Biólogos sorprendidos descubren cómo dos proteínas trabajan juntas para formar un sensor que regula la pérdida de agua de las plantas, buscado desde hace mucho tiempo, lo que tiene implicaciones para los árboles, los cultivos y los incendios forestales.
Hace más de 50 años, los investigadores descubrieron que las plantas pueden sentir las concentraciones de dióxido de carbono (CO 2 ). A medida que los niveles de CO 2 cambian, los poros de «respiración» en las hojas llamados estomas se abren y cierran, controlando así la evaporación del agua, la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas. Las plantas pierden más del 90% de su agua por evaporación a través de los estomas. La regulación de las aberturas de los poros de los estomas por el CO 2 es crucial para determinar la cantidad de agua que pierden las plantas, y es fundamental debido al aumento de los efectos del dióxido de carbono en el clima y los recursos hídricos en un mundo en calentamiento.
Pero identificar el sensor de dióxido de carbono y explicar cómo funciona dentro de las plantas sigue siendo un enigma desde hace mucho tiempo.
Usando una combinación de herramientas y enfoques de investigación, los científicos de la Universidad de California en San Diego lograron recientemente un gran avance en la identificación del sensor de CO 2 largamente buscado en las plantas de Arabidopsis y desentrañaron sus partes funcionales. El científico del proyecto de la Universidad de California en San Diego, Yohei Takahashi, el profesor distinguido de la Facultad de Ciencias Biológicas Julian Schroeder y sus colegas identificaron el mecanismo del sensor de CO2 y detallaron sus propiedades estructurales genéticas, bioquímicas, fisiológicas y predichas. Sus resultados se publicaron el 7 de diciembre en Science Advances .
Dado que los poros de los estomas controlan la pérdida de agua de la planta, el sensor es vital para la gestión del agua y tiene implicaciones para la sequía inducida por el clima, los incendios forestales y la gestión de cultivos agrícolas.
«Por cada molécula de dióxido de carbono absorbida, una planta típica pierde entre 200 y 500 moléculas de agua por evaporación a través de los poros estomáticos», dijo Schroeder, presidente de Novartis y miembro de la facultad en el Departamento de Biología Celular y del Desarrollo. ″El sensor es extremadamente relevante porque reconoce cuándo aumentan las concentraciones de CO 2 y determina cuánta agua pierde una planta a medida que se absorbe el dióxido de carbono.″
Una sorpresa crítica de la nueva investigación fue la composición del sensor. En lugar de rastrearlo hasta una sola fuente o proteína, los investigadores encontraron que el sensor opera a través de dos proteínas vegetales que trabajan juntas. Estos se identificaron como 1) una proteína quinasa de ″alta temperatura de la hoja1″ conocida como HT1 y 2) miembros específicos de una familia de proteína quinasa activada por mitógeno, o enzima quinasa ″MAP″, conocida como MPK4 y MPK12.
″Nuestros hallazgos revelan que las plantas detectan cambios en la concentración de CO 2 mediante la interacción reversible de dos proteínas para regular los movimientos de los estomas″, dijo Takahashi, que ahora trabaja en el Instituto de Biomoléculas Transformativas de Japón. ″Esto podría proporcionarnos un nuevo objetivo químico y de ingeniería de planta hacia el uso eficiente del agua de la planta y el CO 2absorción de la atmósfera”.
Los hallazgos del equipo, que se han presentado en una patente de UC San Diego, podrían conducir a innovaciones en el uso eficiente del agua por parte de las plantas a medida que aumentan los niveles de CO 2 .
″Este hallazgo es relevante para los cultivos, pero también para los árboles y sus raíces profundas que pueden secar los suelos si no llueve durante largos períodos, lo que puede provocar incendios forestales″, dijo Schroeder. ″Si podemos usar esta nueva información para ayudar a los árboles a responder mejor a los aumentos de CO2 en la atmósfera, es posible que se sequen el suelo más lentamente. Del mismo modo, se podría mejorar la eficiencia del uso del agua de los cultivos: más cultivo por gota”.
Para explorar más a fondo su descubrimiento del sensor, los investigadores colaboraron con el estudiante graduado Christian Seitz y el profesor Andrew McCammon en el Departamento de Química y Bioquímica. Utilizando técnicas de vanguardia, Seitz y McCammon crearon un modelo detallado de la intrincada estructura del sensor. El modelo implicó áreas donde se sabe que las mutaciones genéticas restringen la capacidad de las plantas para regular la transpiración en respuesta al dióxido de carbono. Las nuevas imágenes mostraron que los mutantes se agrupan en un área donde se unen las dos proteínas sensoras, HT1 y MPK.
″Este trabajo es un maravilloso ejemplo de investigación impulsada por la curiosidad que reúne varias disciplinas, desde la genética hasta el modelado y la biología de sistemas, y da como resultado nuevos conocimientos con la capacidad de ayudar a la sociedad, en este caso al hacer cultivos más robustos,″ dijo Matthew Buechner, director de programa de la Dirección de Ciencias Biológicas de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que apoyó la investigación.
La lista completa de autores del artículo: Yohei Takahashi, Krystal Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh, Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjarvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac y Julian I. Schroeder.
Financiación de la investigación descrita en Science Advancesel papel fue proporcionado por la NSF (subvención MCB-1900567); y en parte por los Institutos Nacionales de Salud (subvención R01 GM60396); una beca de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (DGE-1650112), JST, PRESTO (subvención JPMJPR21D8); SUNBOR; el Consejo de Investigación de Estonia (subvención PRG433); Centro de Excelencia CEMCE; Proyecto de Infraestructura de Biología Vegetal TAIM; y el programa del Centro de Excelencia de la Academia de Finlandia (subvenciones 271832 y 307335).
Fuente: Universidad de California
