El sistema de control de daño celular ayuda a las plantas a resistir

El sistema de control de daño celular ayuda a las plantas a resistir

LA JOLLA–A medida que la demanda de alimentos aumenta a niveles sin precedentes, los agricultores se encuentran en una carrera contrarreloj para cultivar plantas que puedan resistir los desafíos ambientales: plagas, cambio climático y más. Ahora, una nueva investigación del Instituto Salk, publicada en Ciencia: el 23 de octubre de 2015, revela detalles sobre un mecanismo fundamental de cómo las plantas gestionan su ingesta de energía, que podría aprovecharse para mejorar el rendimiento.

“Las plantas son únicas en el sentido de que están atrapadas dondequiera que germinen, por lo que deben usar una variedad de formas para enfrentar los desafíos ambientales”, dice joanne chory, autor principal del artículo y director de Salk's Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas. "Comprender las técnicas que usan las plantas para hacer frente al estrés puede ayudarnos a diseñar cultivos más fuertes con un rendimiento mejorado para enfrentar nuestra creciente escasez de alimentos".

Las plantas tienen orgánulos celulares similares a diminutos paneles solares en cada hoja. Estas estructuras microscópicas, llamadas cloroplastos, convierten la luz solar en energía química para permitir que la planta crezca. El centro de comando de la célula, el núcleo, ocasionalmente envía señales para destruir todos los 50-100 cloroplastos en la célula, como en otoño cuando las hojas se vuelven marrones y se caen. Sin embargo, el equipo de Salk descubrió cómo el núcleo de la planta comienza a degradarse y reutilizar los materiales de cloroplastos seleccionados que funcionan mal, un mecanismo que se había sospechado pero que nunca se demostró hasta ahora.

En las plantas, los cloroplastos pueden acumular altos niveles de oxígeno singulete tóxico, una especie de oxígeno reactivo formada durante la fotosíntesis. En estas células, la mayoría de los cloroplastos (orgánulos verdes) y las mitocondrias (orgánulos rojos) parecen saludables. Sin embargo, el cloroplasto en la parte superior izquierda de la imagen se degrada de forma selectiva e interactúa con la vacuola central (azul).

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Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

“Hemos descubierto una nueva vía que permite a una célula realizar un control de calidad de los cloroplastos”, dice Jesse Woodson, científico del personal de Salk y primer autor del artículo. Los cloroplastos están llenos de enzimas, proteínas y otros materiales que la planta puede usar si el cloroplasto es defectuoso (por ejemplo, si crea materiales tóxicos) o no los necesita.

Mientras estudiaba una versión mutante de la planta modelo Arabidopsis, el equipo notó que la planta estaba produciendo cloroplastos defectuosos que creaban una molécula reactiva y tóxica llamada oxígeno singlete que se acumulaba en las células. El equipo notó que las células estaban marcando los cloroplastos dañados para su degradación con una etiqueta de proteína llamada ubiquitina, que se usa en organismos desde la levadura hasta los humanos para modificar la función de una proteína. Bajo una investigación más cercana, el equipo observó que una proteína llamada PUB4 estaba iniciando el marcado.

“Los cloroplastos dañados estaban recubiertos con esta proteína ubiquitina”, dice Woodson. "Creemos que esto es fundamentalmente diferente a la señal de toda la célula, porque la célula quiere continuar haciendo la fotosíntesis, pero tiene algunos cloroplastos malos para atacar y eliminar".

Jesse Woodson y Joanne Chory

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Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Si bien PUB4 se había relacionado con la muerte celular en otro trabajo, el equipo de Salk demostró que esta proteína inicia la degradación de los cloroplastos al colocar etiquetas de ubiquitina para marcar el orgánulo para el reciclaje celular. Este proceso, dice Woodson, es como etiquetar paneles solares defectuosos para descomponerlos en otros materiales.

"Comprender la biología básica de plantas como esta degradación selectiva de cloroplastos nos lleva un paso más cerca de aprender cómo controlar los cloroplastos y diseñar cultivos que sean más resistentes a los factores estresantes", dice Chory, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y titular de la Cátedra Howard H. y Maryam R. Newman en Biología Vegetal. Por ejemplo, si una planta crece en un ambiente bastante relajado, se podría reducir potencialmente la degradación de los cloroplastos para impulsar el crecimiento de la planta. O, si el ambiente contiene mucho sol, estimular la descomposición y regeneración de los cloroplastos podría ayudar a que la planta prospere.

Curiosamente, los cloroplastos también podrían ayudarnos a comprender nuestro cerebro. Las neuronas tienen orgánulos generadores de energía similares a los cloroplastos llamados mitocondrias. “Recientemente se ha hecho evidente que las mitocondrias se degradan selectivamente en la célula y que la mala acumulación de mitocondrias podría conducir a enfermedades como el Parkinson y tal vez el Alzheimer”, dice Woodson. "Las células, ya sean vegetales o animales, aprenden a degradar selectivamente los orgánulos de energía difuntos para sobrevivir".

Al comprender mejor este proceso en los cloroplastos, el equipo de Salk también puede obtener información sobre cómo las células manejan las mitocondrias que se comportan mal. “Hasta ahora parece que podría ser un proceso paralelo”, agrega Woodson. "Esperamos que con nuestras herramientas moleculares y genéticas disponibles para las plantas podamos seguir descubriendo conceptos generales sobre cómo las células realizan estas comprobaciones de control de calidad en los orgánulos y también aprender algo sobre las enfermedades neurodegenerativas".

Otros autores de este trabajo incluyen a Matthew S. Joens, Andrew B. Sinson, Jonathan Gilkerson y James A. Fitzpatrick del Instituto Salk, y Patrice A. Salomé y Detlef Weigel del Instituto Salk. Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Instituto Médico Howard Hughes y Howard H. y Maryam R. Newman.