Los científicos han realizado una serie de experimentos únicos e inusuales para comprender mejor los ritmos circadianos de las plantas, lo que ayudará a crear cultivos resistentes al clima.
Gran parte de lo que sabemos sobre los ritmos circadianos de las plantas proviene de experimentos de laboratorio en los que se pueden controlar estrictamente factores como la luz y la temperatura. Se sabe menos sobre cómo funcionan estos mecanismos de sincronización biológica en el mundo natural, más impredecible, donde han evolucionado para adaptar los seres vivos a los ciclos diarios y estacionales.
Un estudio conjunto pionero realizado por científicos británicos y japoneses ha proporcionado algunas respuestas a través de una serie de experimentos de campo innovadores que muestran cómo las plantas combinan señales de reloj con señales ambientales en condiciones que cambian naturalmente.
Un equipo de investigación del Centro John Innes, la Universidad de Kioto y el Laboratorio Sainsbury de Cambridge, ha desarrollado modelos estadísticos a partir de estos estudios de campo que pueden ayudarnos a predecir cómo las plantas, incluidos los cultivos básicos, pueden responder a las temperaturas futuras.
“Nuestro estudio destaca el valor de la colaboración internacional en el progreso científico interdisciplinario. Es emocionante ver cómo los procesos que identificamos en el laboratorio también afectan a las plantas en la naturaleza”, dijo el autor principal, el profesor Anthony Dodd, líder del grupo en el Centro John Innes.
El profesor Hiroshi Kudo de la Universidad de Kyoto dijo: “Cada sistema vivo ha evolucionado en el contexto de su hábitat natural. Queda mucho trabajo por hacer para evaluar la función de los sistemas genéticos in vivo. Este estudio fue pensado como uno de los puntos de partida para tal esfuerzo”.
Investigaciones anteriores del equipo del profesor Dodd identificaron una vía genética bajo el control del reloj biológico que protege a las plantas fotosintéticas del daño celular en condiciones de mucha luz y frío.
En el presente estudio, publicado en PNAS, el equipo se propuso identificar este mismo mecanismo en la naturaleza, basándose en un extenso conjunto de investigaciones in natura dirigidas por el profesor Hiroshi Kudo.
En dos estudios de campo realizados durante los equinoccios de marzo y septiembre, analizaron una población natural de Arabidopsis halleri (una planta herbácea crucífera) en un campo rural en Japón. Los científicos rastrearon cómo cambiaba la expresión genética en las plantas durante ciclos de 24 horas con cambios de luz y temperatura.
Los experimentos implicaron extraer ARN de las plantas cada dos horas, congelar las muestras y enviarlas al laboratorio para su análisis, de modo que se pudieran monitorear los niveles de expresión genética en los tejidos.
El equipo también construyó equipos que les permitieron manipular la temperatura alrededor de las plantas. Esto les permitió recrear las condiciones que crearon en el laboratorio en su estudio anterior.
Las plantas son muy sensibles a la luz roja y azul, por lo que para no influir en los resultados del experimento, los científicos usaron filtros verdes sobre sus faros, lo que efectivamente significaba que eran invisibles para las plantas durante las visitas nocturnas.
«Es sorprendente lo difícil que resulta distinguir las plantas verdes con una linterna frontal verde en mitad de la noche bajo una lluvia torrencial», observó el profesor Dodd.
Utilizando la información recopilada de las muestras, los investigadores observaron patrones en la expresión genética en una vía genética previamente descubierta que integra información del reloj circadiano de la planta con señales de luz y temperatura.
Los datos recopilados mostraron que las plantas en poblaciones silvestres mostraban la misma sensibilidad a las condiciones frías y del amanecer brillante que se había observado previamente en experimentos de laboratorio.
A partir de esta información, el equipo desarrolló modelos estadísticos que predicen con precisión cómo responderá la actividad de expresión genética controlada por el reloj circadiano a las señales ambientales a lo largo del día en la naturaleza.
“Creemos que esta es la primera vez que hemos podido modelar una vía completa de señalización del reloj circadiano en plantas que crecen al aire libre. Si podemos crear modelos que predigan con precisión la expresión genética dependiendo de las condiciones ambientales, entonces será posible desarrollar plantas que puedan adaptarse a las condiciones climáticas futuras”, afirmó el profesor Dodd.
El Dr. Haruki Nishio de la Universidad de Shiga, coautor del estudio, dijo: “La flexibilidad del modelado de series temporales bayesianas nos permitió desentrañar la compleja integración de señales en entornos naturales. Este enfoque ha demostrado ser particularmente eficaz para estudios realizados en condiciones ambientales complejas”.
Este estudio examinó las respuestas de las plantas a nivel de expresión genética. El siguiente paso de la investigación es aplicar los modelos estadísticos obtenidos en este estudio a funciones de la fisiología vegetal, como la tasa fotosintética o la adaptación a la temperatura.
La Dra. Dora Cano-Ramírez, investigadora del reloj circadiano actualmente en el Laboratorio Sainsbury de la Universidad de Cambridge y una de las primeras autoras del estudio, dijo: «El reloj circadiano regula muchos procesos clave en las plantas, como lo demuestran los estudios in vitro, pero hasta Ahora no sabíamos hasta qué punto estos procesos se transfieren a las condiciones de campo. Comprender cómo los procesos circadianos se alinean con un entorno cambiante mediante el modelado de esta vía de señalización puede ser útil para predecir las respuestas de las plantas en un clima cada vez más impredecible”.
Fuente: Centro John Innes. Foto del título de Hiroshi Kudo.
