En 1967, la bióloga estadounidense Lynn Margulis formuló su famosa
teoría endosimbiótica, que explica la presencia de orgánulos con
material genético propio dentro de las células eucariotas como resultado
de una simbiosis primitiva de una bacteria dentro de otra célula. En
este proceso de simbiosis, estos orgánulos, las mitocondrias y los
cloroplastos, fueron transfiriendo gran parte de su material genético al
núcleo de la célula. De esta manera, el núcleo, que posee la mayor
parte del ADN de la célula, se convirtió en 'director' y proveedor de la
mayoría de proteínas de la célula. Gracias a su función de 'director
celular', el núcleo envía constantemente señales al resto de orgánulos
celulares para ejecutar funciones importantes, como por ejemplo, la
división o la diferenciación celular.
La función principal de las
mitocondrias y los cloroplastos en la producción de energía celular es
bien conocida. También lo es el hecho de que estos orgánulos pueden
enviar señales al núcleo para informarle de su estado, lo que se conoce
como señalización retrógrada. Mitocondrias y cloroplastos utilizan la
señalización retrógrada para solicitar al núcleo las proteínas
necesarias para ejercer su función de productores de energía
correctamente.
El cloroplasto también regula el desarrollo de la planta por un mecanismo que hemos podido describir a nivel molecular
Además, en el caso de las células animales, se ha descrito que la
señalización retrógrada es importante para una variedad de funciones
celulares diferentes de la producción de energía. Por ejemplo, en
células animales la señalización de la mitocondria al núcleo modula
procesos tan importantes como la división celular e influye en la
progresión de los tumores.
En el estudio que se publica ahora en la revista Nature Communications,
el equipo liderado por la investigadora del Consejo Superior de
Investigaciones Científicas en el Centro de Investigación en
Agrigenómica (CRAG), Elena Monte, describe por primera vez, que los
efectos de la señalización retrógrada en plantas van mucho más allá de
lo que se había descrito hasta ahora, siendo capaz de modular el
desarrollo global de la planta.
"Nos sorprendió descubrir que las
señales provenientes del cloroplasto tienen la capacidad de modificar el
desarrollo de la planta, incluso imponiéndose jerárquicamente al
núcleo", explica Guiomar Martín, estudiante de doctorado del CRAG y
primera autora del artículo. "Ahora sabemos que, al igual que la
señalización de la mitocondria al núcleo regula procesos clave en los
animales, el cloroplasto también regula el desarrollo de la planta por
un mecanismo que hemos podido describir a nivel molecular", añade la
investigadora principal del estudio, Elena Monte.
El
grupo de investigación del CRAG utilizó pequeñas plántulas de
Arabidopsis thaliana en proceso de desarrollo guiado por la luz
(fotomorfogénesis) y las trató con un fármaco que daña los cloroplastos.
Sorprendentemente, las plantas tratadas con el fármaco adquirían un
aspecto similar a las plantas crecidas en ausencia de luz, indicando que
la señalización retrógrada estaba, en este caso, reprimiendo la
fotomorfogénesis normal a pesar de la presencia de luz. En vista de este
resultado, los investigadores buscaron cuál era el mecanismo molecular
que causaba este efecto.
Experimentos posteriores indicaron que el
gen nuclear GLK1 es clave en la regulación de la fotomorfogénesis,
siendo un gen que está regulado por la señalización retrógrada y por las
proteínas PIF, que son sensibles a la luz. En oscuridad las proteínas
PIF son abundantes y evitan la acción de GLK1, pero cuando la plántula
sale de bajo tierra y le llega la luz, las proteínas PIF se degradan,
permitiendo que GLK1 promueva el desarrollo fotomorfogénico de la
plántula, que incluye por ejemplo, la expansión de las hojas y la
adquisición de la clorofila y por lo tanto, del color verde.
El gen nuclear GLK1 es clave en la regulación de la fotomorfogénesis
Sin embargo, cuando el cloroplasto se daña (p. ej. al aplicar el
fármaco) o detecta que las condiciones ambientales son estresantes (p.
ej. al someter la planta a iluminación excesiva) la expresión de GLK1
baja en respuesta a las señales retrógradas enviadas por el cloroplasto,
por un mecanismo independiente de PIF. Gracias a este mecanismo
molecular, que permite frenar el desarrollo, la planta se protege del
daño foto-oxidativo y queda a la espera de que las condiciones sean
favorables para el crecimiento.
Así pues, en el artículo se
describe por primera vez que el cloroplasto funciona como una antena
sensora de estrés capaz de tomar temporalmente la dirección de la célula
al núcleo para modificar el desarrollo de la planta y protegerla.
Para
Elena Monte, "este trabajo contribuye a entender cómo los orgánulos
endosimbióticos en eucariotas pueden cambiar el desarrollo global del
organismo". "En plantas, este avance puede ayudar a encontrar soluciones
para hacer frente al aumento de la radiación, y por tanto, al estrés
lumínico, como consecuencia del cambio climático", añade la experta.
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| Cloroplasto visto al microscopio electrónico |
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