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El estudio de los ritmos circadianos en las plantas y sus patógenos podría llevar a la medicina de precisión para las personas


Al atardecer, las hojas del árbol de tamarindo se cierran, esperando otro amanecer. Androsthenes, un capitán de barco al servicio de Alejandro Magno, hizo el primer relato escrito de estos movimientos de hojas en el siglo IV aC


por Hua Lu y Linda Wiratan


Le tomó siglos más descubrir que describía los efectos del reloj circadiano . Este mecanismo interno de detección del tiempo permite a muchos organismos vivos realizar un seguimiento del tiempo y coordinar sus comportamientos a lo largo de ciclos de 24 horas. Sigue los ciclos regulares día / noche y estacionales de la rotación diaria de la Tierra. La investigación circadiana ha avanzado hasta el momento en que el Premio Nobel de fisiología o medicina de 2017 fue otorgado por el innovador trabajo que aclaró las bases moleculares que subyacen a los ritmos circadianos .

Biólogos como nosotros estamos estudiando los relojes circadianos en las plantas para conocer cómo afectan la salud y el bienestar de toda la vida en la Tierra. A medida que los investigadores continúan descubriendo cómo funcionan estos relojes, incluida la forma en que influyen en las interacciones entre los hospedadores y sus plagas y patógenos invasores, podrían surgir nuevas formas de medicamentos de precisión especialmente cronometrados.

Nuestro marcapasos oculto

Los organismos de los tres dominios de la vida poseen una sorprendente diversidad de ritmos circadianos. Aparentemente, las cianobacterias alternan la actividad fotosintética entre el día y la noche . El hongo Neurospora crassa produce esporas todas las mañanas antes del amanecer . Las mariposas monarca migratorias utilizan un delicado compás solar en su migración anual . Casi todos los aspectos de la actividad humana están influenciados por el reloj circadiano: puedes ver esto fácilmente en ti mismo si vuelas a través de zonas horarias o te involucras en el trabajo por turnos.

La fuerza impulsora detrás de los ritmos circadianos es lo que los científicos llaman el oscilador central del reloj circadiano , una red elaborada de genes que activan y desactivan la actividad de los demás. Juntos, forman bucles de retroalimentación complejos que calibran con precisión el tiempo.

Aunque los genes de reloj individuales no siempre son iguales en todos los dominios de la vida, el mecanismo de realimentación del oscilador central sí lo es. Este mecanismo actúa como un interruptor para sincronizar las actividades diarias de un organismo con las fluctuaciones diurnas y nocturnas y otros cambios ambientales. Estos sorprendentes actos de equilibrio reflejan la capacidad de los organismos para anticipar el cambio en el entorno a lo largo del día.

Contabilidad y salud precisos

Un reloj circadiano bien calibrado es crítico para el crecimiento y la forma física, por lo que la desalineación del reloj circadiano con señales ambientales causa problemas de salud diversos y de gran alcance. Algunas enfermedades humanas, como la diabetes , la obesidad , las enfermedades cardiovasculares y algunos trastornos psiquiátricos , como la depresión y el trastorno bipolar, están probablemente vinculadas a relojes circadianos que no están sincronizados con el medio ambiente.

El estudio de los ritmos circadianos en las plantas y sus patógenos podría llevar a la medicina de precisión para las personas
Después de la infección por un hongo, las plantas con un reloj circadiano mutante (derecha) mostraron mucho más daño que las plantas normales (izquierda). Crédito: Hua Lu, CC BY-ND

La creciente evidencia también vincula el reloj circadiano a la salud de las plantas. En particular, los científicos de las plantas han demostrado que un reloj circadiano correctamente ajustado es importante para la resistencia de las enfermedades de las plantas a las matrices de patógenos y plagas. Aunque las plantas no producen anticuerpos ni utilizan células inmunitarias especializadas para protegerse de los invasores, algunos aspectos de su sistema inmunológico son similares a los nuestros. Debido a lo fácil que es crecer y manipularlos genéticamente, algunas plantas, como Arabidopsis , sirven como sistemas ideales para investigar cómo el reloj circadiano influye en el resultado de las enfermedades en las plantas una vez infectadas.

Interacciones planta-patógeno a toda hora.

Las plantas, al estar inmóviles, deben asignar estratégicamente su energía y recursos limitados cuando se enfrentan a patógenos y plagas. Tienen la habilidad sofisticada de cronometrar su defensa , lo que les permite anticipar los posibles ataques antes de que ocurran y modular las respuestas de la defensa ante atacantes reales.

La vanguardia de la defensa de la planta está en la superficie. Las características físicas, como los tricomas, los pequeños pelos que sobresalen, cubren de forma protectora una planta y los recubrimientos de cera disuaden a los invasores de adherirse a la superficie. La superficie de la planta también tiene numerosos poros en forma de boca llamados estomas. Normalmente, los estomas se abren rítmicamente en el día y cierran por la noche , un proceso regulado por el reloj circadiano en previsión de los cambios de luz y humedad. Si bien este proceso es importante para la fotosíntesis y el intercambio de agua, algunos patógenos pueden utilizar los estomas de apertura como portales para acceder a los nutrientes y el espacio dentro del tejido de la planta y los estomas de cierre restringen la invasión de patógenos.

Más allá de las barreras físicas de primera línea, las plantas han desarrollado sistemas de vigilancia complejos para detectar patógenos y plagas como intrusos. Cuando los receptores de la superficie celular reconocen un patógeno, la planta cierra inmediatamente sus estomas en el sitio de invasión. Los relojes circadianos disfuncionales afectan el cierre del estoma , lo que resulta en una enfermedad más grave.

El reconocimiento adicional de patógenos envía señales de alerta al interior del tejido de la planta, activando un arsenal de respuestas de defensa, que incluye la reprogramación de la expresión de genes, la producción de compuestos antimicrobianos y la mejora de la señalización de defensa. Incluso en ausencia de patógenos, muchas de estas respuestas muestran cambios bajos pero rítmicos que están influenciados por el reloj circadiano. Cuando llega un ataque real, el ensayo diario de las plantas de sus sistemas de defensa garantiza una defensa oportuna fuerte y concertada . Las plantas con relojes desalineados sucumben al ataque.

Un excelente ejemplo de una planta que sincroniza su defensa proviene del grupo de Xinnian Dong en la Universidad de Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis es un patógeno que disemina sus esporas virulentas por la mañana y causa enfermedades en las plantas de Arabidopsis . El grupo de Dong demostró elegantemente que Arabidopsis anticipa este ataque al expresar un conjunto de genes de defensa al amanecer que da resistencia contra el patógeno. Cuando los investigadores interrumpieron el reloj circadiano de Arabidopsis , abolió esta defensa matutina e hizo a la planta más susceptible.

Las plantas también dependen de la defensa oportuna para combatir a los insectos. Por ejemplo, los buceadores de repollo tienen una actividad de alimentación máxima antes del atardecer. El hermoso trabajo realizado por el grupo de Janet Braam en la Universidad Rice demostró que la Arabidopsis produce la hormona de señalización de defensa ácido jasmónico con un pico al mediodía antes de este ataque. Cuando los insectos realmente atacan, el reloj circadiano aumenta esta defensa del mediodía , produciendo más ácido jasmónico para inhibir la alimentación de insectos.

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Los estomas son pequeños poros en la superficie de la planta que pueden abrirse y cerrarse. Crédito: Valentina Moraru / Shutterstock.com

¿Los relojes bailan en parejas?

Como se ve en estos ejemplos, los patógenos y las plagas tienen sus propios relojes circadianos y los utilizan para determinar el mejor momento para estar activos. ¿Cómo afecta esta habilidad a sus invasiones de huéspedes? Hasta ahora, los investigadores no están seguros de si los patógenos y los relojes de plagas están coordinados con los del huésped. Si lo están, su forma de sincronizarse podría determinar el resultado de sus interacciones.

La evidencia actual indica que algunos microbios eucarióticos, como Hyaloperonospora arabidopsidis y Botrytis cinerea , pueden manipular el reloj circadiano de Arabidopsis . Incluso los patógenos procarióticos, como Pseudomonas syringae , a pesar de la falta de un oscilador central canónico, pueden interferir con los relojes de las plantas de varias maneras.

En humanos y ratones, algunas poblaciones de microbiota intestinal oscilan diariamente , dependiendo del reloj circadiano del huésped . Curiosamente, la microbiota intestinal es capaz de reprogramar el reloj anfitrión . ¿Cómo se produce esta comunicación transkingdom? ¿Cómo puede influir en el resultado de las interacciones del huésped y los microbios? La investigación en esta área representa un nivel fascinante e inexplorado de dinámica de host-invasor.

El reloj como curandero y ayudante.

La capacidad de integrar señales de tiempo con el desarrollo y las respuestas a los ataques ambientales es una adaptación evolutiva. Las plantas han enseñado a los biólogos mucho sobre los ritmos circadianos y su papel en la modulación de todo, desde el desarrollo hasta la defensa.

La investigación del reloj ha abierto la oportunidad de aplicar este conocimiento a otros sistemas, incluidos los humanos. ¿Cómo podemos modificar el ciclo diario de ciertas funciones de defensa para mejorar la inmunidad sin causar estrés en el desarrollo? ¿A qué hora del día somos más susceptibles a ciertos patógenos? ¿Cuáles son los momentos más invasivos del día para varios patógenos y plagas?

Las respuestas a preguntas como estas ayudarán a desentrañar las interacciones huésped-patógeno / plaga, no solo en las plantas sino también en las personas. En última instancia, este conocimiento podría contribuir al diseño de medicamentos de precisión que están diseñados para impulsar la defensa oportuna en personas individuales para luchar contra diversos patógenos y plagas. Además, nuestra comprensión de la resistencia a las enfermedades de las plantas ayudará al control agrícola de patógenos y plagas, mitigando el desafío global de la pérdida de cultivos.

La investigación en curso continúa revelando cómo la influencia de los ritmos circadianos se extiende tan ilimitadamente como los rayos del sol.


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