Aquí viene el sol: el sensor celular ayuda a las plantas a encontrar la luz

Aquí viene el sol: el sensor celular ayuda a las plantas a encontrar la luz

El descubrimiento de Salk de un nuevo camino podría ser una bendición para la agricultura

LA JOLLA—A pesar de parecer pasivas, las plantas luchan entre sí para superar y absorber la luz solar. Si una planta recibe sombra de otra, queda aislada de la luz solar esencial que necesita para sobrevivir.

Para escapar de esta sombra mortal, las plantas tienen sensores de luz que pueden activar una alarma interna cuando se ven amenazadas por la sombra de otras plantas. Sus sensores pueden detectar el agotamiento de la luz roja y azul (longitudes de onda absorbidas por la vegetación) para distinguir entre una planta cercana agresiva y una nube que pasa.

Los científicos del Instituto Salk han descubierto una forma en que las plantas evalúan la calidad de la sombra para superar a los vecinos amenazantes, un hallazgo que podría usarse para mejorar la productividad de los cultivos. El nuevo trabajo, publicado el 24 de diciembre de 2015 en Celular, muestra cómo el agotamiento de la luz azul detectada por sensores moleculares en las plantas desencadena un crecimiento acelerado para superar a una planta competidora.

“Con este conocimiento y descubrimientos como este, tal vez eventualmente podrías enseñarle a una planta a ignorar el hecho de que está a la sombra y producir mucha biomasa de todos modos”, dice joanne chory, autor principal y director de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk.

Ullas V. Pedmale y Joanne Chory

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Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

El nuevo trabajo da un vuelco a las nociones previamente sostenidas en el campo. Se sabía que las plantas responden a la disminución de la luz roja activando una hormona de crecimiento llamada auxina para superar a sus vecinas. Sin embargo, esta es la primera vez que los investigadores demuestran que evitar la sombra puede ocurrir a través de un mecanismo completamente diferente: en lugar de cambiar los niveles de auxina, un sensor celular llamado criptocromo responde a la disminución de la luz azul activando genes que promueven el crecimiento celular.

Esta revelación podría ayudar a los investigadores a aprender cómo modificar los genes de las plantas para optimizar el crecimiento para, por ejemplo, obligar a los cultivos de soja o tomate (que son notoriamente volubles) a crecer de manera más agresiva y dar un mayor rendimiento incluso en un campo sombreado y abarrotado.

El enfoque de los esfuerzos de investigación del equipo fueron los criptocromos, sensores sensibles a la luz azul que son responsables de decirle a una planta cuándo crecer y cuándo florecer. Los criptocromos se identificaron primero en plantas y luego en animales, y en ambos organismos están asociados con el ritmo circadiano (el reloj biológico del cuerpo). Se conocía el papel de la proteína en la detección del agotamiento de la luz azul, pero este estudio es el primero en mostrar cómo los criptocromos promueven el crecimiento en un entorno sombreado.

El equipo colocó normal y mutante. Arabidopsis plantas en una habitación con control de luz donde la luz azul era limitada. Las plantas mutantes carecían de criptocromos o de un factor de transcripción PIF, un tipo de proteína que se une al ADN para controlar cuándo se activan o desactivan los genes. Los PIF generalmente hacen contacto directo con los sensores de luz roja, llamados fitocromos, para iniciar el crecimiento que evita la sombra. Los investigadores compararon las respuestas de las plantas mutantes y normales en las diferentes condiciones de luz azul al monitorear la tasa de crecimiento de los tallos y observar los contactos entre los criptocromos, los PIF y los cromosomas.

"Descubrimos que los criptocromos contactan estos factores de transcripción en el ADN, activando genes completamente diferentes a los que activan otros fotorreceptores", dice Ullas Pedmale, primer autor del trabajo e investigador asociado de Salk. "Este también es un camino muy corto para que las plantas puedan responder rápidamente a su entorno de luz".

El siguiente paso para el trabajo es comprender cómo manipular la respuesta de crecimiento. “En última instancia, podríamos ayudar a los agricultores a cultivar cultivos muy juntos cambiando la forma en que las plantas sacan las hojas, la rapidez con que crecen las hojas y en qué ángulos crecen las hojas entre sí y con el tallo. Esto ayudará a aumentar el rendimiento en las próximas generaciones de plantas de cultivo”, dice Chory, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y ocupa la Cátedra Howard H. and Maryam R. Newman en Biología Vegetal.

“La evitación de la sombra y la respuesta de las plantas a los aumentos de temperatura parecen similares y, de hecho, comparten muchos componentes moleculares comunes”, agrega Pedmale. “Por lo tanto, estudiar cómo evitar la sombra no solo conducirá a aumentos en el rendimiento en ambientes sombreados, sino que también puede explicar cómo aumentar el rendimiento en un clima más cálido”.

Otros autores del artículo fueron Shao-shan Carol Huang, Mark Zander, Benjamin Cole, Jonathan Hetzel, Pedro Reis, Kazumasa Nito, Joseph Nery y Joseph Ecker del Instituto Salk; Karin Ljung del Centro de Ciencias Vegetales de Umeå en la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas; y Priya Sridevi de la Universidad de California, San Diego.

El trabajo fue apoyado por el NIH, Fundación Rose Hills, la Fideicomiso benéfico HA y Mary K. Chapman, DOE, la NSF, la Fundación Gordon y Betty Moore y del Instituto Médico Howard Hughes.