18 de Mayo de 2011.
Las semillas que brotan en su jardín pueden aún estar luchando por alcanzar el sol. Si es así, ellas consumen un paquete de energía finita contenido dentro de cada semilla. Una vez que los recursos se agotan, el núcleo celular de las plantas deben estar preparados para cambiar en un "verde "programado por la fotosíntesis. Los investigadores del Instituto Salk para Estudios Biológicos mostró recientemente una nueva forma en que esas señales se transmiten.
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| Una vez que los recursos energéticos en una semilla se agotan, las plántulas encienden el interruptor " verde " programado por la fotosíntesis (plántulas de Arabidopsis en la parte superior). Crédito: Cortesía de Jesse Woodson del Instituto Salk para Estudios Biológicos. |
En un estudio publicado en el número del 24 de mayo de 2011, de la revista Current Biology, un equipo dirigido por Joanne Chory, Ph.D., profesora y directora del laboratorio de Biología Molecular de Plantas y de Biología Celular, identificaron un factor de señalización enviado por los cloroplastos para activar los genes relacionados con la fotosíntesis. Su hallazgo podría ayudar a lograr un mayor rendimiento de las cosechas y mejorar la salud de las plantas.
"Cuando una plántula establece un estilo de vida por la fotosíntesis, necesita activar varios miles de genes en el núcleo", dice Chory, también investigadora del Howard Hughes Medical Institute, y la titular de el Howard H. y Maryam R. Newman Cátedratica de Biología Vegetal. "Una de las señales para hacer esto viene de los orgánulos encargados de la fotosíntesis, llamados cloroplastos. En este estudio hemos identificado esta molécula de señalización como hemo".
Aunque en las plantas y los animales la mayoría de genes residen en el núcleo, pequeños anillos de ADN de genes se encuentran en otros lugares celulares como las mitocondrias de producción de energía. Los cloroplastos de la planta, cuya función principal es convertir la luz y el dióxido de carbono en energía e hidratos de carbono necesarios para el crecimiento, también contienen genes que regulan los factores relacionados con la fotosíntesis codificado en el núcleo de la célula vegetal.
"El laboratorio de Chory previamente identificó mutaciones en cinco genes en plantas de Arabidopsis thaliana en que no fueron capaces de sintetizar moléculas como la clorofila o responder a las señales generadas por los intermediarios de la ruta de biosíntesis de clorofila", explica Woodson, primer autor del estudio. "Los estudios sugieren que cuando las plantas sufren estrés, se acumula un intermediario que le dice al núcleo que se detenga para dar el 'giro verde'".
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| Cuando las plantas se encuentran con situaciones estresantes, como el herbicida norflurazón, los genes que controlan la fotosíntesis son apagados pasando a un aspecto descolorido (plántulas de Arabidopsis en la parte superior). Crédito: Cortesía de Jesse Woodson del Instituto Salk para Estudios Biológicos. |
Estos mutantes llamados GUN (por genomas desacoplados) porque le faltan las proteínas 1 a 5 necesarias para retransmitir estas señales al núcleo. Los cloroplastos de las plantas normales podrían implementar esas señales cuando las plantas se encuentren en estrés, como demasiado calor o también de poca agua. Las señales inhibitorias también podrían estar siendo enviadas cuando los brotes germinados aún no están lo suficientemente maduros para dar el salto de confiar en los paquete de energía de las semillas para generar su propia energía utilizando la luz solar.
nte la sospecha de que las señales positivas también deben regir el proceso, el equipo de Arabidopsis para la detección de los factores que activaron las proteínas fotosintéticas, en lugar de apagarlas. Para ello, emplearon un enfoque experimental llamado etiquetado de activación, en los que la activación de genes y secuencias de ADN son insertadas aleatoriamente en el genoma de Arabidopsis y las plantas se someten a un baño de herbicidas. Posteriormente, el equipo buscó cualquier sobreviviente que persistiera en la toma de proteínas fotosintéticas. Por definición, en la planta mutante un gen necesario para sostener una respuesta de crecimiento fotosintético debe haber estado experimentalmente encendido.
Lo que encontraron fue un gen designado como gun 6, que codifica la enzima ferroquelatasa 1 (FC1), el primer gen mutante gun que indica un resultado positivo en lugar de una señal negativa. "Los mutantes Gun 6 producen demasiada proteína FC1, una enzima necesaria para producir una molécula de señalización llamada hemo", explica Woodson. A pesar de que es un cofactor en numerosas plantas y es una vía en animales, hemo es más famoso por ser el componente de transporte de oxígeno de la hemoglobina.
El estudio sugiere que el exceso de hemo conduce a la expresión de genes relacionados con la fotosíntesis. "Si una planta tiene niveles anormalmente altos de hemo, el núcleo podía ignorar que los cloroplastos no estan funcionales y pueden seguir haciendo proteínas relacionadas con el crecimiento", dijo Woodson. "Hemo es probablemente la señal enviada desde un cloroplastos saludable a el núcleo diciendo que es tiempo de hacer las proteínas necesarias para la fotosíntesis".
El equipo también encontró en plantas genéticamente modificados que hacen demasiado de una isoforma FC1,, conocido como FC2, y que se encuentran en genes relacionados con la fotosíntesis, que no estan sobreexpresados, lo que sugiere que hemo hace que FC2 difiera de lo que realiza FC1,, y que las señales que regulan el crecimiento global de la planta son de alta complejidad.
La planta de la mostaza Arabidopsis se ve favorecida por los biólogos vegetales por las mismas razones que biólogos de animales se basan en ratones y moscas de la fruta-es fácil de cultivar, compacta, se reproduce rápidamente (que para los biólogos vegetales significa que se hace de toneladas de semillas y rápido), su genoma no estan secuenciado, y puede ser manipulado genéticamente.
Además, es increíblemente aburrida. "No hay nada inusual en Arabidopsis", señala Woodson. "Lo cual es bueno, porque todo lo que sabemos de ella será cierto en general para la mayoría de plantas."
Afirmando que de "todas las plantas" de calidad, el equipo aisló el maíz (Zea mays), equivalente del gen FC1, y de Arabidopsis GM que hace artificialmente altos niveles de la proteína del maíz. Al igual que genes mutantes gun 6 , las plantas continuaron haciendo genes relacionados con la fotosíntesis, cuando se somete a herbicidas, lo que demuestra que FC1, probablemente hace lo mismo en una planta de cultivo como lo hace en una maleza. Sin embargo, el análisis de maíz, arroz o la cebada sería experimentalmente menos práctico, habida cuenta de sus ciclos de crecimiento más largo y el espacio necesario para crecer.
"En general, este trabajo responde a las preguntas básicas acerca de cómo crece una planta, se basa en los cloroplastos y en como cosecha la energía luminosa con el fin de convertirlo en un organismo fotosintético", dijo Chory. "La comprensión de cómo las plantas coordinan la expresión de genes entre el cloroplasto y el núcleo en última instancia, incrementar los rendimientos de los cultivos en el campo, donde las plantas suelen encontrar múltiples tensiones durante la temporada de crecimiento."
Fuente: Physorg.com., Instituto Salk.
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