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Se identifican los genes responsables de la tolerancia al arsénico en las plantas

Cuando uno escucha hablar del arsénico, automáticamente se nos viene a la mente relacionarlo con un veneno, y es verdad, el arsénico es un elemento químico altamente tóxico, no sólo para el hombre, sino también para la mayoría de los seres vivos. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido que concentraciones superiores a 10ug/L pueden provocar efectos perjudiciales sobre la salud.

A pesar de esto, el arsénico es ampliamente usado en la industria humana, por ejemplo, enfermedades como la sífilis y la tripanosomiasis son tratadas con arsénico, mientras que herbicidas y pesticidas como el DSMA, poseen altas concentraciones de este metaloide en su formulación. El uso excesivo de estos herbicidas y pesticidas en la agricultura, así como los desechos de las minas, han aumentado las concentraciones de arsénico en aguas que son usadas tanto para el consumo humano como para el riego de los campos de cultivo, llegando a concentraciones por encima de los límites establecidos por la OMS.

Muchas plantas tienen la capacidad de tolerar altas concentraciones de arsénico sin sufrir daño alguno, esto gracias a un mecanismo de desintoxicación que acumula el metal pesado dentro de sus vacuolas. Sin embargo, esta habilidad tiene sus pros y sus contras… Por un lado, se podrían usar estas plantas para recuperar los suelos y aguas contaminadas con metales pesados mediante la fitorremediación, pero por el otro, estas plantas podrían acumular altas concentraciones de metales pesados en sus órganos comestibles, perjudicando directamente la salud humana.

En Bangladesh, los acuíferos usados para el riego de los cultivos de arroz están muy contaminados con arsénico, alcanzando concentraciones superiores a los 50ug/L. Las plantas de arroz pueden tolerar estas altas concentraciones, pero el arsénico acumulado en sus vacuolas pasa a los granos de arroz que es el principal sustento alimenticio de la población. Así que para reducir la ingesta de arsénico a través de las plantas en poblaciones que viven en zonas altamente contaminadas, es necesario identificar los mecanismos implicados en la acumulación y desintoxicación de arsénico en las plantas.

Científicos de liderados por  Won-Yong Song de la Universidad de Zurich han revelado los genes involucrados en la tolerancia a arsénico en la planta modelo, Arabidopsis thaliana.

La clave del asunto se basa en la identificación de los transportadores específicos de arsénico, que desintoxican la planta a través del paso del metaloide desde citoplasma a las vacuolas, lugar donde son acumulados. Los principales candidatos eran los transportadores ABCC, que son una subfamilia de los transportadores ABC. Estos transportadores ABCC están involucrados con la resistencia múltiples antibióticos (bacterias multidrogo-resistentes), así como en la resistencia a metales pesados en levaduras y humanos. Este tipo de transportador también está presente en Arabidopsis.

De los 15 genes ABCC encontrados en Arabidopsis, dos estaban involucrados con la tolerancia al arsénico (atabcc1 y atabcc2). Cuando uno de los dos genes estaba ausente, la tolerancia se reducía ligeramente, pero cuando los dos genes estaban ausentes (doble knockout), la plana era sensible al arsénico y no crecía (Figura A: DSMA 100mg/L, B: As 50uM, E: ).

atabcc

Figura A: DSMA 100mg/L, B: As 50uM, (A y B in vitro) E: As 133.5uM (en suelo).
WT: tipo silvestre; abcc1 (sin transportador AtABCC1); abcc2 (sin transportador AtABCC2)
y abcc1/abcc2 (sin ninguno de los dos transportadores)

Luego, para comprobar si en realidad eran estos dos genes los involucrados con la tolerancia a arsénico en las plantas, insertaron estos dos genes en una cepa de levadura que carecía de transportadores ABCC. Cuando fueron sometidos a diversas concentraciones de arsénico, observaron que aquellos que tenían insertados los genes atabcc1 y atabcc2 aumentaron considerablemente su tolerancia al metaloide, pero no de una manera eficiente.

Entonces, la planta debería producir alguna sustancia más que favorezca el transporte del arsénico a las vacuolas. Los investigadores sabían que para que el arsénico – o cualquier otro metal pesado – pueda ser transportado en un organismo vivo, debe estar asociado o acomplejado con otra molécula llamada agente quelante. El quelante más conocido y usado es el glutatión, que no es más que un pequeño tripéptido (formado sólo por tres aminoácidos). Sin embargo, las plantas poseen otro agente quelante llamado las fitoquelatinas, que no es más que de dos a once moléculas de glutatión enlazadas.

Así que a diferencia de las levaduras que usan principalmente el glutatión (GT) para quelar el arsénico, las plantas usan sus fitoquelatinas. Entonces, para corroborar esta hipótesis, diseñaron levaduras capaces de producir las fitoquelatinas (FQ). Al repetir la prueba de tolerancia al arsénico, observaron que esta aumentó considerablemente con respecto a la levadura que no expresaba las fitoqulatinas, tanto así que toleraron concentraciones superiores a 100uM. De esto concluyeron que las proteínas AtABCC1 y AtABCC2 transportaban eficazmente el complejo FQ-As y no el complejo GT-As. Además, para completar esta parte del estudio, demostraron – con otro experimento – que el arsénico sólo no podía atravesar los transportadores ABCC, siendo necesaria la presencia de los agentes quelantes.

Si bien este estudio fue hecho en Arabidopsis y no en arroz u otra planta de consumo humano, los resultados pueden ser fácilmente extrapolables a otras familias ya que Arabidopsis thalaiana es la planta modelo por excelencia. Ahora sólo quedaría identificar genes homólogos a la atabcc1 y atabcc2 en otras especies de plantas.

Una de las principales aplicaciones sería mejorar la capacidad de captura de metales pesados a través de la sobre-expresión de los genes abcc1 y abcc2, ya que Song et al. también demostraron que dicha sobre-expresión aumentaba la tolerancia de Arabidopsis al arsénico de manera sustanciosa. Este estudio podría tener grandes implicancias en la fitorremediación, se podrían diseñar nuevas estrategias de purificación de las aguas de las minas antes de ser liberadas a los ríos así como bajar los niveles de metales pesados en aguas usadas para la agricultura.

Por otro lado, se podría reprimir o silenciar estos genes en los órganos comestibles de las plantas, para que el arsénico capturado en las raíces, hojas y los tallos no llegue a ser ingerido por las personas o animales.

Referencia:

ResearchBlogging.orgSong, W., Park, J., Mendoza-Cozatl, D., Suter-Grotemeyer, M., Shim, D., Hortensteiner, S., Geisler, M., Weder, B., Rea, P., Rentsch, D., Schroeder, J., Lee, Y., & Martinoia, E. (2010). Arsenic tolerance in Arabidopsis is mediated by two ABCC-type phytochelatin transporters Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1013964107

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