El rasgo recién descubierto ayuda a las plantas a desarrollar raíces más profundas en suelos secos y compactados

n rasgo de la raíz previamente desconocido permite que algunas plantas de cereales desarrollen raíces más profundas capaces de perforar suelos secos, duros y compactados, según los investigadores de Penn State, quienes sugieren que aprovechar la característica heredada podría conducir a cultivos más capaces de lidiar con un clima cambiante.

«Este descubrimiento es un buen augurio para la agricultura estadounidense y mundial porque el rasgo ayuda al maíz, el trigo y la cebada a desarrollar raíces más profundas, lo cual es importante para la tolerancia a la sequía, la eficiencia del nitrógeno y el secuestro de carbono», dijo Jonathan Lynch, profesor distinguido de ciencia vegetal. «El mejoramiento de este rasgo debería ser útil en el desarrollo de nuevos cultivos para la mitigación del clima».

Los investigadores lo denominaron esclerénquima cortical multiseriado, o MCS, el fenotipo se caracteriza por células pequeñas con paredes gruesas justo debajo de la superficie de las raíces. Las raíces con el genotipo MCS tienen una mayor concentración de lignina, un polímero orgánico complejo que es importante en la formación de las paredes celulares, especialmente en la madera y la corteza, que otorga rigidez.

Más lignina le da a las raíces MCS una mayor resistencia a la tracción y una mayor fuerza de flexión de la punta de la raíz en comparación con los genotipos sin MCS. Esta rigidez adicional ayuda a las raíces a penetrar las capas duras del suelo.

Los hallazgos del estudio de anatomía de la raíz, publicados hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences , son sorprendentes. Los genotipos de maíz con MCS tenían sistemas de raíces con un 22% más de profundidad y un 39% más de biomasa de brotes en suelos compactados en el campo en comparación con las líneas sin MCS.

Se cultivaron doce genotipos de trigo y seis de maíz en un invernadero en el campus de University Park. Se instalaron grandes contenedores de crecimiento, o «mesocosmos», con una capa de suelo compactada para determinar qué raíces penetraron el sustrato duro.

La compactación del suelo reduce la porosidad, limita la infiltración de agua, reduce la aireación y restringe el crecimiento de las raíces al presentar un impedimento físico, señaló la investigadora principal Hannah Schneider, investigadora postdoctoral en el grupo de investigación de Lynch en la Facultad de Ciencias Agrícolas.

«Las capas de suelo compactado limitan la productividad de los cultivos al restringir el crecimiento de las raíces y la exploración en capas de suelo más profundas, lo que a su vez limita el acceso a nutrientes y agua», dijo. «Las plantas con raíces que pueden penetrar el suelo duro y forrajear más profundamente tienen una ventaja en la captura de agua y nutrientes; en última instancia, se desempeñan mejor en condiciones de sequía o baja fertilidad del suelo». 

El estudio incluyó componentes de campo e invernadero para evaluar la capacidad de penetración de raíces en suelos compactados.

Los científicos llevaron a cabo dos experimentos de campo para estudiar el crecimiento de las raíces: uno en el Centro de Biología de la Raíz Apache en Willcox, Arizona, y el otro en el Centro de Investigación Agrícola Russell E. Larson de Penn State en Rock Springs. En cada lugar, los investigadores cultivaron seis genotipos de maíz que contrastaban en el contenido de lignina de la raíz. Cada experimento de campo involucró tratamientos de compactación y no compactación.

Cuando el maíz floreció, se extrajeron muestras de los suelos cerca de plantas seleccionadas al azar para evaluar el crecimiento de las raíces. También se desenterraron y evaluaron las raíces de dos plantas por parcela de investigación, y se recogió la biomasa de brotes.

Denominado esclerénquima cortical multiseriado por los investigadores, o MCS, el fenotipo se caracteriza por células pequeñas con paredes gruesas justo debajo de la superficie de las raíces, como muestran estas imágenes capturadas por los investigadores mediante tomografía de ablación láser. Las raíces con el genotipo MCS tienen una mayor concentración de lignina, un polímero orgánico que aporta rigidez. 

También se cultivaron doce genotipos de trigo y seis de maíz en un invernadero en el campus de University Park. Se instalaron grandes contenedores de crecimiento, o «mesocosmos», con una capa de suelo compactada para determinar qué raíces penetraron el sustrato duro. Después de más de un mes de crecimiento, se recolectaron segmentos de raíces de cada uno de los genotipos de maíz y trigo, se midieron y se probaron para determinar la resistencia a la tracción y la fuerza de flexión de la punta de la raíz.

Esta investigación utilizó tomografía por ablación con láser, conocida como LAT, para visualizar la anatomía de las raíces de las plantas en el estudio. El grupo de investigación de Lynch desarrolló la tecnología única en 2011 para otras aplicaciones de análisis de raíces. Los investigadores que utilizan LAT pueden medir los espectros de luz emitidos por diferentes células cortadas por el láser para diferenciar entre varios tejidos.

Se encontró variación genética para MCS en cada uno de los cereales examinados por los investigadores, y la heredabilidad fue relativamente alta, informaron, lo que sugiere que este rasgo puede seleccionarse en programas de mejoramiento. De las líneas de plantas revisadas en este estudio, MCS estuvo presente en 30 a 50% de los cultivares modernos de maíz, trigo y cebada.

Las implicaciones de que los cultivos de maíz desarrollen raíces más profundas para llegar más lejos en busca de agua y nutrientes y, como consecuencia, producir mayores rendimientos, serían inmensas en regiones donde la población tiene inseguridad alimentaria, señaló Schneider. Eso es especialmente cierto frente a un clima cambiante que está haciendo que vastas áreas sean más propensas a la sequía.

«Observamos MCS en maíz , trigo, cebada y muchos otros cultivos de cereales, y nuestro trabajo sugiere que muchos de los beneficios de MCS pueden ser análogos en diferentes especies», dijo. «MCS podría ser un rasgo importante para la tolerancia al estrés y el aumento de los rendimientos en los cultivos de cereales».

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