Científicos identifican miles de genes vegetales activados por gas etileno

Científicos identifican miles de genes vegetales activados por gas etileno

El descubrimiento realizado por el equipo dirigido por Salk podría conducir a mejores formas de controlar el crecimiento y la maduración de las plantas agrícolas

LA JOLLA, CA—Es sabiduría común que una manzana podrida en un barril estropea todas las demás manzanas, y que una manzana madura como un plátano verde si se juntan en una bolsa de papel. Las formas de madurar o estropear la fruta se conocen desde hace miles de años, como la Biblia puede atestiguar, pero ahora se han revelado los genes que subyacen a estos fenómenos de la naturaleza.

En el diario en línea eVIDA, un gran grupo internacional de científicos, dirigido por investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos, ha rastreado los miles de genes en una planta que se activan una vez que se libera etileno, un gas que actúa como una hormona de crecimiento vegetal.

Este estudio, el primer análisis genómico integral de este tipo del desencadenante biológico del etileno, puede conducir a poderosas aplicaciones prácticas, dicen los investigadores. El etileno no solo ayuda a madurar la fruta, sino que también regula el crecimiento y ayuda a defender una planta contra patógenos, entre una variedad de otras funciones.

Desentrañar los genes específicos que realizan cada una de estas funciones discretas de los muchos genes activados por el etileno podría permitir a los científicos producir cepas de plantas que retrasen el crecimiento cuando sea necesario, aceleren o impidan la maduración, retrasen la pudrición o hagan que las plantas sean más resistentes a las enfermedades. , dice el investigador principal, José R. Ecker, de Salk Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas.

“Ahora que conocemos los genes que finalmente activa el etileno, podremos identificar los genes y proteínas clave involucrados en cada una de estas vías ramificadas, y esto podría ayudarnos a manipular las funciones discretas que regula esta hormona”, dice Ecker.

La hormona gaseosa etileno, también conocida como la hormona de maduración de la fruta, "habla" con muchas de las otras vías de control del crecimiento de las plantas utilizando una proteína llamada EIN3. La imagen muestra redes de genes para cada una de las principales vías de biosíntesis, señalización y respuesta de hormonas vegetales y qué genes "toca" la proteína EIN3 (potencialmente regula).

Imagen: Cortesía de Katherine Chang, Instituto Salk de Estudios Biológicos

Según todos los informes, se necesitó un esfuerzo hercúleo para descifrar las vías genéticas que activa el etileno, uno que involucró a cuatro instituciones y 19 investigadores, muchos de los cuales normalmente trabajan en biología humana. Por ejemplo, Ecker invitó a la experiencia del científico informático Ziv Bar-Joseph de la Universidad Carnegie Mellon, al experto en transcripción Timothy Hughes de la Universidad de Toronto, así como al biólogo informático Trey Ideker y al genomicista Bing Ren de la Universidad de California, San Diego.

El estudio también representa un hito para Ecker, quien ha dedicado su carrera a comprender el poder que ejerce el etileno de origen vegetal.

“He intentado, durante varias décadas, comprender cómo un gas simple (dos carbonos y cuatro hidrógenos) puede causar cambios tan profundos en una planta”, dice Ecker. “Ahora podemos ver que al alterar la expresión de una proteína, el etileno produce ondas en cascada de activación de genes que alteran profundamente la biología de la planta”.

Aunque la planta que estudiaron es la Arabidopsis thaliana, relacionado con el repollo y la mostaza, el etileno funciona como una hormona clave en todas las plantas, agrega.

Los investigadores observaron lo que sucede en Arabidopsis después de que el gas etileno provoca la activación de EIN3, un factor de transcripción maestro (una proteína que controla la expresión génica) que Ecker había descubierto y clonado en 1997. EIN3 y una proteína relacionada, EIL1, son necesarias para la respuesta al gas etileno; sin estas proteínas, el etileno no tiene ningún efecto sobre la planta.

“Queríamos saber cómo funciona realmente el etileno”, dice Ecker. “Una vez que la planta responde al etileno activando EIN3, ¿qué sucede? ¿Qué genes están activados? ¿Y qué están haciendo esos genes?

Usando una técnica conocida como ChIP-Seq, los investigadores expusieron Arabidopsis al etileno e identificó todas las regiones del genoma de la planta que se unían a EIN3, lo que requería el uso de secuenciación de próxima generación. Luego utilizaron la secuenciación de ARNm de todo el genoma para identificar aquellos genes específicos cuya expresión realmente cambia debido a la interacción con EIN3. “No todos los genes a los que se dirige EIN3 tienen cambios en su expresión génica”, dice Ecker.

Descubrieron que miles de genes en la planta respondían a EIN3. Entonces los investigadores descubrieron dos cosas interesantes. Primero, cuando EIN3 es activado por etileno, vuelve a controlar los genes en la vía que se usaron para activar el factor de transcripción EIN3 en primer lugar. “Eso nos dice que una planta que fabrica un regulador maestro crítico como EIN3 quiere mantener esa ruta de producción bajo un control muy estricto”, dice Ecker. “No esperábamos esto, y ahora esto nos brinda una estrategia para comprender el control genético de otras hormonas vegetales”.

El segundo descubrimiento es que EIN3 se dirige a todas las demás vías de señalización hormonal en la planta. Ecker ofrece una analogía para entender las razones: “Imagina que estás en un estudio de grabación y tienes una de esas mesas frente a ti que tiene todos esos interruptores. Si comienza a subir los diales para un efecto de sonido, probablemente baje el dial para otro sonido.

“Si el etileno le dice a una planta que deje de crecer, tiene que controlar otras hormonas que le dicen a la planta que crezca”, dice. "Descubrimos que aproximadamente la mitad de los objetivos genómicos de la proteína EIN3 se encuentran en otras vías de señalización hormonal".

El control de esas hormonas por parte de EIN3 es muy complejo y se logra en un período de 24 horas durante el cual se producen cuatro ondas en cascada de regulación transcripcional, dice Ecker.

Además de obtener información sobre cómo el etileno controla genéticamente diversas funciones dentro de una planta, agrega que los hallazgos del estudio proporcionan una plantilla para decodificar el funcionamiento de otras hormonas vegetales, ninguna de las cuales ha sido tan bien estudiada como el etileno.

"Aprender cómo las plantas coordinan las respuestas hormonales es esencial para comprender su regulación del crecimiento y el desarrollo, ya sea en la germinación de semillas, la maduración de la fruta o la respuesta a sequías, insectos o patógenos", dice Katherine Chang, primera autora del artículo e investigadora. en el laboratorio de Ecker. “De esta manera, mapear las interconexiones entre las vías hormonales puede tener implicaciones en la agricultura”.

El estudio fue financiado por subvenciones del Departamento de Energía (DE-FG03-00ER15113, DE-FG02-04ER15517), Fundación Nacional de Ciencias (MCB-0924871), Institutos Canadienses de Investigación en Salud (MOP-111007), Fundación Nacional de Ciencias, Plant Biología de sistemas IGERT (DGE-0504645), Fundación Gordon and Betty Moore (Grant GBMF3034), Beca Gates Millennium, Institutos Nacionales de Salud (1RO1 GM085022), Institutos Nacionales de Salud, NRSA (F32- HG004830), Instituto Médico Howard Hughes y la Fundación Nacional de Ciencias (MCB-1024999).

Los coautores incluyen: Katherine Noelani Chang, Matthew T. Weirauch, Mattia Pelizzola, Hai Li, Robert J. Schmitz, Mark A. Ulrich, Hong Qiao, Abdullah-Jamali, Shao-Shan Carol Huang, Joseph R. Nery y Huaming Chen , de Salk; Gary Hon, Dwight Kuo, Trey Ideker y Bing Ren, de la Universidad de California, San Diego; y Ally Yang, de la Universidad de Toronto.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.