25 de junio de 2010
LA JOLLA, CA—Para una planta, la luz es vida. Impulsa todo, desde la fotosíntesis hasta el crecimiento y la reproducción. Sin embargo, la cadena de eventos moleculares que permite que las señales de luz controlen la actividad génica y, en última instancia, la arquitectura de una planta, había permanecido en la oscuridad. Ahora, un equipo de investigadores del Salk Institute for Biological Studies y la Duke University ha identificado al mensajero que da la señal para renovar el patrón de expresión génica de la planta después de que los fotorreceptores hayan sido activados por la luz.
“La luz es probablemente la señal ambiental más importante para una planta”, dice un investigador del Instituto Médico Howard Hughes. Joanne Chory, Ph.D., profesor y director del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas, y titular de la Cátedra Howard H. y Maryam R. Newman. “Comprender cómo la señalización lumínica desencadena cambios morfológicos en la planta tendrá un impacto realmente grande en todas las facetas de la biología vegetal”.”
La mayoría de los animales pueden alejarse de condiciones desfavorables, pero las plantas son sésiles y deben lidiar con lo que les sucede. “Han desarrollado una plasticidad asombrosa para lidiar con las variaciones en las condiciones ambientales”, dice la primera autora Meng Chen, Ph.D., quien fue investigadora postdoctoral en el laboratorio Chory y ahora es profesora asistente en el Departamento de Biología de la Universidad de Duke.
Sus hallazgos, publicados en la edición del 25 de junio de Célula, acerca a los científicos un paso más a poder aprovechar la plasticidad fenotípica de las plantas para ayudar a aumentar los rendimientos agrícolas y controlar las malezas en condiciones de cultivo difíciles.
Dado que las plantas dependen tanto de la luz, han desarrollado una serie de fotoreceptores diferentes que se definen por el color de luz que absorben. Por ejemplo, los fotoreceptores que absorben en el rango espectral rojo/rojo lejano, también conocidos como fitocromos, ayudan a percibir la presencia de otras plantas en su entorno al detectar cambios en el color de la luz. Luego, las plantas utilizan esta información para dirigir sus recursos de crecimiento hacia el alargamiento del tallo en lugar de hacia el engrosamiento de las partes cosechables, como las hojas y las semillas, en condiciones de poca luz o cuando se detecta competencia de otras plantas.
Las plantas sin un gen HMR funcional (mostrado a la derecha) no pueden responder a la luz. No logran producir clorofila y se convierten en plántulas albinas débiles que mueren jóvenes. Los cuerpos nucleares de fitocromo, que contienen fitocromo activado y HEMERA, se muestran en el fondo (puntos azules).
Imagen: Cortesía del Dr. Meng Chen, Duke University
Durante muchos años, los científicos utilizaron la longitud del tallo embrionario, o hipocótilo, para cuantificar la respuesta de una planta a la luz. Pero los científicos aún no habían logrado comprender los mecanismos involucrados en los primeros eventos de señalización del fitocromo, explica Chen.
Otros estudios habían demostrado que la luz regula directamente el desplazamiento del fitocromo A (PHYA) y del fitocromo B (PHYB) desde el citoplasma hacia el núcleo, donde se concentran en focos diferenciados que suelen denominarse «cuerpos nucleares de fitocromo». Pasar cientos de horas frente al microscopio le permitió a Chen identificar un nuevo gen, HEMERA —llamado así en honor a la diosa griega del día—, basado en su observación de que el PHYB no se encontraba en los cuerpos nucleares grandes. Cuando faltaba HEMERA, las plantas no podían responder a la luz, explica Chen, y se convertían en plántulas albinas y delgadas que morían antes de poder florecer.
Chen y sus colaboradores descubrieron entonces que en hemera A pesar de ello, las proteínas clave que las células deben degradar en respuesta a la luz seguían presentes, lo que hacía que la plántula creyera que aún se encontraba en la oscuridad. Al profundizar en el estudio, descubrieron sorprendentes similitudes estructurales entre HEMERA y la proteína de levadura RAD23, cuya función consiste en transportar las proteínas marcadas para su destrucción al vertedero celular. Por lo tanto, estos cuerpos nucleares parecen ser los lugares a los que se dirigen las proteínas reguladoras clave cuando deben ser eliminadas de las células.
Pero Chen descubrió que HEMERA hace algo más: también se introduce en los cloroplastos, pequeños compartimentos que contienen clorofila y se encargan de la fotosíntesis, lo que podría explicar el aspecto pálido de los mutantes de hemera. “Se sabía desde hacía mucho tiempo que una de las funciones de la luz es desencadenar la diferenciación de los cloroplastos después de que las plántulas brotan del suelo”, afirma Chen. “Pero nadie sabía cuál era el desencadenante”.”
Aunque los cloroplastos contienen su propio genoma minúsculo, la mayoría de las proteínas necesarias para la maduración de los cloroplastos se codifican en el núcleo y deben ser dirigidas a su destino final. Para garantizar una diferenciación adecuada de los cloroplastos, es necesario coordinar la expresión génica en el núcleo con la expresión génica en el cloroplasto. “Una proteína que se desplace a ambos orgánulos podría servir como una solución sencilla pero elegante para garantizar la actividad génica coordinada en ambos lugares”, afirma Chory. “Aunque no sabemos qué hace HEMERA en el cloroplasto, su presencia tanto en el núcleo como en el cloroplasto garantizaría que la plántula tenga una respuesta rápida y adecuada a la luz cuando emerge del suelo”.”
Los investigadores que también contribuyeron al estudio incluyen a Rafaelo M. Galvão y Meina Li de la Universidad de Duke, así como a Brian Burger, Jane Bugea y Jack Bolado del Instituto Salk de Estudios Biológicos.
Este trabajo ha contado con el apoyo parcial de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Nacional para la Ciencia y la Universidad de Duke.
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