Cómo entran los iones de calcio en las centrales eléctricas celulares de las plantas


El calcio es un nutriente muy especial. En las células de la mayoría de los seres vivos, los iones de calcio funcionan como los llamados segundos mensajeros para transmitir señales importantes. 


por Kathrin Nolte, Universidad de Munster


Lo mismo se aplica por igual a las células animales, vegetales y fúngicas. A través de la colaboración de varios institutos de investigación a nivel nacional e internacional, miembros del grupo de trabajo «Biología de la energía vegetal» en la Universidad de Münster, dirigido por el Prof. Markus Schwarzländer, y del equipo dirigido por el Prof. Alex Costa en la Universidad de Milán, ahora han identificado la maquinaria molecular que permite que los iones de calcio sean absorbidos por las mitocondrias de las células vegetales, y que esta forma de transporte juega un papel importante en su respuesta al contacto. El estudio ha sido publicado ahora en la revista The Plant Cell..

Cómo entran los iones de calcio en las mitocondrias

«Es sorprendente que un ion tan simple pueda ser tan importante para transmitir información», dice Markus Schwarzländer. «Suponemos que los iones de calcio desarrollan este potencial a través del lugar exacto y el momento de su despliegue». Ya se sabe desde 1965 que las mitocondrias de las plantas pueden captar iones de calcio y, de esta manera, presumiblemente, participar en las vías de señalización del calcio. Sin embargo, durante décadas se discutió cómo se hace posible exactamente el transporte. Para la mayoría de los iones, la membrana mitocondrial interna es impermeable, pero ciertas proteínas en la membrana pueden garantizar que los iones de calcio puedan atravesar esta membrana parcialmente permeable y, por lo tanto, permitir que las señales se transmitan en este orgánulo celular.

En el caso de los animales, la cuestión de la identidad del canal de calcio mitocondrial se resolvió en 2011 cuando investigadores de las universidades de Harvard y Padua descubrieron el canal de calcio MCU (mitochondrial calcio uniporter). Este avance allanó el camino para descubrir que las plantas también contienen genes MCU. Sin embargo, lo que aún no estaba claro era si estos genes también forman canales de calcio en la célula viva, sobre todo porque la absorción de iones de calcio en las mitocondrias animales muestra patrones marcadamente diferentes de los de las mitocondrias vegetales.

La expresión génica revela la importancia del transporte de iones de calcio para las centrales eléctricas celulares

Para aclarar el papel que desempeñan las MCU en las células vegetales, los investigadores de Münster tuvieron que desactivar simultáneamente tres de los seis genes MCU en la planta modelo Arabidopsis thaliana. Como resultado, restringieron la capacidad de la maquinaria celular y pudieron así, por primera vez, observar en una planta viva las consecuencias a las que conduce esta restricción. Para ello, utilizaron una proteína fluorescente que indica cambios en la concentración de iones de calcio en las mitocondrias en forma de señal luminosa.

Cómo entran los iones de calcio en las centrales eléctricas celulares de las plantas
Imagen microscópica de mitocondrias (verde) y cloroplastos (rojo) en células del mesófilo en una hoja de Arabidopsis thaliana. El interior de la mitocondria (matriz) está marcado por una proteína fluorescente; en los cloroplastos, la clorofila emite fluorescencia. Crédito: Universidad de Münster

Lo que se pudo ver fue que, como resultado de la desactivación de los genes MCU, una cantidad mucho menor de iones de calcio entró en las mitocondrias. Esto significa que los investigadores han demostrado no solo que las células vegetales vivas, de manera similar a las células animales, transportan sus iones de calcio a las mitocondrias a través de los canales MCU. «También pudimos», dice Markus Schwarzländer, «demostrar que este es, con mucho, el camino más importante para transportar rápidamente iones de calcio a la mitocondria. Significa que ahora tenemos la posibilidad de controlar la transmisión de señales por parte de los iones de calcio a la energía celular». estaciones y, por lo tanto, posiblemente influyan en la información codificada».

Después de esta observación pionera, el equipo utilizó plantas con capacidad de transporte de calcio mitocondrial deteriorada para tratar de averiguar qué papel juega el calcio mitocondrial para la planta y su estado físico. En el caso de los animales, los iones de calcio en las mitocondrias regulan la producción de energía, pero no hubo indicios de una función similar en las plantas.

Al analizar la expresión de todo el genoma de la planta, los investigadores ahora pudieron demostrar que la capacidad reducida de transporte de iones de calcio tiene un impacto en la regulación de la hormona vegetal ácido jasmónico. El ácido jasmónico es una hormona de defensa en las plantas que brinda protección contra los herbívoros al activarse si la planta está herida. Entre otras cosas, el ácido jasmónico también controla la senescencia, es decir, la muerte regulada de los tejidos, así como las respuestas a los estímulos mecánicos, como el contacto.

Las plantas manipuladas por los investigadores mostraron una senescencia ligeramente retrasada: en un entorno oscuro, las hojas perdían su pigmentación verde con menor rapidez. También mostraron una respuesta notablemente más débil al tacto. «Lo que nos sorprende particularmente», dice Schwarzländer, «es que evidentemente existe un vínculo entre el transporte de iones de calcio a la mitocondria y el proceso regulador dirigido por el ácido jasmónico . Los resultados muestran que procesos moleculares como la absorción de Los iones de calcio en las mitocondrias, que se han conservado en animales y plantas a través de la evolución, pueden usarse para cumplir nuevas funciones».

Una reprogramación dirigida del transporte de calcio mitocondrial parecería ser una vía interesante, ya que podría ser útil controlar la respuesta al tacto, por ejemplo, en la agricultura, donde las plantas a menudo se plantan juntas.

Investigaciones con biosensores sintéticos

Uno de los métodos centrales utilizados en el estudio ahora publicado fue «biosensorics in vivo». Aquí, las proteínas se diseñan, utilizando métodos biotecnológicos y biológicos moleculares, de tal manera que sirvan como sensores de medición sintéticos en los organismos vivos. Cuando las plantas se transforman genéticamente, ellas mismas producen un sensor que proporciona información en vivo sobre el estado de las células .en plantas vivas. Además, estos sensores biológicos se pueden utilizar con fines de medición en áreas específicas de la célula. Esto se logra colocándolos genéticamente en un determinado compartimento de la célula. Hacer esto usando métodos tradicionales es difícil porque en tales métodos la celda generalmente se rompe, lo que lleva a que se pierda toda la organización dentro de la celda.


Más información: Cristina Ruberti et al, Las proteínas MCU dominan la captación de Ca 

2+ mitocondrial in vivo en raíces de Arabidopsis, The Plant Cell (2022). DOI: 10.1093/plcell/koac242



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