El ionoma de las plantas; concepto y aplicaciones al balance de nutrientes
El desarrollo que han experimentado las técnicas de detección de iones durante las últimas décadas, particularmente aquellas basadas en la espectrometría de masas, están permitiendo la cuantificación simultánea de todos los elementos minerales presentes en los diversos tejidos de las plantas.
Esta aproximación al análisis de multi-elementos ha revelado el complejo mecanismo regulatorio asociado con el balance de nutrientes. Paralelamente, ha permitido entender las complejas interacciones que ocurren entre ellos para comenzar a manejarlas como un componente esencial de la nutrición mineral.
El concepto
El término ionoma se introdujo hace más de una década para referirse al estudio cuantitativo y simultáneo de todos los iones inorgánicos presentes en los organismos vivos, independiente de su esencialidad, y a los cambios que ocurren en su composición en respuesta al genotipo y a estímulos del ambiente.
En analogía con la nomenclatura de las tecnologías ómicas, como la genómica, la proteómica, la metabolómica, etc., el ionoma dio origen la ionómica como disciplina. Un hito en el desarrollo de esta disciplina fue la identificación de mutaciones en genes asociados a la nutrición mineral en la especie modelo Arabidopsis thaliana [1] .
La caracterización de estas mutaciones permitió concluir que la mayor proporción afecta la función de varios elementos a la vez, que los componentes del ionoma están conectados entre sí, y que las interacciones que ocurren entre elementos son críticas para entender cómo se regula [1,2,3].
El ionoma de las plantas
Además de los 14 elementos esenciales, la espectrometría de masas ha permitido detectar la presencia de más de 50 elementos traza en las plantas, principalmente metales pesados como arsénico (As), cromo (Cr), cadmio (Cd), plomo (Pb) y litio (Li), entre otros.
El conjunto de todos estos elementos representa al ionoma, cuya composición es característica de los diversos tejidos y células vegetales. Este concepto comienza a adquirir relevancia en la nutrición mineral cuando se demuestra que la presencia de ciertos elementos puede alcanzar niveles tóxicos, y que ciertas prácticas de manejo de cultivos pueden afectar su composición.
Por mencionar solo un ejemplo, recientemente se observó que el ionoma de hojas puede acumular metales pesados en cantidad muy superior a la concentración de estos elementos en el suelo, cuando el cultivo se realiza en condiciones de deficiencia de nutrientes [4].
En este tipo de situaciones, las plantas expresan transportadores menos específicos para acceder al nutriente deficiente. Esto permite que los iones compitan por sitios de absorción del nutriente deficiente, cuando ambos comparten propiedades químicas similares. Es el caso del As en el ejemplo citado, el que pudo ser absorbido por transportadores de fosfatos activados por la deficiencia de fósforo en el suelo (Figura 1).
El hecho que el As (y otros elementos) también se acumule en hojas de plantas sometidas a la deficiencia de nitrógeno y potasio (Figura 1) es consecuencia de las interacciones que ocurren entre elementos, y reafirma que el ionoma de las plantas debe interpretarse como un todo. Desde un punto de vista práctico, esta visión holística de la nutrición mineral pone en evidencia las limitaciones de los diagnósticos nutricionales que consideran elementos individuales.
Aplicaciones del ionoma al balance de nutrientes
La ionómica está actualmente generando información sobre identidad y caracterización de genes que regulan la nutrición mineral, a partir de la cual se pueden explicar las complejas interacciones que ocurren entre iones. Son estos estudios en los que se fundamenta el balance de nutrientes en la planta, y que no necesariamente está relacionado con el concepto de fertilización balanceada.
Mientras el estudio del ionoma no sea una práctica accesible a la agricultura, el análisis de tejidos que considere tantos elementos esenciales como sea posible es una herramienta poderosa para entender las interacciones entre elementos. Si estas interacciones se expresan en términos de proporciones duales (ej. N/P) o amalgamadas (ej. K/[Ca + Mg]) [5], su aplicación permitirá definir el balance de nutrientes para los cultivos en los diferentes ambientes de producción.
La implementación de esta herramienta de diagnóstico en tejidos foliares, de manera regular y complementaria al análisis de suelo, parece importante en la medida que la agricultura avanza hacia rendimientos mayores y sostenibles. No sólo permitirá corregir programas de fertilización de suelos y eventualmente reducir costos, sino también apuntar a la calidad de la producción si el estudio se extiende al ionoma del grano, un aspecto cada vez más relevante en la agricultura moderna.
PHLOEM, Febrero de 2018
www.phloem.cl
Referencias
- Huang XY, Salt DE. 2016. Plant ionomics: from elemental profiling to environmental adaptation. Mol. Plant 9: 787–797.
- Baxter I. 2009. Ionomics: Studying the social network of mineral nutrients. Curr. Opin. Plant Biol. 12: 381–386.
- Baxter I. 2015. Should we treat the ionome as a combination of individual elements, or should we be deriving novel combined traits? J. Exp. Bot. 66: 2127-2131.
- Watanabe T, Urayama M, Shinano T, et al. 2015. Application of ionomics to plant and soil in fields under long term fertilizer trials. SpringerPlus 4: 781. DOI 10.1186/s40064 015 1562.
- Parent SE, Parent LE, Egozcue JJ, et al. 2013. The plant ionome revisited by the nutrient balance concept. Front. Plant Sci. 4: 39.