica y la asimilación de CO₂ en plantas», ha sido publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

La enzima más abundante en la Tierra, la RUBISCO, ha estado proporcionando la energía química que alimenta la vida en nuestro planeta durante los últimos tres mil millones de años. Aunque la RUBISCO fija miles de millones de toneladas de CO 2 cada año, la enzima es notoriamente ineficiente. Esto ha creado una paradoja biológica que ha desconcertado a los investigadores durante décadas. ¿Por qué la enzima que ha alimentado la vida durante más de 3 mil millones de años no hace mucho mejor su trabajo? Muchos científicos han debatido si la enzima está atrapada en una «rutina evolutiva», lo que hace imposible que mejore.

Pero una nueva investigación de la Universidad de Oxford ha revelado que el RUBISCO mejora continuamente, pero que esta mejora se produce a un ritmo muy lento.

El autor principal, Jacques Bouvier (estudiante de doctorado en el Departamento de Biología de la Universidad de Oxford), dijo: «Nuestra investigación demuestra por primera vez que la evolución está mejorando constantemente la RUBISCO y que es posible seguir mejorando la enzima. Es importante destacar que esta información proporciona una visión renovada». optimismo por los esfuerzos para diseñar la enzima para ayudar a alimentar al mundo».

Los investigadores analizaron secuencias del gen RUBISCO de una amplia gama de organismos fotosintéticos y cuantificaron la tasa de evolución del RUBISCO por primera vez. Descubrieron que su secuencia se ha alterado en incrementos diminutos de solo un cambio de base en el ADN cada 900.000 años, un marcado contraste con el genoma de la COVID-19, por ejemplo, que evoluciona un cambio de base cada dos semanas. Esto sitúa a RUBISCO en el 1% de los genes de evolución más lenta de la Tierra.

A pesar de este lento ritmo de cambio, los investigadores descubrieron que la enzima está aprovechando esta evolución para mejorar la fijación de CO₂. Los autores también descubrieron que esta fijación de CO₂ que mejora lentamente está dando como resultado mejoras en la fotosíntesis; Las plantas están evolucionando para mejorar su capacidad de convertir CO₂ en azúcar, pero el ritmo de mejora es tan lento que es difícil de apreciar.

Durante décadas, los científicos han aspirado a diseñar una RUBISCO mejorado para impulsar el crecimiento y el rendimiento de las plantas cultivadas. Pero a pesar de mucho esfuerzo, el éxito ha sido limitado y muchos se han preguntado si RUBISCO ya está optimizado, lo que hace que estos intentos sean inútiles. Sin embargo, las ideas de este estudio ofrecen una esperanza renovada. En particular, desentrañar el misterio de lo que está frenando el ritmo de evolución de RUBISCO puede descubrir nuevas formas de mejorar el rendimiento de los cultivos.

Jacques Bouvier añadió: «Dado que la RUBISCO asimila los azúcares que alimentan la vida en la Tierra, mejorar esta enzima es una de las vías más prometedoras para ayudar a combatir la falta de alimentos. Ha habido un acalorado debate sobre si hay posibilidades de mejorar la enzima; nuestra nueva investigación proporciona una respuesta clara a esta pregunta. Si la evolución puede mejorar RUBISCO, ¡nosotros también podemos!»

El autor principal, el profesor Steven Kelly (Departamento de Biología, Universidad de Oxford), dijo: «Hemos demostrado que el RUBISCO no está congelado en el tiempo, sino que evoluciona continuamente para mejorar. Ahora necesitamos comprender los factores que están frenando a la RUBISCO para permitirnos realizar su verdadero potencial».

Este nuevo conocimiento ofrece aliento a los esfuerzos que apuntan a aumentar el rendimiento de los cultivos alimentarios, de fibras y combustibles centrándose en la ingeniería de la RUBISCO. Mejorar la RUBISCO podría ser clave para satisfacer las necesidades alimentarias de una población mundial en crecimiento.

Referencias

University of Oxford. (7 de Marzo de 2024). Study finds world’s most prolific CO₂-fixing enzyme is slowly getting better. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2024-03-world-prolific-enzyme-slowly.html

Cambios en la concentración de compuestos fenólicos que causan el bronceado de la piña

El bronceado interno (IB) es un problema postcosecha importante en las piñas, que afecta la calidad de la fruta y provoca pérdidas sustanciales, pero su mecanismo sigue siendo poco conocido. Los estudios han demostrado que la acumulación de compuestos fenólicos desempeña un papel clave en el desarrollo del oscurecimiento de los tejidos.

Si bien el papel de los factores de transcripción (TF) básicos hélice-bucle-hélice (bHLH) en la regulación de metabolitos secundarios como los compuestos fenólicos está bien documentado, su participación específica en el IB, particularmente a través de la biosíntesis fenólica en la senescencia de la fruta cosechada, no está clara. Además, el ácido abscísico (ABA) suprimió la IB de las piñas cosechadas, pero aún se desconoce si ese proceso implica la regulación de la TF bHLH.

En septiembre de 2023, Horticulture Research publicó una investigación titulada » El factor de transcripción AcbHLH144 regula negativamente la biosíntesis fenólica para modular el bronceado interno de la piña «.

Inicialmente, al examinar las piñas almacenadas durante nueve días, los investigadores identificaron una correlación entre los síntomas graves del IB y el aumento de los compuestos fenólicos totales (CPT), respaldada por análisis metabolómicos y transcriptómicos que resaltaron la activación de la vía de biosíntesis de fenilpropanoides.

Once genes expresados ​​diferencialmente (DEG) para las seis enzimas biosintéticas fenólicas estuvieron significativamente regulados positivamente en frutas afectadas por IB, lo que indica una mayor biosíntesis fenólica relacionada con el desarrollo del IB. El estudio investigó más a fondo la regulación de la transcripción de la biosíntesis fenólica, identificando AcbHLH144 entre varios factores de transcripción con expresión alterada en piñas almacenadas.

Curiosamente, la expresión de AcbHLH144 se correlacionó negativamente con genes biosintéticos fenólicos clave, lo que sugiere que AcbHLH144 puede regular negativamente la biosíntesis de compuestos fenólicos en la piña durante el almacenamiento.

Para validar la función reguladora de AcbHLH144, los investigadores realizaron una sobreexpresión transitoria en piñas y una sobreexpresión en Arabidopsis, demostrando que la sobreexpresión de AcbHLH144 conducía a una disminución de la acumulación fenólica, lo que respalda su papel como regulador negativo de la biosíntesis fenólica.

Además, Y1H y EMSA mostraron que AcbHLH144 se unía directamente al promotor Ac4CL5 y el ensayo indicador de luciferasa dual mostró que inactivaba la transcripción de Ac4CL5. Este mecanismo regulador estuvo además implicado en el contexto del tratamiento con ABA, que redujo la gravedad de la BI y la acumulación de compuestos fenólicos, y el tratamiento con ABA aumentó significativamente la transcripción de AcbHLH144.

Esta regulación positiva se vinculó a elementos que responden a ABA en el promotor AcbHLH144, lo que sugiere el papel de ABA en la activación de la transcripción de AcbHLH144, inhibiendo así la biosíntesis fenólica y mitigando la BI. En conjunto, estos resultados mostraron que AcbHLH144 como represor de la biosíntesis fenólica, podría ser activado por ABA.

En general, el estudio presenta una investigación detallada sobre los mecanismos subyacentes al BI de la piña, destacando el papel crucial de AcbHLH144 en la regulación de la biosíntesis de compuestos fenólicos y el potencial de ABA para controlar el BI mediante la activación de AcbHLH144.

Estos hallazgos contribuyen significativamente a una mejor comprensión de la fisiología del bronceado de la fruta y sugieren enfoques novedosos para el manejo del BI postcosecha en piñas.

Referencias

NanJing Agricultural University. (26 de Febrero de 2024). Unlocking the mechanism of pineapple internal browning. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2024-02-mechanism-pineapple-internal-browning.html

Fuente de la imagen: Fotografía de Harri Kokko

Investigadores del Departamento de Física Técnica y del Departamento de Ciencias Ambientales y Biológicas de la Universidad del Este de Finlandia han utilizado imágenes por resonancia magnética (MRI) para investigar cómo el patógeno Phytophthora cactorum afecta el crecimiento y desarrollo de las plantas de fresa. Este patógeno provoca la pudrición de la corona de las fresas y puede provocar pérdidas importantes en los cultivos hortícolas.

Los investigadores utilizaron resonancia magnética para investigar las diferencias entre plantas sanas e infectadas durante un período de tres semanas y descubrieron que las plantas infectadas difieren significativamente de las sanas. El estudio encontró que las plantas infectadas tenían cavidades superiores dentro de sus coronas en comparación con las sanas.

Estas diferencias se observaron como cambios tanto espaciales como temporales, lo que permitió visualizar la progresión de la infección. Los datos de resonancia magnética también se confirmaron con la estructura anatómica de las plantas mediante la disección de sus copas al final del experimento. En las plantas infectadas, la presencia del patógeno en la corona era fácilmente visible incluso a simple vista.

La resonancia magnética se utiliza habitualmente en el ámbito hospitalario; sin embargo, aplicarlo a materiales de muestra relativamente poco convencionales, como plantas, abre nuevas posibilidades. La resonancia magnética es un método especialmente sensible para detectar agua, por lo que los investigadores esperaban que fuera adecuada para investigar daños internos en las plantas. Con la resonancia magnética, es posible obtener datos sobre, por ejemplo, la distribución y cantidad de agua dentro de una muestra.

El estudio empleó varios métodos cuantitativos de imágenes por resonancia magnética para investigar los cambios inducidos por infecciones en las coronas de fresa. Estos valores cuantitativos dan una indicación indirecta de la integridad de las estructuras celulares de las plantas, lo que permite comparar plantas infectadas y sanas sin dañarlas. Esto permite el seguimiento y la evaluación a largo plazo de la progresión de la enfermedad.

El estudio sugiere que la resonancia magnética podría usarse para monitorear la salud y el desarrollo de las plantas, para investigar la progresión de enfermedades de las plantas y otras investigaciones relacionadas. La resonancia magnética también podría ayudar a comprender los mecanismos de interacción entre plantas y patógenos y a desarrollar nuevas estrategias para prevenir y combatir enfermedades de las plantas.

Referencias

University of Eastern Finland. (4 de Marzo de 2024). University of Eastern Finland. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2024-03-mri-crown-infection-strawberries.html

Las leguminosas tienen la capacidad de interactuar con las bacterias fijadoras de nitrógeno del suelo, conocidas como rizobacterias. Las legumbres y los rizobacterias entablan relaciones simbióticas ante la falta de nitrógeno, lo que permite que la planta prospere sin la necesidad de un suministro externo de este nutriente.

Se forman nódulos simbióticos en la raíz de la planta, que son colonizados por bacterias fijadoras de nitrógeno . El receptor de superficie celular SYMRK (quinasa similar al receptor de simbiosis) es responsable de mediar la señal simbiótica desde la percepción de los rizobacterias hasta la formación del nódulo. El mecanismo de activación del receptor era desconocido.

En este estudio, que aparece en Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores identificaron cuatro sitios de fosforilación esenciales que actúan como catalizadores de la relación simbiótica entre las plantas leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno. Los pasos iniciales de la vía simbiótica en la superficie celular están bien caracterizados; sin embargo, la comprensión de cómo se transmite la señal aguas abajo ha eludido el campo de investigación durante años.

El descubrimiento de estos sitios de fosforilación esenciales es un paso importante hacia la traducción de la capacidad de formar relaciones simbióticas con bacterias fijadoras de nitrógeno en plantas de cultivo.

«Sabíamos que el receptor y su actividad es esencial para el establecimiento de la simbiosis, pero no sabíamos cómo ni por qué. La fosforilación es un mecanismo común para regular la actividad de la quinasa, por lo que teorizamos que la función SYMRK estaba ligada a fosforilaciones específicas». Nikolaj Abel lo explica.

A través de colaboraciones con el laboratorio de Ole Nørregaard Jensen en la Universidad del Sur de Dinamarca, se identificaron varios sitios de fosforilación en distintas regiones de la quinasa SYMRK. Los investigadores pudieron reducir los sitios esenciales agotando o imitando las fosforilaciones in vivo. Específicamente, cuatro sitios en la región N-terminal de SYMRK dieron fenotipos fuertes cuando mutaron.

«Exploramos el impacto de las mutaciones específicas de un sitio creando variantes de receptores y reintroduciéndolas en plantas que carecen del receptor SYMRK funcional. La observación de la nodulación espontánea sin rizobacterias o la ausencia de nodulación a pesar de su presencia indica que nos hemos centrado en un elemento crucial para la vía simbiótica», dice Abel.

Para comprender dónde estaban situados los sitios de fosforilación identificados en la quinasa SYMRK, los investigadores determinaron la estructura del dominio intracelular de SYMRK.

«Necesitábamos poder mapear los sitios de fosforilación en un modelo estructural de la quinasa SYMRK para comprender realmente cómo estos sitios de fosforilación permiten la señalización aguas abajo. Identificamos un motivo estructuralmente conservado en la región alfa-helicoidal N-terminal que denominamos ‘el motivo alfa-I. Esta región contiene los cuatro sitios de fosforilación conservados», explica Malita Nørgaard.

El objetivo es permitir la simbiosis de los nódulos de raíces en cultivos importantes

El objetivo a largo plazo es permitir la simbiosis de los nódulos de raíces en cultivos importantes como la cebada, el maíz y el arroz. Estos cultivos requieren grandes cantidades de fertilizantes nitrogenados para crecer, lo que genera enormes huellas de CO₂ y hace que los pequeños agricultores no puedan producir rendimientos estables.

Con la identificación exitosa de los sitios de fosforilación cruciales para iniciar el programa de nodulación en plantas leguminosas, los investigadores creen que este nuevo conocimiento tiene implicaciones prometedoras para traducir los rasgos de fijación de nitrógeno en otros cultivos diferentes a leguminosas.

Referencias
Aarhus University. (12 de Febrero de 2024). Researchers uncover a key link in legume plant-bacteria symbiosis. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2024-02-uncover-key-link-legume-bacteria.html