Cómo las plantas hacen frente al frío
Una investigación dirigida por el Centro John Innes ha descubierto un mecanismo de "afrontamiento" frío que está bajo el control del reloj biológico de la planta
En las mañanas frías y luminosas, puedes acurrucarte bajo el edredón o saltar y aprovechar el día.
Sin embargo, para las plantas que realizan la fotosíntesis, este tipo de amanecer es peligroso, por lo que han desarrollado su propia forma de hacer tolerables las mañanas frías.
La investigación dirigida por el Centro John Innes ha descubierto un mecanismo de "afrontamiento" frío que está bajo el control del reloj biológico de la planta y podría ofrecer soluciones para generar más resiliencia en cultivos menos adecuados para climas fríos.
"Hemos identificado un nuevo proceso que ayuda a las plantas a tolerar el frío. Está controlado por el reloj biológico de las plantas y creemos que podría ser especialmente importante en las mañanas frías y luminosas", dice el profesor Antony Dodd, líder de grupo en el Centro John Innes.
"Cultivos como el trigo de invierno y la colza de invierno experimentan temperaturas frías durante los períodos de su cultivo", continúa. "Creemos que el mecanismo que hemos descubierto podría proporcionar una mayor resiliencia de la fotosíntesis a las bajas temperaturas. Representa un objetivo interesante para el futuro mejoramiento de precisión de cultivos resistentes al clima".
Las temperaturas frías pueden dañar las células de las plantas, especialmente cuando se combinan con demasiada luz o durante temperaturas bajo cero. De ahí que esas mañanas frías y luminosas sean tan peligrosas para las plantas.
Los investigadores querían saber cómo se comunica la información sobre las bajas temperaturas a los cloroplastos, el sitio de la fotosíntesis dentro de una célula vegetal, esencial para todos nuestros cultivos principales.
Los cloroplastos contienen su propio pequeño genoma que refleja su pasado evolutivo como bacterias fotosintéticas, antes de que las plantas los absorbieran y cooptaran para llevar a cabo la fotosíntesis. A lo largo de la evolución, muchos genes del cloroplasto se transfirieron al genoma nuclear de la planta, pero los cloroplastos se han aferrado a algunos genes esenciales.
En esta investigación, el equipo se centró en uno de esos legados genéticos bacterianos llamado factor sigma (SIG5). En las bacterias, los factores sigma comparables contribuyen a las respuestas a la temperatura.
En experimentos realizados bajo condiciones controladas de laboratorio, manipularon las condiciones de luz y sometieron las plantas a períodos de enfriamiento.
Eliminar las plantas del ciclo día-noche permite a los investigadores estudiar mejor los ritmos de funcionamiento libre del reloj biológico o circadiano de la planta. En las plantas, como en los humanos, el reloj está alineado con el ciclo de 24 horas, ofreciendo una medida del tiempo dentro de las células y regulando una variedad de procesos biológicos esenciales.
Los experimentos mostraron sensibilidad del gen SIG5 al tratamiento con frío temprano en la mañana, bajo el control del reloj circadiano.
El equipo teoriza que SIG5 opera como parte de una red de señalización que vincula el núcleo de la planta con los cloroplastos, regulando actividades que pueden proteger a la planta contra efectos ambientales dañinos.
"Si la temperatura es fría, algunas enzimas involucradas en la fotosíntesis se descomponen rápidamente", explica el profesor Dodd. "Entonces, creemos que el proceso controlado por el núcleo envía señales al cloroplasto para que produzca más de estas proteínas. Cuando la planta ve frío y luz al mismo tiempo, necesita activar este proceso de señalización del núcleo a los cloroplastos para hacer más de estas proteínas de fotosíntesis".
El papel del reloj biológico es actuar como una puerta que deja pasar la señal o no, un proceso conocido como activación circadiana.
"Las plantas podrían haber evolucionado para responder particularmente a la luz y el frío, como una mañana de primavera, porque estas son las condiciones que dañan el sistema fotosintético. En algún momento durante la evolución, seleccionaron esta sensibilidad y cooptaron este antiguo mecanismo. Como muchos de estos procesos en las plantas, éste resulta estar bajo el control del reloj circadiano".
Se ha demostrado que el mecanismo funciona en el laboratorio. La siguiente etapa de esta investigación es comprender el impacto de este proceso en el campo. Una aplicación intrigante es ver si el mecanismo se puede modificar para aumentar aún más la tolerancia al frío, por ejemplo, para cultivar plantas que son menos tolerantes al frío, como el maíz, en latitudes más al norte.
La investigación es una colaboración entre el Centro John Innes, la Universidad de Bristol, el Instituto de Tecnología de Tokio y Nippon Telegraph and Telephone Corporation en Japón, y la Universidad de Durham.
Referencia
Cano-Ramirez, D.L., Panter, P.E., Takemura, T. et al. Low-temperature and circadian signals are integrated by the sigma factor SIG5. Nat. Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01377-1