Agricultura Botánica y Genética Europa

Emocionantes vacuolas de plantas: los investigadores arrojan nueva luz sobre la comunicación de la planta a través de señales eléctricas


Muchos procesos biológicos en las plantas son similares a los humanos: las células y los tejidos en las plantas de grano, incluido el maíz, también se comunican a través de señales eléctricas. 


por la Universidad de Würzburg


La forma y la frecuencia de estas señales comunican diferentes cosas. Por ejemplo, indican a las plantas que respondan al calor y al frío, a las intensidades de luz excesivas o a las plagas de insectos.

Si una oruga comienza a mordisquear las hojas de una planta silvestre, una señal eléctrica se propaga a las hojas que aún no han sido dañadas, lo que desencadena un mecanismo de respuesta: agentes amargos o sustancias tóxicas se producen en toda la planta, lo que hace que las orugas Deja de comer, o matándolos. Pero la capacidad de producir sustancias amargas se ha obtenido de los cultivos modernos por razones de sabor. Por lo tanto, los pesticidas químicos se rocían en los cultivos de campo para deshacerse de las plagas de las orugas.

Investigadores de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Baviera, Alemania, ahora han arrojado nueva luz sobre la comunicación de la planta a través de señales eléctricas. Encontraron que el canal iónico TPC1 contribuye a la excitabilidad de la planta. La función de este canal había sido previamente desconocida. Este descubrimiento puede allanar el camino para cultivar plantas que son más resistentes a las plagas, el calor o la sequía a largo plazo, propiedades que son cruciales ante el cambio climático.

Los científicos de JMU dirigidos por el profesor de biofísica Rainer Hedrich han publicado sus hallazgos en Nature Communications . Hedrich descubrió el canal de iones TPC1 a mediados de la década de 1980, cuando era postdoctorado con el Premio Nobel Erwin Neher en Göttingen. A lo largo de los años, ha estudiado a fondo el canal y ha descrito casi todas sus propiedades.

El nuevo documento de Hedrich llena otro vacío de conocimiento. Las membranas celulares de las plantas ya se sabía que eran excitables; los científicos ahora han demostrado que esto también se aplica a la membrana que encierra la vacuola central de las células vegetales, y el TPC1 también desempeña un papel clave aquí. La vacuola es un compartimiento cerrado lleno de una solución acuosa que puede ocupar hasta el 90 por ciento del volumen de una célula vegetal. Su finalidad principal es la de una despensa para el almacenamiento de nutrientes.

Señal eléctrica concurrente con onda de calcio.

¿Cómo se desarrollan las señales eléctricas en la membrana de la vacuola? Cuando se hiere una hoja, se activa una onda de calcio en la hoja lesionada además de la señal eléctrica . «Las dos señales se refuerzan mutuamente, lo que permite que la señal se propague por toda la planta», explica Ingo Dreyer, profesor de la Universidad de Talca en Chile y colaborador de Hedrich.

En plantas con un TPC1 defectuoso, la onda de calcio se desplaza más lentamente o no avanza. «Este hallazgo nos llevó a estudiar las propiedades de la vacuola utilizando la técnica de pinza de parche», dice Hedrich. Resultó que las vacuolas que carecen de TPC1 no se pueden excitar, ni por una carga eléctrica ni por un aumento de calcio. En un mutante hiperactivo de TPC1, sin embargo, la excitación se mantuvo. «Esta técnica y otros análisis nos han permitido modelar matemáticamente el comportamiento vacuolar y predecir propiedades desconocidas de los canales de la vacuola», dice Dreyer.

Investigando la estructura y funcionamiento del canal iónico.

«Nuestro descubrimiento también es de interés para la investigación médica», dice Hedrich. Esto se debe a que los familiares del canal TPC1 también se han identificado en humanos. Pero aún no se sabe completamente cuál es el papel que juega el canal en las diminutas vesículas de membrana, los endosomas de nuestras células. Por lo tanto, los investigadores médicos también están buscando características comunes en la estructura y función del TPC1 en plantas y humanos.

«Para brindar respuestas, los científicos de los EE. UU. Realizaron análisis estructurales de rayos X para nuestras mediciones de pinzamiento de parche para determinar el plano molecular subyacente a la función del canal. Esto convierte al TPC1 en uno de los canales iónicos mejor comprendidos y dependientes del voltaje», dice el profesor de JMU.

TPC1 consiste en dos subunidades idénticas. Cuando se ensamblan para formar un par, forman un complejo con un canal de iones en su centro que responde al voltaje y los iones de calcio. Hay un receptor de calcio en el extremo citoplasmático de TPC1 para activar el canal y otro receptor en el interior de la vacuola. Si la concentración interna de calcio llega a ser demasiado alta, el canal se bloquea y la vacuola pierde su excitabilidad.

TPC1 en evolución y cambio climático.

«También nos preguntamos cuándo ocurrieron las funciones TPC1 dependientes de calcio en las plantas por primera vez», dice Hedrich. Los musgos fueron evidentemente los primeros en hacerlo. «Ahora pretendemos descubrir si TPC1 también es responsable de la excitabilidad en los primeros ancestros de nuestros cultivos y si la implantación de algas o musgos TPC1 es capaz de curar la falla funcional en los mutantes de las plantas de cultivo modernas».

Además, los investigadores descubrieron que hay familias de plantas cuyos miembros muestran diferencias significativas en el desarrollo de las funciones del canal individual. Ahora quieren entender la razón de estas diferencias a nivel molecular. Además, pretenden comprobar si las pequeñas diferencias facilitan la adaptación al estrés de la planta.


Más información: Dawid Jaślan et al. La activación dependiente del voltaje del canal SV TPC1 confiere excitabilidad a la vacuola, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038 / s41467-019-10599-xInformación de la revista: Nature CommunicationsProporcionado por la Universidad de Würzburg


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