Agricultura Botánica y Genética Ciencia e Investigación Europa

Control de interruptor de luz azul de algas de excitación eléctrica en plantas

La optogenética denota la manipulación de procesos celulares mediante técnicas biológicas basadas en la luz. 


por la Universidad de Würzburg


Un equipo de investigación internacional dirigido por los científicos de plantas de Würzburg Rainer Hedrich, Georg Nagel y Dirk Becker ha logrado aplicar este método a plantas superiores: ahora se pueden utilizar impulsos de luz para activar la excitación eléctrica en las plantas.

«Con esta herramienta, por primera vez podemos investigar de forma no invasiva vías de comunicación celular basadas en electricidad en plantas a nivel molecular y preguntar cómo las plantas usan estas señales eléctricas para responder a fluctuaciones extremas de temperatura, herbívoros u otros factores de estrés». dice Dirk Becker.

Cuando las plantas están estresadas, emiten señales eléctricas de larga distancia conocidas como ondas de potencial de membrana . De este modo, las plantas son capaces de transmitir información de forma rápida y precisa a largas distancias, aunque no tengan cerebro ni neuronas . Los mecanismos moleculares implicados, sin embargo, son en gran parte desconocidos. El equipo de investigación proporciona nuevos conocimientos sobre estos complejos procesos en la reconocida revista PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) .

Las algas proporcionan herramientas para la biología de membranas

¿Cómo podemos simular una señal eléctrica en las plantas que normalmente se activa por estrés o lesiones sin causar reacciones secundarias no deseadas?

El equipo abordó este desafío con la ayuda de la optogenética. El método está disponible desde 2002 y los coautores de la publicación PNAS actual , Georg Nagel y Ernst Bamberg, junto con otros investigadores, han recibido varios premios por su desarrollo.

La optogenética permite controlar la actividad eléctrica de las células nerviosas con pulsos de luz, siempre que las membranas de las células nerviosas estuvieran previamente equipadas con canales iónicos sensibles a la luz de las algas, conocidos como canalrodopsinas.

El estrés conduce a la despolarización y la acidificación.

Las plantas superiores han perdido los canales iónicos sensibles a la luz de las algas durante la evolución, explica Dirk Becker. Los investigadores ahora han logrado devolver los genes de la canalrodopsina al genoma de la planta modelo Arabidopsis thaliana, cuyas células foliares se pueden excitar específicamente con luz y se puede analizar la respuesta eléctrica de la membrana.

Si las plantas están estresadas, las células irritadas se despolarizan y el entorno celular se vuelve más ácido. Esto era conocido. Pero, ¿cómo se pueden simular los dos procesos en el experimento? Los investigadores de Würzburg utilizan una variante de canalrodopsina que se enciende con luz azul y luego conduce protones hacia la célula.

Normalmente, la pared celular de una célula vegetal es al menos una unidad de pH más ácida que el interior de la célula, dice Rainer Hedrich. Si el canal de protones se abre, los protones y, por tanto, las cargas eléctricas positivas fluyen inevitablemente a través de la membrana celular. Esto despolariza la membrana y acidifica el interior de la célula.

La despolarización se puede controlar con luz azul.

Para desencadenar este efecto experimentalmente, se dirige un láser azul al área de la hoja a investigar y se registra el potencial de membrana de las células estimuladas, explica Dirk Becker: «Usamos la intensidad, duración y frecuencia de la iluminación de los pulsos de luz azul para controlar la forma de la despolarización de la membrana y analizar en detalle la respuesta de repolarización de la célula vegetal. Se demostró que en las células foliares la repolarización es causada principalmente por bombas de protones sensibles al potencial de la membrana plasmática impulsadas por ATP. Cuando la membrana celular se despolariza, esta bomba de protones entra en un estado de mayor actividad. Al hacerlo, transporta más protones cargados positivamente fuera de la célula, lo que repolariza la membrana celular «.

Este mecanismo difiere fundamentalmente del de las células nerviosas animales , donde los canales de potasio dependientes del voltaje gobiernan este proceso. Los investigadores de la planta de Würzburg pudieron demostrar que las plantas manejan este proceso utilizando una bomba de protones y no un canal de potasio: un mutante de Arabidopsis sin canal de potasio se comportó como una planta normal cuando se expuso a la luz azul.

Canalrodopsinas para todos los casos

«Actualmente estamos probando otras herramientas optogenéticas de este tipo», dice Rainer Hedrich. El objetivo no es solo dilucidar la comunicación celular a través de señales eléctricas . También es importante comprender la importancia de las ondas de calcio y las señales de pH que ocurren simultáneamente en las plantas.

Para aclarar qué caracteriza a las células vegetales en general y qué características específicas de las células pueden haberse desarrollado, los investigadores planean introducir canalrodopsinas en células que exhiben una amplia gama de funciones diferentes. Los investigadores también planean usar variantes de canalrodopsina con selectividad iónica específica para arrojar luz sobre las intrincadas vías de comunicación de las plantas .


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