Biólogos identifican genes que controlan el crecimiento rítmico de las plantas

16 de septiembre de 2008

Biólogos identifican genes que controlan el crecimiento rítmico de las plantas

16 de septiembre de 2008

La Jolla, CA – Un equipo de biólogos del Instituto Salk de Estudios Biológicos, UC San Diego y la Universidad Estatal de Oregón ha identificado los genes que permiten que las plantas experimenten ráfagas de crecimiento rítmico durante la noche y les permiten competir cuando sus hojas están sombreadas. por otras plantas.

Los investigadores informan en la edición de esta semana de la revista Biología PLoS que estos genes controlan la compleja interacción de las hormonas de crecimiento de las plantas, los sensores de luz de las plantas y los ritmos circadianos que permiten que las plantas experimenten brotes de crecimiento rítmico en momentos específicos del día o del año en respuesta a niveles variables de luz y otras condiciones ambientales.

Su descubrimiento de los fundamentos genéticos de los movimientos rítmicos de las plantas que cautivó a Charles Darwin hace más de un siglo, podría eventualmente permitir a los científicos diseñar cultivos que puedan crecer sustancialmente más rápido y producir más alimentos que las variedades más productivas de la actualidad.

"Este artículo se basa en nuestros hallazgos anteriores de que casi todos los genes de las plantas se expresan solo en un momento particular del día", dijo el investigador del Instituto Médico Howard Hughes. joanne chory, Ph.D., profesor en el Laboratorio de Biología Vegetal del Instituto Salk, quien dirigió el estudio actual.

"Lo que encontramos es una gran cantidad de genes que podrían ser los interruptores moleculares reales que definen el crecimiento de las plantas a nivel molecular", dijo Steve Kay, Ph.D., Decano de la División de Ciencias Biológicas de UC San Diego y uno de los los líderes del equipo de investigación. "Cuanto más entendamos estos mecanismos genéticos y cómo activan y desactivan el crecimiento de las plantas, mejor seremos en el diseño de cultivos a medida para aumentar nuestra producción de alimentos y combustible para la población mundial en rápido crecimiento".

La forma en que las plantas crecen para maximizar su supervivencia en diferentes entornos ha fascinado a los biólogos durante mucho tiempo. En 1880, Charles Darwin publicó El poder del movimiento en las plantas, uno de sus libros menos conocidos en el que describe sus estudios sobre la forma en que los diferentes tipos de plantas crecen y se mueven en respuesta a diversos estímulos.

Si bien la mayoría de la gente podría suponer que las plantas crecen a un ritmo lento y constante durante el día y la noche, Darwin y otros descubrieron que crecen en períodos nocturnos regulares, y que los tallos de las plantas se alargan más rápido en las horas previas al amanecer. Vea el video del crecimiento de los brotes de soja en: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/bigbeansprout.mov

“Las plantas en realidad crecen rítmicamente”, dijo Kay. “Algunas plantas, como el sorgo, tienen la capacidad de alargarse un centímetro o más cada noche”.

Por qué las plantas han desarrollado mecanismos para crecer rítmicamente durante la noche o en las horas previas al amanecer es un misterio. Pero una interacción similar de detección de luz, hormonas vegetales y ritmos circadianos que conduce a un crecimiento rítmico pronunciado de las plantas durante ciertas estaciones y cuando están bajo la sombra de otras plantas tiene un claro valor de supervivencia.

“Cualquier planta que está creciendo se encuentra en una situación en la que tiene que competir con las plantas que crecen a su alrededor, por lo que tiene que desarrollar formas en las que pueda medir su entorno para poder competir”, dijo Kay. “Las células vegetales tienen fitocromos, que son esencialmente detectores de sombra que miden la proporción de diferentes colores de luz que pueden decirle a una planta si es un día nublado o si otra planta le da sombra. Y recibir la sombra de otra planta es una mala noticia, porque esa planta está devorando todo el color de luz adecuado para la fotosíntesis. Si las plantas detectan que están sombreadas, provocan hormonas de crecimiento para alargarse. Puedes ver eso en el extremo cuando dejas algo en tu césped y la hierba a su alrededor ha crecido más alta”.

Para determinar qué genes controlan estos patrones rítmicos de crecimiento, el equipo de investigación recurrió a Arabidopsis thaliana, una pequeña planta de mostaza utilizada como modelo de laboratorio por genetistas de plantas. Porque Arabidopsis, como muchas otras plantas, crece más rápido en las horas previas al amanecer cuando se expone a los ciclos de luz diurnos y nocturnos, los científicos intentaron determinar cuáles de sus genes se estaban activando durante ese período. Usando chips de microarrays de ADN, pudieron probar miles de genes a la vez para determinar cuáles estaban activos durante ese período.

"Hicimos muchos cientos de miles de mediciones", dijo el primer autor Todd Michael, Ph.D., ex becario postdoctoral en Salk que ahora es profesor asistente de genómica y bioinformática en el Instituto Waksman y la Universidad de Rutgers, "y luego preguntó qué genes se activan rítmicamente y se correlacionan con este patrón de crecimiento rítmico justo antes del amanecer. Lo que encontramos fue que un montón de genes dispersos por todo el Arabidopsis El genoma que se ocupa de la biosíntesis de hormonas, la señalización de hormonas y el metabolismo de hormonas están estrechamente relacionados con el crecimiento rítmico de las plantas. Esto nos dijo que este conjunto de genes podría ser la firma real que define el crecimiento de las plantas a nivel molecular”.

Los científicos dijeron que estos genes dispares actúan juntos para regular el crecimiento rítmico de las plantas como una puerta con sus bisagras controladas por fotorreceptores y el reloj biológico que se abre en las horas previas al amanecer para permitir que una ola de múltiples hormonas de crecimiento vegetal actúe dentro de las células y luego se cierra. la puerta frena el crecimiento de la planta hasta el próximo ciclo de 24 horas.

"Esta integración temporal de las vías hormonales permite a las plantas ajustar las respuestas de las fitohormonas para la regulación del crecimiento estacional y apropiado para la sombra", escriben en su artículo. “Muchos genes de hormonas vegetales diferentes, incluidos los genes de hormonas que promueven y antagonizan el crecimiento, se expresan conjuntamente en el momento del día en que crecen las plantas”, dijo Chory. "Que exista un módulo regulador de genes tan extenso fue toda una sorpresa".

Para ilustrar su modelo, los científicos adjuntaron una enzima brillante, la luciferasa, a los genes que identificaron como responsables del crecimiento rítmico en Arabidopsis plantas. A medida que las plantas pasan por su fase de crecimiento rítmico, el Arabidopsis las plantas brillan intermitentemente a medida que los genes que regulan la apertura y el cierre de la puerta a las hormonas vegetales se activan y luego se desactivan. Ver video con narración en: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/sprouts.mov

Los científicos también descubrieron que la mayoría de los genes involucrados en este crecimiento rítmico previo al amanecer tienen una secuencia de ADN en común, un controlador maestro que denominaron elemento HUD, por "Hormona arriba al amanecer". Este elemento HUD, señalaron, debe tener una proteína que se adhiere a él que regula su función.

“No sabemos qué es eso, porque aún no lo hemos encontrado”, dijo Kay. “Identificar ese regulador de proteínas será un objetivo clave para el futuro porque esa proteína será muy, muy importante para controlar el crecimiento y el rendimiento de las plantas”.

"Es un momento muy emocionante para los biólogos", agregó Chory, "porque ahora existen las herramientas para responder preguntas sobre procesos complejos, como cómo crecen las plantas o cómo falla el metabolismo humano".

Otros coautores incluyeron a los becarios postdoctorales de UCSD Ghislain Breton, Ph.D., y Samuel Hazen, Ph.D., y al profesor asistente de biología del genoma, Todd Mockler, Ph.D., y al estudiante graduado Henry Priest, ambos en la Universidad Estatal de Oregón.

El estudio fue apoyado por subvenciones del Instituto Médico Howard Hughes, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.

El Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, es una organización independiente sin fines de lucro dedicada a los descubrimientos fundamentales en las ciencias de la vida, la mejora de la salud humana y la capacitación de futuras generaciones de investigadores. Jonas Salk, MD, cuya vacuna contra la poliomielitis casi erradicó la poliomielitis, una enfermedad paralizante en 1955, inauguró el Instituto en 1965 con un terreno donado por la ciudad de San Diego y el apoyo financiero de March of Dimes.