Cómo afecta el ciclo circadiano a la respuesta a los fármacos en las plantas


¿Alguna vez has notado que el momento en que tomas tu dosis diaria de cafeína puede cambiar la forma en que te afecta?


por el Dr. Mike Haydon, Universidad de Melbourne


Demasiado temprano y es posible que sienta una depresión por la tarde. Demasiado tarde y podrías estar despierto toda la noche. Esto se debe a la forma en que la cafeína afecta las hormonas de su cuerpo que son una parte importante de su ritmo diario.

Este ritmo diario, o reloj circadiano , tiene una gran influencia en tu salud y bienestar. La cronomedicina aplica este conocimiento para tratar enfermedades.

Una gran parte de esto es comprender qué medicamentos o tratamientos en particular son más efectivos en ciertos momentos del día. También puede informarnos sobre el momento óptimo de nuestras comidas o cuándo obtendremos el máximo beneficio del ejercicio.

Esto se debe a que nuestro reloj circadiano activa y desactiva al menos un tercio de nuestros genes, así como las proteínas que producen, todos los días. Los genes que se activan en un momento determinado dictarán cómo responde nuestro cuerpo a las cosas que hacemos, tanto saludables como no saludables.

Al igual que nosotros, las plantas también tienen un reloj circadiano que controla los ritmos diarios y estacionales que afectan el metabolismo y el crecimiento. Y la hora del día en que una planta experimenta un estrés ambiental, como calor, sequía o patógenos, puede influir en qué tan bien responde esa planta.

La cronocultura es un concepto emergente que analiza cómo se puede explotar el reloj circadiano de los cultivos para mejorar sus rendimientos.

Por ejemplo, optimizar la hora del día de riego o la aplicación de fertilizantes y herbicidas para sincronizarlos con su reloj circadiano podría aumentar la efectividad o reducir la cantidad de mantenimiento necesario.

Mi investigación de laboratorio tiene como objetivo comprender cómo el metabolismo afecta los ritmos circadianos de las plantas, lo cual es fundamental para que las plantas optimicen el uso de la luz solar para la fotosíntesis y administren las reservas de energía durante la noche.

En nuestro artículo más reciente, dirigido por Ph.D. estudiante Xiang Li, hemos utilizado un enfoque llamado biología química, que utiliza fármacos o compuestos similares a fármacos para aprender cómo funciona un sistema biológico.

Buscamos en más de 1,000 medicamentos, incluidos ibuprofeno, aspirina y cafeína, que se sabe que tienen un efecto en las células animales para ver si afectan el control metabólico de la expresión génica circadiana en las plantas.

Drogando plantas para aprender sus secretos
Plántulas de Arabidopsis thaliana cultivadas con (derecha) y sin (izquierda) isetionato de pentamidina. Crédito: Xiang Li

Y encontramos un número sorprendentemente grande de estos medicamentos que afectan a las células vegetales. Esto se debe a que la forma básica en que funcionan las células vegetales es muy similar a la de las células animales .

Por ejemplo, uno de los medicamentos que usamos fue el isetionato de pentamidina, que se usa para tratar la enfermedad del sueño y la neumonía grave. Este fármaco actúa en las células nerviosas de los animales. Las plantas no tienen un sistema nervioso, pero tienen formas de transmitir señales alrededor de la planta que dependen de proteínas similares.

La droga afectó gravemente el crecimiento de las plantas y redujo la velocidad del reloj circadiano de las plantas.

Nuestra investigación podría ayudar a comprender con precisión cómo funciona este fármaco al observar de cerca las similitudes entre las proteínas vegetales y animales.

Otros fármacos que hemos encontrado parecen funcionar de manera diferente en las células vegetales, porque el objetivo del fármaco aparentemente está ausente en las plantas. Por ejemplo, medicamentos que afectan la neurotransmisión de serotonina. Las plantas producen serotonina, pero sabemos relativamente poco sobre su papel en las plantas y cómo funciona.

Ejemplos como este son emocionantes porque representan nuevos objetivos farmacológicos potenciales y abren la posibilidad de utilizar algunos de estos fármacos de nuevas formas.

Entonces, ¿qué podemos hacer con este nuevo conocimiento?

Potencialmente, algunos de estos medicamentos podrían convertirse en nuevos herbicidas. O podríamos impulsar el crecimiento de los cultivos activando el metabolismo en el momento adecuado del día. O, de la misma manera que usamos nuestro golpe de cafeína, podríamos ajustar los ritmos circadianos para aumentar el rendimiento de los cultivos.

Una ventaja particular de utilizar la biología química es que podemos probar fácilmente el efecto de estos fármacos en otras especies. Esto podría incluir una variedad de especies de cultivos u otros organismos vulnerables en este entorno, como los insectos.

Esto podría asegurar que cualquier nueva intervención agrícola tenga un impacto ecológico mínimo.

Pero a corto plazo, estos medicamentos con efectos recientemente identificados brindan oportunidades interesantes para aprender más sobre cómo el metabolismo de las plantas está conectado con los ritmos circadianos . Esto nos acerca un paso más a hacer realidad la cronocultura.


Más información: Xiang Li et al, Una vía de señalización ROS-Ca 2 + identificada a partir de una pantalla química para modificadores de la expresión génica circadiana activada por azúcar, 

New Phytologist (2022). DOI: 10.1111/nph.18380