30 de junio de 2021

Cómo las plantas se adaptan rápidamente a las condiciones ambientales cambiantes

Los científicos de Salk descubren que la sombra del dosel de las plantas competidoras desencadena cambios celulares en tan solo cinco minutos

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Cómo las plantas se adaptan rápidamente a las condiciones ambientales cambiantes

Los científicos de Salk descubren que la sombra del dosel de las plantas competidoras desencadena cambios celulares en tan solo cinco minutos

LA JOLLA—Los científicos—y los jardineros—han sabido por mucho tiempo que las plantas crecen más altas y florecen antes cuando están bajo la sombra de vecinos que crecen cerca. Ahora, por primera vez, los investigadores del Instituto Salk han mostrado el funcionamiento interno detallado de este proceso.

El estudio, publicado el 17 de junio de 2021, en Nature Genetics, ofrece una nueva comprensión de cómo la actividad genética dirige el crecimiento de las plantas y qué tan rápido responden las plantas a su entorno, con condiciones de luz cambiantes que desencadenan cambios moleculares en tan solo cinco minutos. Los hallazgos brindan información sobre cómo aumentar el rendimiento y salvaguardar la producción mundial de alimentos a medida que el cambio climático reduce la tierra cultivable del planeta.

Los núcleos de las células vegetales se ven antes y después de exponer la planta a la sombra. En las imágenes superiores (antes), el factor de transcripción PIF7 (rojo) está confinado en motas que contienen los sensores de luz de la planta (verde). En las imágenes inferiores (después), en la planta sombreada, se libera PIF7, que luego queda libre para unirse al ADN e iniciar la actividad del gen.
Los núcleos de las células vegetales se ven antes y después de exponer la planta a la sombra. En las imágenes superiores (antes), el factor de transcripción PIF7 (rojo) está confinado en motas que contienen los sensores de luz de la planta (verde). En las imágenes inferiores (después), en la planta sombreada, se libera PIF7, que luego queda libre para unirse al ADN e iniciar la actividad del gen.
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Crédito: Chan Yul Yoo, laboratorio Meng Chen, UC Riverside

"Este artículo muestra, en alta resolución, cómo las plantas responden a cambios ambientales sutiles a nivel celular", dice el coautor correspondiente. joanne chory, director del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y titular de la Cátedra Howard H. y Maryam R. Newman en Biología Vegetal. “El trabajo que revele cómo las plantas pueden adaptarse a mayores tensiones ambientales será fundamental a medida que se intensifiquen los efectos del cambio climático”.

Las plantas a la sombra crecen más rápido y más altas en un esfuerzo por atravesar el dosel y alcanzar más luz. Al mismo tiempo, las condiciones de crecimiento a la sombra hacen que florezcan y produzcan semillas antes de lo normal, para poder competir con otras plantas. Estas respuestas pueden ser útiles para las flores silvestres que crecen en un prado, pero en las granjas pueden reducir la producción y dar como resultado cultivos amargos y de baja calidad, como sabe cualquier jardinero cuya lechuga se haya estropeado.

En el nuevo estudio, los investigadores observaron el papel de factores de transcripción específicos en la activación de esta respuesta de crecimiento. Los factores de transcripción son proteínas que activan o desactivan los genes al unirse al ADN.

El equipo trabajó con plántulas mutantes que carecían de factores de transcripción llamados PIF (FACTORES DE INTERACCIÓN CON FITOCROMOS). Cuando cultivaron estas plantas en un entorno que simulaba la sombra, las plantas sin ciertos PIF no se alargaron ni aceleraron su crecimiento, sino que continuaron creciendo normalmente como si estuvieran a plena luz del sol. Anteriormente, el laboratorio de Chory demostró que PIF7 desempeña el papel más importante en la regulación del crecimiento inducido por la sombra.

Luego, los investigadores observaron más de cerca el papel de las histonas en este proceso, en particular, la variante de histona H2A.Z. Las histonas son proteínas que actúan como bobinas de hebras de ADN. Cuando las histonas se intercambian o modifican, pueden trabajar para activar o suprimir ciertos genes.

Los científicos descubrieron que la sombra del dosel condujo a la eliminación de la histona H2A.Z en los genes reguladores del crecimiento a través de la unión al ADN de PIF7, que a su vez activó su expresión.

Al usar intervalos de tiempo muy cortos para sus experimentos, los investigadores encontraron que PIF7 se activa, se une a sus genes objetivo e inicia la eliminación de H2A.Z, todo dentro de los primeros 5 minutos de que la planta experimente la sombra del dosel.

"Nuestro estudio describe otro paso hacia una comprensión mecánica de cómo las plantas alteran su expresión génica en respuesta a un entorno cambiante", dice el coautor correspondiente. José Ecker, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor en el Laboratorio de Análisis Genómico de Salk.

Estudios previos habían identificado que los PIF y H2A.Z tienen funciones importantes en las respuestas de las plantas expuestas a altas temperaturas; sin embargo, se desconoce el momento de los eventos, señala el coautor Björn Willige, especialista en investigación del Instituto Médico Howard Hughes en el laboratorio de Chory.

“Nuestro estudio revela el mecanismo en detalle y también muestra la naturaleza rápida de la respuesta. Descubrimos que cuando PIF7 está activo, se une al ADN. Y nuestros datos indican que esto conduce a la eliminación de H2A.Z del ADN. Posteriormente, los genes se activan y luego esto induce el crecimiento para superar a las plantas vecinas”, dice Willige.

La velocidad del proceso fue inesperada, dice el coautor Mark Zander, profesor asistente en el Instituto de Microbiología Waksman de la Universidad de Rutgers. Señaló que, además de desencadenar la respuesta de estrés en cinco minutos, el paisaje de histonas también se recuperó rápidamente cuando se eliminó la sombra.

“Cuando eliminamos la sombra, los niveles de H2A.Z en los genes objetivo PIF7 volvieron a la normalidad en 30 minutos”, dice. “Me sorprendió lo dinámico que es el proceso, que es realmente la base de la elegancia de nuestro estudio”.

Los PIF juegan un papel importante en el crecimiento, desarrollo y defensa contra plagas de las plantas. Por lo tanto, el equipo espera que sus hallazgos puedan traducirse en otras respuestas de las plantas que son importantes para los agricultores, especialmente en relación con ayudar a las plantas a ser más resistentes al cambio climático. del Instituto Salk Iniciativa de aprovechamiento de plantas busca ayudar a resolver el cambio climático mediante la optimización de la capacidad natural de las plantas para capturar y almacenar carbono.

Otros autores del estudio fueron Chan Yul Yoo de la Universidad Estatal de Oklahoma; Amy Phan, Renee M. Garza, Shelly A. Trigg, Yupeng He, Joseph Nery y Huaming Chen de Salk; y Meng Chen de la Universidad de California, Riverside.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Gordon y Betty Moore, los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes, la Organización Europea de Biología Molecular, el Programa de Ciencias Human Frontier y Deutsche Forschungsgemeinschaft.

DOI: 10.1038/s41588-021-00882-3

INFORMACIÓN DE LA PUBLICACIÓN

PERIODICO

Nature Genetics

TÍTULO

FACTORES DE INTERACCIÓN DE FITOCROMOS desencadenan dinámicas de cromatina sensibles al medio ambiente en las plantas

AUTORES

Björn C. Willige, Mark Zander, Chan Yul Yoo, Amy Phan, Renee M. Garza, Shelly A. Trigg, Yupeng He, Joseph R. Nery, Huaming Chen, Meng Chen, Joseph R. Ecker y Joanne Chory

Áreas de investigación

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