Los científicos han dado un paso significativo hacia la construcción de la primera planta digital del mundo al desarrollar un modelo computacional sofisticado que también ha resuelto uno de los misterios más perdurables de la ciencia de las plantas: el papel del reloj biológico.

Cualquiera que haya sufrido de jet lag puede identificarse con los efectos devastadores de un reloj biológico interrumpido. Ahora, un nuevo estudio ha revelado que las plantas también sufren cuando sus relojes no están sincronizados.

Al crear una planta con jet lag permanente —el equivalente a volar de Nueva York al Reino Unido todos los días—, los investigadores descubrieron que alterar el reloj biológico de una planta afecta su crecimiento. El equipo también creó un modelo informático de la planta con jet lag que pudo predecir con precisión el efecto en el crecimiento y revelar qué vías moleculares se ven afectadas por genes defectuosos del reloj biológico.

Un diagrama complejo que se describe en la leyenda.
Funcionamiento del Arabidopsis Framework Model versión 2 (FMv2). Los componentes del modelo que se actualizan en FMv2 están delimitados en rectángulos dobles, con nombres de modelo abreviados (izquierda). Los resultados clave de los nuevos modelos se muestran como flechas que salen de los rectángulos delimitadores. El modelo de reloj P2011 muestra solo genes de reloj para mayor claridad. Genes de la mañana o del día, símbolos amarillos; genes vespertinos y el complejo vespertino (EC), símbolos grises. Los genes PRR9 y PRR7 que están inactivados en el doble mutante prr7prr9 están marcados con un óvalo discontinuo. Los componentes de P2011 impulsan el modelo de degradación del almidón S2014 a través del componente 'T' (centro) y el modelo de coincidencia externa S2015 (abajo a la izquierda). S2015 controla el alargamiento del hipocótilo dependiente del fotoperíodo (Hypoc.) activando rítmicamente la vía PhyB/PIF/ATHB2 y el florigen FT mediante la vía CDF1/FKF1/CO. La caricatura S2015 distingue los componentes de ARN (paralelogramos) de las proteínas (rectángulos redondeados). Las entradas de luz se muestran como destellos. Entre los componentes del modelo retenidos del FMv1, el modelo dinámico de carbono (limitado en verde) incluye depósitos de carbono de almidón, malato y fumarato (Mal + Fum) actualizados, y proporciona azúcar como suministro de carbono para el crecimiento. Esto se asigna de acuerdo con los sumideros de demanda de hoja (azul) y raíz (rojo) en el modelo funcional-estructural de la planta, que utiliza la biomasa de la hoja para calcular el área proyectada de la roseta para la fotosíntesis (área proyectada). Cuando el modelo fototérmico (abajo a la derecha) alcanza el umbral de floración, la simulación finaliza. Crédito: in silico Plants (2022). DOI: 10.1093/insilicoplants/diac010

El avance representa un avance significativo en la creación de un organismo digital multicelular complejo, una hazaña que rara vez se ha logrado fuera de los microbios unicelulares.

Este enfoque, que se ha debatido durante más de una década, debería pronto extenderse a otras vías reguladas por el reloj y conducir a nuevos conocimientos sobre la biología vegetal en general, que podrían ayudar a mejorar el rendimiento de los cultivos y su resiliencia para afrontar mejor el cambio climático.

Todas las plantas tienen un reloj biológico, un sistema molecular que registra el tiempo y detecta los cambios en el entorno y las prepara para los cambios del amanecer al anochecer y de una estación a otra. Aunque cada célula vegetal parece tener su propio reloj, que controla alrededor del 30% de sus genes, se sabía poco sobre su papel en el crecimiento vegetal.

Para abordar esto, un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Edimburgo investigó los efectos de las mutaciones en los genes del reloj de Arabidopsis thaliana, una especie de planta ampliamente estudiada. Las plantas mutantes del reloj permitieron al equipo investigar si los genes del reloj estaban involucrados en la liberación nocturna de azúcar almacenada en el almidón de la planta, que alimenta su crecimiento.

Las plantas necesitan administrar cuidadosamente la energía que capturan a través de la fotosíntesis durante las horas del día. La liberación de azúcar de las reservas de almidón demasiado rápida o lentamente durante la noche puede detener su crecimiento. Los científicos estudiaron el crecimiento de las plantas de Arabidopsis con mutaciones en sus genes de reloj que causaron que el reloj funcionara demasiado lento, como si el día tuviera 29 horas en lugar de 24 horas.

En estos mutantes, la liberación nocturna de azúcares del almidón fue más lenta que en las plantas normales y se redujo el crecimiento.

También crearon un modelo computacional de estos relojes mutantes, conocido como Framework Model, que combinaba modelos matemáticos de la actividad del gen del reloj con modelos metabólicos y fisiológicos. Los resultados revelaron que Framework Model simuló con precisión los efectos sobre el crecimiento de las plantas, prediciendo correctamente que la liberación lenta de azúcares del almidón durante la noche en los mutantes del reloj fue responsable de la desaceleración de su crecimiento.

Los hallazgos contrastan con estudios previos de otros mutantes con reloj biológico, que indicaban que la alteración del reloj biológico interrumpe el crecimiento de las plantas al afectar procesos clave de la fotosíntesis. Además de revelar la función del reloj biológico de 24 horas de la planta, el modelo marco logró vincular los genes, mediante vías moleculares mensurables, con su impacto en toda la planta, un desafío clásico en genética.

Este logro es el equivalente a comprender un síndrome de salud humana causado por un cambio genético que influye sutilmente en múltiples vías fisiológicas.

El siguiente paso del equipo es utilizar el modelo marco de Arabidopsis para predecir cómo la secuencia del genoma de la planta controla estas características y rasgos físicos, conocidos como su fenotipo. Si tiene éxito, el enfoque podría aplicarse más ampliamente y conducir a la buscada comprensión "gran unificada" de la biología, revelando la interacción entre los genomas y los sistemas vivos que crean.

Usando este enfoque, que tiene como objetivo predecir cómo funcionan los sistemas vivos, se podrían desarrollar modelos similares para ayudar a dar sentido a los vastos conjuntos de datos generados por los avances en la secuenciación del genoma. Este tipo de avance también podría desentrañar la complejidad de los resultados moleculares para descifrar cuáles son los más importantes y tienen mayor impacto sobre la salud y la enfermedad en los organismos vivos.

El profesor Andrew Millar de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Edimburgo dice que “el éxito del modelo Framework muestra que podemos comprender los efectos sutiles a nivel de toda la planta, en este caso simplemente cambiando el momento de la expresión génica. Por 'entender' queremos decir 'explicar y predecir'. No todos los detalles de este modelo se transferirán a las especies de cultivo, pero amplía las 'pruebas de principio' para informar la mejora de cultivos a nivel molecular”.

LEA EL ARTÍCULO:
Chew, YH, Seaton, DD, Mengin, V., Flis, A., Mugford, ST, George, GM, Moulin, M., Hume, A., Zeeman, SC, Fitzpatrick, TB, Smith, AM, Stitt, M. y Millar, AJ (2022) “La Arabidopsis Framework Model versión 2 predice los efectos a nivel de organismo de la mala regulación del gen del reloj circadiano. in silico Plants, 4(2). Disponible en: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010.

Publicación original en la Universidad de Edimburgo.