Los procesos moleculares detrás de las interacciones entre el grafeno y la raíz de la planta

Los procesos moleculares detrás de las interacciones entre el grafeno y la raíz de la planta


Un estudio reciente publicado en la revista ACS Agricultural Science & Technology examinó los efectos del tratamiento con grafeno en el crecimiento y la respiración de las plantas.

Los procesos moleculares detrás de las interacciones entre el grafeno y la raíz de la planta

Estudio: Actividad enzimática antioxidante mediada por grafeno y respiración en raíces de plantas. Crédito: Lidiane Miotto/Shutterstock.com

Grafeno: un importante nanomaterial

El grafeno es un nanocompuesto de carbono con excelentes propiedades fisicoquímicas, lo que lo convierte en el material preferido para la optoelectrónica, la bioingeniería, la fabricación avanzada, la protección del medio ambiente y la producción agrícola.

Los efectos del grafeno en el metabolismo de las plantas, el crecimiento de las plántulas, la productividad, la calidad del producto y el desarrollo de las raíces embrionarias son el foco de estudios recientes. Según la mayoría de las pruebas, el grafeno tiene efectos tanto positivos como negativos en el crecimiento de las raíces de las plantas.

Efectos positivos del grafeno en el crecimiento de las plantas

Se cree que la influencia del grafeno en el desarrollo de las plantas está relacionada con sus propiedades biofísicas, técnica de distribución, grado y tiempo de exposición y el tipo de cultivo estudiado.

En bajas concentraciones de 10-200 mg/L, se ha demostrado que el grafeno mejora el desarrollo de cereales, cilantro, tallos de jengibre, maíz, lechuga, pimientos, Gossypium hirsutum, Catharanthus roseus, Arabidopsis, melones y aloe vera.

El desarrollo de plantas puede ser asistido por gráficos a través de una variedad de procesos. El grafeno promueve la absorción de agua en raíces y semillas, ya que es un portador de agua. La mediación de grafeno también mejora la capacidad de eliminar especies reactivas de oxígeno (ROS), reducir el estrés oxidativo, aumentar los niveles de proteína accesible y reducir el daño celular. Además, el grafeno mejora la tasa de utilización de fertilizantes y afecta la función de los microbios del suelo al regular indirectamente el desarrollo de las plantas.

Riesgos potenciales del tratamiento con grafeno para las plantas

Cantidades significativas de grafeno pueden impedir el crecimiento y desarrollo de las raíces de las plantas, ya que sus bordes ásperos pueden romper las membranas celulares y comprometer su salud.

El grafeno también promueve la absorción de metales pesados ​​como el cadmio y el arsénico por las raíces de las plantas y amplifica sus efectos nocivos.

Además, la exposición al grafeno puede afectar el pH y las funciones metabólicas, producir diversos grados de estrés oxidativo y provocar la muerte celular. Estos efectos secundarios desfavorables justifican una mayor investigación antes de que el grafeno pueda usarse en aplicaciones agrícolas.

Efecto genético del grafeno en el crecimiento de raíces

Los procesos funcionales del grafeno en las raíces de las plantas se han estudiado ampliamente utilizando datos metabólicos y morfológicos de plántulas tratadas con grafeno. Hasta la fecha, no se ha realizado ningún estudio sobre los efectos moleculares o genéticos del grafeno en el desarrollo de las raíces de las plantas.

En este estudio, los investigadores examinaron la influencia del grafeno en el desarrollo de raíces en 48 especies de plantas y el proceso químico a través del cual actúa el grafeno.

El análisis del transcriptoma reveló que el tratamiento con grafeno afectó la descontaminación de las raíces de las plantas y el metabolismo de la glucosa. Se utilizaron espectroscopia ultravioleta-Vis y Raman para caracterizar el grafeno, mientras que la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM) evaluaron su morfología.

Las plántulas de 48 especies de plantas del mismo tamaño se clasificaron en dos categorías. Las semillas se cultivaron en tierra para macetas en una cámara de crecimiento y las plántulas resultantes se mantuvieron en un ambiente controlado. Se rociaron soluciones de grafeno (25 mg/l) sobre las 48 plántulas de plantas una vez por semana.

Después de 60 días de tratamiento con grafeno, las raíces se limpiaron cuidadosamente con agua destilada, se secaron con papel absorbente para eliminar el exceso de humedad, se almacenaron inmediatamente en nitrógeno líquido y se almacenaron a -80 °C para el aislamiento del ARN.

Conclusiones clave del estudio

En este estudio, se usó grafeno para tratar 48 raíces de embriones de plantas y se demostró que aumenta la longitud de la raíz en el 65 % de las angiospermas e impide la longitud de la raíz en el 22 % de las angiospermas. Los investigadores utilizaron secuenciación de ARN para crear un mapa de transcripción de la expresión de genes en las raíces de 32 especies de plantas después de la exposición al grafeno.

Se identificaron seis categorías de genes expresados ​​diferencialmente en raíces de plantas tratadas con grafeno. Entre estos, los genes relacionados con el metabolismo de desintoxicación, los genes relacionados con la endocitosis, los genes relacionados con el metabolismo de la glucosa y la sacarosa y los genes relacionados con el metabolismo respiratorio se identificaron después de que se activó la exposición al grafeno, mostrando efectos tanto positivos como inhibitorios.

Las diferencias en las actividades enzimáticas dieron como resultado una respiración mitocondrial más alta o más baja y una extensión de la raíz de la planta más alta o más baja. Estos resultados brindan información sobre los procesos moleculares detrás de la sensibilidad de las raíces de las plantas al grafeno.

referencia

Chen, Z. et al. (2022). Actividad enzimática antioxidante mediada por grafeno y respiración en raíces de plantas. ACS Ciencia y Tecnología Agropecuaria. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsagscitech.2c00074

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