Una proteína circadiana ayuda a las plantas a gestionar el estrés a corto y largo plazo

Investigadores de la Facultad de Medicina Keck de la Universidad del Sur de California han descubierto nuevos conocimientos sobre cómo las plantas regulan su respuesta al estrés, lo que puede ayudar en futuros esfuerzos para desarrollar cultivos que prosperen en sequías o suelos con alta salinidad. niveles asociados al cambio climático.

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.

"La conclusión es que las plantas están atrapadas en su lugar", dijo el líder del estudio Steve A. Kay, PhD, profesor de neurología, ingeniería biomédica y biología computacional en la Universidad y Facultad de Medicina Keck y director del Centro Convergente Michelson de la USC. Biología. "No pueden correr ni beber agua. No pueden moverse a la sombra cuando quieren en un suelo con exceso de sal. Debido a esto, comenzaron a utilizar sus relojes circadianos para medir y adaptarse perfectamente a su entorno".

Key y sus colegas informan sus hallazgos en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), en el artículoInteracción entre el reloj circadiano y las respuestas al estrés abiótico mediadas por ABF3 y CCA1/LHY”, en el que concluyeron que sus hallazgos “…ofrecen información valiosa para desarrollar enfoques genéticos y moleculares para mejorar la resiliencia de las plantas ante el cambio climático”.

El cambio climático es una preocupación global para toda la vida en nuestro planeta, incluidos los humanos y las plantas, señalaron los autores. "Las plantas, como organismos sésiles, deben adaptarse constantemente a su entorno y soportar diversas tensiones como la sequía, la salinidad y las temperaturas extremas", escribieron. "Comprender cómo responden las plantas al estrés abiótico es fundamental para resolver este problema". Uno de los mecanismos más importantes de las plantas es la vía de señalización ABA, explicó el equipo. "ABA es una hormona vegetal que desempeña un papel importante en la regulación de las respuestas al estrés abiótico como la sequía, la alta salinidad y las altas temperaturas".

El estudio recientemente informado se basa en la larga investigación del laboratorio de Kay sobre el papel de las proteínas del reloj circadiano en plantas y animales. "Como mecanismo interno de cronometraje, el reloj circadiano permite a las plantas sincronizarse con los cambios ambientales diarios y estacionales y controla directamente muchos procesos de desarrollo a lo largo del ciclo de vida", explicaron los autores. En el organismo vegetal modelo Arabidopsis, el reloj circadiano implica lo que los investigadores describen como "una multitud de proteínas oscilantes" que se expresan y funcionan de manera organizada. "Los estudios en cultivos también han revelado un papel importante del reloj circadiano en la regulación de las respuestas al estrés", agregaron.

Las proteínas de reloj regulan los cambios biológicos durante el día y 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 aún más urgente con el cambio climático".

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, que se utiliza a menudo en la investigación debido a su ciclo de vida pequeño y rápido, su genoma relativamente simple y porque comparte rasgos y genes 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 el ácido abscísico, un tipo de hormona del estrés producida por las plantas, a niveles de agua muy altos. muy bajo. El análisis muestra 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".

Los autores escribieron: "Mostramos cómo el reloj circadiano influye en la expresión de ABF3, que a su vez transmite señales de estrés a genes clave del reloj y regula el período circadiano en respuesta al estrés... Nuestro estudio revela un mecanismo único de interacción entre el reloj circadiano reloj y abiótico Respuestas al estrés mediadas por ABF3 y CCA1/LHY”.

Los resultados muestran que durante el día, las proteínas de reloj regulan ABF3 para responder a los cambios en los niveles de agua en las plantas, y luego ABF3 proporciona 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. "En particular, encontramos que CCA1 y LHY regulan la expresión de ABF3 en condiciones diarias, así como la germinación de semillas en condiciones de salinidad. "Por el contrario, ABF3 controla la expresión de genes clave del reloj y regula el período circadiano en respuesta al estrés", dijeron. "Nuestro estudio también revela una función única de ABF3 en la modulación del reloj circadiano. ABF3 controla la expresión de los genes del reloj maestro y modula el período circadiano en respuesta al estrés.

Kay añadió: "Lo que tiene de especial este circuito es que permite que la planta responda al estrés externo mientras mantiene bajo control su respuesta al estrés para que pueda crecer y desarrollarse".

Los autores afirman que dilucidar las vías reguladoras y los circuitos de retroalimentación que involucran a CCA1, LHY y ABF3 ha proporcionado una comprensión más profunda de cómo las plantas coordinan las respuestas fisiológicas y de desarrollo a los desafíos ambientales. "Comprender la compleja relación entre el reloj circadiano y la respuesta al estrés abiótico a nivel molecular puede ayudar a desarrollar estrategias específicas para aumentar la resiliencia de las plantas ante el cambio climático", concluyeron.

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.