Los lantánidos son una clase de elementos de tierras raras que en muchos países se agregan al fertilizante como micronutrientes para estimular el crecimiento de las plantas. Pero se sabe poco acerca de cómo son absorbidos por las plantas o influyen en la fotosíntesis, lo que puede dejar sus beneficios sin explotar.
Ahora, los investigadores del MIT han arrojado luz sobre cómo los lantánidos se mueven y operan dentro de las plantas. Estas ideas podrían ayudar a los agricultores a optimizar su uso para cultivar algunos de los cultivos más populares del mundo.
Publicado hoy en el Revista de la American Chemical Societyel estudio muestra que una dosis de lantánidos a nanoescala aplicados a las semillas puede hacer que algunos de los cultivos más comunes del mundo sean más resistentes al estrés UV. Los investigadores también descubrieron los procesos químicos por los cuales los lantánidos interactúan con los pigmentos de clorofila que impulsan la fotosíntesis, lo que demuestra que diferentes elementos de lantánidos fortalecen la clorofila al reemplazar el magnesio en su centro.
“Este es un primer paso para comprender mejor cómo funcionan estos elementos en las plantas y para proporcionar un ejemplo de cómo podrían ser mejor entregados a las plantas, en comparación con simplemente aplicarlos en el suelo”, dice el profesor asociado Benedetto Marelli, quien realizó la investigación con Postdoc Giorgio Rizzo. “Este es el primer ejemplo de un estudio exhaustivo que muestra los efectos de los lantánidos sobre la clorofila y sus efectos beneficiosos para proteger las plantas del estrés UV”.
Conexiones internas de la planta
Ciertos lantánidos se utilizan como agentes de contraste en MRI y para aplicaciones que incluyen diodos emisores de luz, células solares y láseres. En los últimos 50 años, los lantánidos se han utilizado cada vez más en la agricultura para mejorar los rendimientos de los cultivos, con China solo aplicando fertilizantes a base de lantánidos a casi 4 millones de hectáreas de tierra cada año.
“Se han considerado durante mucho tiempo los lantánidos para ser biológicamente irrelevantes, pero eso ha cambiado en la agricultura, especialmente en China”, dice Rizzo, el primer autor del periódico. “Pero en gran medida no sabemos cómo funcionan los lantánidos para beneficiar a las plantas, ni entendemos sus mecanismos de absorción de los tejidos vegetales”.
Estudios recientes han demostrado que las bajas concentraciones de lantánidos pueden promover el crecimiento de las plantas, el alargamiento de la raíz, la síntesis de hormonas y la tolerancia al estrés, pero las dosis más altas pueden causar daño a las plantas. Hacer el equilibrio correcto ha sido difícil debido a nuestra falta de comprensión sobre cómo las plantas absorben los lantánidos o cómo interactúan con el suelo de la raíz.
Para el estudio, los investigadores aprovecharon las tecnologías de recubrimiento y tratamiento de semillas que desarrollaron previamente para investigar la forma en que la clorofila de pigmentos vegetales interactúa con lantánidos, tanto dentro como fuera de las plantas. Hasta ahora, los investigadores no han estado seguros de si la clorofila interactúa con iones de lantánidos.
La clorofila impulsa la fotosíntesis, pero los pigmentos pierden su capacidad de absorber eficientemente la luz cuando se elimina el ion magnesio en su núcleo. Los investigadores descubrieron que los lantánidos pueden llenar ese vacío, lo que ayuda a los pigmentos de clorofila a recuperar parcialmente algunas de sus propiedades ópticas en un proceso conocido como re-greening.
“Descubrimos que los lantánidos pueden aumentar varios parámetros de la salud de las plantas”, dice Marelli. “En su mayoría se acumulan en las raíces, pero una pequeña cantidad también llega a las hojas, y algunas de las nuevas moléculas de clorofila hechas en hojas tienen lantánidos incorporados en su estructura”.
Este estudio también ofrece la primera evidencia experimental de que los lantánidos pueden aumentar la resiliencia de las plantas al estrés UV, algo que los investigadores dicen que fue completamente inesperado.
“Las clorofilas son pigmentos muy sensibles”, dice Rizzo. “Pueden convertir la luz en energía en las plantas, pero cuando están aislados de la estructura celular, se hidrolizan y se degradan rápidamente. Sin embargo, en la forma con lantánidos en su centro, son bastante estables, incluso después de extraerlas de las células vegetales”.
Los investigadores, utilizando diferentes técnicas espectroscópicas, encontraron los beneficios mantenidos en una gama de cultivos básicos, incluidos garbanzos, cebada, maíz y soja.
Los hallazgos podrían usarse para aumentar el rendimiento del cultivo y aumentar la resiliencia de algunos de los cultivos más populares del mundo al clima extremo.
“A medida que nos movemos a un entorno donde el calor extremo y los eventos climáticos extremos son más comunes, y particularmente donde podemos tener períodos prolongados de sol en el campo, queremos proporcionar nuevas formas de proteger nuestras plantas”, dice Marelli. “Existen agroquímicos que se pueden aplicar a las hojas para proteger a las plantas de factores estresantes como los rayos UV, pero pueden ser tóxicos, aumentar los microplásticos y requerir múltiples aplicaciones. Esta podría ser una forma complementaria de proteger las plantas del estrés UV”.
Identificación de nuevas aplicaciones
Los investigadores también encontraron que los elementos de lantánidos más grandes como el lantano eran más efectivos para fortalecer los pigmentos de clorofila que los más pequeños. El lantano se considera un subproducto de bajo valor de la minería de tierras raras, y puede convertirse en una carga para la cadena de suministro del elemento de tierras raras (REE) debido a la necesidad de separarla de tierras raras más deseables. Aumentar la demanda de lantano podría diversificar la economía de los REE y mejorar la estabilidad de su cadena de suministro, sugieren los científicos.
“Este estudio muestra lo que podríamos hacer con estos metales de menor valor”, dice Marelli. “Sabemos que los lantánidos son extremadamente útiles en electrónica, imanes y energía. En los Estados Unidos, hay un gran impulso para reciclarlos. Es por eso que para los estudios de la planta, nos centramos en el lantano, siendo el ion de lantánido más abundante y barato”.
En el futuro, el equipo planea explorar cómo funcionan los lantánidos con otras moléculas biológicas, incluidas las proteínas en el cuerpo humano.
En la agricultura, el equipo espera ampliar su investigación para incluir estudios de campo y invernadero para continuar probando los resultados de la resistencia UV en diferentes tipos de cultivos y en condiciones de granja experimentales.
“Los lantánidos ya se usan ampliamente en la agricultura”, dice Rizzo. “Esperamos que este estudio proporcione evidencia que permita un uso más consciente de ellos y también una nueva forma de aplicarlos a través de tratamientos de semillas”.
La investigación fue apoyada por el MIT Climate Grand Challenge y la Oficina de Investigación Naval.
