Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

La investigación decodifica el sistema de defensa de las plantas, con miras a mejorar la agricultura y la medicina


Hua Lu de UMBC, profesor de ciencias biológicas, y sus colegas han encontrado nuevos vínculos genéticos entre el ritmo circadiano de una planta (esencialmente, un reloj interno) y su capacidad para defenderse de enfermedades y plagas. 


por University of Maryland Baltimore County


Los hallazgos fueron de 10 años de fabricación y se publicaron en Nature Communications esta semana. Los resultados podrían conducir a plantas que sean más resistentes a los patógenos causantes de enfermedades y un mejor tratamiento para las enfermedades humanas.

«Es bastante genial», dice Lu, «porque, tanto en plantas como en animales, la gente está empezando a estudiar la interferencia entre el reloj circadiano y el sistema de inmunidad».

Tiempo lo es todo

En respuesta a los ataques diarios de bacterias, hongos y otras plagas, las plantas han desarrollado diversas estrategias para protegerse. Las plantas pueden cerrar sus estomas (pequeñas aberturas en el revestimiento ceroso de sus hojas) para evitar la entrada de algunas bacterias. Podrían producir químicos como el ácido salicílico y el ácido jasmónico para repeler las bacterias y los insectos. También producen una gran cantidad de proteínas que son importantes para una defensa exitosa.

Acciones como el cierre de estomas, la producción de ácido salicílico y más suceden en un horario diario, a menudo alcanzando un máximo en los momentos en que es más probable que ciertos patógenos y plagas estén activos. La naturaleza rítmica de la defensa de las plantas sugiere que las plantas están coordinando su reloj interno con su sistema de defensa para aumentar la efectividad de sus acciones defensivas.

En este estudio, Lu y sus colegas descubrieron por primera vez que LUX, un gen central en el reloj circadiano de la planta, es importante para regular la apertura y el cierre de los estomas en momentos específicos del día, y también para activar la defensa mediada por ácido salicílico. y ácido jasmónico.

En una planta típica, los estomas se abren durante el día para permitir el intercambio de gases necesarios para la fotosíntesis. Luego se cierran por la noche, para evitar la pérdida de agua. Los estomas también se cierran en respuesta a los ataques de patógenos durante el día. Responden mínimamente a un ataque en la noche, porque ya están cerrados.

Sin embargo, en plantas con una versión no funcional del gen LUX, Lu descubrió que los estomas están abiertos tanto de día como de noche. Durante un ataque diurno, los estomas permanecen abiertos más ampliamente que las plantas normales. Durante un ataque nocturno, sin embargo, algunos de los estomas se cierran. Esto significa que las plantas que carecen de un gen LUX funcional tienen menos control sobre cuándo se abren sus estomas, lo que permite la entrada de patógenos oportunistas. Esta distinción indica que LUX es fundamental para la sincronización de la respuesta de defensa dirigida por estomas, vinculando la defensa con el reloj circadiano en una nueva forma.

La investigación de Lu también profundiza en la relación entre el gen LUX y los químicos de defensa ácido salicílico y ácido jasmónico. Si bien se sabía que el reloj circadiano puede regular las respuestas de defensa, este documento muestra que lo contrario también es cierto: «Un reloj circadiano correctamente ajustado es importante para la activación de la defensa. Cuando la defensa está activada, puede realimentarse para regular el reloj circadiano. , «Dice Lu.

El equipo de investigación demostró específicamente que la presencia de LUX es necesaria para la señalización normal del ácido jasmónico. A su vez, el ácido jasmónico también afecta la expresión de LUX y el reloj circadiano. Esta regulación recíproca entre el reloj circadiano y la señalización de defensa ayuda a las plantas a equilibrar su uso de energía para el crecimiento normal y el desarrollo y las respuestas de defensa.

De granjas a farma.

Lu está interesado en seguir investigando para descubrir cómo influye el tiempo en el sistema de defensa de la planta . ¿Cómo afecta el reloj circadiano a múltiples aspectos de las respuestas de defensa? ¿Qué moléculas de patógenos y plagas interfieren con el reloj circadiano de una planta y, posteriormente, limitan su capacidad de protegerse? Una mejor comprensión de cómo los genes del reloj controlan la defensa de las plantas y cómo los patógenos interactúan con los sistemas de defensa de las plantas podría beneficiar a la agricultura y más allá.

«Los patógenos están en todas partes todo el tiempo. A menudo, la forma más activa de un patógeno varía durante un día. Además, las plantas podrían tener diferentes estrategias de defensa en diferentes momentos del día», explica Lu. «Entonces, ¿cuándo es el mejor momento para aplicar pesticidas? Eso podría depender del patógeno, su modo de infección y el comportamiento de sus cultivos. Creo que se necesitan pruebas de campo para determinar el mejor momento para aplicar productos químicos para lograr el La mayor eficacia en la prevención de la infección o la propagación de la infección «.

En general, un menor uso de pesticidas reduciría la escorrentía de químicos en las vías fluviales y reduciría los costos para los agricultores. El uso reducido de antibióticos podría ayudar a reducir la resistencia a los antibióticos, lo que también beneficiaría a los humanos.

Además, las plantas no son las únicas cuya actividad del sistema inmunológico fluctúa a lo largo del día. Los sistemas animales también tienen ciclos diarios. Por lo tanto, «se pueden aplicar ideas similares al campo médico «, dice Lu.

Existen similitudes entre las formas en que las plantas y los animales interactúan con sus patógenos y plagas a nivel molecular. Tal vez en el futuro, su receta vendrá con instrucciones de tiempo específicas o su cirugía se programará según la actividad de su sistema inmunológico.

Ciencia en accion

Lu dice que toda su investigación, y este artículo de varias partes en particular, está dirigido por los miembros de su laboratorio. «Es genial trabajar con tantas personas dedicadas», dice ella. «Sin ellos, no podría hacerlo».

Eso incluye a su compañero postdoctoral Chong Zhang, que ahora trabaja para el USDA, y al actual postdoctoral Min Gao, quienes son co-primeros autores en el nuevo documento. Cinco estudiantes universitarios y un estudiante de secundaria también contribuyeron a este proyecto a largo plazo. Algunos de los experimentos requerían pruebas cada cuatro horas durante un período de 24 horas, lo que significaba que alguien estaba durmiendo en un sillón en el laboratorio cuando estaban en camino.

En general, los miembros del equipo de Lu están motivados por los beneficios potenciales que su trabajo podría contribuir a la sociedad. Están entusiasmados con la perspectiva de mejorar los rendimientos de los cultivos para alimentar a una población en crecimiento, reducir la contaminación o reducir los efectos secundarios para el tratamiento médico humano a través de una mejor sincronización y dosificación.

«Este campo me interesa porque puedo ver que mi trabajo tiene algunas aplicaciones prácticas, y creo que eso es importante», dice Lu. «Ese debería ser el objetivo de todo científico: utilizar su conocimiento en la vida real».


Más información: Chong Zhang et al, LUX ARRHYTHMO media interferencia entre el reloj circadiano y la defensa en Arabidopsis, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038 / s41467-019-10485-6Información de la revista: Nature CommunicationsProporcionado por la Universidad de Maryland Baltimore County


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