Las fitoquelatinas sintasas (PCS) producen fitoquelatinas, diminutos péptidos ricos en cisteína que se unen y neutralizan iones metálicos tóxicos como el cadmio y el arsénico. Estas moléculas actúan como el sistema de desintoxicación natural de la planta, secuestrando elementos nocivos en vacuolas para prevenir el daño celular.
por la Academia China de Ciencias
Aunque estudios previos exploraron genes PCS individuales en plantas modelo como Arabidopsis thaliana (AtPCS1, AtPCS2), el panorama más amplio de cómo se diversificaron los genes PCS a lo largo de la evolución de las plantas sigue sin estar claro.
Sin comprender esta historia evolutiva , ha sido difícil explicar por qué las plantas varían tanto en su tolerancia a los metales. Con base en estos desafíos, los investigadores buscaron descubrir cómo la duplicación génica y la divergencia funcional moldearon la evolución del PCS en los genomas de las plantas .
Un equipo de investigación de la Fundación Edmund Mach y de la Universidad de Pisa ha rastreado el origen evolutivo de la maquinaria de desintoxicación de metales de las plantas.
Sus hallazgos , publicados en Horticulture Research , revelan que una duplicación de genes PCS, largamente ignorada, ocurrió temprano en la evolución de las plantas con flores.
Al combinar la reconstrucción filogenética de todo el genoma con experimentos de laboratorio y a nivel de plantas, los investigadores descubrieron cómo esta duplicación (división en linajes D1 y D2) permitía a las plantas afinar su defensa bioquímica contra el estrés de los metales pesados.
El estudio analizó más de 130 genomas vegetales completos para mapear la trayectoria evolutiva de los genes PCS. Los investigadores descubrieron una duplicación antigua, denominada «duplicación D», que surgió durante la diversificación temprana de las eudicotiledóneas y se ha conservado desde entonces. Este evento dividió los genes PCS en dos familias: D1 y D2.
Para explorar sus funciones, el equipo aisló MdPCS1/MdPCS2 de la manzana y MtPCS1/MtPCS2 de la algarroba y las introdujo en mutantes de Arabidopsis thaliana carentes de actividad PCS nativa. Los ensayos de laboratorio revelaron que las enzimas PCS de tipo D2 eran significativamente más activas que sus contrapartes D1, mostrando una mayor capacidad para sintetizar fitoquelatinas y unirse al cadmio y al arsénico.
En plantas vivas, los genes D2 confirieron una recuperación del crecimiento más fuerte y una mayor tolerancia al estrés por metales, mientras que los genes D1 mantuvieron el equilibrio tiólico general y una capacidad de desintoxicación moderada. El análisis de secuencias identificó dos residuos de aminoácidos clave, probablemente responsables de su divergencia funcional.
Los resultados sugieren que ambos tipos de genes se conservaron porque sus funciones complementarias garantizaron una desintoxicación eficiente: un ejemplo notable de ajuste evolutivo que continúa protegiendo los cultivos modernos.
«Nuestros hallazgos revelan cómo la evolución refinó un mecanismo vital de supervivencia», afirmó el Dr. Claudio Varotto, autor correspondiente del estudio.
Las dos copias del gen PCS han coexistido durante más de cien millones de años porque se complementan: D1 proporciona estabilidad, mientras que D2 proporciona energía. Este sistema dual proporciona a las plantas la flexibilidad para adaptarse a diversos desafíos relacionados con los metales. Es un ejemplo perfecto de cómo la innovación genética ancestral continúa moldeando la resiliencia de las plantas en la actualidad.
Este descubrimiento no solo profundiza nuestra comprensión de la evolución vegetal, sino que también abre nuevas vías para la agricultura sostenible. Al dirigir la expresión del gen PCS o transferir la actividad de PCS de tipo D2 a cultivos sensibles, los fitomejoradores podrían crear variedades que prosperen en suelos contaminados, a la vez que reducen la acumulación de metales pesados en las partes comestibles.
Estos conocimientos genéticos también podrían mejorar las estrategias de fitorremediación, en las que se utilizan plantas para limpiar ambientes contaminados.
Mientras el mundo enfrenta una creciente contaminación del suelo, comprender cómo evolucionaron las plantas para soportar metales tóxicos ofrece tanto inspiración científica como herramientas prácticas para un futuro agrícola más seguro.
Más información: Mingai Li et al., La duplicación antigua y la diferenciación funcional de las sintasas de fitoquelatina se conservan en los genomas vegetales, Horticulture Research (2024). DOI: 10.1093/hr/uhae334
