Señales de humo: cómo las plantas en llamas le dicen a las semillas que se levanten de las cenizas

Señales de humo: cómo las plantas en llamas le dicen a las semillas que se levanten de las cenizas

Los investigadores de Salk resuelven un misterio ecológico de cómo el humo y las cenizas de los incendios forestales

LA JOLLA, CA—En la primavera posterior a un incendio forestal, los árboles que sobrevivieron al incendio estallan en un nuevo crecimiento y las plantas brotan en abundancia de la tierra quemada. Durante siglos, fue un misterio cómo las semillas, algunas dormidas durante mucho tiempo en el suelo, supieron empujar a través de las cenizas para regenerar el bosque quemado.

En la primera edición en línea del 23 de abril de 2013 del Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), científicos del Instituto Salk y la Universidad de California, San Diego, informan los resultados de un estudio que responde a esta pregunta fundamental del "círculo de la vida" en la ecología de las plantas. Además de explicar cómo los incendios conducen a la regeneración de bosques y pastizales, sus hallazgos pueden ayudar en el desarrollo de variedades de plantas que ayuden a mantener y restaurar los ecosistemas que sustentan a todas las sociedades humanas.

"Este es un proceso muy importante y fundamental de renovación de ecosistemas en todo el planeta que realmente no entendíamos", dice el co-investigador principal. José P. Noel, profesor y director de Salk's Centro Jack H. Skirball de Biología Química y Proteómica. "Ahora conocemos los desencadenantes moleculares de cómo ocurre".

Co-investigador principal de Noel en el proyecto, joanne chory, profesor y director de Salk's Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas, dice que el equipo encontró la "llamada de atención" molecular para los bosques quemados. "Lo que descubrimos", dice, "es cómo una planta moribunda genera un mensaje químico para la próxima generación, diciéndole a las semillas inactivas que es hora de brotar".

De izquierda a derecha: Joanne Chory, Yongxia Guo, Joseph Noel, Zuyu Zheng y James J. La Clair

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Si bien las quemas controladas son comunes hoy en día, no lo eran hace 50 años. El servicio de parques de EE. UU. suprimió activamente los incendios forestales hasta que se dieron cuenta de que la práctica dejaba el suelo de los bosques maduros sin importantes minerales y productos químicos. Esto creó un entorno intensamente competitivo que, en última instancia, fue perjudicial para todo el ecosistema forestal.

"Cuando se permitió que ardiera el Parque Nacional de Yellowstone en 1988, muchas personas sintieron que nunca se restauraría su belleza anterior", dice James J. La Clair, investigador del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de California que trabajó sobre el proyecto. “Pero en la primavera siguiente, cuando llegaron las lluvias, hubo una explosión de plantas con flores en medio de la ceniza rica en nutrientes y el suelo carbonizado”.

En estudios anteriores, los científicos habían descubierto que las sustancias químicas especiales conocidas como karrikins se crean cuando los árboles y arbustos se queman durante un incendio forestal y permanecen en el suelo después del incendio, asegurando que el bosque se regenere.

El nuevo estudio de los científicos de Salk buscó descubrir exactamente cómo los karrikins estimulan el crecimiento de nuevas plantas. En primer lugar, los investigadores determinaron la estructura de una proteína vegetal conocida como KAI2, que se une a karrikin en semillas latentes. Luego, comparar la proteína KAI2 unida a karrikin con la estructura de una proteína KAI2 no unida permitió a los investigadores especular cómo KAI2 permite que una semilla perciba karrikin en su entorno.

Las estructuras químicas que resolvió el equipo revelaron todos los contactos moleculares entre karrikin y KAI2, según Yongxia Guo, investigador asociado de Salk, enzimólogo estructural y uno de los investigadores principales del estudio. "Pero, más que eso", dice Gou, "ahora también sabemos que cuando karrikin se une a la proteína KAI2 provoca un cambio en su forma".

El otro investigador principal del estudio, el asociado de investigación de Salk y genetista de plantas Zuyu Zheng, dice que este cambio de forma inducido por karrikin puede enviar una nueva señal a otras proteínas en las semillas. "Estos otros jugadores de proteínas", dice, "junto con karrikin y KAI2, generan la señal que provoca la germinación de semillas en el lugar y momento correctos después de un incendio forestal".

A Guo y Zheng, una pareja casada que trabaja como investigadores posdoctorales en los laboratorios de Noel y Chory, respectivamente, se les ocurrió la idea del estudio mientras conversaban durante la cena. La Clair luego se unió al estudio, aportando su experiencia en química.
Si bien los nuevos hallazgos se realizaron en Arabidopsis, un organismo modelo que muchos investigadores de plantas estudian, los científicos dicen que la misma estrategia de regeneración karrikin-KAI2 se encuentra sin duda en muchas especies de plantas.

"En las plantas, un miembro de esta familia de enzimas ha sido reclutado de alguna manera a través de la selección natural para unirse a esta molécula en el humo y la ceniza y generar esta señal", dice Noel, titular de la Cátedra Arthur y Julie Woodrow de Salk y del Instituto Médico Howard Hughes. investigador. "KAI2 probablemente evolucionó cuando los ecosistemas de plantas comenzaron a florecer en la tierra terrestre y el fuego se convirtió en una parte muy importante de los ecosistemas para liberar los nutrientes encerrados en las plantas muertas y moribundas".

Se necesita más investigación para comprender exactamente cómo el cambio en la forma de la proteína KAI2 activa una vía genética que regula la germinación, dice Chory, presidente de Howard H. y Maryam R. Newman en Biología Vegetal e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. “Pero este hallazgo es un paso absolutamente crítico para comprender este programa genético y cómo se renuevan los ecosistemas vegetales, los bosques y las praderas”.

El trabajo fue apoyado por el Los Institutos Nacionales de Salud otorga 5R01GM52413 y GM094428, Fundación Nacional de Ciencias laudos EEC-0813570 y MCB-0645794 y el Instituto Médico Howard Hughes.

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.