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Cómo las plantas pueden decir la hora incluso sin cerebro


Cualquiera que haya viajado a través de múltiples zonas horarias y haya sufrido un desfase horario comprenderá cuán poderosos son nuestros relojes biológicos. 


por Mark Greenwood y James Locke


De hecho, cada célula del cuerpo humano tiene su propio reloj molecular, que es capaz de generar un aumento y una disminución diarios en la cantidad de proteínas que el cuerpo produce durante un ciclo de 24 horas. El cerebro contiene un reloj maestro que mantiene el resto del cuerpo sincronizado, utilizando señales de luz de los ojos para mantenerse al día con el medio ambiente.

Las plantas tienen ritmos circadianos similares que les ayudan a decir la hora del día, preparando las plantas para la fotosíntesis antes del amanecer, activando los mecanismos de protección térmica antes de la parte más calurosa del día y produciendo néctar cuando es más probable que los polinizadores visiten. Y al igual que en los humanos, cada célula de la planta parece tener su propio reloj.

Pero a diferencia de los humanos, las plantas no tienen cerebro para mantener sus relojes sincronizados. Entonces, ¿cómo coordinan las plantas sus ritmos celulares? Nuestra nueva investigación muestra que todas las células de la planta se coordinan en parte a través de algo llamado autoorganización local. Estas son efectivamente las células de las plantas que comunican su sincronización con las células vecinas, de manera similar a cómo los bancos de peces y bandadas de pájaros coordinan sus movimientos al interactuar con sus vecinos.

Investigaciones anteriores descubrieron que la hora del reloj es diferente en diferentes partes de una planta. Estas diferencias se pueden detectar midiendo el momento de los picos diarios en la producción de proteínas del reloj en los diferentes órganos. Estas proteínas de reloj generan las oscilaciones de 24 horas en procesos biológicos.

Las plantas pueden decir la hora incluso sin un cerebro: así es como
Nuestros ojos y cerebro dependen de la luz solar para coordinar la actividad en el cuerpo según la hora del día. Crédito: Yomogi1 / Shutterstock

Por ejemplo, las proteínas del reloj activan la producción de otras proteínas responsables de la fotosíntesis en las hojas justo antes del amanecer. Decidimos examinar el reloj en todos los órganos principales de la planta para ayudarnos a comprender cómo las plantas coordinan su sincronización para mantener a toda la planta en armonía.

Lo que hace que las plantas funcionen

Encontramos que en las plántulas de berro de thale ( Arabidopsis thaliana ), el número de proteínas de reloj alcanza su punto máximo en diferentes momentos en cada órgano. Los órganos, como las hojas, las raíces y los tallos, reciben diferentes señales de su microambiente local, como la luz y la temperatura, y utilizan esta información para establecer su propio ritmo de forma independiente.

Si los ritmos en diferentes órganos no están sincronizados, ¿sufren las plantas algún tipo de desfase horario interno? Si bien los relojes individuales en diferentes órganos alcanzan su punto máximo en diferentes momentos, esto no resultó en un caos completo. Sorprendentemente, las células comenzaron a formar patrones de ondas espaciales, donde las células vecinas se retrasaron ligeramente entre sí. Es un poco como un estadio o fanáticos de los deportes de pie detrás de las personas a su lado para crear un movimiento ondulatorio entre la multitud.

Las plantas pueden decir la hora incluso sin un cerebro: así es como
Las células vegetales se comunican entre sus vecinos para coordinar el tiempo. Crédito: James Locke, autor proporcionado

Nuestro trabajo muestra que estas ondas surgen de las diferencias entre los órganos a medida que las células comienzan a comunicarse. Cuando el número de proteínas de reloj en una célula alcanza su punto máximo, la célula se comunica esto a sus vecinos más lentos, que siguen el liderazgo de la primera célula y también producen más proteínas de reloj. Estas células luego hacen lo mismo con sus vecinos, y así sucesivamente. Tales patrones se pueden observar en otras partes de la naturaleza. Algunas especies de luciérnagas forman patrones de ondas espaciales a medida que sincronizan sus destellos con sus vecinos.

La toma de decisiones local por las células, combinada con la señalización entre ellas, podría ser la forma en que las plantas toman decisiones sin cerebro. Permite que las células en diferentes partes de la planta tomen diferentes decisiones sobre cómo crecer. Las células en el brote y la raíz pueden optimizar por separado el crecimiento a sus condiciones locales. El brote puede doblarse hacia donde la luz no está obstruida y las raíces pueden crecer hacia el agua o hacia un suelo más rico en nutrientes. También podría permitir que las plantas sobrevivan a la pérdida de órganos a través del daño o de ser devoradas por un herbívoro.

Esto podría explicar cómo las plantas pueden adaptar continuamente su crecimiento y desarrollo para hacer frente a los cambios en su entorno, lo que los científicos llaman «plasticidad». Comprender cómo las plantas toman decisiones no solo es interesante, sino que ayudará a los científicos a criar nuevas variedades de plantas que puedan responder a su entorno cada vez más cambiante con el cambio climático.


Publicamos en su versión original en inglés, además con los enlaces respectivos con el artículo original y las referencias


Plants can tell time even without a brain – here’s how

Got the time? Sameer mishra/Shutterstock

Mark Greenwood, University of Cambridge and James Locke, University of Cambridge

Anyone who has travelled across multiple time zones and suffered jet lag will understand just how powerful our biological clocks are. In fact, every cell in the human body has its own molecular clock, which is capable of generating a daily rise and fall in the number of many proteins the body produces over a 24-hour cycle. The brain contains a master clock that keeps the rest of the body in sync, using light signals from the eyes to keep in time with environment.

Plants have similar circadian rhythms that help them tell the time of day, preparing plants for photosynthesis prior to dawn, turning on heat-protection mechanisms before the hottest part of the day, and producing nectar when pollinators are most likely to visit. And just like in humans, every cell in the plant appears to have its own clock.

Our eyes and brain rely on sunlight to coordinate activity in the body according to the time of day. Yomogi1/Shutterstock

Read more: Can plants think? They could one day force us to change our definition of intelligence


But unlike humans, plants don’t have a brain to keep their clocks synchronised. So how do plants coordinate their cellular rhythms? Our new research shows that all the cells in the plant coordinate partly through something called local self-organisation. This is effectively the plant cells communicating their timing with neighbouring cells, in a similar way to how schools of fish and flocks of birds coordinate their movements by interacting with their neighbours.

Previous research found that the time of the clock is different in different parts of a plant. These differences can be detected by measuring the timing of the daily peaks in clock protein production in the different organs. These clock proteins generate the 24-hour oscillations in biological processes.

For instance, clock proteins activate the production of other proteins that are responsible for photosynthesis in leaves just before dawn. We decided to examine the clock across all the major organs of the plant to help us understand how plants coordinate their timing to keep the entire plant ticking in harmony.

What makes plants tick

We found that in thale cress (Arabidopsis thaliana) seedlings, the number of clock proteins peaks at different times in each organ. Organs, such as leaves, roots and stems, receive different signals from their local micro-environment, such as light and temperature, and use this information to independently set their own pace.

If rhythms in different organs are out of sync, do plants suffer from a kind of internal jet lag? While the individual clocks in different organs peak at different times, this didn’t result in complete chaos. Surprisingly, cells began to form spatial wave patterns, where neighbour cells lag in time slightly behind one another. It’s a bit like a stadium or “Mexican” wave of sports fans standing up after the people next to them to create a wave-like motion through the crowd.

Plant cells communicate between their neighbours to coordinate the time. James Locke, Author provided

Our work shows that these waves arise from the differences between organs as cells begin to communicate. When the number of clock proteins in one cell peaks, the cell communicates this to its slower neighbours, which follow the first cell’s lead and produce more clock proteins too. These cells then do the same to their neighbours, and so on. Such patterns can be observed elsewhere in nature. Some firefly species form spatial wave patterns as they synchronise their flashes with their neighbours.

Local decision-making by cells, combined with signalling between them, might be how plants make decisions without a brain. It allows cells in different parts of the plant to make different decisions about how to grow. Cells in the shoot and root can separately optimise growth to their local conditions. The shoot can bend towards where light is unobstructed and the roots can grow towards water or more nutrient-rich soil. It could also allow plants to survive the loss of organs through damage or being eaten by a herbivore.

This might explain how plants are able to continuously adapt their growth and development to cope with changes in their environment, which scientists call “plasticity”. Understanding how plants make decisions isn’t just interesting, it will help scientists breed new plant varieties that can respond to their increasingly changeable environment with climate change.

Mark Greenwood, PhD Researcher in Cellular Biology, University of Cambridge and James Locke, Research Group Leader in Systems Biology, University of Cambridge

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.


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