Científicos de la USC han descubierto las defensas de emergencia de las plantas

El cambio climático ya está dañando la producción agrícola y algún día podría representa una seria amenaza suministro mundial de alimentos. El desarrollo de cultivos altamente resistentes, incluidos cultivos que crezcan bien a pesar de la sequía o la alta salinidad del suelo, es una necesidad cada vez más urgente.

un nuevo estudio Facultad de Medicina Keck de la USCFinanciada en parte por los Institutos Nacionales de Salud, la información sobre cómo las plantas regulan sus respuestas al estrés puede ser fundamental para estos esfuerzos. Los investigadores descubrieron que las plantas utilizan sus relojes circadianos para responder a los cambios en los niveles externos de agua y sal a lo largo del día. El mismo circuito (un elegante circuito de retroalimentación controlado por una proteína llamada ABF3) también ayuda a las plantas a adaptarse a condiciones extremas como la sequía. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

"La conclusión: las plantas están atrapadas en su lugar. No pueden correr ni beber agua. No pueden alejarse de la sombra o del suelo rico en sal cuando lo desean. Así que han evolucionado para usar sus relojes circadianos para perfectamente medir y adaptarse a su entorno", afirmó el autor principal del estudio, Steve A. Kay, doctoradoUniversidad y profesor de Neurología, Ingeniería Biomédica y Biología Computacional en la Facultad de Medicina de Keck Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC.

Los resultados se basan en estudios a largo plazo. El laboratorio de Kei. sobre el papel de las proteínas del reloj circadiano en ambas plantas animales. Las proteínas de reloj que regulan los cambios biológicos las 24 horas del día pueden proporcionar una solución inteligente a un problema actual en el fitomejoramiento. Crear plantas tolerantes a la sequía es difícil porque las plantas responden al estrés ralentizando su crecimiento y desarrollo; una respuesta excesiva al estrés significa una planta con un rendimiento deficiente.

"Existe un delicado equilibrio entre aumentar la tolerancia al estrés de una planta y aumentar su crecimiento y productividad", dijo Kay. "Abordar este problema es más importante que nunca con el cambio climático".

Encontrar el circuito de retroalimentación

Estudios anteriores en biología vegetal han demostrado que las proteínas de reloj regulan alrededor del 90% de los genes de las plantas y son fundamentales para la respuesta a los cambios estacionales de temperatura, intensidad de la luz y duración del día, incluido el momento de la floración. Pero una pregunta importante es si las proteínas de reloj controlan la forma en que las plantas responden a los cambios en el agua y la salinidad del suelo y cómo lo hacen.

Para investigar la conexión, Kay y su equipo estudiaron Arabidopsis, una planta comúnmente utilizada en la investigación debido a su pequeño tamaño, su rápido ciclo de vida, su genoma relativamente simple y sus rasgos y genes comunes con muchos cultivos agrícolas. Crearon una biblioteca de más de 2000 factores de transcripción de Arabidopsis, que son proteínas que controlan cómo se expresan los genes en diferentes condiciones. Los factores de transcripción pueden proporcionar información fundamental sobre la regulación de los procesos biológicos. Luego, los investigadores crearon un proceso de análisis de datos para analizar cada factor de transcripción y buscar asociaciones.

"Tuvimos una gran sorpresa: la mayoría de los genes que regulan el reloj estaban asociados con respuestas a la sequía", dijo Key, particularmente aquellos que controlan la hormona del ácido abscísico, un tipo de hormona del estrés que las plantas producen cuando los niveles de agua son demasiado altos. muy bajo.

El análisis mostró que los niveles de ácido abscísico están controlados por proteínas de reloj, así como por el factor de transcripción ABF3, que Key llama un "bucle de retroalimentación homeostático". Durante el transcurso de un día, las proteínas de reloj regulan ABF3 para permitir que las plantas respondan a los cambios en los niveles de agua, y luego ABF3 transmite información a las proteínas de reloj para mantener la respuesta al estrés bajo control. El mismo ciclo ayuda a las plantas a adaptarse a condiciones extremas, como la sequía. Los datos genéticos también revelaron un proceso similar para procesar los cambios en los niveles de salinidad del suelo.

"Lo que es realmente especial de este circuito es que permite a la planta responder al estrés externo mientras mantiene la respuesta al estrés bajo control para que pueda crecer y desarrollarse", dijo Kay.

Cultivo de buenas cosechas.

Los resultados apuntan a dos nuevos enfoques que podrían ayudar a mejorar la resistencia de los cultivos. En primer lugar, los mejoradores agrícolas pueden buscar y seleccionar la diversidad genética natural en la secuencia circadiana ABF3 que da a las plantas una ligera ventaja en la respuesta al estrés hídrico y salino. Incluso un pequeño aumento de la resistencia puede mejorar la productividad de los cultivos a gran escala.

Key y sus colegas también planean explorar una técnica de modificación genética utilizando CRISPR para crear genes que promuevan ABF3 para diseñar plantas tolerantes a la sequía.

"Esto podría ser un avance importante en el pensamiento sobre cómo modular las plantas de cultivo para que sean tolerantes a la sequía", dijo Kay.

Se trata de investigación

Además de Ke, los otros autores del estudio son Tong Liang, Shi Yu, Yuanzhong Pan y Jiarui Wang del Departamento de Neurología de la Facultad de Medicina Keck de la Universidad del Sur de California.

Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud (R37 GM067837).