Descubren el primer sensor de temperatura de plantas

“Ya se habían identificado en plantas receptores de luz y de hormonas, pero nunca se había descubierto de manera inequívoca ningún sensor de temperatura”, afirma el líder del hallazgo publicado en revista Science, el doctor Jorge Casal, investigador superior del CONICET y jefe del Laboratorio de Fisiología Molecular de Plantas de la Fundación Instituto Leloir.

En la década de 1950, Harry Borthwick, Sterling Hendricks y sus colaboradores, del Centro de Investigaciones de Beltsville del Departamento de Agricultura de Estados Unidos, descubrieron que las plantas contenían diferentes receptores de luz a los que llamaron “fitocromos”. Estas estructuras, dispersas en partes como las hojas, el tallo y las raíces, funcionan como ojos que le “informan” al vegetal acerca de las variaciones de la luz ambiental a lo largo del día y de las estaciones.

Pero ahora, de manera inesperada, Casal y su equipo descubrieron que un tipo de fitocromo (B) también registra o “sensa” la temperatura. “Es un resultado bastante sorprendente, porque uno no habría esperado que un receptor de la luz, conocido desde hace poco más de medio siglo, también lo fuera de la temperatura”, señala el investigador. Es como si un detector lumínico también tuviera un termómetro incorporado.

“Este sensor informa a la planta sobre si hace frío o calor, durante el día y en las distintas estaciones. A partir de esta información, se desencadenan reacciones moleculares que inducen su desarrollo y crecimiento cuando las condiciones climáticas son favorables”, agrega Casal, quien también es vicedirector del Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura (IFEVA, CONICET-UBA).

De acuerdo con el científico, el hallazgo sienta bases para el desarrollo futuro de cultivos que se adapten a diferentes condiciones climáticas. “Mediante la intervención de los mecanismos moleculares que regulan el sensor de temperatura, se podrían crear herramientas para ajustar determinados cultivos a temperaturas para las cuales no están acostumbrados. Por esta razón, nuestro trabajo cobra relevancia en el contexto del cambio climático”, afirmó.

¿Cómo se hizo el descubrimiento?

El doctor Casal y su equipo identificaron el receptor de temperatura realizando experimentos con plantas de la especie Arabidopsis thaliana, que comparte características genéticas con el trigo, el maíz, la papa y otros cultivos claves para la seguridad alimentaria mundial.

Explica Casal: “Cuando empezamos los experimentos, no imaginamos que íbamos a llegar a estos resultados. De alguna manera, pensábamos que la temperatura iba a perturbar al fitocromo en su capacidad para sensar en el espectro lumínico la luz roja y la roja lejana, indicadores respectivos de mayor o menor luz ambiental. Y esperábamos que en cierta medida aparecieran mecanismos compensatorios para que el fitocromo pudiera cumplir bien su función”.

“Sin embargo, para nuestra sorpresa, descubrimos que el fitocromo integra al mismo tiempo los datos de luz y temperatura, hace un balance de esa información y la comunica a la planta para que ‘sepa’ las condiciones del ambiente”, indica Casal, quien el año pasado ganó el Premio de Investigación George Forster concedido por la Fundación Alexander von Humboldt, en Alemania, por la relevancia de sus proyectos que apuntan a mejorar la productividad agrícola. Para dar ese “reporte meteorológico”, el fitocromo activa genes y proteínas.

Con el objeto de confirmar que el fitocromo B también es un sensor de temperatura, Casal y sus colegas lo estudiaron in vitro como molécula aislada, luego dentro de una célula vegetal y, por último, en plantas sometidas a variaciones de luz y temperatura.

“Los estudios in vitro nos permitieron mirar la estructura del fitocromo B a nivel molecular y percibir sus transformaciones a medida que se sometía de manera simultánea a variaciones de luz y de temperatura. Pudimos observar que esa molécula responde rápidamente y hace un balance entre ambas informaciones”, indica Casal.

El siguiente paso fue ver qué ocurría a nivel celular en plantas normales y otras con mutaciones genéticas cuyos receptores eran sensibles a la luz, pero no a la temperatura. Desde hace tiempo se sabía que las variaciones de luz modifican la distribución de los fitocromos en el núcleo de la célula. “Utilizando equipos de microscopia confocal, observamos que la temperatura también determinaba la concentración o dispersión de esos sensores en el núcleo de la célula. Y que el balance entre temperatura y luz era lo que determinaba esa distribución”, añade.

Por último, Casal y su grupo realizaron experimentos para estudiar el impacto de las variaciones ambientales sobre el funcionamiento de los fitocromos y el crecimiento y desarrollo de las plantas. Para ello, pusieran plantas normales y mutantes (con fitocromos incapaces de registrar la temperatura) en cubas. Y las evaluaron mediante un espectrofotómetro: un equipo que sirve para medir y registrar los cambios físicos y químicos del fitocromo B a medida que se alteran la luz y la temperatura

“El análisis demostró que el fitocromo B también registra y mide temperatura y hace un balance entre esa información y la de la luz. Ese promedio de datos ponen o no a esa molécula en un estado activo o en reposo. Y eso se traduce en el desarrollo y crecimiento de las plantas”, dice Casal.

Por ejemplo, una variable fisiológica medida fue el crecimiento del tallo. Cuando hay luz, el tallo crece poco; pero si hay sombra o temperatura elevada, crece mucho. “Las respuestas de crecimiento promovido se atribuían a la activación del fitocromo por los cambios de luz. Pero con nuestro trabajo, también demostramos que las temperaturas elevadas remueven la forma activa del fitocromo y el tallo comienza a prolongarse”, precisa.

Los investigadores también armaron una base de datos con información de las plantas con fitocromos normales y mutantes creciendo en condiciones distintas de luz. “Con esta información, elaboramos un modelo matemático que nos permite averiguar cómo se va a comportar la planta tomando en cuenta si el fitocromo va a ser afectado por la temperatura o si va a ignorar su efecto. Eso nos permitió cuantificar el impacto de esa variable en el crecimiento de los modelos vegetales”, destaca Casal, quien agrega que este conocimiento sienta bases para el desarrollo de estrategias que impacten en la productividad de cultivos a gran escala.

¿Cuál es la implicancia del estudio?

En un contexto de cambio climático, saber cómo las plantas leen la información térmica brinda una herramienta que permite pensar en ampliar el rango de temperatura propicio para distintos cultivos. “En estos momentos, estamos estudiando distintos genotipos de maíz y analizaremos su respuesta combinada a temperatura y luz en articulación con estudios genéticos del fitocromo B”, anuncia Casal.

“La producción de alimentos debe aumentar a un ritmo más rápido para satisfacer la demanda de una población humana en aumento. Necesitamos generar una segunda revolución verde, y para ello es necesario realizar un trabajo en conjunto entre científicos de diferentes disciplinas, incluyendo biólogos moleculares, biotecnólogos y agrónomos, sectores de la producción y tomadores de decisión”, concluye Casal.

Del avance también participaron Martina Legris, primera autora del paper y becaria doctoral del CONICET; Cecilia Costigliolo, becaria doctoral de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica; y el ingeniero Maximiliano Neme. Y colaboraron investigadores de las universidades de Cambridge, en el Reino Unido, de Friburgo, en Alemania, y de Washington, en San Luis, Estados Unidos.