Un nuevo mecanismo molecular revela cómo las plantas se mantienen frescas

Cuando hace calor, las plantas no pueden caminar a la sombra para refrescarse. En su lugar, utilizan termomorfogénesis, cambian de forma para mejorar su enfriamiento. Martijn van Zanten y sus colegas han encontrado cómo hacen esto, abriendo posibilidades para nuevas investigaciones. La molécula se llama HISTONA DEACETILASA 9 (HDA9), y una nueva investigación publicada en PNAS muestra cómo le indica a otras hormonas que cambien la arquitectura de la planta cuando hace demasiado calor. Es interesante porque ya se sabe que HDA9 tiene algunas funciones en la germinación, y tampoco parece estar conectado a otra molécula llamada PIF4.

PIF4 (FACTOR DE INTERACCIÓN 4 CON FITOCROMO, por darle su nombre completo) es un termosensor. Ayuda a una planta a saber qué tan cálida es. PIF4 está conectado a las respuestas a la luz en las plantas. Entonces, cuando comienza a interferir con el funcionamiento de PIF4, existe el riesgo de que también tenga consecuencias no deseadas en la forma en que la planta reacciona a la luz y la sombra. HDA9 responde al calor sin conectarse a PIF4. A temperaturas crecientes, aumenta la abundancia de la enzima, lo que da como resultado la eliminación de modificaciones epigenéticas de las proteínas histonas unidas al ADN que tienen un efecto inhibidor sobre la síntesis de la conocida hormona de crecimiento vegetal auxina. Como resultado, los niveles de auxina aumentan y la planta ajusta su estatura.

“Este nuevo mecanismo es científicamente muy interesante, porque muestra que una histona desacetilasa 9 tiene un efecto positivo indirecto en la transcripción, mientras que las histonas desacetilasas generalmente se aceptan como supresores de este proceso”, dijo Van Zanten. 

La forma en que se activa HDA9 es un poco un rompecabezas, dijo van Zanten. “No sabemos si HDA9 es o no un termosensor directo, solo mostramos que HDA9 al menos actúa independientemente del único termosensor confirmado en las plantas; Fitocromo B (por lo que forma parte de una nueva vía de termoseñalización). El problema intrínseco de los estudios sobre termosensores es que, en principio, cada molécula biológica tiene capacidades termosensoras por naturaleza, debido a efectos termodinámicos pasivos. Esto hace que los estudios de eventos termosensoriales directos/activos sean muy difíciles. Además, HDA9 es una enzima, por lo que las señales de temperatura definitivamente están mediadas pasivamente por la proteína a su sustrato. Entonces, la pregunta aquí es si eso ocurre a través de una cinética de temperatura no típica (probablemente un sensor) o a través de una cinética de temperatura normal (efectos termodinámicos pasivos) (puede ser o no un sensor)".

“Realizamos algunos experimentos sobre la actividad enzimática de HDA9 a diferentes temperaturas, pero esto no reveló un valor inusual de 'cinética Q10', lo que significa que la sensibilidad a la temperatura de la enzima probablemente se explica por un efecto termodinámico pasivo 'normal'. Sin embargo, esto no excluye la posibilidad de ser un termosensor directo, ya que la actividad es solo un aspecto (el plegamiento de proteínas también podría depender de la temperatura, por ejemplo, para dar un ejemplo). Por otro lado, observamos que los niveles de proteína HDA9 se estabilizan a altas temperaturas y dada la naturaleza de la proteína como enzima, no es probable que HDA9 medie su propia estabilidad. Entonces, eso indicaría que se requiere un regulador aguas arriba de HDA9 y ese regulador puede ser (parte de) el evento termosensorial. HDA9 es propenso a la degradación proteosomal, por lo que sospechamos que un efecto de termodetección aguas arriba podría ser un factor en el proteasoma que degrada HDA9 en condiciones de control, pero estabiliza HDA9 a altas temperaturas”.

Esta no es la primera vez que van Zanten estudia HDA9. el tenia antes examinó su papel en la germinación. Fueron las plantas de esta investigación anterior las que inesperadamente condujeron a los nuevos hallazgos, dijo van Zanten. “Empecé a probar los mutantes que traje de mi antiguo instituto y encontré el papel de HDA9 en la termomorfogénesis, de hecho, por coincidencia. Más tarde, un grupo en Australia (uno de los coautores de mi artículo actual) encontró un papel para el factor Powerdress (PWR) en la señalización de temperatura y, para entonces, otros descubrieron que ese factor interactuaba con HDA9, y los datos que recopilamos en ese punto encajaron completamente de forma independiente."

“En el artículo actual en PNAS aclaramos los mecanismos subyacentes. Nunca probamos el papel de HDA9 en la germinación dependiente de la temperatura (en realidad deberíamos...), pero sabemos que HDA9 tiene un papel en el establecimiento de plántulas y en la puesta en marcha del programa vegetativo de las plantas y en la desactivación del programa embrionario después de la germinación. Esto coincide con nuestra conclusión actual de que HDA9 es importante para la termodetección en la vida temprana de la planta (plántula). Por lo tanto, existe una relación espacial/temporal entre el papel de HDA9 en la biología de las semillas y el establecimiento de plántulas y la termomorfogénesis que actualmente estamos siguiendo, al probar si los genes diana HDA9 conocidos en las semillas también tienen un papel en la aclimatación a la temperatura”.

In su reseña de Nature Plants, van Zanten señala que gran parte del trabajo de temperatura de la planta ha sido entre 20 y 29 °C. Si bien esta es una ventana que es importante para la agricultura, van Zanten cree que puede haber más para encontrar en cómo HDA9 reacciona con la fisiología fuera de este rango. “Solo probamos el papel de HDA9 en el rango de 'termomorfogénesis' (20-29 °C), pero no me sorprendería si también afectara las respuestas al estrés por calor o frío. Sin embargo, tenga en cuenta que consideramos la 'termomorfogénesis' como una respuesta de aclimatación fisiológica ('vivir de manera óptima en condiciones no óptimas'); es decir, no está involucrada la señalización de estrés típica que se requiere para la tolerancia (para vivir o morir), como la acumulación de ROS o los mecanismos de protección celular de inducción, que se inducen en el estrés por frío y calor”.

“Desde una perspectiva más histórica, los campos de señalización de frío y calor son comunidades diferentes y más tarde se interpuso la comunidad de termomorfogénesis, que tiene sus raíces en la fotobiología. Ahora comenzamos a darnos cuenta de que, en realidad, algunos de los factores clave involucrados en la señalización fría también tienen un papel en la termomorfogénesis y, probablemente, lo mismo es cierto a la inversa. El problema con los experimentos de temperatura es que cada 'temperatura' estudiada requiere una sala de crecimiento a esa temperatura, lo que complica enormemente los estudios sobre gradientes de temperatura de manera controlada. Ahora desarrollamos una tabla de termogradiente en la que podemos proporcionar diferentes temperaturas de 5 °C a 40 °C al mismo tiempo, con el objetivo de verificar si la señalización de temperatura es un continuo, involucrando los mismos factores, o si cada rango de temperatura depende en 'su propio' programa genético. Entonces, espero poder dar una respuesta más concluyente dentro de unos años”.

Si bien los cultivos pueden adaptarse mejor con la termomorfogénesis, van Zanten dice que hay algunas compensaciones con el uso del agua. Pero también podría haber otros beneficios. “El uso del agua aumentará cuando las plantas transpiren más, por lo que sí, la termomorfogénesis generalmente también aumenta el uso del agua, y esto no siempre es lo deseado. Sin embargo, en muchos casos el objetivo aplicado no es hacer que las plantas se alarguen, sino mantenerlas compactas (piense en las plantas ornamentales). También podemos aplicar la información sobre HDA9 allí. Además, si las plantas se adaptan de manera óptima a una determinada temperatura, los beneficios podrían radicar en una menor necesidad de calefacción o refrigeración de los invernaderos; así ahorrando energía.”

El hallazgo clave es que debido a que HDA9 es independiente de PIF4, ahora es posible separar la respuesta a la luz y al calor en las plantas. “La evitación de la sombra y la termomorfogénesis son fenotípicamente similares y la mayoría, si no todos, los factores genéticos actualmente asociados con la termomorfogénesis también tienen un papel en la evitación de la sombra”, dijo van Zanten. “Con HDA9 a la mano, ahora podemos separar las vías y esto puede ser útil para controlar la respuesta a la temperatura independientemente de las respuestas a la luz. Además, en la revolución verde, la selección de cultivos de campo fue entre otras características contra la evitación de la sombra (para permitir rodales densos en el campo, con plantas compactas de alto rendimiento) y esto también ocurrió a expensas de la sensibilidad a la temperatura. Usando la señalización HDA9, ahora podemos comenzar a trabajar para recuperar/ajustar la respuesta a la temperatura y la respuesta a la luz según la necesidad”.

Como resultado, la investigación ofrece nuevos objetivos para el fitomejoramiento para mejorar la tolerancia climática de los cultivos. Dado que actualmente cada aumento de la temperatura de un grado centígrado puede provocar una pérdida de cultivos de hasta un 10 por ciento, esto podría ser una ayuda importante para alimentar a las personas en el futuro.