EDUARDO CESAREn 1729 el astrónomo francés Jean Jacques d’Ortous de Mairan hizo un descubrimiento importante en biología. Al lado del telescopio que usaba para observar los astros, tenía una maceta con la planta Mimosa pudica, la popular sensitiva, vergonzosa o dormilona, que cierra sus menudas hojas cuando alguien la toca. De Marian notó que no siempre era necesario rozar sus hojas para que se recogieran – a la noche se cerraban naturalmente y volvían a abrirse cuando el día llegaba. Por curiosidad, puso a la planta en un baúl cerrado que guardó en un sótano oscuro. Para su sorpresa, aun sin luz, la misma seguía abriendo y cerrando sus hojas como si preservara una memoria de la duración del día y la noche. Un siglo y medio más tarde, el botánico alemán Wilhelm Pfeffer arribaría a la conclusión de que los movimientos de la Mimosa pudica en la oscuridad constante tenían su origen en un mecanismo interno de la planta: el llamado reloj biológico, un conjunto de genes, proteínas y otras moléculas que regula el ritmo de fenómenos físicos y químicos – a ejemplo del movimiento de las hojas, la apertura de las flores o la producción de azúcares (fotosíntesis) – y los mantiene en sincronía con los cambios en el ambiente, tales como la duración del día o el cambio de las estaciones del año.
Siglos después de los primeros experimentos, una serie de estudios recientes realizados en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, con la participación de un investigador brasileño, aporta una nueva comprensión acerca del funcionamiento y la composición del reloj biológico de las plantas.
Hasta hace poco tiempo se pensaba que el funcionamiento del reloj biológico era regulado únicamente por un conjunto de alrededor de diez genes y las proteínas que los mismos producen. Experimentos encabezados por Alex Webb, del Departamento de Ciencias de las Plantas de Cambridge, demostraron que no es precisamente así. El grupo, del cual forma parte el biólogo brasileño Carlos Hotta, descubrió que a decir verdad el reloj biológico de los vegetales se ajusta mediante moléculas mucho menores, tales como la adenosina difosfato ribosa cíclica (ADPRc), conocida porque les señala a las plantas situaciones ambientales extremas tales como la escasez de agua, la falta o exceso de luz solar, la ausencia de nutrientes en el suelo y el frío o el calor intensos.
“Ya sabíamos que la ADPRc era responsable de activar parte de los mecanismos de protección de la planta, entre ellos el cierre de pequeños poros existentes en las hojas para evitar la pérdida de agua”, dice Hotta, quien tuvo un papel fundamental en la planificación, la conducción y el análisis de los resultados de la investigación realizada durante su doctorado en Cambridge, entre 2003 y 2007. “Ahora vimos que la ADPRc también puede incorporar informaciones sobre cambios ambientales al reloj biológico que regula la fisiolo0gía de las plantas”, afirma el biólogo, quien cursa su posdoctorado en el Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), uno de los autores del artículo que describió el hallazgo en diciembre pasado en Science.
Este trabajo altera de manera importante la comprensión acerca de cómo funcionan los relojes biológicos, con posibles implicaciones incluso en la agricultura. “Demostramos que una parte del mecanismo de marcación del tiempo depende de moléculas pequeñas como la ADPRc y no solamente de genes o proteínas”, afirma Hotta. “Es un pequeño cambio de paradigma”. Si antes los investigadores prestaban atención únicamente a los niveles de actividad de los genes, de ahora en adelante deberán aprender también de qué modo dichas moléculas se comportan en el interior de las células vegetales y contribuyen al ajuste del reloj biológico.
La participación de la ADPRc como engranaje de este mecanismo de medición del tiempo permite por ejemplo comprender por qué las plantas se adaptan tan rápidamente a las alteraciones en el ambiente tales como la variación de la temperatura o de la luz solar. Por ser muy pequeña, la ADPRc es producida por las células en cuestión de minutos, mientras que la fabricación de una proteína, miles de veces mayor, consume horas. “Esta molécula parece actuar en la regulación fina del reloj biológico”, comenta Hotta.
Ya se sabía que en los mamíferos la ADPRc se liga a canales de organelas celulares que almacenan calcio, abriéndolos. Como un interruptor, el calcio liberado activa y desactiva una serie de proteínas, funcionando como una especie de mensajero químico. También había evidencias de que funcionaba de la misma forma en las plantas, controlando la apertura y el cierre de los poros (estómatos) de las hojas, el crecimiento de los pelos de las raíces y la fecundación de las flores.
Por cierto, Hotta empezó su doctorado interesado en investigar la función del calcio, no la de la ADPRc en las células vegetales. “Mi objetivo era descubrir si ese elemento químico influía en el funcionamiento del reloj biológico”, explica. Estudios anteriores demostraron que los niveles de calcio en las células de las plantas varían con el correr del día, aumentando en el período de luz y disminuyendo al oscuro, en un patrón que se repite cada 24 horas – razón por la cual ese ritmo es conocido como circadiano, es decir, que oscila en el período de aproximadamente un día. Pero no se conocía el efecto provocado por esa variación. “Hasta ahora se pensaba que el reloj biológico mandaba informaciones a las células, usando el calcio como mensajero”, comenta el biólogo. Para la sorpresa del grupo, los experimentos revelaron que la función del calcio no es regular la fotosíntesis u otros procesos. Ese elemento químico integra el propio reloj biológico, como si fuera un engranaje del centro de ese mecanismo de marcación del tempo. “Existe una retroalimentación en ese proceso, es decir, la ADPRc controla el reloj y al mismo tiempo es controlada por él”, dice Hotta.
EDUARDO CESARPara arribar a esa conclusión, los investigadores emplearon drogas que bloquearon la producción del ADPRc en la Arabidopsis thaliana, una hierba de la familia de las mostazas adoptada como modelo para estudiar diversos fenómenos en biología. La ausencia de ADPRc retardó el mecanismo de marcación del tiempo. Los ciclos de movimiento de las hojas, el uso de azúcares en la producción de energía o la apertura y cierre de los estomatos, que antes se repetían cada 24 horas, pasaron a durar hasta 27 horas. “Todos los ritmos dependientes del reloj que medimos se vuelven más lentos”, afirma Hotta. “Eso nos ayudó a concluir que la ADPRc es parte de ese sistema de medición del tiempo que ayudan a optimizar el crecimiento de la planta.”
El ajuste rápido del sistema permite a la planta prepararse de antemano para cambios en el ambiente y estar lista, por ejemplo, para capturar gas carbónico e iniciar la fijación de azúcares (fotosíntesis) antes del amanecer, en lugar de poner ese proceso en marcha solamente después de detectar los primeros rayos de sol. Ese mismo mecanismo hace posible la producción de moléculas que protegen a las hojas de la radiación ultravioleta antes que el sol esté más fuerte al mediodía.
Como la ADPRc ajusta aquello a lo que los biólogos denominan período del reloj – el tiempo que un fenómeno tarda para repetirse –, se cree que esa molécula influye sobre todos los ritmos biológicos controlados por el reloj de la planta, a ejemplo de la floración, la fotosíntesis, la síntesis y de la rotura del almidón.
Tamaña influencia estimula a los investigadores a buscar estrategias destinadas a ajustar el reloj de plantas usadas en la agricultura e incrementar la productividad. Aunque el estudio haya sido hecho con la Arabidopsis thaliana, Hotta cree que muchos de los descubrimientos deben valer para otras especies. “Trabajos llevados a cabo con otras plantas han revelado que varios de los componentes del reloj son los mismos”, dice.
En otra serie de experimentos con Arabidopsis thaliana, Hotta constató que la oscilación de los niveles de calcio es controlada por el gen TOC1 (sigla en inglés de regulador de la proteína que se liga a las clorofilas A y BL). Una alteración específica – la TOC1-2 – en ese gen redujo el período de variación de los niveles de calcio y otros ritmos a 21 horas. Cambios en otras regiones del gen dejaron ritmos biológicos como el de la apertura de los estomatos o de movimiento de las hojas con 21 horas, mientras que el de la variación de calcio permaneció con 24 horas, según un estudio publicado en noviembre del año pasado en Plant Cell. “Es un indicio de que existen dos tipos de reloj en la planta, ambos dependientes de la TOC1, pero con características distintas”, dice Hotta, quien investiga la existencia y el funcionamiento de relojes biológicos en la caña de azúcar en el posdoctorado que desarrolla con financiamiento de la FAPESP en el Laboratorio de Señalización Celular del IQ-USP.
El primer paso consiste en verificar si el reloj de la caña es similar al de la Arabidopsis, para después conocer su papel en el control de características tales como la acumulación de azúcar y la resistencia a la sequía. Esas informaciones en el futuro pueden llevar a la mejora y al aumento de la productividad de la caña.
Artículos científicos
DODD, A.N. et al. The Arabidopsis circadian clock incorporates a cADPR-based feedback loop. Science. v. 318, p. 1789-1792. 14 dic. 2007.
XU, X.; HOTTA, C.T. et al. Distinct light and clock modulation of cytosolic free Ca2+ oscillations and rhythmic chlorophyll A/B binding protein2 promoter activity in Arabidopsis. The Plant Cell. v. 19, p. 3474-3490. nov. 2007.
