Descubierta una pequeña proteína responsable de la sincronización del reloj circadiano entre el ápice y las raíces

Descubierta una pequeña proteína responsable de la sincronización del reloj  circadiano entre el ápice y las raíces

Los resultados podrían tener aplicaciones biotecnológicas, por ejemplo, para el diseño de cultivos mejor adaptados al cambio climático

 

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Hace cinco años, investigadores del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) liderados por la Profesora de investigación del CSIC Paloma Mas hicieron un descubrimiento revolucionario en el campo del reloj circadiano. Descubrieron que el reloj del ápice de las plantas funciona de una manera similar al reloj en el cerebro de los mamíferos, ya que en ambos casos son capaces de sincronizar los ritmos de células y órganos distantes. A partir de ese gran hallazgo, los investigadores de plantas han estado ansiosos por descubrir la molécula mensajera que podría viajar desde el ápice hasta la raíz para orquestar los ritmos. La respuesta acaba de ser publicada esta semana en la prestigiosa revista Nature Plants por el equipo de Paloma Mas y sus colaboradores de Japón, Reino Unido y Estados Unidos. Han identificado que el mensajero es ELF4, una pequeña proteína esencial del reloj. Además, a través de una serie de ingeniosos experimentos, los investigadores han descubierto que el movimiento de esta proteína es sensible a la temperatura ambiental.

El reloj circadiano está controlado por la actividad de proteínas
La mayoría de los organismos vivos, incluidos los humanos y las plantas, tienen un reloj biológico interno que les permite anticipar y adaptarse a los cambios ambientales producidos por la rotación de la Tierra cada 24 horas. En las plantas, este reloj biológico circadiano es crucial para establecer el tiempo de germinación, crecimiento y floración, entre otros procesos. El reloj circadiano está formado por un conjunto de proteínas celulares cuya cantidad y actividad oscilan diariamente. Los investigadores que descubrieron este mecanismo fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2017.

La profesora de investigación del CSIC Paloma Mas en su laboratorio del CRAG (Crédito: CRAG)

Cada célula vegetal contiene un reloj circadiano, es decir, contiene toda la maquinaria necesaria para adaptar sus respuestas al ciclo de 24 horas. Sin embargo, tal y como investigadores del CRAG publicaron en un transcendental artículo en la revista Cell (2015), las plantas, como mamíferos, tienen un reloj circadiano maestro, que sincroniza los relojes periféricos dispersos por toda la planta. La profesora del CSIC, Paloma Mas, explica: Sabíamos que había una señal circadiana que se movía de los brotes a las raíces, pero no conocíamos la naturaleza de esta señal. Podrían haber sido hormonas, productos fotosintéticos… Ahora, hemos descubierto que es una proteína esencial del reloj circadiano que se mueve utilizando el floema de la planta.

Los investigadores diseñaron ingeniosos experimentos de injerto con la planta modelo Arabidopsis thaliana, conectando diferentes ápices en varias raíces en las que el reloj no funcionaba correctamente. Estos experimentos les permitieron identificar la proteína del reloj ELF4, un acrónimo para “EARLY FLOWERING 4”, como la proteína que se mueve de los ápices a las raíces para transmitir la información circadiana.

ELF4 transmite información de cambios de temperatura a las raíces
Cualquiera que se haya recuperado del jet lag, sabe que, afortunadamente, el reloj biológico circadiano puede reiniciarse mediante señales de luz ambiental, lo que permite que el cuerpo se adapte a la nueva zona horaria en pocos días. De la misma manera que el reloj circadiano puede sincronizarse con la luz, también puede integrar información sobre la temperatura ambiente.

Para discernir si la proteína ELF4 estaba transmitiendo a las raíces información sobre los cambios de luz o de temperatura, los dos reguladores principales del reloj circadiano, los investigadores estudiaron el movimiento de ELF4 en diferentes condiciones ambientales. Descubrieron que las temperaturas más bajas (12ºC) favorecían la movilidad de ELF4 del ápice hacia la raíz, lo que ralentizaba el ritmo del reloj de la raíz. En cambio, cuando los experimentos se realizaron a temperaturas más altas (28ºC), observaron menor movimiento de ELF4, lo que conduce a una aceleración del reloj en la raíz. Este descubrimiento podría estar desvelando un nuevo mecanismo de adaptación de la raíz en respuesta a las variaciones de temperatura.

Conocimiento para vivir en un mundo en cambio climático
Todo este conocimiento generado con una pequeña planta modelo podría tener un impacto en el futuro cercano. “El cambio climático y el aumento de las temperaturas están causando sequías, que ya están afectando la productividad de los cultivos en la agricultura. Conocer los genes y proteínas que usan las plantas para adaptar su fisiología a las condiciones ambientales nos permitirá diseñar cultivos mejor adaptados, que serán clave para garantizar la seguridad alimentaria”, explica la investigadora del CRAG Paloma Mas.

Detalle de una placa de 96 pocillos que los investigadores del CRAG modificaron para estudiar simultáneamente los ritmos circadianos en los ápices (pocillos superiores) y en las raíces (pocillos inferiores) (Crédito: CRAG)

Artículo de referencia
Wei Wei Chen*, Nozomu Takahashi*, Yoshito Hirata, James Ronald, Silvana Porco, Seth J. Davis, Dmitri A. Nusinow, Steve A. Kay and Paloma Mas A mobile ELF4 delivers circadian temperature information from shoots to roots Nature Plants, April 2020 (DOI: 10.1038/s41477-020-0634-2)

Sobre la financiación del estudio
El trabajo realizado en el laboratorio de la Profesora de investigación del CSIC en el CRAG, Paloma Mas, ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad con fondos FEDER, por la Fundación Ramón Areces y por la Generalitat de Catalunya. La primera autora Wei Wei Chen realiza la tesis doctoral en el CRAG gracias a una beca del Chinese Scholarship Council. Otros autores son financiados por fondos públicos de sus respectivos países.

Sobre el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG)
El Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) es un centro que forma parte del sistema CERCA de la Generalidad de Cataluña, y que se estableció como consorcio de cuatro instituciones: el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), el Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentarias (IRTA), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y la Universidad de Barcelona (UB).

La investigación del CRAG se extiende desde la investigación básica en biología molecular de plantas y animales de granja, a las aplicaciones de técnicas moleculares para la mejora genética de especies importantes para la agricultura y la producción de alimentos en estrecha colaboración con la industria. En el año 2016, el CRAG obtuvo el reconocimiento de “Centro de Excelencia Severo Ochoa” por el Ministerio de Economía y Competitividad.

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