Regulación de la arquitectura de la raíz por cationes trivalentes y su impacto en las respuestas a la deficiencia de fosfato

Abstract

Acid soils limit crop productivity worldwide, mainly due to high concentration of aluminum (Al3+) and low phosphorus (P) availability. Aluminum is a trivalent cation that interacts with phosphate to form aluminum phosphates that are highly insoluble and unavailable for uptake by the root. Certain cations are currently used in agriculture as fertilizer additives, including the rare earth elements lanthanum (La3+) and gadolinium (Gd3+). Although positive results have been documented in the growth of plants by the application of these cations in low concentrations, it is increasingly appreciated that they may cause rizotoxic effects. Additional research efforts are thus necessary to understand the interactions of trivalent cations with the essential nutrients, especially P and its impact on plant physiology. One of the responses of the root that is common to aluminum, rare earth elements and phosphorus deficiency, is a rapid inhibition of primary root growth. This suggests that plants might have similar mechanisms to cope with stress caused by trivalent cation toxicity and phosphorus deficiency. Alternatively, the cations could interact directly with phosphorus to form insoluble precipitates and thereby causing symptoms of P deficiency in plant tissues. To gain a better understanding of the interactions between trivalent cations La3+, Gd3+ and Al3+ with phosphorus, in this work we used the model plant Arabidopsis thaliana grown in vitro to evaluate changes in root architecture and the expression of genes inducible by phosphate deficiency (AtPT1, AtPT2, and AtMGD2) occurring in plants treated with LaCl3, GdCl3, and AlCl3.

Los suelos ácidos limitan la productividad de los cultivos a nivel mundial, debido principalmente a su alto contenido de aluminio (Al3+) y a la baja disponibilidad de fósforo (P). El aluminio es un catión trivalente que interactúa con el fosfato para formar fosfatos de aluminio que son altamente insolubles y por lo tanto inaccesibles para su captación por el sistema radicular de las plantas. Algunos cationes trivalentes se utilizan actualmente en la agricultura como aditivos de fertilizantes, entre ellos los elementos de tierras raras como el lantano (La3+) y el gadolinio (Gd3+). Aunque se han documentado resultados positivos en el crecimiento de las plantas por la aplicación de estos cationes en concentraciones bajas, cada vez es más evidente el efecto rizotóxico causado por La 3+ y Gd 3+, lo que hacen necesarias investigaciones para conocer las interacciones de estos elementos con los nutrientes esenciales, principalmente el P, y sus consecuencias en la fisiología de las plantas. Una de las respuestas de la raíz que es común al aluminio, a elementos de tierras raras y a la deficiencia de P, es la rápida inhibición del crecimiento de la raíz primaria. Lo anterior sugiere que las plantas presentan mecanismos de respuesta similares al estrés causado por la toxicidad por cationes trivalentes y por la carencia de P. Alternativamente, los cationes podrían reaccionar directamente con el fosfato formando recipitados insolubles y causando por lo tanto síntomas de deficiencia de P. Para lograr un mejor entendimiento entre las interacciones de los cationes trivalentes La3+, Gd3+ y Al3+ con el fósforo, en este trabajo utilizamos a la planta modelo Arabidopsis thaliana en sistemas de crecimiento in vitro, evaluando los cambios en la arquitectura de la raíz y la expresión de genes inducibles por deficiencia de fosfato (AtPT2 y AtMGD2) que ocurren en plantas silvestres tratadas con LaCl3, GdCl3 y AlCl3.