Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Un azúcar para aliviar la sequía en el mundo

Azúcar Sequía

Dr. Ramón Suárez Rodríguez / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Biotecnología de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos.
Archivo: Biotecnología

La productividad de los cultivos se ve afectada por el estrés biótico y abiótico, éste último causado por condiciones tales como calor, congelamiento, salinidad y sequía. A nivel mundial la disponibilidad de agua es el factor que más pérdidas ocasiona a la agricultura, y en la actualidad el cambio climático está provocando sequías severas e impredecibles que afectan aún más a los cultivos, además del aumento de las zonas áridas y semiáridas.
En México el 79% de la agricultura es de temporal y afecta principalmente a los agricultores de escasos recursos. El mayor reto para el siglo XXI será la producción suficiente de alimentos ya que se estima que la población global humana puede alcanzar 9 mil millones para el 2050. Esto significa que se debe hacer un esfuerzo tecnológico, sin aumentar las áreas de cultivo a costa de selvas y bosques, para incrementar la productividad agrícola en condiciones de disponibilidad limitada de agua y sequía, pero también sin aumentar la contaminación del ambiente por el uso irracional de los fertilizantes minerales aplicados a los cultivos.
Algunas especies de bacterias, hongos, y plantas pueden resistir la deshidratación extrema y sobrevivir sin agua durante años. Este fenómeno se conoce como anhidrobiosis y se ha demostrado que en buena medida se debe a la síntesis de solutos compatibles con el metabolismo llamados osmoprotectores, siendo la trehalosa uno de los más eficientes. Este disacárido contrarresta el efecto negativo de la deshidratación protegiendo a las membranas, proteínas, ADN y otras estructuras subcelulares contra el daño irreversible causado por los radicales libres, la acumulación de iones caotrópicos, la desnaturalización y agregación de macromoléculas. Además, la trehalosa protege a los organismos que la sintetizan de las temperaturas extremas y la salinidad, ya que en estos casos la célula también pierde agua. Los insectos utilizan la trehalosa como una fuente de energía para el vuelo, ya que es muy abundante en la hemolinfa (sangre de los insectos). La trehalosa está presente en la levadura común a una alta concentración y se encuentra en diversos alimentos y productos de la fermentación, como el pan, vino, cerveza, miel, vinagre, hongos, entre otros., que se consumen desde hace siglos, lo cual evidencia que éste disacárido no representa riesgos para la salud.
Nuestro grupo de trabajo se ha enfocado a estudiar tanto aspectos básicos de la adaptación de las plantas ante el estrés hídrico como la aplicación de dicho conocimiento en el mejoramiento de la tolerancia a la sequía en los cultivos con técnicas de biología molecular. Dentro de los genes que hemos caracterizado jugando un papel central en la tolerancia a la sequía, se encuentran los genes del metabolismo de trehalosa. Estos han sido de particular interés para nuestro grupo y se han usado para transferirlos a diversas plantas y cultivos. En particular, han funcionado para mejorar la tolerancia a sequía, salinidad, congelamiento y calor en Arabidopsis, tabaco, alfalfa, banano y crisantemo. Por otro lado, en los últimos años encontramos que la sobre-expresión por medio de ingeniería genética, de genes del metabolismo de trehalosa en bacterias que viven en simbiosis y/o asociación en las raíces de las plantas, les confiere a éstas tolerancia a la sequía y aumento en el rendimiento de grano y biomasa vegetativa. Este efecto se observó en Rhizobium etli nodulando a frijol, y en Azospirillum brasilense interaccionado con la raíces del maíz. El único problema con estas cepas sobre-productoras de trehalosa es que son recombinantes y su liberación al campo no está permitida en muchos países incluido el nuestro. Recientemente generamos por mutagénesis química, una cepa de Rhizobium etli que sobre-produce trehalosa y es tolerante al estrés osmótico; su efecto al ser inoculada en plantas de frijol ha sido prácticamente el mismo que obtuvimos con la cepa recombinante, es decir, le confiere tolerancia a la sequía, aumenta la biomasa en la planta y el rendimiento en grano, aún en condiciones de riego normal.
Estas bacterias no se consideran OGM y podrían ser liberadas al campo sin mayores restricciones. A la fecha contamos con cepas mutantes (no recombinantes) de diversas rizobacterias, tales como Azospirillum, Rhizobium tropici, Bradyrhizobium japonicum y Sinorhizobium meliloti, que serán evaluadas en condiciones de estrés abiótico en invernadero, para su potencial aplicación en parcelas experimentales en el campo en cultivos de diversas especies, tanto gramíneas como leguminosas. El producto final de nuestra investigación es lograr con estas mutantes producir a gran escala un biofertilizante de bajo costo que le permita al agricultor dejar de preocuparse por la sequía o el efecto de la canícula cuando esta se presenta y de no existir una condición de estrés le permita incrementar su producción bajo condiciones de riego normal. Además, como hemos demostrado con nuestra investigación, es posible utilizar las cepas en suelos salinos, originados por la aplicación excesiva de fertilizantes químicos, lo que representa una alternativa a la regeneración y utilización de terrenos no utilizados para siembra por la salinidad.
Otra aplicación del biofertilizante es para conferir tolerancia a las bajas temperaturas (frío y congelamiento), es decir puede ser aplicado en zonas altas en donde las temperaturas alcanzan registros por debajo del cero, por ejemplo en zonas donde se cultiva, trigo, cebada o inclusive maíz y frijol. Por otro lado está plenamente demostrado de que Azospirillum, puede ser utilizado no solo en el caso de cereales como maíz, trigo, cebada, avena, pastos forrajeros, sino que también puede ser aplicado en otras especies vegetales, tales como: algodón, tomate, lechuga, agave, henequén y diversas cactáceas, lo que amplia su aplicación desde un punto de vista agronómico y comercial.
Por nuestros logros el Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), actualmente financia el proyecto internacional consorciado “Obtención y evaluación de Phaseolus vulgaris y Zea mays tolerantes a la sequía”, que tiene como principales objetivos: incrementar la tolerancia a la sequía y el rendimiento de la planta, mediante la inoculación con biofertilizantes mejorados e incrementar la tolerancia a la sequía de las plantas, por medio de la transgénesis, de tal manera que el efecto combinado de la planta y el inoculante, ambos mejorados con el gen de biosíntesis de trehalosa, redundaría en una mayor tolerancia al estrés y rendimiento. Además, los resultados obtenidos se transferirán a los sectores públicos y privados receptores de la tecnología con objeto de contribuir a una agricultura sostenible y a la seguridad alimentaria en Latinoamérica. El consorcio está conformado por dos grupos españoles (Universidad de Sevilla y Consejo Superior de Investigación Científica), un grupo de Brasil (EMBRAPA), un grupo Argentino (INTA), dos de México (UACh y UAEM), todos coordinados y liderados por el grupo de Fisiología Molecular de Plantas del CEIB-UAEM.

Azúcar Sequía

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Referencias:
1.Gabriel Iturriaga, Ramón Suárez and Barbara Nova-Franco (2009). Trehalose Metabolism: From Osmoprotection to Signaling. Int. J. Mol. Sci. 10:3793-3810.
2.Julieta Rodríguez-Salazar, Ramón Suárez, Jesús Caballero-Mellado & Gabriel Iturriaga (2009). Trehalose accumulation in Azospirillum brasilense improves drought tolerance and biomass in maize plants. FEMS Microbiology Letters 296:52-59.
3.Ramón Suárez, Cecilia Calderón and Gabriel Iturriaga (2009). Enhanced tolerance to multiple abiotic stresses in transgenic alfalfa accumulating trehalose. Crop Science 49:1791-1799.
4.Ramón Suárez, Arnoldo Wong, Mario Ramírez, Aarón Barraza, María del Carmen Orozco, Miguel A. Cevallos, Miguel Lara, Georgina Hernández and Gabriel Iturriaga (2008). Improvement of drought tolerance and grain yield in common bean by overexpressing trehalose-6-phosphate synthase in rhizobia. Molecular Plant-Microbe Interactions 21(7): 958-966.
5.José A. Miranda, Nelson Avonce, Ramón Suárez, Johan M. Thevelein, Patrick Van Dijck and Gabriel Iturriaga (2007). A bifunctional TPS-TPP enzyme from yeast confers tolerance to multiple and extreme abiotic-stress conditions in transgenic Arabidopsis. Planta 226(6): 1411-1421.

 


Semblanza


Ramón Suárez Rodríguez es biólogo egresado de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Con estudios de maestría y doctorado en Investigación Biomédica Básica-UNAM. Desde el 2004 es Profesor-Investigador en el Centro de Investigación en Biotecnología responsable del Laboratorio de Fisiología Molecular de Plantas. Desde el 2005 soy miembro Sistema Nacional de Investigadores.