La germinación de semillas depende de la luz en muchas plantas. Pero no siempre: Aethionema arabicum, una planta adaptada a condiciones ambientales desafiantes, lo hace a su manera.
por el Instituto Gregor Mendel de Biología Molecular de Plantas (GMI)
Aquí, los fitocromos, los receptores de la luz roja y roja lejana, juegan un papel inesperado en la germinación de las semillas y sincronizan este proceso con la temporada óptima.
Estos hallazgos, publicados ahora en Plant Physiology , son un ejemplo convincente del recableado evolutivo de los módulos de señalización que ayudan a las plantas a adaptarse a sus hábitats. El estudio fue dirigido por investigadores del Instituto Gregor Mendel de Biología Molecular de Plantas (GMI) de la Academia de Ciencias de Austria.
Mientras que algunas semillas de plantas requieren luz para germinar, otras semillas son insensibles o incluso inhibidas por la luz. La mayoría de los conocimientos sobre el papel de la luz durante la germinación de semillas provienen de estudios que utilizan el organismo modelo Arabidopsis thaliana, donde se requiere luz para iniciar la germinación.
Por el contrario, la luz es un fuerte inhibidor de la germinación en otras plantas, pero la base molecular de este efecto se desconoce en gran medida. Un equipo de investigadores, dirigido por la Dra. Zsuzsanna Mérai del Instituto Gregor Mendel (GMI), utilizó ahora la planta Aethionema arabicum (Brassicaceae) para investigar el mecanismo molecular de la germinación de semillas inhibidas por la luz .
Aethionema arabicum se origina en hábitats abiertos y secos donde la germinación de semillas en la superficie durante días brillantes, largos y calurosos reduciría las posibilidades de supervivencia de las plántulas. La inhibición de la germinación por la luz se interpreta como un rasgo para restringir la germinación a estaciones más frías oa semillas ubicadas bajo tierra.
En su estudio, Mérai y sus colegas demostraron que los fitocromos, los receptores de luz para las longitudes de onda rojas y rojas lejanas, desempeñan un papel doble en la respuesta a la luz en Aethionema; pueden estimular pero también inhibir la germinación. Al medir la intensidad y la duración de la luz a través de fitocromos, las semillas adquieren información sobre la duración del día y, por lo tanto, sobre la estación.
Una variante chipriota ayuda a comprender la inhibición de la luz
Mérai y sus colegas usan semillas de una variante de Aethionema originaria de Chipre (CYP) que no germinan al exponerse a la luz blanca. En su hábitat natural , la variante CYP solo germina a principios de la primavera cuando los días son relativamente cortos y las temperaturas son frescas. Esto permite que la planta complete su ciclo de vida antes de la estación seca del verano.
Mérai buscó investigar el mecanismo de inhibición de la luz en Aethionema CYP mediante la creación de una colección de semillas mutagenizadas que examinaron en busca de mutantes que pudieran germinar también en luz blanca, en contraste con la línea original. Ahora, los investigadores caracterizaron un mutante a nivel molecular .
Lo llamaron «koy-1», en honor a Koyash, el dios del sol en la mitología turca. Demostraron que su mutación afectaba a la HEMO OXIGENASA 1, un gen clave necesario para la biosíntesis de los cromóforos, las moléculas de los fitocromos que detectan la luz. Esta mutación limita la cantidad de proteína cromófora y es responsable de la respuesta alterada a la luz de koy-1.
El doble papel de los fitocromos permite la adaptación ambiental
El mutante koy-1 permitió a Mérai y sus colegas descubrir más detalles mecánicos. «Al variar la intensidad de la luz, la longitud de onda y la duración, pudimos diseccionar patrones complejos de respuesta a la luz vinculados a los fitocromos en Aethionema», dice Mérai. «La baja cantidad residual de fitocromos funcionales en koy-1 nos permitió desentrañar un doble papel sorprendente en la germinación de semillas de Aethionema».
Sus experimentos demostraron que la alta intensidad y duración de la luz inhibieron fuertemente la germinación, mientras que la exposición corta favoreció la germinación. Estas dos respuestas opuestas a la luz resultan de diferentes proporciones entre dos hormonas clave: el ácido abscísico inhibidor de la germinación (ABA) versus el ácido giberélico inductor de la germinación (GA).
«Ya sabíamos que la exposición a la luz en Arabidopsis resultó en niveles altos de GA y bajos de ABA. Ahora, también sabemos que Aethionema CYP responde de manera similar bajo una luz muy limitada. Sin embargo, con el aumento de la irradiación, los niveles hormonales literalmente se invierten, lo que resulta en la germinación. inhibición», dice Mérai. «Las respuestas opuestas a la intensidad y duración de la luz tienen una base genética y son una adaptación al entorno natural de las plantas, lo que permite que Aethionema CYP germine a principios de la primavera, pero no más tarde».
Evolution funciona con módulos de recableado
Al desentrañar que los mismos jugadores moleculares podrían mediar en efectos diametralmente opuestos, el equipo documenta cómo la evolución puede haber «reconectado» los módulos existentes para responder adecuadamente a los requisitos ambientales. Con tales variaciones combinatorias, documentadas en múltiples organismos, la evolución puede lograr cambios «rápidos» sin necesidad de que nuevos jugadores evolucionen desde cero.
«Nuestros hallazgos allanan el camino para una mejor comprensión de los procesos moleculares en la naturaleza y la biodiversidad mediante el estudio de organismos no modelo y plantas no cultivadas. El conocimiento científico obtenido de Arabidopsis es esencial, pero no siempre representativo de todas las plantas. Aquí, demostramos que incluso podríamos descubrir mecanismos moleculares completamente opuestos en la naturaleza”, concluye Mérai, cuyo trabajo establece a Aethionema como un nuevo modelo para estudiar los efectos de la luz en la germinación de semillas .
Más información: Zsuzsanna Mérai et al, Los fitocromos median la inhibición de la germinación bajo luz roja, roja lejana y blanca en Aethionema arabicum, Plant Physiology (2023). DOI: 10.1093/plphys/kiad138
