Cómo la microscopía criogénica puede contribuir a reforzar la seguridad alimentaria
Los científicos produjeron imágenes sin precedentes
Según las Naciones Unidas, la salinización del suelo afecta a entre el 20% y el 40% de las tierras cultivables de todo el mundo, siendo la actividad humana y el cambio climático -especialmente la subida del nivel del mar- los principales responsables de este proceso. Mientras que el cuerpo humano necesita sodio para funcionar, no ocurre lo mismo con la mayoría de las plantas. De hecho, el exceso de sal alrededor de las raíces de las plantas bloquea gradualmente su acceso al agua, atrofiando su crecimiento, envenenándolas y acelerando su muerte. La salinización del suelo destruye cada año diez millones de hectáreas de tierras de cultivo, lo que supone una amenaza para la seguridad alimentaria mundial.
Científicos de la EPFL, la Universidad de Lausana (UNIL) y sus socios españoles observaron cómo "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1), un gen identificado en 2000, protege las células vegetales de la sal. El equipo de biólogos e ingenieros produjo imágenes sin precedentes utilizando la microsonda de iones CryoNanoSIMS (espectrometría de masas de iones secundarios a crionanoescala). Con este instrumento de microscopía criogénica -el único de su clase en el mundo- pudieron obtener imágenes precisas de la ubicación en la que se almacena o utiliza un nutriente específico dentro de una muestra de células o tejidos. Sus observaciones demuestran que, bajo altos niveles de estrés salino, el transportador de iones SOS1 ya no elimina sodio, sino que ayuda a cargarlo en unas estructuras llamadas vacuolas dentro de las células. Entender mejor este mecanismo y averiguar por qué algunas especies son más tolerantes al sodio que otras podría, según los científicos, permitirnos desarrollar nuevas estrategias para reforzar la seguridad alimentaria. Sus hallazgos acaban de publicarse en Nature.
Primera prueba visual
"Nuestra investigación proporciona la primera prueba visual, a escala celular, de cómo las plantas se protegen contra el exceso de sodio", afirma Priya Ramakrishna, investigadora postdoctoral del Laboratorio de Geoquímica Biológica (LGB) de la EPFL y autora principal del artículo. "Las hipótesis anteriores sobre este mecanismo se basaban en pruebas indirectas. Ahora podemos ver hacia dónde se transporta el sodio en diferentes niveles de estrés salino, algo que antes no podíamos hacer con esta resolución." El equipo conjunto de la EPFL y el UNIL llevó a cabo observaciones con un nivel de detalle sin precedentes con el instrumento CryoNanoSIMS, de reciente desarrollo, que permite obtener imágenes químicas de tejidos biológicos con una resolución de 100 nanómetros, en este caso sobre muestras de raíces de plantas que habían sido ultracongeladas en un baño de nitrógeno líquido y mantenidas a temperaturas muy bajas al vacío, para preservar todos los elementos en su lugar en el tejido.
Este método les permitió cartografiar células vegetales individuales y ver dónde se almacenaban elementos clave como el potasio, el magnesio, el calcio y el sodio en las puntas de las raíces -la parte de la planta conocida como "meristemo apical de la raíz"- que contienen las células madre responsables del desarrollo del sistema radicular de la planta. Las imágenes de CryoNanoSIMS mostraron el estado de la raíz en dos condiciones diferentes de estrés salino.
Un cambio de estrategia
En condiciones de estrés salino leve, las células consiguen impedir la entrada de sodio. Pero el equipo observó un cambio de estrategia bajo estrés salino elevado: en lugar de evacuar el sodio, como se pensaba, el transportador SOS1 ayuda a secuestrarlo en vacuolas que sirven para almacenar productos no deseados. "Pero este mecanismo de defensa consume mucha energía, ralentiza el crecimiento de la planta, inhibe su rendimiento y, en última instancia, la conduce a la muerte si persiste el estrés salino", explica Ramakrishna. Los investigadores validaron sus observaciones realizando los mismos experimentos con muestras mutantes que carecían del gen transportador SOS1, revelando su incapacidad para transportar sodio a las vacuolas, lo que explica su sensibilidad fuertemente aumentada a la sal. También realizaron las pruebas con muestras de raíces tomadas del arroz -el cultivo más común del mundo- y descubrieron que, también en este caso, el sodio se transportaba a la vacuola bajo un elevado estrés salino.
Adecuar la ubicación a la función
Para Ramakrishna, biólogo vegetal de formación, la obtención de imágenes químicas que permite el instrumento CryoNanoSIMS cambia por completo las reglas del juego. Y el instrumento también podría utilizarse para investigar cómo se protegen las plantas contra otras amenazas, como la contaminación por metales pesados y los microbios. "Con este tipo de colaboración verdaderamente interdisciplinar, es decir, combinando biología e ingeniería, podemos hacer coincidir la ubicación con la función y comprender mecanismos y procesos que nunca antes se habían observado", afirma el autor correspondiente, Anders Meibom, profesor de la Escuela de Arquitectura e Ingeniería Civil y Medioambiental (ENAC) de la EPFL y de la Facultad de Geociencias y Medio Ambiente de la UNIL, en cuyo laboratorio se desarrolló el instrumento CryoNanoSIMS.
Niko Geldner, coautor del artículo, director del equipo de investigación de la Facultad de Biología y Medicina del UNIL y jefe del equipo del UNIL, se muestra igualmente entusiasmado con esta colaboración: "Las plantas dependen fundamentalmente de la extracción de nutrientes minerales del suelo, pero nunca hemos podido observar su transporte y acumulación con suficiente resolución. La tecnología CryoNanoSIMS por fin lo consigue y promete transformar nuestra comprensión de la nutrición de las plantas, más allá del problema de la sal". La profesora Christel Genoud, coautora del artículo y Directora del Centro Dubochet de Imagen, añade: "Esta técnica está abriendo un horizonte totalmente nuevo en la obtención de imágenes de tejidos biológicos y sitúa a nuestras instituciones como líderes en esta frontera".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stéphane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M. Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sánchez-Rodriguez, Niko Geldner, Anders Meibom; "Elemental cryo-imaging reveals SOS1-dependent vacuolar sodium accumulation"; Nature, 2025-1-15
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