Cualquiera que tenga una maceta en casa sabrá que la luz es un elemento clave para las plantas. La cantidad de luz les da información sobre las estaciones del año y la hora del día, y las plantas adaptan sus respuestas, como por ejemplo la floración o el crecimiento del tallo, a ella. Así pues, para desarrollarse y crecer normalmente las plantas deben coordinar la percepción de la luz con su ciclo circadiano endógeno. Un nuevo estudio, liderado por la investigadora del CSIC en el CRAG, Elena Monte, describe por primera vez cuál es el mecanismo molecular que utilizan las plantas para coordinar estas dos actividades.
Los sensores de la luz
Las plantas poseen varios sistemas de fotorreceptores, proteínas que cambian su conformación en respuesta a la luz. Entre estos se encuentran los fitocromos, los responsables de detectar la luz roja y roja lejana, muy importante para la germinación de las semillas y para el crecimiento de la plántula. Si bien los fitocromos se descubrieron en los años cincuenta, no fue hasta 1998, que se descubrieron las proteínas que transmiten la señal lumínica del fitocromo hasta el núcleo de la célula, permitiendo que la planta responda a la luz con cambios en la expresión de sus genes. El descubrimiento de estas proteínas, llamadas PIF (del inglés Phytochrome-Interacting Factors) tuvo lugar en el laboratorio del investigador Peter Quail, de la Universidad de California en Berkeley, quien también ha colaborado en el presente estudio liderado por Elena Monte.
Las proteínas PIF son clave para regular la expresión de los genes necesarios para el desarrollo de la planta. Se sabe que cuando la luz activa los fitocromos, estos se unen a las proteínas PIF y promueven su degradación. De esta manera, durante las horas de luz, hay poca cantidad de PIFs dentro de las células. Durante la noche, sobre todo en las noches largas del invierno, las proteínas PIF se vuelven a sintetizar y justo antes del amanecer, cuando su acumulación en la célula es máxima, actúan dando las instrucciones al núcleo de la célula para el crecimiento de la planta. Este es el mecanismo que hace que en la planta joven el tallo se alargue justo antes del amanecer posterior a la larga noche de invierno. ¿Pero cómo sabe la planta que tiene que crecer sólo cuando se termina la noche?
La llave de paso
El estudio que se publica ahora en la revista estadounidense PNAS responde a esta pregunta. Los investigadores del CRAG y de la Universidad de California en Berkeley han descubierto que las proteínas PIFs son capaces también de interaccionar con un represor transcripcional, la proteína TOC1, que al mismo tiempo controla los ritmos circadianos. Al contrario que las proteínas PIF, TOC1 es más abundante en la planta cuando apenas comienza la noche y sus niveles van decreciendo durante las horas de oscuridad.
Utilizando la planta modelo Arabidopsis thaliana, los investigadores observaron que en las plantas mutantes para TOC1, el tallo se alargaba antes y más rápidamente durante la noche que en las plantas no mutadas; en cambio en plantas que tenían los dos genes mutados (TOC1 y PIF3) esto no ocurría. El estudio publicado ahora en PNAS describe por primera vez que TOC1 funciona como una llave de paso para el crecimiento del tallo, por lo que durante la noche reprime la acción de los PIFs acumulados en la célula, evitando el crecimiento del tallo durante la noche. Pero cuando la noche es larga, justo antes del amanecer, TOC1 baja, abriendo el paso a la acción de los PIFs y al crecimiento del tallo. De esta manera, durante las noches largas, la planta limita su crecimiento al período de justo antes del amanecer, cuando las condiciones ambientales para la elongación son óptimas.
"Finalmente conocemos el mecanismo que puede explicar cómo las plantas crecen durante el invierno, cuando no hacen flores, mientras que en verano se detiene el crecimiento para dar paso a la floración, que se activa al revés que el crecimiento, cuando las noches son cortas", explica la investigadora Elena Monte.
"Entender este mecanismo puede ser útil en un futuro para optimizar los cultivos frente al cambio climático", añaden Judit Soy y Pablo Leiva, estudiantes pre-doctoral y post-doctoral, respectivamente, y autores del estudio liderado por el Elena Monte.
Artículo de referencia:
Judit Soy, Pablo Leivar, Nahuel González-Schain, Guiomar Martín, Céline Diaz, Maria Sentandreu, Bassem Al-Sady, Peter H. Quail, Elena Monte “Molecular convergence of clock and photosensory pathways through PIF3-TOC1 interaction and co-occupancy of target promoters” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. April, 2016
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