SE DESCUBRE UN COMPLEJO "NOCTURNO" QUE REGULA EL CRECIMIENTO DE LAS PLANTAS.

13 de Julio de 2011.

Los agricultores y otros observadores astutos de la naturaleza siempre han sabido que cultivos como el maíz y el sorgo crecen más durante la noche. Sin embargo, los mecanismos bioquímicos que controlan este alargamiento del tallo nocturno, común a la mayoría de las plantas, han sido un misterio para los biólogos, hasta ahora.

Los investigadores demostraron que el complejo de la noche pone freno a la actividad de dos genes en las plantas - PIF4 y PIF5 - que son importantes en la promoción del crecimiento de las plantas. (Crédito foto: Yhew Pongsawakul)

En la publicación en línea temprana de esta semana de la revista Nature, los biólogos de la Universidad de California, San Diego reportan su descubrimiento de un complejo de proteínas que ellos llaman el "complejo de la noche" que regula el crecimiento rítmico de las plantas durante la noche. Más importante aún, los biólogos demuestran cómo este complejo proteínico está estrechamente coordinado a través del reloj biológico de los genes que promueven la elongación del tallo de una manera que podría permitir a fitomejoradores diseñar nuevas variedades de cultivos que crecen más rápido, obtener mayores rendimientos de los alimentos o de generar más biomasa por hectárea de tierra para su conversión en biocombustibles.

"Este descubrimiento nos da una comprensión molecular de la forma en que el reloj biológico está regulando el crecimiento cíclico de las plantas", dijo Steve Kay, decano de la División de Ciencias Biológicas de la UC San Diego, quien encabezó el esfuerzo investigativo. "Y al instante nos da la manera de cómo podemos manipular y controlar el rendimiento de las plantas o el depósito de biomasa".
 Mientras que la mayoría de la gente asume que las plantas crecen a un ritmo lento y constante durante todo el día y la noche, Charles Darwin y otros más que hace un siglo observaron que, efectivamente, crecen a velocidades altas en horas de la noche, los tallos de las plantas se alargan más rápido en las horas justo antes del amanecer.

"Las plantas crecen realmente rítmicamente", dijo Kay. "Algunas plantas, como el sorgo, tienen la posibilidad de alargar un centímetro o más cada noche."
 Los biólogos de la UCSD, centraron inicialmente su atención en tres genes de una planta de mostaza llamada Arabidopsis, la cual es utilizada por los genetistas como modelo de laboratorio para las plantas. Cuando se desactivan por mutaciones, estos tres genes interrumpen el reloj biológico de la planta y promueven tanto la elongación del tallo como la floración temprana.

"Estos tres genes han sido de gran interés debido a que la pérdida de la función de cada uno de ellos mata el reloj biológico, provoca un hipocotilo largo, o un tallo juvenil y tiende a provocar la floración temprana", dijo Kay. "Pensamos que tal vez su función se relaciona. Así que esta investigación se inició básicamente para saber lo que estos tres genes hacen."
 La respuesta a esa pregunta aparentemente simple le tomó a los biólogos más de seis años para desentrañarla.

"Los relojes circadianos controlan el tiempo de una extraordinaria variedad de procesos de desarrollo y fisiológicos en los seres humanos y otras especies, pero averiguar cómo sucede esto es difícil", dijo Laurie Tompkins, quien supervisa las subvenciones sobre el reloj biológico de los Institutos Nacionales del Instituto Nacional de Salud de Ciencias Médicas generales, que financió la investigación. "Arabidopsis es ideal para este tipo de análisis, ya que los investigadores pueden usar una variedad de sofisticadas herramientas de genética y bioquímica para estudiar las interacciones moleculares en diferentes momentos del día y luego fácilmente observar el desarrollo de la planta ".
 Debido a que los tres genes-Floración Temprana 3 (o ELF3), ELF4 y LUX-tienen el pico de actividad biológica en la tarde, los biólogos la UCSD, se preguntaron si los tres genes actuaron juntos en un complejo de proteínas. A través de una serie de experimentos en células de levadura, que determinaron que los tres genes producen proteínas que se relacionan entre sí, pero de una manera específica. ELF3 sirvió como una proteína de acoplamiento que reunió a ELF4 y LUX, pero estos dos últimos no interactúan unos con otros sin la ayuda de ELF3.

Este complejo proteínico se denominó el "complejo de la noche" por los científicos de la UCSD, quienes verificaron en Arabidopsis que no sólo el pico de actividad biológica de los tres componentes del complejo de proteínas se da en la noche, pero también lo hizo la formación del complejo de la tarde en sí.
 Luego, los investigadores trataron de responder a la pregunta de cuál podría ser el papel fisiológico de este complejo proteínico en las plantas. Una pista principal que apunta en la dirección correcta: Cuando alguno de los tres genes que controlan el complejo proteínico está desactivado, las plantas terminan con tallos excesivamente alargados.

"Este complejo proteínico está claramente actuando como freno sobre el crecimiento", dijo Kay. "Así que cuando mutan cualquiera de estos genes, las plantas se alargan mucho más."
En otra serie de experimentos, los investigadores demostraron que el complejo de la noche pone el freno a la actividad de dos genes en las plantas- PIF4 y PIF5-que son importantes en la promoción del crecimiento de las plantas.

"Lo que mostramos en nuestro artículo es que el complejo de la tarde se une a los promotores PIF4 y PIF5 y, al final del día y durante la primera parte de la noche, impide el crecimiento de las plantas", dijo Kay. "Y cuando los niveles del complejo de la noche comienzan a bajar, PIF4 y PIF5 se expresan e impulsan programas de expresión de las plantas que soportan el alargamiento del tallo , y frena el crecimiento de las plantas que se halla iniciado."
 En este nuevo modelo de crecimiento de las plantas desarrollado por los científicos, PIF4 y PIF5 controlan el acelerador que activa las plantas a crecer, mientras que los tres genes que producen que actue el complejo de la noche como freno y trabaje con el reloj biológico de la planta para permitir el más rápido crecimiento tarde en la noche y las primeras horas por la mañana.

"Nadie sabe cómo esta regulación cíclica del crecimiento de la planta trabajó a nivel molecular, pero este debe ser uno de los principales mecanismos", dijo Kay. "Esto realmente nos da una comprensión molecular de la forma en que el reloj biológico está regulando el crecimiento cíclico de las plantas."
 Por qué las plantas en su tiempo de ciclo diurno crecen más rápidamente a altas horas de la noche y en las primeras horas de la mañana sigue siendo un misterio, pero Kay sospecha que podría ser cuando los recursos están más disponibles ya que las plantas almacenan su producción a partir de la fotosíntesis durante el día como el almidón , y luego romper el almidón y la proteína por la noche para que estén disponibles para el crecimiento.

"Las plantas tienen que coordinar su crecimiento con la disponibilidad de recursos", dijo. "Realmente no hay ventaja para estas plantas sólo para obtener más y más si no están coordinando sus recursos metabólicos, que vienen cíclicamente con la fotosíntesis de cada día. Así que las plantas crecen a un rítmo supuestamente para coordinar el crecimiento con los recursos del metabolismo".
 Medida que los científicos ven como una mejor comprensión de estos mecanismos de control del crecimiento vegetal, las posibles aplicaciones comerciales para la agricultura podría ser tan amplio como significativos. El descubrimiento de los mecanismos del complejo de la noche con el tiempo deben proporcionar a los genetistas vegetales una nueva forma de optimizar el crecimiento de los cultivos para que produzcan más alimentos y más biomasa por hectárea para la producción de biocombustibles.

"Lo que este descubrimiento nos dice es que el reloj circadiano es el control de cientos de millones de toneladas de biomasa que se depósita cada noche que podrían ser utilizados para la bioenergía", dijo Kay. "Ahora que entendemos cuál es el acelerador y cual los frenos en el control del crecimiento vegetal, podemos manipularlos para maximizar los depósitos de biomasa. Podríamos hacerlo poniendo el acelerador en más o poner freno a menos, o probablemente en una forma más sofisticada por la combinación del acelerador y los frenos, así que le permitirá a la planta maximizar los nutrientes disponibles, lo que le permitirá aprovechar al máximo el depósito de biomasa. Esto podría ser una forma de optimizar el crecimiento vegetal en un ambiente particular en el que no desea agregar nutrientes adicionales al suelo. "

Kay dijo que otra aplicación sin relación alguna para el complejo de la noche podría ser en la toma de las plantas, especialmente los cultivos de alimentos, más tolerante al frío o la congelación.
 "Cuando haces las mutaciones de estos genes, las plantas son menos tolerantes a las heladas y a las bajas temperaturas", dijo. "Así que pensamos que el complejo de la noche es probable que tenga un papel en la tolerancia al frío y eso es otra cosa que vamos a estar investigando".

Fuente: EurekAlert. UCSD.