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Cómo las plantas se adaptan rápidamente a las cambiantes condiciones ambientales

Cómo las plantas se adaptan rápidamente a las cambiantes condiciones ambientales
Los núcleos de células vegetales se ven antes y después de que la planta fue expuesta a la sombra. En las imágenes superiores (antes), el factor de transcripción PIF7 (rojo) está confinado en motas que contienen los sensores de luz de la planta (verde). En las imágenes inferiores (después), en la planta sombreada, se libera PIF7, que luego queda libre para unirse al ADN e iniciar la actividad genética. Crédito: Chan Yul Yoo, laboratorio Meng Chen, UC Riverside

Los científicos, y los jardineros, saben desde hace mucho tiempo que las plantas crecen más altas y florecen antes cuando son sombreadas por vecinos cercanos. Ahora, por primera vez, los investigadores del Instituto Salk han mostrado el funcionamiento interno detallado de este proceso.


por Salk Institute


El estudio, publicado el 17 de junio de 2021 en Nature Genetics , ofrece una nueva comprensión de cómo la actividad genética dirige el crecimiento de las plantas y la rapidez con que las plantas responden a su entorno, con condiciones de luz cambiantes que desencadenan cambios moleculares en tan solo cinco minutos. Los hallazgos brindan información sobre cómo aumentar el rendimiento y salvaguardar la producción mundial de alimentos a medida que el cambio climático reduce la tierra cultivable del planeta.

«Este artículo muestra, en alta resolución, cómo las plantas responden a cambios ambientales sutiles a nivel celular», dice la coautora correspondiente Joanne Chory, directora del Laboratorio de Biología Celular y Molecular Vegetal de Salk, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes y titular de la Howard H. y Maryam R. Newman, Cátedra de Biología Vegetal. «El trabajo que revela cómo las plantas pueden adaptarse a mayores tensiones ambientales será crítico a medida que se intensifiquen los efectos del cambio climático».

Las plantas a la sombra crecen más rápido y más altas en un esfuerzo por atravesar el dosel y alcanzar más luz. Al mismo tiempo, las condiciones de crecimiento sombreadas hacen que florezcan y produzcan semillas antes de lo normal, para poder competir con otras plantas. Estas respuestas pueden ser útiles para las flores silvestres que crecen en un prado, pero en las granjas pueden reducir la producción y dar como resultado cosechas amargas y de baja calidad, como sabe cualquier jardinero cuya lechuga haya arrancado.

En el nuevo estudio, los investigadores analizaron el papel de factores de transcripción específicos en la activación de esta respuesta de crecimiento. Los factores de transcripción son proteínas que activan o desactivan genes al unirse al ADN.

El equipo trabajó con plántulas mutantes que carecen de factores de transcripción llamados PIF (factores que interactúan con los fitocromos). Cuando cultivaron estas plantas en un entorno que simulaba sombra, las plantas sin ciertos PIF no se alargaron ni aceleraron su crecimiento, sino que continuaron creciendo normalmente como si estuvieran a plena luz del sol. Anteriormente, el laboratorio de Chory demostró que PIF7 juega el papel más importante en la regulación del crecimiento inducido por la sombra.

Luego, los investigadores observaron más de cerca el papel de las histonas en este proceso, en particular la variante de histonas H2A.Z. Las histonas son proteínas que actúan como carretes de hebras de ADN. Cuando las histonas se intercambian o modifican, pueden funcionar para activar o suprimir ciertos genes.

Los científicos descubrieron que la sombra del dosel conducía a la eliminación de la histona H2A.Z en los genes reguladores del crecimiento a través de la unión al ADN de PIF7, que a su vez activaba su expresión.

Mediante el uso de intervalos de tiempo muy cortos para sus experimentos, los investigadores encontraron que PIF7 se activa, se une a sus genes objetivo e inicia la eliminación de H2A.Z, todo dentro de los primeros 5 minutos después de que la planta experimente la sombra del dosel.

«Nuestro estudio describe otro paso hacia una comprensión mecanicista de cómo las plantas alteran su expresión genética en respuesta a un entorno cambiante», dice el coautor para correspondencia Joseph Ecker, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor en el Laboratorio de Análisis Genómico de Salk.

Estudios previos habían identificado a los PIF y H2A.Z por tener un papel importante en las respuestas de las plantas expuestas a altas temperaturas; sin embargo, no se conocía el momento de los eventos, señala el coautor Björn Willige, especialista en investigación del Instituto Médico Howard Hughes en el laboratorio de Chory.

“Nuestro estudio revela el mecanismo con gran detalle y también muestra la naturaleza rápida de la respuesta. Descubrimos que cuando PIF7 está activo, se une al ADN. Y nuestros datos indican que esto conduce a la eliminación de H2A.Z del ADN. Posteriormente, los genes se activan y luego esto induce el crecimiento, para superar a las plantas vecinas «, dice Willige.

La velocidad del proceso fue inesperada, dice el coautor Mark Zander, profesor asistente en el Instituto Waksman de Microbiología de la Universidad de Rutgers. Señaló que, además de desencadenar la respuesta al estrés en cinco minutos, el paisaje de histonas también se recuperó rápidamente cuando se eliminó la sombra.

«Cuando eliminamos la sombra, los niveles de H2A.Z en los genes diana PIF7 volvieron a la normalidad en 30 minutos», dice. «Me sorprendió lo dinámico que es el proceso, que es realmente la base de la elegancia de nuestro estudio».

Los PIF juegan un papel importante en el crecimiento, desarrollo y defensa de las plantas contra las plagas. Por lo tanto, el equipo espera que sus hallazgos puedan traducirse en otras respuestas de las plantas que son importantes para los agricultores, especialmente en relación con ayudar a las plantas a ser más resistentes al cambio climático. La Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas del Instituto Salk busca ayudar a resolver el cambio climático mediante la optimización de la capacidad natural de las plantas para capturar y almacenar carbono.



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